Hudební tvorba. Mastering - část 2

O tom, že mastering v procesu hudební produkce je posledním krokem na cestě od myšlenky hudby k jejímu doručení příjemci, jsem psal v minulém čísle. Podívali jsme se podrobně i na digitálně nahraný zvuk, ale ještě jsem neřešil, jak se toto audio převedené na měniče střídavého napětí převádí do binární podoby.

1. Každý složitý zvuk, dokonce i velmi vysoký stupeň složitosti, se ve skutečnosti skládá z mnoha jednoduchých sinusových zvuků.

Předchozí článek jsem zakončil otázkou, jak je možné, že v tak zvlněné vlně (1) je zakódován veškerý hudební obsah, i když se bavíme o mnoha nástrojích hrajících polyfonní party? Zde je odpověď: je to způsobeno skutečností, že jakýkoli komplexní zvuk, dokonce i velmi složitý, skutečně je skládá se z mnoha jednoduchých sinusových zvuků.

Sinusový charakter těchto jednoduchých průběhů se mění jak s časem, tak s amplitudou, tyto průběhy se překrývají, sčítají, odečítají, modulují a tak nejprve vytvářejí jednotlivé zvuky nástroje a poté kompletují mixy a nahrávky.

To, co vidíme na obrázku 2, jsou určité atomy, molekuly, které tvoří naši zvukovou hmotu, ale v případě analogového signálu žádné takové atomy neexistují – je zde jedna sudá čára, bez teček označujících následující hodnoty (rozdíl je vidět na obrázek v krocích, které jsou graficky aproximovány pro získání odpovídajícího vizuálního efektu).

Protože však přehrávání nahrané hudby z analogových nebo digitálních zdrojů musí být prováděno pomocí mechanického elektromagnetického převodníku, jako je reproduktorový nebo sluchátkový převodník, je rozdíl mezi čistým analogovým zvukem a digitálně zpracovaným zvukem ve většině případů ohromující. V konečné fázi, tj. při poslechu se k nám hudba dostává stejně jako vibrace částic vzduchu způsobené pohybem membrány v měniči.

2. Molekuly, které tvoří naši zvukovou hmotu

analogová číslice

Existují nějaké slyšitelné rozdíly mezi čistým analogovým zvukem (tj. analogově nahraným na analogovém magnetofonu, smíchaným na analogové konzole, komprimovaným na analogovém disku, přehrávaným na analogovém přehrávači a zesíleném analogovém zesilovači) a digitálním zvukem – převedeným z z analogového na digitální, zpracováno a smícháno digitálně a poté zpracováno zpět do analogové formy, je to přímo před zesilovačem nebo prakticky v samotném reproduktoru?

V drtivé většině případů spíše ne, i když pokud bychom stejný hudební materiál nahráli oběma způsoby a následně přehráli, rozdíly by určitě byly slyšitelné. To však bude způsobeno spíše povahou nástrojů používaných v těchto procesech, jejich charakteristikami, vlastnostmi a často omezeními, než samotnou skutečností použití analogové nebo digitální technologie.

Předpokládáme přitom, že uvedení zvuku do digitální podoby, tzn. explicitně atomizované, nijak výrazně neovlivňuje samotný proces nahrávání a zpracování, tím spíše, že tyto vzorky se vyskytují na frekvenci, která – alespoň teoreticky – je daleko za horní hranicí frekvencí, které slyšíme, a proto tato specifická zrnitost zvuku převádí do digitální podoby, je pro nás neviditelná. Z hlediska zvládnutí zvukového materiálu je to však velmi důležité a o tom si povíme později.

Nyní pojďme zjistit, jak se analogový signál převádí do digitální formy, konkrétně nula-jedna, tj. takový, kde napětí může mít pouze dvě úrovně: digitální jedna úroveň, což znamená napětí, a digitální úroveň nuly, tzn. toto napětí prakticky neexistuje. Všechno v digitálním světě je buď jedna, nebo nula, neexistují žádné mezihodnoty. Samozřejmě existuje i tzv. fuzzy logika, kde stále existují mezistavy mezi stavy „zapnuto“ nebo „vypnuto“, ale není použitelná pro digitální audio systémy.

