Audio Teh Nikaa

AUDIOTEHNIKA - Tema 1

1

1. UVOD U AUDIOTEHNIKU 1.1 Definicija audiotehnike Audiotehnika je, po svojoj osnovnoj definiciji, inženjerska oblast elektrotehnike koja se bavi snimanjem i reprodukcijom zvuka. U istorijskom smislu audiotehnika je proizišla iz elektrotehnike, i danas najvećim svojim delom ona jeste elektrotehnička oblast u najširem smislu te reči. Uporedni razvoj tehnologije, sa jedne strane, i zahteva slušalaca, odnosno krajnjeg korisnika zvučnih informacija, sa druge, učinili su da je audiotehnika vremenom postala veoma široka multidisciplinarna inženjerska oblast koja je povezala raznorodne tehničke i tehnološke discipline okupljene oko istih osnovnih ciljeva. Tako postavljen zadatak audiotehnike podrazumeva sa jedne strane postojanje nekakvog zvučnog izvora koji generiše zvučne informacije, a sa druge prostorno ili vremenski udaljenog slušaoca kome te zvučne informacije treba preneti. Ova udaljenosti znači da potencijalni slušalac, kome audiotehnika treba da pomogne, može imati jedan od dva moguća problema čija su rešenja u inženjerskoj sferi delovanja. Može biti fizički suviše udaljen od izvora, što znači da se zbog delovanja fizičkih zakona prostiranja zvučnih talasa ne nalazi u uslovima u kojima može prirodnim putem kvalitetno čuti željeni zvuk. Drugi mogući problem je da slušalac eventualno želi da te informacije naknadno primi, što znači da se zahteva arhiviranje, odnosno pravljenje audio snimaka radi odloženog slušanja. Tako postavljena, audiotehnika je u svojoj osnovi sistemska nauka o prenosu jednog specifičnog oblika informacija kodovanih zvukom. Bavljenje zvučnim informacijama i njihovim prenosom, što je suština posredovanja imeđu izvora zvuka i slušaoca, bazirano je na teoriji telekomunikacija. Tokovi tehnološkog razvoja učinili su da ona, kao takva, ″usisa″ i pojedine segmente iz drugih naučnih i tehnoloških oblasti. Tako su u sastav audiotehnike ušli i pojedini delovi raznih oblasti savremene tehnologije, kao što su računarstvo, tehnologija materijala, optika, akustika, itd. Sve to zajedno čini audiotehniku kakva je ona danas. Vremenom su se zadaci audiotehnike, iz njihovog osnovnog domena savladavanja prostorne i vremenske udaljenosti, proširili u jednu sasvim novu oblast koja nije mnogo bliska inženjerstvu. To je umetničko delovanje u kome se koristi zvuk kao sredstvo umetničkog izražavanja, a audio uređaji su postali alat umetnika. Pre svega muzika, ali takođe film i pozorište, stavili su pred audiotehniku zadatak da stvori potrebne alate za ovakvu oblast umetničkog stvaranja. Specifičnost audiotehnike kao inženjerske oblasti i kao struke, u poređenju sa drugim tehničkim oblastima, je i u tome što zahtevi koji se u takvim okolnostima postavljaju pred inženjere podrazumevaju poznavanje ne samo tehničkih aspekata rada audio uređaja i audio sistema, već i nekih umetničkih aspekata njihove primene. Nužno je razumeti potrebe korisnika audio uređaja da bi se


2

pravilno rešavali inženjerski zadaci. Može se reći da ova veza sa umetnošću danas čini najznačajniju odliku audiotehnike kao inženjerske struke. Pojam zvučne slike Pri slušanju zvukova u prirodnom ambijentu u kome i nastaju, bez obzira da li je to koncertna sala u kojoj se sluša muzika, šuma u kojoj se slušaju zvuci prorode, običan stan u kome se sluša radio i razgovara sa ukućanima ili neki drugi ambijent u kome postoji zvučno polje, krajnji rezultat percepcije koju ostvaruje slušalac je jedan složen utisak. Koristi se izraz ″senzacija″, koji označava sve ono što čini odziv na pobudu nekog čula (dakle, ovde je reč o čujnoj senzaciji). U slučaju čula sluha senzacija je sastavljena od mnoštva primljenih zvučnih informacija. Mehanizam čula sluha služi kao posrednik, a senzacija nastaje u svesti slušaoca i naziva se ″zvučna slika″. Ovakvo mesto zvučne slike u procesu slušanja prikazano je šematski na slii 1.1. Audiotehnika ima zadatak da primenom odgovarajućih tehnoloških sredstava omogući slušaocu formiranje zvučne slike željenih karakteristika.

fizicki domen

zvucni pritisak

anatomski i fizioloski domen

uvo

psiholoski domen

centralni nervni sistem

zvucna slika

Slika 1.1 - Blok šema mesta zvučne slike u procesu slušanja

Pojam zvučne slike i njen sadržaj, u smislu koji je primeren u audiotehnici, najjednostavnije je objasniti na primeru muzike, jer je to svakodnevno, svima dostupno iskustvo. Pri slušanju nekog muzičkog dela zvučni sadržaj se, pod uslovom da se sluša u akustički dobrim uslovima i sa kvalitetnim uređajima za reprodukciju, može razložiti na nekoliko informacionih slojeva. Može se govoriti o muzičkom sadržaju, to je ono što se iskazuje notama. Može se govoriti o ostvarenju muzičara, i to se naziva interpretacija. Može se govoriti i o karakteristikama i kvalitetu zvuka instrumenata koji se koriste, o boji i drugim komponentama kvaliteta njihovog zvuka. Najzad, postoji nekoliko nivoa prostornih informacija, među kojima su podaci o pravcima nailaska zvuka pojedinih zvučnih izvora, o ambijentu u kome se nalaze izvori zvuka, itd. Ukratko, zvučnu sliku pri slušanju muzičkog dela čini mnoštvo informacija izvan onoga što definiše sama muzika, odnosno notni sadržaj dela koje se sluša. Sve nabrojane elemente slušalac dobija samo kroz reprodukovan zvuk na kraju lanca prenosa kojim se bavi audiotehnika. Zvučna slika podrazumeva svest o postojanju svih navedenih informacija. Iz toga sledi da se kvalitet zvučne slike koja nastaje u svesti pretpostavljenog slušaoca muzičke kompozicije ogleda u više slojeva: kroz prostornu preciznost, odnosno definisanost svih zvučnih izvora u prostoru koji slušalac slušajući sagledava u svojoj svesti, kroz kvalitete boje zvuka zvučnih izvora, kroz estetiku uklapanje tih zvukova u celinu, kroz kvalitet stečenog utiska o prostoru u kome se odvija muziciranje, itd. Ukratko, u slučaju pretpostavljenog slušanja muzičkog dela, teme kojima se bavi


3

audiotehnika je sve ono što se može prepoznati kao komponenta zvučne slike koja nastaje u svesti slušaoca. Navedena ilustracija je izgrađena na primeru muzike, jer je to vezano za iskustvo svih ljudi. Mnogo ogoljenije se o pojmu zvučne slike može govoriti na primerima zvuka na filmu, gde ona prati vizuelnu sliku, ili na primeru dramskih radiofonskih dela (radio drame), gde zvuk mora da zameni vizuelnu sliku koje nema. Na tim primerima se vidi da zvučna slika takođe podrazumeva temu integracije sa vizuelnim senzacijama, sa jedne strane, i maštom slušaoca, sa druge. Ona se u svesti čoveka javlja negde između te dve sfere.

Posebno interesantna pojava u sferi audiotehnike je evolucija zahteva slušalaca kao krajnjih korisnika zvučnih informacija. Ona se može posmatrati u dva pravca: kao opšta istorijska evolucija tehnoloških zahteva u oblasti reprodukcije zvuka i kao individualni razvoj sposobnosti percepcije zvuka svake osobe pojedinačno. Kada je reč o istorijskoj evoluciji, dovoljno je setiti se s kakvim kvalitetom su slušaoci bili zadovoljni pre samo nekoliko desetina godina, a koliko se visoki standardi reprodukcije zvuka podrazumevaju danas. S druge strane, u literaturi se navodi da čulo sluha kod čoveka ima najveću mogućnost školovanja od svih čula. Da ovakvo ″školovanje″, odnosno usavršavanje sposobnosti zaista postoji, može se ilustrovati jednim malim primerom. Naime, koliko god kvalitetan sistem za reprodukciju zvuka neko nabavi, kroz nekoliko godina njegovog svakodnevnog slušanja čulo sluha će početi da primećuje razne finese u zvučnoj slici, pa i nesavršenosti sistema. Posle takvog iskustva, prvi put kada se ponosni vlasnik sretne sa boljim sistemom za reprodukciju, primetiće razlike koju ranije nije primećivao. To dokazuje da je dugotrajno slušanje postiglo izvesno obučavanje čula sluha.

