Transcription: Rozdział 2 - Podstawy Fizyki, Matematyki i Elektroakustyki

Description generated by Skrybot

cyfrową. W tym filmie eksplorujemy świat dźwięku i akustyki - od zrozumienia układu współrzędnych kartezjańskich, poprzez analizę sinusoid i ich parametrów, takich jak amplituda i częstotliwość, aż po wpływ opóźnień czasowych na przesunięcie sinusoidy. Przyjrzymy się również zjawisku interferencji fal dźwiękowych i możliwym wynikom: wzmacnianiu, anulowaniu lub częściowemu pokrywaniu się. Następnie zbadamy, jak przeszkody takie jak ściany mogą wpływać na wartości akustyczne, powodując echa i pogłos, oraz jak materiały absorbujące dźwięk, np. wełna mineralna, mogą pomóc w jego tłumieniu. Omówimy także kwestię zależności prędkości dźwięku od temperatury, wpływu wieku i uszkodzeń na naszą zdolność słyszenia oraz jak nasz system słuchowy jest w stanie odróżnić różnicę 10 dB w poziomie dźwięku. Przyjrzymy się też różnym systemom dźwięku - od monofonicznych po stereofoniczne, aż po systemy dźwięku przestrzennego, takie jak Dolby Atmos. Na koniec zbadamy, jak konserwatorzy zabytków chronią je przed drganiami spowodowanymi hałasem, ustalając graniczną wartość poziomu dźwięku na 86 dB. Przygotuj się na fascynującą podróż w głąb nauki o dźwięku!

Transcription generated by Skrybot

Zaczniemy sobie od układów współrzędnych. Każdy kto ukończył podstawówkę na pewno zna ten układ. Są to dwie skrzyżowane osie przedstawiające nam rzeczywistość w postaci wykresu. Wszystkie wykresy robione są w ten sposób. Mamy oś poziomą zwaną X i pionową zwaną Y. W naszym przypadku najczęściej osią X będzie czas czyli T, a osią Y będą inne parametry np. amplitud, wartość napięcia. Narysujemy sobie teraz sinusoidę. Sinusoida jest takim podstawowym odzwierciedleniem dźwięku dla nas. Będziemy rozwijali wszystkie jej parametry. Najważniejsze dla nas w tej chwili jest określenie punktu A. Jest to punkt początkowy.

Oznaczymy sobie punkt B, który jest punktem przejścia przez osi X i oznaczymy sobie punkt C, który jest punktem końcowym tej jednej sinusoidy. Zaraz będę to wyjaśniał. Sinusoida startuje nam z punktu zerowego. Osiąga wartość ekstremu. Odłożymy sobie na osi Y załóżmy, że będzie to 1V. Następnie spada w przedziale wartości dodatnich. W punkcie B przechodzi nam przez punkt zerowy i idzie do wartości minimalnych. Odłożymy sobie ekstremu minimalne jako minus 1V. Czyli tutaj zrobimy plus 1V, żeby nie było wątpliwości. I powraca z powrotem i w punkcie C znowu przecina nam osi X i oczywiście idzie sobie tam dalej. Nie dorysowujemy tego w tej chwili.

Co jest istotne dla nas? Po pierwsze, że sinusoida w wartościach przemiennych składa się z połówki występującej w wartości dodatniej i z połówki występującej w wartości ujemnej. Rozważamy teraz tylko taki przykład. Zatem w naszych rozważaniach odcinek AB to będzie 1 druga okresu. Zaraz będę wyjaśniał. Natomiast odcinek AC to będzie dla nas jeden okres, pełny cykl. O co chodzi? W sinusoidzie przyjmujemy jeden pełny cykl jako przejście od punktu początkowego przez wartości dodatnie, przez ekstremum tych wartości dodatnich później spada, przecina nam z powrotem punkt zerowy. Idzie do wartości ujemnych, osiąga ekstremum wartości ujemnych i wraca do punktu zerowego. I wtedy mówimy, że sinusoida wykonała jeden pełny cykl.

Natomiast dla potrzeb akustycznych również rozważa się połówki, dlatego ten odcinek AB, a również czwiartki, ale to w przypadkach bardziej zaawansowanych. Omówiliśmy sobie zatem czym jest jeden cykl. Teraz czym jest amplituda? Amplituda jest to po prostu wartość Y. Amplituda w tym punkcie to będzie np. 1 druga volta. Natomiast w szczycie uznaliśmy, że wpiszemy, że to będzie 1 volt i tu mamy amplitudę 1 volta. Każda sinusoida ma swoją częstotliwość. Częstotliwość określana jest jako F i jest ona według wzoru 1 przez T. Co oznacza dla nas, że to jest ilość cykli w 1 sekundzie. Parametrem jakim mianujemy, czyli nazywamy, wyrażamy tą jednostkę to są herce. Co oznacza np.

że 10 Hz to jest 10 pełnych cykli w 1 sekundzie, 100 Hz odpowiednio będzie 100 pełnych cykli w sekundzie, 1000 Hz to będzie 1000 pełnych cykli w 1 sekundzie. I co to są nam te wszystkie rozważania? Spójrzmy na budowę głośnika. Jego membrana, która jest zawieszona w pewnej równowadze, czyli nie jest ani wypukła, ani wklęsła, zakładamy pewien punkt równowagi, ma w punkcie spoczynkowym, bez przyłożenia jakiejkolwiek siły do głośnika, jakiegokolwiek sygnału, ma ten nasz punkt zerowy, więc moglibyśmy w zasadzie odzwierciedlić sobie ten głośnik tutaj. Wyobraźmy sobie teraz, że w momencie padania sygnału przechodzimy przez wartość dodatnią, czyli głośnik zaczyna wychylać swoją membranę do góry, następnie wraca do poziomu równowagi i zapada się do środka.