3. Vibrace částic vzduchu způsobené zdrojem zvuku uvádějí do pohybu velmi lehkou strukturu membrány.

Transformace Část první

Jakýkoli akustický signál, ať už jde o zpěv, akustickou kytaru nebo bicí, je odeslán do počítače v digitální podobě, musí být nejprve převeden na střídavý elektrický signál. To se obvykle provádí pomocí mikrofonů, ve kterých vibrace částic vzduchu způsobené zdrojem zvuku pohání velmi lehkou konstrukci membrány (3). Může to být membrána obsažená v kapsli kondenzátoru, pásek z kovové fólie v páskovém mikrofonu nebo membrána s cívkou připojenou k dynamickému mikrofonu.

V každém z těchto případů na výstupu mikrofonu se objeví velmi slabý, oscilující elektrický signálkterý ve větší či menší míře zachovává poměry frekvence a úrovně odpovídající stejným parametrům kmitající částice vzduchu. Jedná se tedy o jakousi jeho elektrickou obdobu, kterou lze dále zpracovávat v zařízeních zpracovávajících střídavý elektrický signál.

Od začátku signál mikrofonu musí být zesílenprotože je příliš slabý na to, aby se dal jakýmkoli způsobem použít. Typické výstupní napětí mikrofonu je v řádu tisícin voltu, vyjádřeno v milivoltech a často v mikrovoltech nebo miliontinách voltu. Pro srovnání dodejme, že běžná prstová baterie produkuje napětí 1,5 V a jedná se o konstantní napětí, které nepodléhá modulaci, to znamená, že nepřenáší žádné zvukové informace.

Stejnosměrné napětí je však potřeba v každém elektronickém systému, aby bylo zdrojem energie, která pak bude modulovat střídavý signál. Čím je tato energie čistší a účinnější, čím méně je vystavena proudovému zatížení a poruchám, tím čistší bude signál AC zpracovávaný elektronickými součástmi. To je důvod, proč je napájecí zdroj, konkrétně napájecí zdroj, tak důležitý v každém analogovém audio systému.

4. Mikrofonní zesilovač, také známý jako předzesilovač nebo předzesilovač

Mikrofonní zesilovače, známé také jako předzesilovače nebo předzesilovače, jsou určeny k zesílení signálu z mikrofonů (4). Jejich úkolem je zesílit signál, často i o několik desítek decibelů, tedy zvýšit jejich úroveň o stovky i více. Na výstupu předzesilovače tak dostaneme střídavé napětí, které je přímo úměrné vstupnímu napětí, ale převyšuje ho stokrát, tzn. na úrovni od zlomků po jednotky voltů. Tato úroveň signálu je určena úroveň linky a toto je standardní provozní úroveň ve zvukových zařízeních.

Transformace část druhá

Analogový signál této úrovně již může být předán proces digitalizace. To se provádí pomocí nástrojů nazývaných analogově-digitální převodníky nebo převodníky (5). Proces převodu v klasickém PCM režimu, tzn. Pulse Width Modulation, v současnosti nejoblíbenější režim zpracování, je definován dvěma parametry: vzorkovací frekvence a bitová hloubka. Jak správně tušíte, čím vyšší jsou tyto parametry, tím lepší bude převod a tím přesnější bude signál přiváděn do počítače v digitální podobě.

5. Převodník nebo analogově-digitální převodník.

Obecné pravidlo pro tento typ konverze vzorkování, to znamená odebírání vzorků analogového materiálu a vytváření jeho digitální reprezentace. Zde je interpretována okamžitá hodnota napětí v analogovém signálu a jeho úroveň je reprezentována digitálně v binární soustavě (6).

Zde je však nutné stručně připomenout základy matematiky, podle kterých lze libovolnou číselnou hodnotu reprezentovat v libovolný číselný systém. V průběhu historie lidstva se používaly a stále používají různé číselné soustavy. Například pojmy jako tucet (12 kusů) nebo penny (12 tuctů, 144 kusů) jsou založeny na duodecimální soustavě.

6. Hodnoty napětí v analogovém signálu a reprezentace jeho úrovně v digitální podobě v binární soustavě

Pro čas používáme smíšené systémy - šestičlenná pro sekundy, minuty a hodiny, duodecimální derivace pro dny a dny, sedmá soustava pro dny v týdnu, čtvercová soustava (souvisí také s duodecimální a šestinásobnou soustavou) pro týdny v měsíci, duodecimální soustava k označení měsíců v roce a pak se přesuneme do desítkové soustavy, kde se objevují desetiletí, staletí a tisíciletí. Myslím, že příklad využití různých systémů pro vyjádření plynutí času velmi dobře ukazuje povahu číselných soustav a umožní vám efektivněji se orientovat v otázkách spojených s převodem.