Proširenje osnovnog inženjerskog zadatka audiotehnike Osim širenja tehnoloških oblasti koje su uključene u korpus znanja audiotehnike, vremenom je i njen osnovni, prvobitno utvrđeni zadatak posredovanja između izvora i slušaoca i stvaranja zvučne slike u njegovoj svesti doživeo stanovito širenje i grananje. Kao inženjerska disciplina, audiotehnika se bavi prenosom zvučnih informacija na sistemskom nivou. Ispod tog nivoa postoje uže, specijalističke oblasti koje su se vremenom razvijale i pratile audiotehniku na nivou pojedinih veoma uskih tema i danas egizstiraju gotovo kao nezavisne delatnosti. Tu spada, pre svega, audio elektronika, koja se bavi elektronskim kolima i sklopovima. Uža oblast je i obrada audio signala, koja se bavi algoritmima za generisanje i obradu audio signala. Dok su magnetofoni i gramofoni bili jedina vrsta reproduktora, elektromehanika sa automatikom bila je takođe važna specijalistička disciplina audiotehnike. Osnovno gradivo audiotehnike ne podrazumeva sve ove teme i zadržava se samo na sistemskom nivou jer je i sa takvim ograničenjem danas to veoma obimna disciplina. Sa druge strane, vremenom su se javljale i druge, nove funkcije kojima se bavi audiotehnika, izvan njenog glavnog zadatka prenosa zvučnih inormacija od izvora do udaljenog slušaoca. Takav primer se može naći u savremenoj muzici, gde se koriste zvukovi koji nisu nastali kao rezultat rada nekog akustičkog zvučnog izvora, već se generišu u posebnim uređajima. Formirana je jedna nova oblast audiotehnike koja se bavi generisanjem zvučnih informacija u električnom domenu (sinteza mizičkih zvukova). Pri tome cilj može biti stvaranje zvukova kakvih nema u prirodi, ali i simulacija zvuka prirodnih izvora.


4

Interesantno je da se oblast sinteze raznih muzičkih zvukova pomoću odgovarajućih uređaja pojavilo, između ostalog, i kao ekonomska kategorija. Postojala je potreba da se uređajem zamene živi muzičari u raznim izvođenjima, u studiju i na bini, i time izbegne finansijski trošak njihovog angažovanja. Cilj je da se jednim elektronskim instrumentom sa klavijaturom zameni veći broj muzičara. Polazeći od takve osnovne potrebe danas na tržištu postoji široka gama raznih elektronskih muzičkih instrumenata čiji se rad zasniva na digitalnoj sintezi signala i simulaciji originalnih signala klasičnih instrumenata. Ipak, na nivou najviših standarda muzičke produkcije ovakva zamena se u estetskom smislu ne smatra adekvatnom, ali je svakako u mnogim okolnostima veoma praktična.

Neumitno uvlačenje računarske tehnike u oblast rada sa audio signalima učinilo je da i neke oblasti računarstva postanu jedna uska specijalizacija audiotehnike. Prebacivanje mogih funkcija nad signalima u razne računarske radne stanice i koncept uređaja koji se zasniva na primeni namenskih procesora pomerilo je danas, uostalom, kao i u mnogim drugim inženjerskim oblastima, granice delovanja audio inženjera duboko u sferu računarstva. Uspešnost u toj oblasti zahteva usku specijalizaciju prema ovakvim zadacima.

1.2 Oblasti života u kojima se koriste audio uređaji i sistemi Za razliku od drugih inženjerskih oblasti, audiotehniku karakteriše širenje u mnoge oblasti svakodnevnog života, što je unelo polivalentnost u audiotehniku kao struku. Gotovo na svakom koraku u životu danas se može naići na audio uređaje ili na elemente audio sistema, pri čemu tamo gde se oni nalaze mogu imati razne funkcije. Teško je detaljno pobrojati sva mesta gde se mogu sresti audio uređaji jer bi to zahtevalo mnogo prostora, ali je moguće utvrditi globalne grupacije ljudskih delatnosti u kojima je primena audiotehnike danas neizostavna. To su: - radiodifuzni prenos zvuka, - informisanje, - zabava i - umetnost. U životu se pobrojane oblasti često preklapaju, pa je po nekada teško razdvojiti gde prestaje, na primer zabava, a počinje umetnost, dokle je radiodifuzija, a odakle informisanje, itd. Osim što je prisutna u nabrojanim delatnostima, audiotehnika je postala osnova jedne velike industrije, što je danas nesumnjivo jedna od najznačajnijih činjenica. Zbog toga je mesto i značaj audiotehnike, odnosno audio uređaja i sistema, u životu čoveka postalo složenije. Na razvoj audiotehnike utiču mnoge, često nevidljive sile koje postoje u sferi industrije, odnosno postoji diktat tržišta koji je jači od svakog tehničkog zahteva. Šta će se koristiti u praksi ne određuju samo tehnička invencija i novi pronalasci, već apsorpciona moć tržišta i profitabilnost. Ipak, postojanje tržišta donosi i jedan pozitivni aspekt, jer stalna borba konkurenata prestavlja motor svakog napretka.


5

Radiodifuzija zvuka Audiotehnika se, po svojoj definiciji, bavi audio signalom u njegovom osnovnom opsegu (baseband). Gde god se audio signal pojavljuje kao takav, tehnologija koja to podržava jeste tema audiotehnike. Zato se pod oblast audiotehnike može podvesti sve ono što se nalazi na početku i na kraju radiodifuznog lanca prenosa zvuka: od radijskog ili TV studija do modulatora predajnika i od detektorskog kola u radijskom ili TV prijemniku do slušaoca. Oblast studijske tehnike u radiodifuziji podrazumeva korišćenje audio uređaja, a bavljenje radiodifuzijom kao zanatom uključuje i potrebu poznavanja osnovnih činjenica iz oblasti audio sistema. Danas deo prenosa zvuka na daljinu preuzima internet, pa se ova oblast sa aspekta audiotehnike proširila. Informisanje Druga važna oblast gde je prisutna audiotehnika je informisanje. Primena audiotehnike u informisanju podrazumeva, pre svega, sve informativne elektronske medije u kojima se informacije saopštavaju zvukom. U oblast informisanja, osim klasičnih elektronskih medija, spadaju i sve druge okolnosti gde se pojavljuje potreba nekakvog obaveštavanja zvukom. Naravno, najznačajnija primena audiotehnike u domenu informisanja je u radiju i televiziji. Ako je audio oprema emisionog radio ili TV studija sastavni deo radiodifuznog lanca, onda se može reći da je audio sistem koji služi za pripremu programa u funkciji informisanja. Čak se i u novinskim kućama, dakle ″papirnim″ medijima koji se ne izražavaju zvukom, u određenim okolnostima koriste pri radu razni audio uređaji (na primer, diktafoni za beleženje govora na konferencijama za štampu ili tokom intervjua). U domenu informisanja interesantna je primena audio sistema za zaštitu privatnosti. Naime, postoje okolnosti kada se ljudi nalaze u istom prostoru radeći svoj posao i vodeći pri tome različite razgovore. Takav primer su veliki biroi gde u istom prostoru radi veći broj ljudi bez fizičkog razdvajanja pregradama. Ako se od njih pri tome zahteva veća koncentracija, pojavljuje se problem ometanja govorom sa susednih radnih mesta. Svaki razgovor u okolini delovao bi dekoncentrišuće i kao takav je štetan, a ne postoje pregrade koje bi to sprečile. U takvim okolnostima se postavlja poseban audio sistem koji preko mreže zvučnika tiho reprodukuje šum ili neki drugi za ljudsko uvo neutralan signal. Sa pravilno podešenim nivoom njegovo prisustvo u okruženju ne ometa čoveka, a vrši maskiranje i čini ostale zvukove iz okoline nečujnim. Iako takav audio sistem ne prenosi informacije, već naprotiv sprečava njihovo registrovanje, i to se može shvatiti kao informativna funkcija audio sistema.

Postoje i druge vrste primene audiotehnike u informisanju. Jedan takav aspekt predstavlja primena sistema za ozvučavanje na stanicama i aerodromima gde se pomoću njih emituju govorne poruke. Zadatak im je da posluže za emitovanje zvučnih informacija putnicima raspoređenim po raznim staničnim prostorima. Slični tehnološki sistemi mogu se sresti i po poslovnim zgradama, gde se povremeno u svim prostorijama emituju važna saopštenja od opšteg značaja. Takođe u mnogim okolnostima sirene za uzbunjivanje se, umesto kao klasičan mehanički sistem, prave sa elektronskim generatorom signala, pojačavačima i visokoefikasnim zvučnicima. Prednost je što se, osim reprodukcije uobičajenog zavijajućeg iki konstantnog tona, mogu koristiti i za