Zasada działania głośnika będziemy wyjaśniać w kolejnych rozdziałach, ale chodzi mi o to, żebyście intuicyjnie zrozumieli dlaczego my w ogóle posługujemy się rysunkiem sinusoidy i w jaki sposób ona w rzeczywistości przebiega. Więc wyobraźmy sobie dwa stany. Stan pierwszy, który określi nam ekstremum dodatnie i stan drugi, który określi nam ekstremum ujemne zielonym kolorem. Na tej chwili narysuję to wyolbrzymione, ponieważ głośnik nie ma aż tak bardzo dużego skoku jak na tym rysunek, ale żebyście zrozumieli. Nasza oś X to będzie czas, a nasza oś Y będzie dla nas amplitudą sygnału, amplituda, czyli wychylenie w tym przypadku, które będzie tożsame z przyłożonym napięciem. Im większy sygnał napięcia podamy, tym wyżej wychyli się ta membrana.

Teraz wyobraźmy sobie, że ten głośnik w czasie przesuwa się i rysuje nam wartości dodatnie i ujemne. Zaczynamy od punktu zerowego, używamy koloru czerwonego, startujemy z sygnałem, głośnik porusza się w czasie, następnie spada do poziomu równowagi, w tym momencie zaczynam przyjmować wartości ujemne i powraca do tego samego stanu. Interferencja fal. Interferencja fal jest to nałożenie się dwóch fal na siebie i występują dla nas trzy przypadki. W momencie kiedy jedna sinusoida wyemitowana pierwotnie złoży nam się z sinusoidą odbitą, tu mamy jakiś punkt, w którym się odbija, i tak jakby nakłada się ona z powrotem, to otrzymamy wzmocnienie się tego sygnału wynikowego, plus 6 dB. Co będzie oznaczało, że jeżeli tu mieliśmy jakąś wartość np.

6 dB, to wynikowa sinusoida, zrobimy ją w innym kolorze, to wynikowa sinusoida będzie miała tą samą długość fali, ale będzie większa o 6 dB, czyli tu będzie wartość 12 dB. Drugi przypadek. Tu mamy sinusoidę pierwotną i następuje odbicie. To odbicie jest o przeciwnej polaryzacji, czyli tu gdzie my mieliśmy wartości dodatnie, ona przyjmuje wartości ujemne i na odwrót, wtedy sytuacja wynikowa to będzie wartość 0. Jeżeli mamy dokładnie przeciwne parametry, czyli plus 1V, minus 1V i te dwie sinusoidy złączą się ze sobą, nastąpi tzw. kancelacja, to jest od angielskiego terminu po polsku kasowanie się lub odejmowanie i wartością wynikową będzie 0.

I sytuację tą możemy spotkać dokładnie jeżeli na jednym kanale mielibyśmy sygnał główny, na drugim kanale wysłalibyśmy ten sam sygnał i odwrócili go w polaryzacji, to na sumie nie będzie słychać żadnego sygnału. Elektrycznie ten sygnał złoży się w naszynie miksera i będziemy mieli 0. Natomiast w momencie kiedy obniżymy sobie jeden z sygnałów, zacznie pojawiać się coś, czyli ta wartość, która pozostanie nam pomiędzy tymi wartościami, które się odjęły, czyli coś tam zacznie się pojawiać. Trzecia sytuacja to jest niedokładne złożenie się tych dwóch sygnałów, może ono wynikać np. z opóźnienia czasowego. Jeżeli ustawimy jedne głośniki i drugie głośniki zostaną przesunięte o pewną odległość, to ta odległość to będzie czas, w którym do jakiegoś naszego widza ten dźwięk dojdzie.

Dlatego wystąpi sytuacja przesunięcia czasowego i następna sinusoid będzie opóźniona, czyli jej wartości wystąpią np. przesunięta o jedną milisekundę. Tu mamy również przesunięcie milisekundy. Cały cykl zostanie przesunięty o jedną milisekundę. Wartość skrajna będzie nam wypadała gdzieś tu i gdzieś tutaj. W momencie kiedy nastąpi złożenie tych dwóch sygnałów, jeden z nich jest opóźniony, to nastąpi albo zsumowanie, albo jeżeli ten czas będzie większy odejmowanie, a ta wartość będzie zależna od pewnych fizycznych parametrów. Nie będziemy teraz tego obliczać. Chodzi o to, że czasami ona się wzmocni, a przy większych opóźnieniach może dojść do osłabienia. Jeżeli mamy głośnik i mamy przeszkadę stałą po drugiej stronie, np.

ścianę, zrobiłem tutaj specjalnie nieforemną, to sygnał, który zostanie wyemitowany w postaci fali akustycznej, który trafi na przeszkodę, odbije się i wróci po tej samej drodze. I znowu, i znowu, i znowu, i znowu. Osoba, która będzie stała w środku będzie miała możliwość zaobserwowania tzw. flutter echa, momentu, w którym dźwięk bardzo szybko odbija się od tych ścian, do momentu aż nie wygaśnie jego energia. W momencie, kiedy fala trafia na ścianę skośną, odbije się od niej zgodnie z zasadą, że kąt padania równa się kątowi odbicia. Czyli jeżeli tu mamy kąt alfa, tu mamy kąt beta, to kąt alfa równa się kątowi beta.

Rozważmy sobie sytuację, w której fala natrafia na przeszkodę, czyli jest to fala, która przebiega w tym kierunku i nagle napotyka przeszkodę. Co wówczas stanie się? Te wszystkie cząsteczki, które w żaden sposób nie uderzą w ścianę, w przeszkodę, polecą sobie dalej, ponieważ na ich drodze nie nastąpił żaden opór, natomiast na drodze cząstek, które trafiły na opór, część z nich odbije się, a część z nich po prostu załamie się. Co spowoduje, że fala z postaci prostej stanie się falą zakrzywioną. Rozchodzenie się fali dźwiękowej w ośrodku swobodnym, czyli po prostu załóżmy, że jesteśmy na ogromnym polu rolniczym i nie ma w pobliżu żadnych przeszkód.