V případě převodu analogového signálu na digitální budeme nejběžnější převést desetinné hodnoty na binární hodnoty. Desetinné, protože měření pro každý vzorek je obvykle vyjádřeno v mikrovoltech, milivoltech a voltech. Poté bude tato hodnota vyjádřena ve dvojkové soustavě, tzn. pomocí dvou v něm fungujících bitů - 0 a 1, které označují dva stavy: žádné napětí nebo jeho přítomnost, vypnuto nebo zapnuto, proud nebo ne atd. Vyhneme se tak zkreslení a implementace všech akcí je mnohem jednodušší díky použití tzv. změna algoritmů, kterými se zabýváme například ve vztahu ke konektorům nebo jiným digitálním procesorům.

Jste nula; nebo jeden

Těmito dvěma číslicemi, nulami a jedničkami, můžete vyjádřit každou číselnou hodnotubez ohledu na jeho velikost. Jako příklad uvažujme číslo 10. Klíčem k pochopení převodu desítkové soustavy na binární je to, že číslo 1 v binární soustavě, stejně jako v desítkové soustavě, závisí na své pozici v číselném řetězci.

Pokud je 1 na konci binárního řetězce, pak 1, pokud je na druhém od konce - pak 2, na třetí pozici - 4 a na čtvrté pozici - 8 - vše v desítkové soustavě. V desítkové soustavě je stejná 1 na konci 10, předposlední 100, třetí 1000, čtvrtá XNUMX je příkladem pro pochopení analogie.

Pokud tedy chceme reprezentovat 10 v binární podobě, budeme muset reprezentovat 1 a 1, takže jak jsem řekl, byla by to 1010 na čtvrtém místě a XNUMX na druhém, což je XNUMX.

Pokud bychom potřebovali převést napětí od 1 do 10 voltů bez zlomkových hodnot, tzn. při použití pouze celých čísel postačuje převodník, který dokáže reprezentovat 4bitové sekvence v binární podobě. 4bitové, protože tento převod binárních čísel bude vyžadovat až čtyři číslice. V praxi to bude vypadat takto:

0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

10 1010

Tyto úvodní nuly pro čísla 1 až 7 jednoduše doplní řetězec na celé čtyři bity, takže každé binární číslo má stejnou syntaxi a zabírá stejné množství místa. V grafické podobě je takový převod celých čísel z desítkové soustavy do dvojkové znázorněn na obrázku 7.

7. Převeďte celá čísla v desítkové soustavě na binární soustavu

Horní i dolní průběhy představují stejné hodnoty, kromě toho, že první je srozumitelný například pro analogová zařízení, jako jsou lineární měřiče úrovně napětí, a druhý pro digitální zařízení, včetně počítačů, které zpracovávají data v takovém jazyce. Tato spodní vlna vypadá jako čtvercová vlna s proměnnou výplní, tzn. rozdílný poměr maximálních hodnot k minimálním hodnotám v průběhu času. Tento proměnný obsah kóduje binární hodnotu signálu, který má být převeden, odtud název "pulzní kódová modulace" - PCM.

Nyní zpět ke konverzi skutečného analogového signálu. Již víme, že jej lze popsat čárou znázorňující plynule se měnící úrovně a neexistuje nic takového jako skokové znázornění těchto úrovní. Pro potřeby analogově digitálního převodu však musíme zavést takový proces, abychom mohli čas od času změřit úroveň analogového signálu a reprezentovat každý takto naměřený vzorek v digitální podobě.

Předpokládalo se, že frekvence, při které by se tato měření prováděla, by měla být alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence, kterou člověk slyší, a protože je to přibližně 20 kHz, nej 44,1 kHz zůstává oblíbenou vzorkovací frekvencí. Výpočet vzorkovací frekvence je spojen s poměrně složitými matematickými operacemi, což v této fázi našich znalostí převodních metod nedává smysl.

Více je to lepší?

Vše, co jsem uvedl výše, může naznačovat, že čím vyšší vzorkovací frekvence, tzn. měření úrovně analogového signálu v pravidelných intervalech, tím vyšší je kvalita převodu, protože je - alespoň v intuitivním smyslu - přesnější. Je to opravdu pravda? To se dozvíme za měsíc.