6

emitovanje govonih poruka, zbog čega takvi audio sistemi sve više potiskuju klasične mehaničke i pneumatske sirene. Zabava Jedna od specifičnosti savremenog doba je postojanje industrije zabave. Čovek je sve više spreman da daje novac za ono što će ga zabavljati u trenucima kad ništa ne radi. U tehnološkom smislu tu spada sve ono što predstavlja sredstva za čovekovu dokolicu, odnosno što nije predmet profesionalnog rada širokih masa korisnika. Zabava najčešće obuhvata dejstvo na sva čula, pa u tom domenu audiotehnika obezbeđuje zvučnu komponentu zabavnog sadržaja. Audiotehnika u oblasti zabave dominantno je angažovana u proizvodnji muzičkih snimaka, ali je prisutna u sferi raznih igara, PC tehnologiji u segmentu gde ona služi zabavi, u video produkciji, u multimedijima, itd. Ukratko, svuda gde zvučna slika predstavlja sastavni element zabave. Dobar primer primene audio uređaja i sistema u sferi zabave je oblast video igara. Osim hardvera za reprodukciju zvukova koji prate odvijanje igre, od audiotehnike se danas očekuje da pruži rešenja za generisanje zvukova koji prate simulaciju virtuelnih prostora. Iako naizgled banalan, takav zahtev je otvorio široko polje teorijskog razvoja koi je pokrenui i do sada najšira istraživanja u oblasti zvučne slike, posebno percepcije zvukova i percepcije prostora u njoj. Umetnost Primena audiotehnike u sferi umetnosti je sa inženjerskog aspekta najdelikatnija, upravo zvog velikih distanci koje postoje između umetničkog rada, pa i poimanja života koje je uobičajeno u toj oblasti ljudske delatnosti, i standardnog rada i shvatanja života inženjera. U umetnosti tema audiotehnike je najvećim svojim obimom muzika, odnosno tehnologija muzičke produkcije i muzičkih izvođenja. Audio uređaji i sistemi su tu alat, odnosno sredstvo rada. Današnji zahtevi tržišta u domenu muzičke produkcije veoma su visoki, pa se verovatno najviši dometi audio tehnologije javljaju upravo u ovoj funkciji. Najočiglednija umetnička primena audio uređaja i audio sistema jeste u muzici, ali u sferi umetnosti postoje i druge vrste stvaralaštva koje se koriste zvukom, pa su samim tim upućene na audiotehniku. Postoji kategorija radiofonskih dela (radio drame i slične forme) gde se kreativnost postiže isključivo zvukom. U pozorištu jedan segment izražavanja je i dizajn zvuka, i taj pojam obuhvata sve ono što čini zvučne komponente predstave. To nije samo ″podvlačenje″ muzike u nekim delovima dramskog dela, već i zvuk kao deo pozorišnog izraza. Najzad, u filmskoj umetnosti zvučna slika je jedna od bitnih komponenata koja deluje na gledaoca. Percepcija slike i zvuka teško se može razdvojiti jer je njihov uticaj na čoveka integrisan. Savremena filmska produkcija, zahvaljujući današnjoj tehnologiji reprodukcije zvuka, značajno računa na delovanje zvučne komponente na gledaoca. Proteklu deceniju karakteriše izvesna ekspanzija bioskopa i njihove posećenosti, pri čemu je jedan od glavnih razloga novi format u reprodukciji zvuka koji je danas postao bioskopski standard. Mnoga stara filmska dela ponovo se obrađuju da bi se zvučna slika formirala u tom novom standardu. Veza između umetnosti i audiotehnike, koja je po svojoj prirodi u potpunosti inženjerska disciplina, generiše mnoge delikatnosti zadataka kojima se inženjeri bave. Činjenica da audiotehnika daje sredstva za formiranje zvučne slike kao umetničkog dela čini da ona ima vrlo specifičnu ulogu, što je slikovito prikazano na slici 1.2. Krajnji cilj umetničkog delovanja je odgovarajuća zvučna slika u svesti slušaoca, koja se praktično ostvaruje tehnološkim sredstvima iz domena audiotehnike. Tako se u praksi stvara


7

sinteza tri raznorodne oblasti: postupaka dizajna zvuka, što je oblast umetnosti, zvučne slike, što je psihološka kategorija, i audiotehnike, što je oblast inženjerstva.

UMETNOST

TEHNOLOGIJA

dizajn zvuka

audiotehnika

Slika 1.2 - Simboličan prikaz mesta audiotehnike u formiranju zvučne slike.

zvucna slika

Audiotehnika kao industrija Definicija audiotehnike i njena uloga u nekim značajnim ljudskim delatnostima pokazuju da ona nije samo zvučna informacija i tehnologija, već i industrija. Audiotehnika odavno deluje kao jedan od činilaca na globalnom tržištu, sa neizostavnim uticajima specifičnih ekonomskih kriterijuma na njen razvoj kao struke i kao tehnologije. Danas je već dobro poznato da je ono što se dešava u tehnologiji u opštem smislu, pa tako i u audiotehnici, u velikoj meri određeno raznim netehnološkim faktorima. U tom smislu, jedan od najznačajnijih događaja u istoriji audiotehnike je pronalazak ravne gramofonske ploče. Bilo je to 1888. godine, a pronalazač se zvao Berliner (istorija audiotehnije je šire prikazana u poglavlju 1.7). Pre toga postojao je Edisonov voštani cilindar na kome je zapisivan signal. Naizgled nevažna promena forme zapisa predstavlja je revolucionarni korak, jer je ravnom pločom stvorena mogućnost masovne proizvodnje (″štancovanja″) zvučnih zapisa. Takvom promenom otvoreno je tržište takozvanog ″audio softvera″, kako se obično u žargonu nazivaju muzički i drugi snimci. Zbog toga pronalazak ravne ploče predstavlja centralnu tačku u istorijskom razvoju audiotehnike, jer je povezao audiotehniku i masovno tržište. Upravo zbog toga je danas CD medij koji u digitalnom domenu zauzima mesto klasične analogne gramofonske ploče, jer se i on može jednostavnim postupkom serijski proizvoditi na brz i jeftin način. Pronalazak ravne ploče doveo je do razvoja važne delatnosti izvedene pod okriljem audiotehnike koja i danas predstavlja motornu snagu njenog tehnološkog razvoja. Dovoljno je navesti da postoje podaci kako je već 1919. godine prodato više od


8

dva miliona gramofona. Ukupan broj prodatih snimaka u CD formatu teško je utvrditi. Samo masovna proizvodnja i prodaja uređaja predstavljaju dovoljno jak motiv za investiranje u razvoj. Značaj tržišne sfere na razvoj audiotehnike najbolje ilustruje primer propasti kvadrofonije sedamdesetih godina. Kvadrofonija je sistem reprodukcije zvuka koji liči na današnji surround, samo nešto drugačije koncipiran. Taj sistem, kao tehnološka inovacija, relativno je brzo propao na tržištu, što je u ekonomsku propast povuklo i neke proizvodne firme. Teoretičari tržišta navode kao jedan od razloga ovog neuspeha činjenicu da u tom novom formatu snimanja i reprodukcije nije bilo muzičkih dela dovoljno interesantnih za kupce. Ovaj primer je veoma poučan jer pokazuje da tehnološke inovacije audiotehnike nisu same sebi svrha. Sisteme za reprodukciju zvuka, CD reproduktor i druge uređaje široke potrošnje ljudi će kupovati samo zbog interesantnih snimaka koji se mogu nabaviti i slušati. Sami za sebe oni ne znače ništa većini potencijalnih kupaca. Čak i profesionalni uređaji za studijski rad biće kupovani samo da bi se proizvodio audio softver za tržište. Šta je danas posledica toga? Poznata firma Sony apsorbovala je u sebe izvestan broj poznatih producentskih kuća iz oblasti filma i muzike (Sony Entertament). Time je obezbeđeno da kupci na tržištu budu dovoljno zainteresantni za bilo koji budući format video ili audio zapisa, za procese kompresije video ili audio signala, i za sve druge slične tehnološke novotarije ovog proizvođača. Time je unapred obezbeđeno da kupci imaju interesa za njihove proizvode. Bez toga nema tržišnog uspeha, bez obzira na svu genijalnost tehničkih rešenja.

Mogući aspekti odnosa čoveka prema audiotehnici Sagledavši kompleksnu ulogu i mesto audiotehnike, jasno je da ona danas, osim osnovnog zadatka opisanog na početku ovog teksta, sintetizuje zahteve i dostignića iz nekoliko različitih oblasti ljudskog delovanja. To podrazumeva da je audiotehnika danas rezultat delovanja: - zvučne informacije kao povoda, - tehnologije i - tržišta (ekonomije). Tokovi razvoja audiotehnike do danas rezultat su delovanja sila iz ove tri oblasti. U takvoj situaciji stav čoveka prema audiotehnici, odnosno prema audio uređajima i sistemima, može se iskazati šemom koja je prikazana na slici 1.3. Čovek može biti zainteresovan za zvučne informacije, i tada je on slušalac. Pošto audiotehnika znači i tržište, njoj se može pristupati i kao kupac, odnosno potrošač, ili prodavac, gde oba subjekta razmišljaju, pre svega, u ekonomskim kategorijama. Najzad, postoji segment, koji se sa aspekta inženjera često pogrešno tumači kao jedini mogući, koji podrazumeva pristup audiotehnici isključivo kao delu savremene tehnologije. Čovek je tada korisnik uređaja, i razmatra ergonomiju, funkcionalnost, elegantnost tehničkih rešenja, itd. Svest o ovakvom trojnom odnosu čoveka prema audiotehnici mora biti osnov za profesionalni stručni rad i u svim svojim dimenzijama inženjerima potpuno jasan.


9

AUDIOTEHNIKA ZVUCNE INFORMACIJE

SLUŠALAC

Slika 1.3 - Ilustracija višestrukog odnosa čoveka prema audiotehnici.

1.3 Informacije u audiotehnici Jedna od bazičnih tema u audiotehnici je tumačenje zvučnih informacija, što znači, pre svega, njihovo kvantifikovanje. Pošto su zvučne informacije pojam koji proizilazi iz ljudske percepcije zvuka, to je tema kojom se bave fiziološka i psihološka akustika. Na taj način su i ove dve oblasti akustike ugrađene u osnove audiotehnike. Informaciono polje zvuka Obim zvučnih informacija značajnih za čoveka određen je mogućnostima čula sluha, odnosno njegovim fiziološkim karakteristikama. Čujno područje na frekvencijskoj osi nominalno je ograničeno donjom graničnom frekvencijom 20 Hz i gornjom graničnom frekvencijom 20 kHz. Dinamički opseg koje uvo može da registruje takođe je ograničen. Ne ulazeći ovde u detalje rada čula sluha (to je tema narednog poglavlja), a pre svega zanemarujući činjenicu da rad uva nije linearan po frekvencijama i nivoima zvuka, jasno je da postoji ograničen opseg intenziteta zvukova, odnosno nivoa audio signala koji može biti predmet interesovanja potencijalnog slušaoca. Ono što se nalazi u granicama mogućnosti čula sluha utvrđenim u dvodimenzionalnom prostoru (frekvencija - intenzitet zvuka) definiše informaciono polje zvuka. Količina informacija koju uvo može da prima predstavlja dvodimenzionalnu veličinu i definisana je veličinom pravougaonika sa slike 1.4. U njegovim okvirima nalazi se skup svih čulom sluha prepoznatljivih frekvencija i intenziteta zvuka, a to znači svi različiti zvukovi koji mogu biti nosioci informacija.