Jeżeli postawimy głośnik, kropka symbolizuje nam głośnik, to dźwięk, który wyemitujemy będzie rozchodził się we wszystkich możliwych kierunkach. Źródło w polu swobodnym jest bezkierunkowe, to znaczy, że rozchodzi się promieniście we wszystkich możliwych kierunkach. Natomiast w przypadku pomieszczeń, jeżeli ograniczeni jesteśmy jakimiś przestrzeniami, w momencie kiedy wyemitujemy dźwięk, trafia on na przeszkody i zaczyna rozchodzić się zgodnie z zasadami odbicia w innych kierunkach. Ten odbije się wróci, ten odbije się poleci tak, ten odbije się i wszystkie stany pośrednie.

Tą strefę nazwiemy strefą pogłosu, czyli źródło, które wyemitowało dźwięk i wszystkie fale, które odbiły się tworzą nam strefę, w której słyszymy zarówno dźwięk główny, który dotarł do nas bezpośrednio z głośnika, czyli stąd, jeżeli tu będzie osoba odsłuchująca, to doleci do niej dźwięk pierwotny, jak również wszystkie dźwięki odbite od ścian pod różnym kątem i to zjawisko nazywamy pogłosem pomieszczenia. Pogłos pomieszczenia potrafi nam bardzo skomplikować wyrazistość parametrów muzycznych, wyrazistość mowy na przykład, wyrazistość dźwięków, które wyemitujemy. Najlepszym przykładem można posłużyć się tutaj różnymi akustykami pomieszczenia.

Spelniło się marzenie, które nas złączyło Miłość Twoja przemieniła mnie Spelniło się marzenie, które nas złączyło Miłość Twoja przemieniła mnie Spelniło się marzenie, które nas złączyło Miłość Twoja przemieniła mnie Spelniło się marzenie, które nas złączyło Miłość Twoja przemieniła mnie Czyli w momencie, kiedy będziemy realizowali dźwięk na koncercie plenerowym i nie mamy wokół siebie żadnej przeszkody, załóżmy, że będzie to lotnisko, dźwięk, który zostanie wyemitowany z głośników pójdzie całkowicie w ether i wytłumi go oporność powietrza na jakimś tam dystansie.

W momencie, kiedy wejdziemy do studia i pogłosowość studia nagraniowego zakłada się mniej więcej reżyserka w okolicach 0,3 sekundy, wyemitujemy jakiś dźwięk na gitarze, to ten dźwięk zostanie stłumiony przez ściany, ponieważ ściany zaprojektowane są do tłumienia dźwięku i będziemy właściwie słyszeli bardzo precyzyjnie ten dźwięk z miejsca, w którym emitujemy go, czyli dokładnie w gitarze. W momencie, kiedy wejdziemy do załóżmy hipermarketu, będziemy ten pogłos mieli na jeszcze wyższym poziomie, czyli więcej tego dźwięku zostanie odbitego i z powodu przestrzeni ten pogłos będzie większy, natomiast taki skrajny przypadek to są kościoły i katedry.

Katedra, czyli największy kościół i tam mamy do czynienia z bardzo twardymi posadzka marmurowa, ściany betonowe, czyli sytuacja, w której ten dźwięk nie jest w żaden sposób tłumiony i dźwięk wyemitowany będzie otoczony całą masą odbić, czyli mówimy wtedy, że ten pogłos będzie bardzo intensywny i jego czas będzie bardzo długi, ponieważ ten dźwięk nie będzie się miał gdzie wytłumić. I tu przechodzimy bezpośrednio do tematu pochłonialności dźwięku. Ochłonności Ochłonności mówimy wtedy, kiedy materiał wytraca energię dźwięku poprzez swoją strukturę wewnętrzną. Takim wzorcowym materiałem dla nas jest wełna mineralna. Były to m. in. panele PT-80 firmy Isover, ale również każdy producent Rockul również ma swoje odpowiedniki.

Chodzi o to, że dźwięk wpadający do wnętrza tego panela jest wytracany poprzez drgania jego cząstek, odbija się od ściany i znowu przechodzi przez ten panel. I osłabienie tej energii jest tak duże i w bardzo szerokim paśmie, że uznano, że właściwie jest to najfajniejszy materiał chłonny taki dla budowy studia we własnym zakresie. Oczywiście każdy producent, który zajmuje się panelami akustycznymi czy tam materiałami chłonnymi, również wytwarza inne materiały. Materiały są np. gąbki, basoteka czy inne materiały. Tutaj akurat nie znam się bardzo dobrze na akustyce. Natomiast można bardzo łatwo i bardzo tanim kosztem wykonać takie panele właśnie z wełny mineralnej klasy PT-80 lub innych podobnych paneli, które mają podobną chłonność.

Chodzi tam o gęstość, czyli jak blisko między sobą są te wszystkie włókna oraz o to, w jaki sposób cały panel tłumi dźwięk. I wtedy okazuje się, że za pomocą grubości tego panela decydujemy, jak nisko, jak niskie częstotliwości zaczyna nam tłumić. Standardem jest 10 cm panel, a jeżeli chcemy osiągnąć większą tłumienność w niskich rejestrach, czyli 100 Hz, 80, 50 Hz, wtedy musimy albo zastosować inne materiały, albo ta ściana tłumiąca powinna być dużo grubsza. Prędkość dźwięku Prędkość dźwięku jest zależna od temperatury. Dla najprostszych obliczeń przyjmuje się prędkość 340 m na sekundę i jest to prędkość obliczana w temperaturze 15 stopni. W rzeczywistości zależnie od okoliczności koncerty plenerowe gra się często w wyższych temperaturach.

Im wyższa jest temperatura, tym wyższa jest prędkość dźwięku. Wilgotność nieznacznie wpływa na prędkość rozchodzenia się dźwięku. Ciśnienie, które mamy, również nie wpływa na prędkość dźwięku. Dlatego w przypadku koncertów live'owych, szczególnie jeżeli chodzi o plenery, najważniejsza dla nas jest temperatura powietrza. Pasmo Pasmo słyszalne dla człowieka wynosi przy założeniu, że jest zdrowy i młody 20 Hz do 20 000 Hz. Skracamy to do 20 000 Hz, czyli 20 kHz. Dolna oś będzie x jako Hz, natomiast górna oś y będzie dla nas amplitudą czy tam natężeniem dźwięku w decibelach. Punkt zerowy 0 Hz, punkt skrajny 20 kHz. Pasmo słyszalności zależy od kilku czynników.

Jeżeli rodzimy się zupełnie zdrowym układem, to w wyniku starzenia się nasze kosteczki słuchowe zaczynają sztywnieć. Wewnątrz ucha mamy mechanizm, który poprzez membranę przekazuje drgania i te drgania przesyłane są dalej do nerwów słuchowych. W wyniku starzenia się zaczyna nam odejmować z pasmo słyszenia z najwyższych częstotliwości, ponieważ są to drgania najszybsze, czyli najwięcej razy na sekundę musi ten cały mechanizm zacząć drgać. W ten sposób w wieku średnim, czyli 40-50 lat, przeszkadza się, że mamy około 15 kHz, to jest górna granica, a im starsi jesteśmy, tym mocniej postępuje utrata słuchu, ona może nawet dojść do 1 kHz, w zależności od tego, jak mocno nastąpiły te zjawiska degeneracyjne. Ale tutaj również dochodzimy do kwestii uszkodzeń.

W wyniku urazów, np. uderzenia w ucho, może dojść również do zesztywnienia tego całego układu. I również w wyniku urazów, w wypadku, może dojść do ograniczenia słyszalności, jak również to, co chyba najłatwiej nas spotka, w wyniku wielokrotnego zmęczenia i przeciążenia układ nie ma możliwości się zregenerować, dlatego realizatorzy dźwięku, technicy, u nich degeneracja słuchu postępuje dużo szybciej. Jeżeli ktoś bardzo dba o swój słuch i realizuje koncerty mniejsze, ze średnią głośnością, to minimalizuje ryzyko uszkodzenia słuchu i obniżania się tego pasma słyszalnego. Natomiast jeżeli ktoś pracuje przy bardzo dużych festiwalach, przy agresywnych typach muzyki, czyli np.

ciężki metal albo również muzyka elektroniczna, gdzie bardzo często ludzie pod wpływem narkotyków domagają się wysokich poziomów dźwięku, bardzo łatwo jest, nawet w wieku 40-50 lat, mieć już bardzo ograniczone pasmo słyszalności od góry szczególnie. W wyniku urazów również takie zjawisko może występować przy ekspozycji na określone częstotliwości, czyli np. gitarzysta, który będzie pół życia z głośnika gitarowego grał sobie prosto w ucho, nabawi się takiego urazu. Między innymi Paul Gilbert, gitarzysta zespołu Mr.

Big pokazał kiedyś na swoim Instagramie pomiar dwóch uszu, jedno dość naturalnie przechodzi poziom starzenia, natomiast z tego co pamiętam chyba prawe ucho, czyli to w które kierował głośnik gitarowy ma znaczące ubytki właśnie w tym paśmie gitarowym, czyli 2 kHz i pewien tam zakres obok 2 kHz. Krzywe jednakowego poziomu głośności. Te krzywe mówią nam o tym w jaki sposób ucho ludzkie odbiera daną częstotliwość, jak dużej energii trzeba użyć, żeby osiągnąć taki najniższy poziom słyszalności. I z tego wykresu płyną bardzo ważne wnioski, to znaczy, że nie wszystkie częstotliwości są słyszane na jednakowej głośności.

Jeżeli dostarczymy sygnał o pewnej wartości x, to dla niskich częstotliwości nie będą one słyszalne, natomiast przy częstotliwościach 2 kHz, przy tym natężeniu głośności będzie już ten ton słyszany. To znaczy, że im niższe częstotliwości, tym większej energii musimy użyć, aby ten ton był słyszalny. I pokazuje nam to wykres poniższy. Z lewej strony oś Y prezentuje nam poziom głośności w decibelach, natomiast dolna oś X to częstotliwości. I na przykładu częstotliwość 50 Hz trzeba użyć dużo większej głośności niż w przypadku 4000 Hz, żeby uzyskać ten sam poziom głośności. Czyli podsumowując już całkowicie po ludzku, najsłabiej słyszymy tony niskie, więc jeżeli słuchamy bardzo cicho muzyki, to praktycznie nie słyszymy dolnych rejestrów.

Natomiast bardzo dobrze słyszymy przedział od środka mniej więcej od 1 kHz do 3-4 kHz. Skupmy się jeszcze chwilę na tym, w jaki sposób człowiek słyszy. Oczywiście każdy z nas ma parę uszu. Są one istotne w taki sposób, że występują po dwóch stronach głowy. Na zewnątrz widoczna jest małżowina. Każdy człowiek ma inny kształt małżowiny i to jest związane z tym, że każdy człowiek nieco inaczej słyszy. Oczywiście my nie wiemy jak słyszy inna osoba, więc dla nas nie ma to najmniejszego znaczenia, ale z punktu widzenia fizyki każdy człowiek słyszy nieco inaczej, ale przyzwyczaja się do tego w jaki sposób słyszy. Następnie mamy kanał zewnętrzny.

Jest to forma rurki, przez którą dociera dźwięk bezpośrednio na błonę bębenkową. Pod wpływem sprzężenia z głośnikiem, czyli głośnik emituje fale, czyli tłoczy powietrze. Ta fala rozchodzi się, dociera do naszej błony bębenkowej, którą zaczyna poruszać. Do błony bębenkowej przyczepione są kosteczki, kosteczki słuchowe, które poruszają się. Następnie trafia to wszystko na ucho wewnętrzne i porusza to nerw słuchowy i mózg interpretuje te doznania. Ponieważ uszy występują po dwóch stronach, to jesteśmy w stanie, tak samo jak w przypadku stereofonii lewy i prawy, określić skąd do nas dociera dźwięk. Jeżeli będzie to dźwięk na wprost, to do obu uszu dźwięk dotrze z tą samą prędkością, w tym samym czasie i z tym samym natężeniem.