10

intenzitetzvuka

Jm ax

IN FO RM AC IO N O PO LJE ZVU KA

Slika 1.4 - Informaciono polje zvuka

Jm in fm in

frekvencija

fm ax

Informaciono polje zvuka je značajan pojam u audiotehnici. Polazeći od definicije informacije preko pojma nezavisnog zvučnog događaja kao osnovnog elementa informacije, što je tema koja se obrađuje u teoriji informacija, fiziološka akustika pokazuje da duž frekvencijske ose postoji oko 850 različitih frekvencija koje uvo može da razlikuje. Oni nisu linearno raspoređeni, već su u apsolutnom smislu gušći u zoni niskih frekvencija, a ređi u oblasti visokih frekvencija, što je posledica logaritamske karakteristike uva. To je posledica anatomske konstrukcije receptora u unutrašnjem uvu i fiziologije njihovog rada. Ograničena rezolucija uva postoji i po intenzitetima, odnosno nivoima zvuka. Postoji konačan broj različitih vrednosti nivoa zvuka koje uvo može da razlikuje u rasponu od najtišeg do najjačeg prihvatljvog zvuka. Za razliku od frekvencijskog opsega, gde se može govoriti o oko 850 različitih frekvencija koje se mogu prepoznati, nemoguće je na tako egzaktan način govoriti o broju različitih nivoa koji se mogu čuti, jer je taj podatak frekvencijski zavistan. Manje različitih nivoa zvuka može se percepirati na niskim frekvencijama nego na srednjim, gde je uvo najosetljivije. Količina zvučnih informacija Iz teorije informacija je poznato da količina informacija Q koju nosi neki događaj si zavisi od njegove verovatnoće pojavljivanja P(si), pa je jedna od mogućih definicija količine informacija: Q(si) = − log P(si)

(1.1)

Osnova logaritma ovde nije od značaja. U zavisnosti od osnove menja se samo jedinica za količinu informacija. Ako je osnova logaritma 2, jedinica se zove Šenon. Zanemarujući pitanje rezolucije koje ima čulo sluha, dijagram sa slike 1.4 može se transformisati iz domena zvučnog polja u domen audio signala. Ova varijanta je prikazana na slici 1.5. Tada je na ordinati prikazan dinamiči opseg. Donja granica na skali intenziteta zvuka određena je nivoom prisutnog šuma koji određuje prag percepcije najslabijih zvučnih komponenti. Posmatrajući samo iz domena audio signala zanemaruju se svi mehanizmi unutar samog čula sluha koji mogu ugroziti percepciju pojedinih


11

dinam i~kiopseg

brojkvantnih nivoa

zvučnih informacija (npr. maskiranje i slično). Zbog toga se u analognom domenu informaciono polje može definisati kao na slici 1.5.a.

gornja grani~na frekvencija

a)

frekvencija odm eravanja

b)

Slika 1.5 - Informaciono polje zvuka u analognom domenu (a) i digitalnom domenu (b) Na frekvencijskoj osi donja granična frekvencija (20 Hz) za tri reda veličine je manja od gornje (20 kHz). Zato se pri određivanju veličine pravougaonika informacionog polja njegova širina može definisati samo preko gornje granice čujnog frekvencijskog opsega. Na ordinati dijagrama sa slike 1.5.a koji prikazuje informaciono polje u analognom domenu kao dimenzija se javlja gornja granična frekvencija. U digitalnom domenu informacije su lakše samerljive, pa smisao informacionog polja postaje jasniji. Dimenzije informacionog polja postaju broj kvantnih nivoa, koji definiše maksimalni dinamički opseg, i frekvencija odmeravanja. Informaciono polje transformisano u digitalni domen prikazano je na slici 1.5.b. Broj kvantnih nivoa sa kojim se vrši kvantizacija definiše informacionu ″težinu″ svakog odmerka, a frekvencija unosi dimenziju gustine informacionog protoka. Značaj informacionog polja definisanog na način sa slike 1.5 može se najlakše sagledati u digitalnom domenu, jer se time mogu objasniti razne specifične transformacije, kao što su oversempling ili kompresija audio signala. Oversempling predstavlja promene oblika informacionog polja, njegovo izduživanje duž frekvencijske ose, uz zadržavanje iste površine polja, a time i količine informacija. Dok god se ne menja ukupna površina polja količina informacija ostaju ista. Na primer, u algoritmima za kompresiju audio signala oblik polja se menja, dinamički se povećavajući i smanjujući, u skladu sa realnim količinama informacijama koje signal sadrži. Nivo signala kao mera dinamičkog opsega Uvo kao prijemnih ima logaritamsku karakteristiku odziva na intenzitet pobude. Pošto se čulo sluha nalazi na kraju svakog audio sistema, postoji potreba da se umesto linearne skale veličine signala u predstavi informacionog polja uvode odgovarajuća logaritamska skala. Uvođenje logaritamske skale na ordinati informacinog polja ima za cilj da se prikaz svojim numeričkim vrednostima približi mehanizmu reakcije čula sluha i subjektivnom utisku. Tako su zvučni pritisak i električni signali dobili svoje logaritamske ekvivalente, a u domen audio signala uveden je pojam nivoa, i decibel kao jedinica. Za iskazivanje veličine signala u zvučnom polju uveden je pojam nivoa zvuka L (engleski SPL – sound presure level), izražen u decibelima. Nvo zvuka je, po definiciji


12

L = 10 log

p2 2 p ref

[dB ]

(1.2)

gde je p efektivna vrednost pritiska, a po referentna vrednost. U akustici je davno postignuta opšta saglasnost oko vrednosti referentnog zvučnog pritiska prema kome se izračunava vrednost nivoa zvuka (pref = 2⋅10-5 Pa). To je definisano međunarodnim standardom, pa je tako nivo zvuka 0 dB utvrđen jedinstveno. Kada je audio signal predstavljen naponom odgovarajući nivo je, po definiciji: 20 log

V [dB] Vref

(1.3)

gde je V efektivna vrednost audio signala a Vref usvojena referentna vrednost napona. Ako je signal predstavljen snagom, onda je: 10 log

P [dB] Pref

(1.4)

gde je P trenutna vrednost snage signala a Pref usvojena referentna vrednost snage. Iz definicije je jasno da nivo čija je vrednost 0 dB odgovara signalu koji je jednak usvojenoj referentoj vrednosti Vref, odnosno Pref. Za razliku od akustičkog domena, u domenu električnih signala ne postoji jedinstven pristup u definisanju skale nivoa. Posledica toga je da pri numerički istom pokazivanju nivoa signala u decibelima u različitim okolnostima, odnosno na različitim uređajima, naponska veličina signala može biti različita. Moguće razlike u referentnim vrednostima biće prikazane kasnije.

1.4

Oblast čujnosti uva kao informaciono polje zvuka

Veličina informacionog polja zvuka kojim se bavi audiotehnika određene su mogućnostima čula sluha. Fizička mogućnost ljudskog uva da registruje zvuk je ograničena njegovim anatomskim i fiziološkim osobinama. Sa jedne strane, postoji ograničenje po frekvencijama, jer uvo reaguje na zvučne nadržaje samo u jednom intervalu frekvencija koje se nazivaju čujne frekvencije. Nominalne granice čujnog opsega frekvencija utvrđene su na 20 Hz (donja) i 20.000 Hz (gornja). Sa druge strane, postoji granica intenziteta nadražaja ispod koje mehanizam čula sluha ne reaguje. Ona se naziva ″granica čujnosti″. Potrebno je na uvo dovesti nadražaje koji su iznad te granice i u opsegu čujnih frekvencija da bi se stvorila zvučna senzacija. Zbog toga je jasno da postoje široke oblasti zvučnih pojava koje čulo sluha ne može registrovati, ali to nije tema audiotehnike. Dijagram oblasti čujnosti Fizičke granice mogućnosti percepcije čula sluha prikazuju se dvodimenzionalnim dijagramom koji je prikazan na slici 1.6. Označena površina se naziva oblast čujnosti. Neki autori je nazivaju i ″slušno polje″. Oblast čujnosti je sa donje strane ograničena


13

granicom čujnosti, a sa leve i desne strane najnižom, odnosno najvišom čujnom frekvencijom. Ona predstavlja informaciono polje zvuka, u smislu kako je ono definisano na slici 1.4, samo modifikovano sa aspekta mogućnosti percepcije zvučnih informacija čulom sluha. Sposobnost čula sluha da registruje razlike između zvukova, odnosno da prima zvučne informacije, počiva na mogućnosti da se razlikuju oblici putujućih talasa na bazilarnoj membrani i intenziteti vibracione pobude duž nje. S obzirom na konstrukciju bazilarne membrane, jasno je da sinusna pobuda na frekvencijama preko 20 kHz ne može biti registrovana. Međutim, to ne znači da se ne mogu praviti razlike u zvukovima kada sadrže ili ne sadrže spektralne komponente iznad 20 kHz. Postoje dva opšteprihvaćena objašnjenja kako se mogu registrovati te razlike, iako se radi o frekvencijama na koje uvo u fizičkom smislu nije osetljvo. Prvo, postoji izvesna nelinearnost u prenosnoj karakteristici sistema od spoljašnjeg uva do bazilarne membrane. Pri zvučnoj pobudi u uvu nastaju izvesna nelinearna izobličenja koja generišu nelinearne produkte na frekvencijama zbirova i razlika prenošenih spektralnih komponenti. Pojava spektralnih komponenti viših od 20 kHz u zvuku koji se sluša znači da će i one na putu do bazilarne membrane učestvovati u procesu izobličenja i generisanja novih komponenti. Takvi intermodulacioni produkti u kojima učestvuju komponente iznad 20 kHz čine razliku. Drugo, sve tranzijentne pojave koje kao takve eventualno stvaraju neke karakteristične oblike putujućih talasa na bazilarnoj membrani mogu učiniti da se pravi razlika između dva zvuka koji se međusobno razlikuju samo u delu spektra koji se nalazi iznad 20 kHz. Često se u popularnoj literaturi ova sposobnost čula sluha tumačila kao otkriće da uvo može čuti frekvencije preko 20 kHz. Takva konstatacija nije tačna jer nema fizičkog, odnosno anatomskog pokrića, već je to samo posledica pojave intermodulacionih produkata i razlika u vremenskim oblicima talasnih pojava na bazilarnoj membrani.

Prikazana oblast čujnosti karakteriše zdravo ljudsko uvo. Pojam zdravog čula sluha se u literaturi obično označava izrazom ″otološki normalni subjekt″ (otologija je deo otorinolaringologije koja se bavi čulom sluha). To po definiciji podrazumeva osobu normalnog stanja sluha, starosti od 18-25 godina, bez bilo kakvog znaka oboljenja ušiju, i bez voska u slušnom kanalu. Postoji niz faktora koji tokom života mogu da promene karakteristike čula sluha. To su preležane bolesti, prekomerni uticaj visokih nivoa zvuka, upotreba nekih lekova, proces starenja, itd. Sve te promene odražavaju se na oblast čujnosti. Mogući uticaj ovih faktora prikazan je u posebnoj temi posećenoj čulu sluha. Sa slike se vidi da je razlika u nivou zvuka koji odgovara granicama čujnosti na 20 Hz i 1 kHz oko 70 dB. To znači da je nivo najtišeg zvuka na najnižim čujnim frekvencijama oko 70 dB iznad nivoa najtišeg zvuka u centralnom delu čujnog frekvencijskog opsega. Takav podatak iliustruje činjenicu da je uvo nelinearan prijemnik. Zbog ove nelinearnosti verovatnoća pojavljivanja zvučnih informacija u okviru informacionog polja, posmatrano sa aspekta percepcije zvuka, nije jednaka po površini polja. Zbog toga ni gustina količine informacija nije konstantna u svim njegovim delovima, kao što je to podrazumevano u definiciji informacionog polja sa slike 1.4.


14

150 140 130 120 110 100

n ivo zvuka (dB)

90 80 70

OBLAST CUJNOSTI)

Slika 1.6 - Oblast čujnosti zdravog ljudskog uva

60 50 40 30 20

granica cujno sti

10 0 -10 20

100

1000

10000

fre kvencija (H z)

Granica čujnosti pokazuje da su mogućnosti percepcije ljudskog čula sluha veoma velike. Za ilustraciju može se navesti da su amplitude oscilovanja molekula u vazduhu u zvučnom polju pri nivoima zvuka na granici čujnosti u zoni najveće osetljivosti uha reda veličine dimenzija vodonikovog atoma. Granica čujnosti se, po definiciji, odnosi na nivo zvuka sinunog tona, ali je pokazano da se sa tačnošću od 1 dB može primeniti i na uskopojasni šum širine opsega od 1/3 oktave.

Sa slike 1.6 se vidi da je oblast čujnosti površina u ravni frekvencija - nivo zvuka jasno ograničena sa svoje desne, donje i leve strane. Gornja granica ne postoji u geometrijskom smislu. Zato je u toj zoni uveden pojas označen šrafurom. U gornjem delu granice čujnosti razlikuju se granica neprijatnosti (pri nivou zvuka od oko 120 dB) i granica bola (oko 140 dB). To je zona veoma velike zvučne pobude pri kojoj se javljaju velike amplitude oscilovanja svih pomičnih delova (bubna opna, slušne koščice, ovalni prozor, bazilarna membrana, okrugli prozor). Prema tome, informaciono polje zvuka, kako ga vidi čovekovo čulo sluha, nije precizno ograničeno sa gornje strane, kao što je to u principu slučaj u domenu signala. Pri velikim pobudama amplitude oscilovanja bubne opne i slušnih koščica mogu premašiti granice njihovih anatomskih mogućnosti. Kao rezultat, sa povećavanjem nivoa pobude nastaje prvo nelagodnost, zatim bol. Prekoračenjem granice bola nastaje rizik mehaničkih oštećenja na pomičnim delovima i njihovim spojevima, pre svega u zoni


15

srednjeg uva. U literaturi se navodi da je nivo zvuka oko 150 dB granica kada dolazi do mehaničkih oštećenja bubne opne i drugih nežnih pokretnih delova slušnog mehanizma.

Pojam granice čujnosti nije jedinstven i zavisnosti od uslova slušanja. Postoje dva osnovna tipa granice čujnosti: - minimalni čujni nivo zvuka u zvučnom polju (MAF - minimum audible field) i - minimalni čujni zvučni pritisak na bubnoj opni (MAP - minimum audible pressure). MAF je granica određena pri slušanju zvuka reprodukovanog pomoću zvučnika, pri čemu je slušalac fizički prisutan u zvučnom polju. MAP je granica određena reprodukovanjem zvuka pomoću slušalica, uzimajući kao indikator pobude nivo zvuka na bubnoj opni slušaoca. MAP je na dijagramu oblasti čujnosti uvek viši od MAF jer se pri slušanju preko slušalica i posmatranju samo nivoa na bubnoj opni eliminiše efekat izvesnog pojačanja koje unosi spoljašnje uho (rezonanca slušnog kanala, uticaj učne školjke, itd.). MOže se reći da se razlika između ove dve granice čujnosti javlja kao posledica različitog odnosa spoljašnjeg uva prema dolazećoj zvučnoj energiji.U literaturi se pojavljuju još i varijante obe granice. Tako MAP može biti meren pri monauraloj i binauralnoj pobudi na slušalicama. MAF uvek podrazumeva binauralno slušanje, ali takođe ima dve varijante: pri slušanju u difuznom polju i pri slušanju u direktnom polju. Prva varijanta podrazumeva zvučno polje u reverberantnoj prostoriji, sa podjednako verovatnim pravcima nailaska zvuka na glavu slušaoca, a druga podrazumeva ispitivanje u anehoičnoj prostoriji, kada postoji samo direktan zvuk iz zvučnika prema kome je okrenut slušalac. U audiotehnici je značajna granica MAF pri direktnom talasu, jer je to blisko uslovima koji postoje pri monitoringu u audio režijama. U dobro obrađenoj režiji uvo je dominantno izloženo nailasku direktnog zvučnog talasa iz monitorskih zvučnika. Granica čujnosti sa slike 1.6 upravo predstavlja taj slučaj.

Povezujući sliku 1.6 sa ranje definisanim informacionim poljem jasno je da su dinamički opsezi informacionog polja na niskim i srednjim frekvencijama veoma različiti. Gornja granica je uvek približno ista U čitavom čujnom frekvencijskom opsegu kao granica bola može se usvojiti nivo od oko 140 dB. Prema tome, na srednjim frekvencijama dinamički opseg uva je oko 140 dB, a na frekvenciji 20 Hz on je svega 70 dB. Odatle sledi da je maksimalna razlika u dinamičkom opsegu čula sluha po frekvencijama oko 2:1. Smanjujući gornju granicu upotrebljivih nivoa zvuka na vrednosti niže od nivoa 140 dB, što je uvek u praksi slučaj, razlika u veličini dinamičkog opsega na niskim i srednjim frekvencijama je još veća. Realne granice maksimuma sa aspekta audiotehnike su bliže nivou od oko 120 dB, a eventualna premašenja ovog nivoa dozvoljena su samo u obliku impulsa. Granične frekvencije čujnog opsega Kao i sve drugo što se odnosi na čulo sluha, i nominalne granice čujnog opsega nisu konstante na način kako se u tehnici uobičajeno shvata pojam konstante. Šta više, kod živih organizama ne postoiji ni jedan numerički pokazatelj čija normalna vrednost može biti iskazana sa preciznošću koja je uobičajena u tehnici. Uvek postoje varijacije svih vrednosti kod iste osobe, u zavisnosti od stanja organizma, kao i razlike od osobe


16

do osobe. Zato sve numeričke vrednosti kojima se pokazuju performanse čula sluha mogu se definisati samo kao statistički pokazatelji, odnosno verovatnoćom pojavljivanja. Osnovna odlika uha je da njegov ukupni rad, ondnosno kvalitet zvučne slike, zavisi od nivoa zvuka pri kome se vrši slušanje. Taj uticaj postoji i kada je reč o graničnim frekvencijama. Sa slike 1.6 moze se zaključiti da se teorijski optimalne vrednosti nivoa, kada se dostižu maksimalne sposobnosti uha, nalaze u intervalu nivoa zvuka 80-90 dB. Pri nižim nivoima širina frekvencijskog opsega čujnosti se sužava, pre svega sa donje strane, zbog oblika krive granice čujnosti. Pri nivoima zvuka nižim od 70 dB frekvencijski opseg čula sluha više nije 20-20.000 Hz, već je uži. Čak i pri optimalnom nivou slušanja (80-90 dB) usvojene vrednosti graničnih frekvencija 20 Hz - 20.000 Hz treba shvatiti samo kao statističke pokazatelje koji su dobijeni ispitivajem na dovoljno velikom uzorku zdrave populacije. Podrazumeva se da postoje individualne razlike, odnosno da su sasvim prirodna eventualna manja odstupanja vrednosti od osobe do osobe. Pojam ″normalnog″ samo znači da su te vrednost dobijene kao statistički pokazatelj izveden na uzorku zdrave populacije. Tačnije rečeno, u pitanju su otološki zdrave osobe, što znači bez znakova oboljenja ušiju. Sasvim je jasno da veliki deo populacije ima čulo sluha čije su osobine ne odgovaraju slici 1.6 u svim njenim detaljima. Donja granična frekvencija, nominalno usvojena na 20 Hz, specifična je zbog toga što pri snižavanju frekvencija funkcija uha postepeno prestaje, a postaje sve izraženija vibraciona reakcija glave, ali i ostalih delova tela. Vrlo precizna granica tog prelaza ne postoji, tako da usvojenu graničnu vrednost 20 Hz treba prihvatati sa izvesnom tolerancijom. U starijoj literaturi kao donja granica rada čula sluha redovno je navođena frekvencija 16 Hz. I to na svoj način pokazuje relativnost ovog podatka. Gornja granična frekvencija, za koju je usvojena vrednost 20.000 Hz, takođe je dobijena kao statistički pokazatelj. Istraživanja radi pouzdanog utvrđivanja ovog podatka posebno intenzivno su rađena krajem sedamdesetih godina zbog definisanja parametara digitalnih sistema koji su tada uvođeni u upotrebu. Merenja na zdravoj populaciji uzrasta od 15 do 50 godine i statistička obrada rezultata pokazala su da se ova granica može iskazati samo primenom verovatnoće. Rezultat takvog merenja je pokazan na slici 1.7.