Ponieważ droga z punktu źródła do obu uszu jest taka sama. Zobaczmy to łatwiej na rysunku na iPadzie. Mamy tutaj naszego słuchacza i mamy źródło, źródło dźwięku. Z źródło dźwięku umieszczone na wprost słuchacza powoduje, że dociera on z tym samym czasem, czy inaczej w tym samym czasie, dociera on zarówno dla ucha lewego, jak i ucha prawego. Ale co wydarzy się w momencie, kiedy nasze źródło dźwięku będzie w innym miejscu, na przykład stąd? W tym momencie do ucha prawego dotrze w czasie T1, a do ucha lewego dotrze w czasie T2.

Różnica pomiędzy uszami jest wprawdzie niewielka, to jest kilkadziesiąt centymetrów, ale jest ona na tyle znacząca i nasz mózg, nasz cały układ słuchowy jest na tyle precyzyjny, że potrafi dzięki tej różnicy czasu ocenić skąd pochodzi dźwięk, czyli przesunięcie źródła względem naszej osi na wprost. Detekcja skąd dochodzi dźwięk jest właściwie taką złożoną detekcją zarówno różnicy czasu, w jakim dociera do nas dźwięk, oraz różnicy głośności pomiędzy uchem lewym i prawym. Nasz mózg jest w stanie ocenić z bardzo dużą dokładnością różnicę pomiędzy głośnościami.

Sama głowa tłumi, gdybyśmy mieli dźwięk całkowicie po stronie naszego jednego ucha, a głowa tłumi około 10 dB, więc nasz układ słuchowy jest w stanie rozróżnić tą różnicę i dzięki temu składając te dwa parametry, czyli różnica w czasie oraz różnica w poziomie głośności, określamy z której strony dochodzi do nas dźwięk. System monofoniczny System monofoniczny to system taki, w którym wykorzystujemy jedną drogę dźwięku, np. jedną szynę w mikserze, jeden kanał wzmacniacza i jeden głośnik. System taki wykorzystujemy np. w monitorach scenicznych, kiedy artysta ma pod nogami tzw.

monitor wedge i do tego monitora wkładamy dowolne instrumenty, ale wszystkie one są monofoniczne, pochodzą z jednego źródła, nawet jeżeli rozkręcone są panoramy, to ostatecznie i tak w tym konkretnym wedge'u, w tym konkretnym odsłuchu, w tym konkretnym głośniku sygnał będzie wydobywał się z tego miejsca pod nogami. Jeżeli odtworzymy sygnał monofoniczny, czyli z tej jednej szyny w systemie stereofonicznym, jak ma to miejsce np. w domowych warunkach, puszczamy z jakiejś wieży z systemu hi-fi, który z natury jest stereofoniczny, lewo-prawo, jeżeli puszczamy dźwięk monofoniczny, to będzie on się znajdował centralnie przed naszą twarzą. Wtedy ten jeden sygnał odtwarzany jest równocześnie przez oba głośniki z tą samą głośnością, z tym samym czasem.

System stereofoniczny natomiast jest to system, który wykorzystuje dwa kanały, dwa głośniki, dwa wzmacniacze, czyli dwie drogi sygnału. Jeżeli podamy na niego sygnał monofoniczny, tak jak mówiłem, dźwięk będzie umieszczony centralnie w środku, ponieważ jego głośność i odległość z obu głośników do naszych uszu będzie jednakowa, ale w przypadku stereofonii dochodzi nam już do tworzenia się wirtualnej przestrzeni pomiędzy tymi głośnikami. Stąd możemy użyć panoramy, czyli gałki, która przesunie nam pozorne źródło dźwięku pomiędzy tymi głośnikami. Różnica pomiędzy monofonią a stereofonią jest przede wszystkim właśnie w wytworzeniu tej wirtualnej przestrzeni pomiędzy głośnikami. Lokalizację tego źródła możemy uzyskać na dwa sposoby. Wynikają one bezpośrednio z tego, w jaki sposób słyszymy, było to już omówione.

Czyli z jednej strony możemy albo ściszyć jeden z kanałów i wtedy pozorne źródło zostanie przesunięte względem tego, który gra głośniej, ale możemy również otrzymać równoważny rezultat opóźniając jeden z kanałów, na przykład jeden z kanałów o 5 milisekund. Pozorne źródło dźwięku przesunie się pomimo, że siła czy tam natężenie dźwięku z obu tych kanałów będzie takie samo. Zatem mamy system monofoniczny, mamy systemy stereofoniczne i rozwinięciem tego jest system surroundowy. W systemie surroundowym oprócz głośnika centralnego, w naszym przypadku był to głośnik M monofoniczny, w systemie surroundowym będziemy mówili tutaj bardziej o głośniku centralnym. System lewy i prawy pozostają, natomiast dla uzyskania jeszcze większej przestrzeni zaczęto używać głośników dodatkowych umieszczonych za słuchaczem. Tylny lewy i tylny prawy.

Różnica polega na dodaniu trzeciego wymiaru. Mamy źródło punktowe, mamy źródło lewo-prawo, czyli wykorzystujemy wymiar głównie horyzontalny i dodajemy głębie za pomocą głośników tylnych. System Atmos natomiast, stworzony przez firmę Dolby, został stworzony z myślą o tym, aby usunąć największe problemy, które powstawały w systemach surroundowych. Każdy z nas ma inne pomieszczenie odsłuchowe, używa innych głośników. Każdy z nas inaczej nieco ustawiał te głośniki. W trakcie miksu realizator, który miksował dźwięk do jakiegoś hitu filmowego, wykorzystywał określony układ głośników i projektował przejścia np. przelot helikoptera z jednej strony na drugą lub z tyłu do przodu, po skosie itd.

Natomiast problem w odwzorowaniu tego na innych systemach albo na innym ustawieniu głośników powodował, że odbiór był kompletnie inny. Dolby Atmos przyszło z kompletnie innym pomysłem. Chodzi o to, że są pewne standardy, ale zasadniczo nie chodzi o to, że trzeba mieć 5 głośników, tak jak w przypadku surroundowego zestawu. Tych głośników jest dużo więcej i my definiujemy w procesorze ile tych głośników jest i w jaki sposób są one ustawione.