vero vat noca gorn je granicne fre kvencije

0.3

0.2

Slika 1.7 - Raspodela verovatnoće vrednosti gornje granične frekvencije čula sluha kod zdrave populacije 0.1

0.0 0

2

4

6

8

10

12

14

fre kvencija (kHz)

16

18

20

22


17

Prikaz raspodele verovatnoće gornje granične frekvencije kod otološki zdravih osoba jedna je od ilustracija pravila da se o numeričkim podacima koji kvantifikuju rad čula sluha može govoriti samo kroz statistiku. To je karakteristično ne samo za akustiku, već i za sve druge oblasti analize rada živih organizama, pa je statistika takođe osnov svih istraživanja u medicini. U tom smislu, granica čujnosti, ali i svi drugi podaci o mehanizmima rada ljudskog čula sluha koji će ovde biti pokazani, nisu egzaktni, već statistički pokazatelji. Sva merenja u kojima su utvrđivani neki od kvantifikatora ponašanja uva obavljena su na dovoljno velikom uzorku populacije, ali i uz ponavljanja merenja sa istim ispitivanim subjektima. Principi kojima je regulisana procedura takvih merenja naziva se psihometrija. Pri ovakvim merenjima podrazumevaju se veće ili manje varijacije izmerenih vrednosti pri sukscesivnim ponavljanjima procedure. Priroda psihometrijskih merenja može se dobro ilustrovati na primeru postupka kojom je određena granica čujnosti. Naime, pri ponovljenim merenjima prirodno je da se dobijaju odgovori ″da se čuje zvuk″ pri različitim vrednostima nivoa. Tako pri merenjima izmerena vrednost granice čujnosti varira neki decibel gore-dole od subjekta do subjekta, pa i pri ponovljenim merenjima sa istom osobom. Utvrđivanje vrednosti granice čujnosti svodi se na pitanje verovatnoće na bazi dovoljno velikog uzorka izmerenih podataka, to jest sa kojom verovatnoćom će slušaoci pri nekoj vrednosti nivoa zvuka tvrditi da počinju čuti ton. 100 90

procenat pot vrdniih od govora

80 70 60 50 40 30 20 10

pr ag 50%

prag 75%

0

jacina stimulu sa

Rezultat jednog takvog merenja može se predstaviti krivom kao na slici. Sa povećavanjem nivoa zvuka u sve većem procentu će testirani subjekti konstatovati da čuju. Da bi se utvrdio jedna numerička vrednost nivoa zvuka koja predstavlja granicu čujnosti potrebno je prethodno usvojiti vrednost procenta testirane populacije koji treba da na toj granici čuje zvuk. Obično se pri utvrđivanju numeričkih pokazatelja poput granice čujnosti uzima vrednost jačine stimulusa pri kojoj se postiže verovatnoća 50% ili 75% pogađanja. U određivanju granice čujnosti koja je usvojena kao standardna usvojena je granica 75% pouzdanosti odlučivanja, odnosno verovatnoće. To znači da su tokom testiranja postojali slučajevi kada su neki od subjekata počinjali da čuju i ispod i iznad vrednosti nivoa zvuka koja je zapisana u standardu kao granica. Sve ovo treba imati u vidu pri tumačenjima podataka u inženjerskoj praksi.


18

Dijagram sa slike 1.7 pokazuje verovatnoću sa kojom se može očekivati da neka zdrava osoba ima određenu vrednost gornje granične frekvencije čujnog opsega. Vidi se da najviše ljudi čuje do 17-18 kHz (odnosno najveća je verovatnoća da čovek ma tu vrednost granice). Isti dijagram pokazuje da oko 99% osoba ima granicu do 20 kHz. Zbog toga je u audiotehnci usvojena takva vrednost, smatrajući da je 99% slušalaca dovoljno velika ciljna grupa. Oblik krive sa slike takođe pokazuje da postoje i malobrojne osobe koje mogu čuti frekvencije koje su iznad 20 kHz. Ovi podaci se odnose na ispitivanu grupu opsega starosti 15-50 godina. Novija istraživanja su pokazala da među veoma mladim osobama, što znači dovoljno mlađim od 15 godina, oko 1% osoba može registrovati frekvencije do granice od oko 25 kHz. Potpuno je nezavisno pitanje primetnosti promena informacionog sadržaja realnih zvukova u slučaju ograničenja njegovog frekvencijskog opsega sa gornje strane. To zavisi od informacionog značaja spektralnih komponenti u oblasti najviših čujnih frekvencija, i nije samo funkcija mogućnosti čula sluha.

1.5 Pojam audio sistema Zadaci u audiotehnici obavljaju se manje ili više složenim tehološkim celinama koji se nazivaju audio sistemi. Oni se formiraju povezujući međusobno audio uređaje koji obavljaju pojedine funkcije, ili nižući softverske celine. Audio sistemi se uvek formiraju za tačno određene, konkretne funkcije prema unapred postavljenim zahtevima. Iako svi audio sistemi, u principu, uvek obavljaju iste elementarne zadatke, zahtevi slušalaca i opšti ciljevi koji se žele postići mogu biti raznovrsni, pa se i audio sistemi mogu međusobno veoma razlikovati po složenosti, koncepciji itd. Ipak, neki zajednički principi mogu se utvrditi bez obzira na razlike koje se javljaju u praksi.

Generalizovana blok šema audio sistema Mesto audio sistema kao posrednika između izvora zvučnih informacija i slušaoca može se prikazati blok šemom sa slike 1.8. Na levoj strani šeme, na njenom početku, nalazi se izvor zvučnih informacija. Na desnoj strani šeme, na njenom kraju, nalazi se korisnik tih informacija, to jest slušalac. Šema sa slike 1.8 podrazumeva da je slušalac prostorno i vremenski udaljen od izvora koji želi da čuje. Prostorna udaljenost delovanjem fizičkih zakona onemogućava slušaoca da zvučni izvor neposredno čuje, a vremenska udaljenost podrazumeva da će informacija koju izvor emituje biti zapisana i sa proizvoljnim vremenskim zakašnjenjem reprodukovana slušaocu. Prema tome, može se reći da je audio sistem posrednik između izvora zvučne informacije i slušaoca koji je prostorno i vremenski od njega udaljen. Stoga se može usvojiti najopštija definicija po kojoj je audio sistem sve ono što se nalazi između izvora zvuka i udaljenog slušaoca. Iako se na početku i na kraju tog procesa prenošenja javlja zvuk, poželjno je ovaj problem shvatati u najširem smislu, pa vezu između izvora i slušaoca posmatrati na nivou informacija.


izvor zvucne informacije

19

audio sistem

slušalac

Slika 1.8 - Blok šema osnovne funkcije audio sistema

Slika 1.8 istovremeno objašnjava šta je sve relevantno u audiotehnici. Naime, za realizaciju bilo kakvog zadatka pomoću audio sistema potrebno je poznavati prirodu zvučnih inormacija, ali i mehanizam čovekove percepcije zvuka koja je korisnik tih informacija. Čulo sluha koje se nalazi na kraju blok šeme predstavlja cilj svega što se odigrava u prethodnim njenim delovima. Bez uva slušaoca nema ni audiotehnike. Mnogi procesi u audiotehnici najdirektnije su uslovljeni svojstvima ovoga čula. Najbolji primer su danas široko primenjivani algoritmi za kompresiju audio signala. Oni rade na principima analize signala i prepoznavanja šta ljudsko uvo ne može čuti usled svoje nesavršenosti. Tako prepoznati elementi signala se ne koduju, čime se ostvaruje kompresija.

Osnovne funkcije audio sistema Polazeći od šeme sa slike 1.8 moguće je sve što se dešava unutar audio sistema razložiti na konačan broj elementarnih funkcija. To su: - registrovanje informacija u zvučnom domenu i njihovo pretvaranje u signal, - generisanje veštačkih signala, - obrada, - snimanje (zapisivanje), - prenos i - reprodukcija zvuka. Svaka od ovih funkcija ima svoje specifične zakonitosti i uređaje kojim se realizuje. U zavisnosti od svoje namene, pojedini audio sistemi ne moraju uvek uključivati sve pobrojane funkcije. Prva karika u lancu audio sistema mora biti ono što vrši funkciju registrovanja zvučnih informacija ili funkciju njihovog generisanja. Značaj registrovanja je takav da se vremenom razvilo posebno zanimanje snimatelj zvuka (″tonmajstor″) koje, između ostalog, obuhvata veštine registrovanja zvučnih signala. Ovo zanimanje danas zahteva odgovarajuće univerzitetsko školovanje. Funkcija veštačkog generisanja zvučnih informacija može imati dva pojavna oblika. Prvi je simulacija signala koji bi se dobili registrovanjem zvukova prirodnih muzičkih instrumenata, ili prirodnih zvukova u najširem smislu. Drugi je generisanje potpuno originalnih zvukova, dakle zvukovi koji ne postoje u prirodi. Zapisivanje zvučnih informacija unosi u audio sistem funkciju arhiviranja. To se može raditi zbog tržišne prodaje snimaka, jer je to vrsta robe, ali zapisi mogu imati i druge funkcije. To može biti privremeno beleženje nečijeg govora radi izrade stenograma, ali isto tako, poput funkcije kinoteke u domenu filma, postoje audio snimci koje treba sačuvati. Velike radiodifuzne kuće uobičajeno imaju velike fonoteke u kojima se čuvaju audio snimci od značaja za istoriju naroda ili za buduće radiofonsko stvaralaštvo.


20

Obrada zvučnih informacija unutar audio sistema može imati nekoliko različitih aspekata. To prevashodno podrazumeva umetničko delovanje, odnosno izražavanje zvukom. Tu spada sve ono što se čini radi formiranja neke željene zvučne slike kod potencijalnih slušalaca. Pored toga, obrada može biti uslovljena potrebom da se deo informacionog zvuka sadržaja istakne u odnosu na ostalo. Karakterističan primer je predobrada signala govora radi povećanja razumljivosti u audio sistemima za obaveštavanje. Prenos zvučnih informacija predstavlja temu audiotehnike sve dok se signal nalazi u svom osnovnom opsegu, dakle dok ne pređe u sferu radiodifuzije. U okviru velikih zgrada radiodifuznih kuća postoji problem obimne i složene distribucije audio signala. Na stadionima gde se održavaju velike muzičke manifestacije ili u pozorištima postoji problem distribucije audio signala između relativno udaljenih tačaka (bina - audio rezija, itd.). U tom domenu sve više se primenjuju optičke veze. U najširem smislu, i svaka veza dva audio uređaja, bez obzira na fizičko rastojanje, ima svoje tehničke aspekte koji se mogu podvesti pod temu prenosa zvučnih informacija (npr interfejsi za vezu uređaja u digitalnom domenu). Reprodukcija zvuka je, na izvestan način, centralna tema audiotehnike. Razlog tome leži u činjenici da je taj proces neizostavan, kao što je neizostvan i slušalac. Reprodukcija podrazumeva stvaranje zvučnog polja na mestu gde se nalazi slušalac, a bez tog procesa nema ni audiotehnike. Sve ostale prethodno nabrojane funkcije mogu u pojedinim okolnostima izostati, ali ne i reprodukcija. Ako se radi sa čisto elektronskom muzikom, nema registrovanja zvučnih informacija, ako se vrši direktan prenos nekog događaja nema zapisivanja, a ni obrade, ako se sve dešava u relativno malom prostoru nema prenosa. Samo funkcija reprodukcije mora uvek postojati. Osim na mestu krajnjeg slušaoca, problem reprodukcije se javlja i unutar audio sistema. To je u delu sistema gde se vrši kontrola signala. Tada se reprodukcija zvuka pojavljuje u kontrolnoj petlji upravljanja unutar samog audio sistema. Hijerarhija zvučnih informacija u audio sistemima Činjenica je da zvučna slika koju formira slušalac može obuhvatati razne nivoe zvučnog sadržaja. Percepcija zvuka predstavlja vrlo delikatnu temu jer neki od nivoa zvučnih informacija nisu svima podjednako dostupni svakom slušaocu. Uzimajući raniji primer informacionih slojeva sadržanih u reprodukovanoj muzici, činjenica je da nisu svi potencijalni slušaoci zainteresovani, niti svi umeju da ih percepiraju. Verovatno je lakše ovaj problem razumeti kroz paralelu sa govorom, gde takođe postoji više nivoa informacija. U govoru postoji elementarni nivo informacija koga čini jezički sadržaj. Isti zvuk sadrži informacije o vokalnom traktu govornika, što znači o visini glasa, boji glasa. Sledeći nivo jesu informacije o emocionalnom stanju govornika: da li je uzbuđen, pospan, umoran itd, kao i o eventualnom dramskom izrazu u glasu. Najzad, postoje informacije o prostoru u kome se govori. U najvećem broju slučajeva slušalac je zainteresovan samo za elementarni, jezički sadržaj. Takav primer je telefonija gde je dovoljan i redukovan sadržaj zvuka pošto je značajan samo jezički sadržaj koga treba preneti. Za ostale nivoa informacija slušalac često nije zainteresovan. Naravno da i u percepciji muzike postoji pristup ekvivalentan telefoniji, kada slušaoca interesuje samo elementarni muzički sadržaj i ništa izvan toga. U audiotehnici je potrebno razumeti da postoje različite potrebe za zvučnim informacijama u okviru istog primljenog zvučnog sadržaja.


21

Jedan od razloga stalnog tehnološkog razvoja u oblasti audiotehnike je i neprekidna težnja za dostizanjem ideala koji bi podrazumevao sposobnost prenosa udaljenom slušaocu celokupnog informacionog sadržaja svakog zvuka iz čovekovog okruženja. Međutim, treba imati u vidu da informacioni apekt nije isključivi, odnosno bezuslovni cilj razvoja u audiotehnici. Postoje i drugi, podjednako važni aspekti koji diktiraju pojedine pravce usavršavanja audio uređaja i sistema, pa se razvoj u oblasti audiotehnike može simbolički prikazati blok šemom sa donje slike. R AZVO J AU D IO TEH N IK E

K O M PAK T N O ST

C EN A

K VALITET

PO U ZD A N O ST

Vidi se da postoje sledeće dominantne oblasti razvoja: kompaktnost razvoj komponenti audio sistema dovoljno robustnih za transport radi što jednostavnije primene u koncertnim (turing) audio sistemima ili u raznim vozilima, pouzdanost razvoj u pravcu povećanja pouzdanosti audio komponenti, jer je ta karakteristika od velikog značaja u profesionalnim aplikacijama, kvalitet razvoj komponenti koje što manje izobličavaju informacioni sadržaj koji se prenosi, cena - razvoj što jeftinijih audio komponenti dovoljnog kvaliteta radi prilagođavanja masovnom tržištu. Svakako da je ovom spisku moguće dodati i druge aspekte koji u manjoj ili većoj meri utiču na pravce razvoja u audiotehnici. To uslovljava da je pojam ukupnog kvaliteta nekog audio sistema višedimenzionalna osobina izražena sa pojedinačnim ocenama ostvarenog dometa u svakom od nezavisnih parametara (kvalitet prenosa, pouzdanost, cena itd). Postoje specifične namene koje posebno favorizuju samo pojedine aspekte kvaliteta. Ukratko, težnja ka idealnom prenosu informacionog sadržaja nije uvek jedini i apsolutni cilj u audiotehnici, jer ni slušalac nije uvek sposoban ili zainteresovan za taj maksimum. Pogotovo oblast profesionalne upotrebe audio sistema nameće u praksi i neke druge pristupe. Tako se u zavisnosti od okolnosti primene prioritet može više dati pouzdanosti (sistem ″ugradi i zaboravi″), ograničenju cene ugradnje ili cene eksploatacije itd. Posmatrajući pitanje razvoja i poboljšanja uređaja i sistema u audiotehnici neminovno je da se za svaku konkretnu aplikaciju utvrdi pojam dovoljnog kvaliteta prenosa informacija kako bi se mogao ostvariti kompromis sa ostalim komponentama kvaliteta. Ostvarivanje dovoljnog kvaliteta audio sistema znači njegovo prilagođavanje realnim potrebama. Najbolji audio sistem sa datu aplikaciju je onaj koji prenosi neophodan informacioni sadržaj uz dovoljnu pouzdanost, uz minimalnu cenu sistema, najmanje gabarite uređaja itd.


22

Posmatrajući prosečnu populaciju i njen odnos prema muzici, jasno je da se čulo sluha ne koristi stalno u onom obimu u kome ono kao receptor zvučnih informacija može koristiti. To postaje pitanje zainteresovanosti da se čuje sve ono što zvučni signal donosi, ali i sposobnosti da se detektuju sve informacije. Potrebno je biti motivisan, potrebno je imati akustičke i tehničke uslove za to, a potrebno je proći i kroz neku obuku da bi čulo sluha moglo da percepira sve nijanse zvučne slike. Takvo stanje se nesumnjivo odražava i na zadatke audiotehnike. Pitanje hijerarhije zvučnih informacija u audio sistemu može proizići i iz potrebe da se vrši međusobno usaglašavanje veličine informacionih polja u tri značajne tačke: na mestu nastanka zvuka, gde počinje sistem, u domenu audio signala unutar audio sistema i na mestu slušaoca, to jest na izlazu iz sistema. Na primer, ako u ambijentu gde se nalazi slušalac postoji ambijentalna buka koja maskiranjem sa donje strane umanjuje veličinu informacionog polja, onda iz ekonomskih i praktičnih razloga i u oblasti signala veličinu polja treba prilagoditi tome. Isto prilagođenje treba vršiti i u slučaju kada je jasno da krajnji korisnik informacija nije zainteresovan za sve što se nalazi u informacionom polju na ulazu u sistem.