Natomiast w procesie miksu dźwięk kodowany jest w formie źródeł, które są kierowane na określone szyny, co powoduje, że po zdefiniowaniu w których miejscach mamy głośniki, lewo-prawo, z tyłu, z boku oraz głośniki górne, procesor sam wybiera drogę odtwarzania pomiędzy tymi głośnikami, dzięki czemu zarówno w mniejszym jak i większym systemie, w systemie średnim, pośrednim ten ruch zawsze będzie dokładnie taki jaki zdefiniował reżyser dźwięku, ponieważ to procesor przetwarza jak szybko i w jakim zakresie to źródło zaprogramowane będzie się przemieszczało względem tych głośników. Czy będziemy mieli możliwość miksować w systemie Atmos koncertowo? Nie bardzo widzę możliwości, jak zawieszać te grona dla całej ogromnej publiczności. Natomiast już dziś mamy możliwość zetknąć się z systemem LIS-a i z innymi systemami surroundowymi.

Każdy z producentów w tej chwili bardzo usilnie pracuje nad tym, żeby wprowadzić takie rozwiązania. Natomiast jest to oczywiście przypisane bardziej do danego pomieszczenia niż do jakiegoś określonego systemu koncertowego, który będziemy mogli zamontować w dowolnej sali koncertowej, w dowolnym miejscu i osiągniemy zawsze ten sam rezultat. Głośno gramy koncert? W przypadku kiedy chcemy określić jak głośno gramy koncert, podstawowym parametrem, który używamy w przypadku koncertów jest ciśnienie akustyczne w fali dźwiękowej wyrażane w decybelach. Na przykład głośność koncertu była 105 dB. W przypadku precyzyjnych terminów używanych w akustyce odnosimy się tutaj do miary takiej jak fony i sony. Odsyłam do podręcznika akustyki, choćby do tego podręcznika.

Natomiast nas w tym kursie interesuje wyłącznie ciśnienie akustyczne, wytwarzane przez falę dźwiękową na koncertach. Ciśnienie jest zawsze związane z określoną przestrzenią, na które ono wywiera presję. Tak samo w przypadku ciśnienia akustycznego mówimy o pewnym obszarze, na który wywiera ono swój nacisk. Łącząc ze sobą informację o tym, że dźwięk rozchodzi się promieniście oraz o tym, że powietrze stawia pewien opór dla naszego dźwięku, ciśnienie akustyczne będzie nam maleć razem z odległością od głośników. W karcie katalogowej głośnika możecie przeczytać, że SPL czyli Sound Pressure Level dla danego głośnika załóżmy wynosi 139 dB. Co to oznacza? Oznacza, że producent w odległości 1 m zmierzył takie ciśnienie emitowane przez głośnik.

Oznacza to również, że w odległości 10 m to ciśnienie będzie proporcjonalne mniejsze. Jak mniejsze, można to obliczyć ze wzoru. Natomiast w przypadku tego kursu pozostańmy na razie na tym, że występuje prawo spadku ciśnienia dźwięku wraz z odległością. Jest to związane z faktem, że od źródła dźwięku fala rozchodzi się promieniście. Dlatego z każdym metrem ta sama energia będzie rozkładana na coraz większym obszarze. Dlatego energia w danym punkcie, którym my sobie zmierzymy będzie zawsze mniejsza. Stąd najgłośniej zawsze jest z przodu głośników przy samych głośnikach, a im dalej odchodzimy od głośników tym ten dźwięk będzie cichszy. Twierdzenie Pitegrasa. Najprawdopodobniej nigdy nie będziesz tego obliczał, ale dobrze jest wiedzieć, że coś takiego można obliczyć.

Na jakiejś wysokości powiedzmy 10 metrów zawieszamy nasze głośniki, a nasz koniec obszaru nagłośniana go będzie na setnym metrze. Pomiędzy ziemią a lejerem czy wieżą do wyciągania głośników mamy kąt prosty. Co mówi nam twierdzenie Pitegorasa? Suma kwadratów przyprostokątnych, czyli pionowa to jest przyprostokątna i pozioma to jest przyprostokątna, jest równy kwadratowi przeciwprostokątnej. Czyli po naszemu a kwadrat plus b kwadrat równa się c kwadrat. Żeby obliczyć przeciwprostokątną, bo stoimy sobie na setnym metrze, celujemy laserem i chcemy wiedzieć, że tam jest właśnie 10 metrów. Możemy przekształcić ten wzór w taki sposób, że a będzie 10 metrów, b będzie 100 metrów, czyli 10 do kwadratu plus 100 do kwadratu równa się c do kwadratu.

Zatem c do kwadratu to się równa 100, czyli to 10 do kwadratu plus 100 do kwadratu to jest 10000. Czyli c to się równa pierwiastek z 10100 i c to się równa 100,5 metra. Jeżeli będziemy stali na setnym metrze wycelujemy w głośniki i pomiar wykaże 100,5 metra, będzie to oznaczało, że głośniki są na wysokości 10 metrów. Oczywiście takie pomiary są ciężkie do wykonania. Chodzi o to, żebyście zrozumieli, że pracujemy z matematyką i wiele rzeczy można obliczać w przypadku nagłośnienia. Część rzeczy mamy zdefiniowanych. Jeżeli mamy wieżę 10 metrową to nigdy nie wyjedziemy na 10 metr, bo zawsze głośniki, wyciągarka będzie niżej.

Dodatkowo w dzisiejszych czasach w ogóle nie musimy tego mierzyć, ponieważ systemy predykcyjne do głośników pozwalają nam określić na jaką wysokość mamy wjechać i możemy to sobie doskonale poobliczać w systemie i później wykonać tylko określone działania, czyli że głośniki mają wyjechać na taką odległość i będziemy wiedzieli, że te głośniki będą grały do takiego i takiego metra. Ale to od tego jest matematyka. Zacznijmy od tego czym jest wykres logarytmiczny, żeby zrozumieć co tak naprawdę chodzi. W przypadku wykresu liniowego podwojenie wartości jakieś, na przykład załóżmy że jest to napięcie po 1V da nam na przykład 1W mocy. Gdybyśmy użyli 2V otrzymalibyśmy 2W mocy.

Przy 3V 3W mocy to oznaczałoby, że dane urządzenie pracuje w zakresie liniowym, czyli zwiększenie jakiegoś parametru daje tożsame zwiększenie wprost proporcjonalne parametru na wyjściu. W przypadku natomiast naszych uszu, rzeczywistość okazuje się być logarytmiczna, nie liniowa. Nasz słuch działa w sposób logarytmiczny. A wykres logarytmiczny wygląda tak, co oznacza, że przyrost kolejnych wartości będzie generował nam niewielki wzrost na wyjściu. Nie wiem czy widać dobrze, że ten odcinek jest dużo większy niż ten odcinek, następny jest jeszcze mniejszy, ten jest jeszcze mniejszy i ten już jest jeszcze mniejszy. Co oznacza, że ilość energii wpompowanej w układ nie daje nam wzrostu skuteczności całego układu w taki sposób jak to było w przypadku liniowym.

I to jest właśnie miara logarytmiczna. W związku z tym ciężko byłoby nam określać na przykład poziomy ciśnienia dźwięku, dlatego zastosowano miarę logarytmiczną, a żeby jeszcze uprościć sobie całe obliczenia czy posługiwanie się wartościami wprowadzono coś takiego jak decybele. Logarytmy możemy wykorzystać również do obliczenia, nawet takiego prostego oszacowania spadku poziomu ciśnienia dźwięku. Wiemy, że każde podwojenie odległości spada nam poziom ciśnienia dźwięku o 6 dB. Jeżeli producent oznaczył nam, że w punkcie 1 m ciśnienie dźwięku jest 139 dB, to oznacza to, że przy 2 m spadek o 6 dB to będzie 133 dB. Podwojenie odległości to już jest z 2 m 4 m. Przy 4 m to będzie 127 dB.

Przy 8 m to już będzie 121 dB. Przy 16 m o kolejne 6, czyli 115 dB. Następne podwojenie to jest 32, 64 i tak dalej. Czy w takim razie są decybele? Decybele to jest miara stosunku dwóch wartości. Posługujemy się nią dla łatwiejszego odnoszenia się do ciśnienia dźwięku. 20 logarytmów z P1 do P0 oznacza, że jesteśmy w stanie obliczyć sobie jak zmieniło się ciśnienie względem tego statycznego naturalnego ciśnienia. Nasze naturalne wzorcowe ciśnienie, kiedy nie ma żadnego zaburzenia, kiedy np. jest totalnie bezwieczny dzień, określamy to jako 2 x 10 do – 5 Pa. I teraz jest właśnie to setno. Nasz dźwięk jest zaburzeniem tego ciśnienia.

Głośnik, który pcha cząsteczki powoduje wywołanie pomiędzy tymi cząsteczkami ciśnienia dodatkowego, które rozchodzi się w przestrzeni, które jest tłumione przez oporność powietrza. I dlatego na każdym innym dystansie, czyli na metrze, na dwóch, czterech, szesnaścu, trzydziestu dwóch, to ciśnienie będzie inne. Dzięki prostemu wzorowi, dzięki porównaniu tych wartości, tego ciśnienia podstawowego wzorcowego do wartości mierzonej, jesteśmy w stanie określić sobie jaki mamy poziom dźwięku w danym miejscu. Dzięki decybelom, dzięki prostemu wzorowi możemy obliczyć sobie ciśnienie spodziewane na danej odległości. W tym celu wykorzystamy wzór SPL w naszym punkcie docelowym. I w przyszłym metrze to się równa SPL1, czyli producent podaje, że w odległości 1 metra zmierzył i poziom ciśnienia wyniósł 145 dB.

Minus 20 logarytmów z L2 do L1, gdzie L2 to jest końcowe miejsce, w którym mierzymy, a L1 to jest nasze producenta. I z tego wynika, że SPL to się równa 145 minus 20 logarytmów ze 100 i to się równa, bierzemy kalkulator i teraz 20 logarytmów ze 100 to jest 40. Zatem spodziewane ciśnienie dźwięku będzie 105 dB. W ten prosty sposób możemy sobie oszacować, jakie mniej więcej będzie poziom ciśnienia dźwięku w miejscu drugim, czyli 100 m od głośników. Wiedząc, że metr od głośników mamy 145 dB, a to wyczytujemy z karty katalogowej.

Jakimi poziomami posługujemy się w przypadku normalnego życia, a jakimi w przypadku koncertów? W przypadku normalnego życia najczęściej oscylujemy pomiędzy 40 dB a powiedzmy 85 dB. Są to wszelkiego typu odgłosy przyrody, odgłosy mechanicznych pojazdów. Natomiast wszystko co jest powyżej 85 dB w górę to są wartości ciśnienia jakie uzyskujemy na koncertach. Koncert w którym miałem okazję uczestniczyć, który miał najmniejszy poziom ciśnienia dźwięku to było 86 dB i koncert odbywał się na Starym Mieście w Krakowie. Jest to poziom wyznaczony przez regulamin miejscowy. Jest to poziom, który jest wyjątkowo restrykcyjnie przestrzegany. Chodzi tam o zabezpieczenie zabytków, ponieważ ciśnienie wywołuje drgania np. w elewacjach kamienic, które pochodzą jeszcze ze średniowiecza.

Dlatego lokalny konserwator zabytków wyznaczył, że 86 dB jest to wartość graniczna poziomu dźwięku. Nie wchodzimy tutaj w jaki sposób jest to mierzone. Pamiętam, że specjalny system pomiarowy był sprowadzany, który mierzył przez cały koncert i trzymaliśmy się tego zakresu. Efekt był taki, że Wielka Gwiazda Brytyjska wykonywała koncert a my mogliśmy sobie spokojnie porozmawiać. Mniej więcej te poziomy 85 dB to jest taki poziom tła miasta, natomiast koncerty odbywają się mniej więcej w okolicach 100-105 dB w normie ważonej A. Na koniec jeszcze o tych normach ważenia. Mówią nam w jaki sposób miernik będzie wrażliwy na dane częstotliwości. Tu mamy 0 Hz, tu mamy 20 kHz.

Będę to rysował odręcznie, więc zakres A to jest taka krzywa, zakres B i zakres C. Jak widać różnica polega na tym jak dolne pasmo jest mierzone przez miernik. Dlatego, że nasze ucho najlepiej odbiera krzywą ważenia C, w niej można interpretować wyniki. Natomiast dla łatwiejszego porównywania energii koncertu, która jest, nazwijmy to, szkodliwa dla człowieka, najlepiej jest mierzyć poziomy dźwięków krzywej A, ponieważ ona głównie informuje nas, jak dużo energii jest dostarczone do ludzkiego ucha w zakresie tym najbardziej wrażliwym dla ucha ludzkiego i wrażliwym na kontuzję. Co powoduje, że możemy bardzo dużo energii włożyć w systemy subbasowe i poziom pomiaru nie zmieni się znacząco.

Natomiast w przypadku pomiaru z zakresem krzywą pomiarową C każde dodanie subbasów będzie powodowało od razu windowanie tego wyniku. Sam subbas nie jest dla nas aż tak mocno szkodliwy jak właśnie te częstotliwości z zakresu wrażliwości ucha, czyli pomiędzy 1 a 4 kHz. Dlatego takim najbardziej wiarygodnym i zdrowym i bezpiecznym pomiarem jest dla nas pomiar w krzywej, ważonej A. Pojęcie kwantyzacji cyfrowej jest związane bezpośrednio z nowoczesnymi czasami, kiedy sygnał analogowy jest przetwarzany na postać cyfrową i może zostać zapisany w formacie 0,1, czyli w formacie binarnym, w taki sposób myśli i przelicza wszystkie parametry komputer. Dlatego stworzono konwertery analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, czyli w naszym np.

mikserze cyfrowym podajemy sygnał z gitary elektrycznej i jest on w postaci analogowej. Trafia on na przedzmacniacz i następnie na konwerter AD, czyli analog digital i następnie w formie cyfrowej obliczany jest, przeliczany przez wszystkie procesy. Na końcu otrzymujemy postać cyfrową, którą zamieniamy na analogową, czyli następuje proces DA, digital to analog i na wyjściach fizycznych otrzymujemy sygnał elektryczny, który jest w postaci analogowej. W jaki sposób przebiega cyfryzacja sygnału? Mamy górną połówkę sinusoidy. Cyfryzacja dokonuje się w taki sposób, że procesor wykonuje pomiar napięcia na kolejnych punktach w jakiejś tam określonej jednostce czasu.

Ten pomiar zapisuje w postaci liczby i jest to właśnie liczba w systemie binarnym, dwójkowym, ale jakie parametry tak naprawdę interesują nas przy kwantyzacji? Jeżeli spotkaliście się z takim opisem jakości dźwięku cyfrowego 16 bitów 44,1 kHz oznacza to, że jest to standard płyty CD i oznacza to bezpośrednio, że w trakcie jednej sekundy 44100 razy odczytywana jest wartość napięcia danego sygnału, a 16 bitów mówi nam o tym jak gęsto odczytywana jest wartość na osi Y. Wynikiem naszego sygnału odczytanego będzie taka drabinka. Ta drabinka jest tym dokładniejsza, czyli tym węższa są stopnie. Im wyższa mamy częstotliwość próbkowania i im większy mamy bitrate, czyli rozdzielczość sygnału.

Będziemy wdawali się w takie poważniejsze dyskusje, ponieważ rozdzielczość jest związana z odległością sygnału od szumu i tak dalej. To są wszystko zaawansowane dyskusje, bardziej akademickie. Nas interesuje to, że takim zdrowym i dobrym poziomem jest nagrywanie lub przetwarzanie 24 bitowe i trzymamy się 44,1 kHz lub w przypadku wideo dźwięk kodowany jest najczęściej w postaci 24 bity i 48 kHz. Różnica pomiędzy 44,1 a 48 kHz jest praktycznie żadna, bez względu na to, który format wybierzecie, jakość będzie wystarczająca w dzisiejszych czasach. W maszynach zdarza się, że przetwarzanie jest dużo wyższe i jest dodatkowo jeszcze zmienno przecinkowe.

Różnica tutaj polega na tym, że im dokładniej odwzorujemy tą sinusoidę, tym większą dokładność przetwarzania otrzymujemy i tym lepszy rezultat będzie. Dlaczego jest to tak istotne? Dlatego, że samo skwantyzowanie dźwięku to jest jedna sprawa, czyli odwzorowanie tego sygnału elektrycznego. Natomiast w trakcie przeliczania w mikserze, zakładając kompresor, ten kompresor dokonuje pewnych korekt matematycznych, czyli pewne rzeczy uogólnia, pewne rzeczy dodaje. I teraz w zależności od tego, jak precyzyjny będzie nasz sygnał wejściowy, tak precyzyjne później będzie działanie tego na przykład kompresora. Stąd producenci sprzętu, na przykład mikserów, mogą nas poinformować, że sama kwantyzacja AD, czyli z sygnału analogowego do cyfrowego przebiega w rozdzielczości 24 bitów.

Natomiast wewnętrznie może się okazać, że jest to 32 bity, a może i więcej, w zależności od tego, jak producent stara się utrzymać jakość przetwarzania sygnału wewnętrznego. I następnie konwertowane jest to do sygnału analogowego. Różnica pomiędzy tymi kilkoma bitami jest dosyć znacząca. Przy 16 bitach mamy dwa do potęgi 16, czyli czynnie odczytywanych parametrów jest powyżej 65 tysięcy, natomiast przy 24 bitach, i to jest tylko zaledwie 8 bitów więcej, ilość odczytu parametrów wzrasta nam do 16 milionów, natomiast przy 32 bitach są to już 4 miliardy, 294 miliony, różnica jest ogromna. I dzięki temu wzrasta również dokładność. .

Realizacja Dźwięku Live

Rozdział 2 - Podstawy Fizyki, Matematyki i Elektroakustyki

Description generated by Skrybot

Transcription generated by Skrybot

S K R Y B O T

Skrybot. 2023, Video transcriptions from YouTube