1.6 O terminologiji u audiotehnici Audiotehnika u današnjem smislu te reči relativno je mlada i veoma propulzivna inženjerska oblast. Gotovo dnevno se pojavljuju novi principi i novi uređaji koji ulaze u upotrebu. Svako ko se odluči za bavljenje audiotehnikom stalno je bombardovan novim, uglavnom engleskim izrazima, mada se često iza toga kriju samo trgovačke kovanice. Sve njih treba jezički savladati i prilagoditi upotrebi u srpskom jeziku. Za razliku od drugih savremenih oblasti inženjerskog delovanja, za audiotehniku je karakteristično da se o njenim temama razgovara i piše na više različitih nivoa. Snimanjem i reprodukcijom zvuka vrlo ozbiljno se bave ljudi raznolikih obrazovnih profila i različitog tehničkog iskustva. Inženjeri, ali i zaljubljenici u kvalitetnu reprodukciju zvuka, brojni snimatelji i profesionalci iz tangentnih stručnih oblasti svakako čine zainteresovane grupacije. Zbog toga se i reakcije na iste jezičke izazove često veoma razlikuju. Jedna od odlika audiotehnike jeste da su pojedine njene teme popularne i interesantne i u širim društvenim krugovima. Bez formalnog stručnog obrazovanja ali, nažalost, i bez kvalitetne stručne literature koja bi im poslužila kao polazna tačka, veoma brojni amaterski audiotehnički delatnici su često svoju terminologiju gradili kako su umeli, a terminologiju su formirali u svojim izolovanim krugovima. Međutim, stil ″stručnog″ govora, usvojen među amaterima, brzo širio preko raznih medija i lako ulazio u opštu upotrebu. Profesionalci u oblasti audiotehnike, uključujući tu inženjere i snimatelje zvuka getoizirane u radio, TV i produkcionim kućama, rešavali su svoje terminološke probleme formirajući jednu vrstu stručnog žargona, sve do nivoa koji im je omogućavao dobru međusobnu komunikaciju. Nažalost, često bez pretenzija na jezičku pravilnost. Najzad, univerziteti sa brojčano zanemarljivim nastavnim kadrom u oblasti audiotehnike uglavnom su ostajali u svojim akademskim sferama. Tako se stručna terminologija audiotehnike na srpskom jeziku, kakva je danas u upotrebi, razvijala gotovo nezavisno u nekoliko različitih pravaca. Sagledavanje principa i formalnih pravila po kojima se gradi domaća terminologija veoma je značajno u audiotehnici i stoga što će se svaki profesionalac tokom svog radnog veka sresti sa veoma mnogo novih reči koje će bez neke stručne jezičke podrške


23

morati da savlada i prilagodi upotrebi u srpskom jeziku. Tokovi razvoja tehnologije nesumnjivo ukazuju da će oni, između ostalog, biti zasipani novim engleskim rečima koje prate nove proizvode i nove principe rada. Zbog toga mala analiza terminologije i pravila na kojima se zasniva formiranje novih domaćih stručnih izraza ima poseban značaj i predstavlja opštu kulturu audio inženjera.

Pojam ″audio″ Naziv oblasti audiotehnike, odnosno audio uređaja i audio sistema, sadrži u osnovi reč ″audio″. Taj pojam označava povezanost sa procesom slušanja, odnosno sa čulom sluha. Tako u ″Rečniku stranih reči i izraza″ (M. Vujaklija) postoji pojam ″auditivan″ koji označava ono što se ″tiče čujenja i sluha, slušni, čujni (latinski: audire čuti, slušati) ″. Zato se kao pridev ili prefiks reč ″audio″ koristi u različitim prirodnim i tehničkim naukama da bi se u složenim pojmovima označilo sve što je povezano sa slušanjem, tj. što se odnosi na čulo sluha. Kao ilustracija primene pojma ″audio″ može se uzeti oblast medicine, gde se taj pojam kao prefiks koristi za sve što je povezano sa čulom sluha. Deo medicine koji se bavi funkcionisanjem čula sluha naziva se ″audiologija″, a postupak ispitivanja čula sluha, tačnije određivanje njegove osetljivosti, naziva se ″audiometrija″. I u običnom životu, van tehnike, često se upotrebljava ovaj pojam. Tako je nastao izraz ″audiofil″, koji označava osobu čiji je hobi slušanje kvalitetno reprodukovanog zvuka. Iz navedenih primera proizilazi da se reč ″audio″ uvodi u upotrebu u složenim pojmovima ili kovanicama u dva slučaja: da se označi nešto neposredno vezano za čulo sluha (npr. audiometrija) ili za nešto čemu je čulo sluha krajnji cilj, odnosno merilo (npr. audiofil). Na tim principima formirani su pojmovi ″audiotehnika″, ″audio sistemi″, ″audio uređaji″, itd.

Istorijsko nasleđe Interesantno je da terminološki pristup u našem jeziku zasnovan na primeni pojma ″audio″ nije oduvek bio prihvaćen u stručnim krugovima. U istorijsko nasleđe stručne terminologije spada upotreba termina ″ton″ u formiranju složenih pojmova. Tako se u praksi često koristi pojam ″tonska tehnika″ ili ″tonska režija″, a da se pri tome misli na audio tehniku, odnosno audio režiju. Ovaj termin je u naš jezik ušao iz nemačkog, nekada dominantnog u jeziku tehnike ovog podneblja, gde je zaista u formiranju složenih pojmova korišćena nemačka reč ″ton″, kao npr. u kovanici ″tonstudio-technik″, što u prevodu znači tehnika studija za snimanje zvuka. Činjenica je da jedna ista reč u različitim jezicima može imati uže ili šire značenje. U nemačkom jeziku reč ″ton″, koja sticajem okolnosti ima istu formu kao i jedna naša reč, označava i zvuk. Drugim rečima, u nemačkom ona ima šire značenje nego ista reč na našem jeziku. U srpskom jeziku reč ″ton″ isključivo zvuk sa jasno definisanom frekvencijom. To su zvuci koji imaju muzičko značenje, pa zbog toga u srpskom jeziku nije pravilno koristiti termin ton ni u jednom kontekstu izvan muzike. Neki složeni izrazi su se kod nas vremenom formirali i od pojma ″zvuk″. Tako su nastali termini kao što su ″zvučni zapis″, ″snimatelj zvuka″ i slično. Ovo nije pogrešno, ali treba imati u vidu da je pojam zvuka veoma širok i ne vezuje se samo za ljudsko čulo sluha i ljudsku percepciju, budući da je zvuk opšta fizička pojava. Pojam ″zvučni zapis″


24

može se odnositi i na ultrazvučni snimak, ali i na zapis seizmičkih signala. Zato u govoru u svakom konkretnom slučaju treba pravilno proceniti primenu ove reči. Kada se sve to uzme u obzir, pojam ″audio″ najpreciznije definiše onaj deo zvučnih događaja koji su namenjeni slušanju, odnosno ljudskom čulu sluha. Uz ograničenja koja su na neki način usvojena u samoj osnovi audiotehnike, ispravno je koristiti i već odomaćene kovanice nastale od pojma ″zvuk″.

Prihvatanje stranih termina Terminologiju u audiotehnici na srpskom jeziku uvek će pratiti sudbina karakteristična za jezike brojčano malih naroda čija je uloga da prihvata a ne da stvara tehnologiju. Zato smo prinuđeni da prihvatamo strane termine, sticajem okolnosti uglavnom iz engleskog jezika. Uvođenje novih termina koje iz drugih jezika permanentno donosi savremena tehnologija može se rešiti na tri načina: - direktnom transkripcijom strane reči na srpski jezik, - korišćenjem naše verzije korena reči od koga je posmatrana strana reč nastala, i zatim formiranjem odgovarajuće srpske reči i - prevođenjem na osnovu poznavanja značenja reči. Transkripcija stranih reči u srpski jezik mora se koristiti kada dva preostala načina ne daju za naš jezik prihvatljivo rešenje. U pravopisu srpskog jezika utvrđena su načela po kojima se strani nazivi prilagođavaju našem izgovoru i pismu. Skup pravila, utvrđenih izuzetaka i uputstava veoma je obiman. Čak osam strana knjge ″Pravopis srpskog jezika″ (Matica srpska, 1994.) posvećeno je ovom problemu. To samo znači da će spontano uvođenje engleskih reči prema sopstvenom osećaju jezika, bez konsultovanja pravopisa, s velikom verovatnoćom dati reč koja nija potpuno prilagođena pravilima jezika. Pri transkripciji reči treba voditi računa o prevođenju specifičnih engleskih glasova u najbliže srpske glasove, o novim glasovnim sklopovima koji se pri tome dobijaju i o mogućnostima da se skovana reč menja po padežima prema pravilima pravopisa. Vrlo često engleski stručni pojmovi imaju koren reči koji već postoji u srpskom jeziku, najčešće preuzeti iz latinskog. U takvom slučaju umesto transkripcije moguće je praviti novu srpsku reč korišćenjem tog zajedničkg korena. Najzad, prevođenje stručnih pojmova veoma je delikatan zadatak, jer se tu postavlja nekoliko ozbiljnih problema. Prvo, prevođenje zahteva odlično poznavanje i struke i maternjeg jezika da bi rezultat bio prihvatljiv za opštu upotrebu. Drugo, za prevođenje termina potrebno je vreme da se nađe najbolja forma, pa prevedena reč uvek ulazi u konkurenciju sa ranije prihvaćenim transkribovanim izrazom koji se do tada možda već sasvim odomaćio. Treće, engleski jezik ima mogućnost veoma sažetog izražavanja, što srpski jezik nema. Zbog toga se prevodi nekih termina u oblasti audiotehnike, silom prilika, pojavljuju kao ″rogobatni″ izrazi, sklopovi više reči, često i kao duži opis pojma, što sve zajedno nije pogodno za savremenu komunikaciju. Evo primera sva tri pristupa na jednom istom pojmu. To je engleska reč ″equaliser″, koji označava poznati, standardni široko primenjivani audio uređaj. Transkribovana, ova reč se pojavljuje u nekoliko oblika kao što su ″ikvilajzer″, ″ekvilajzer″, ″ekvalajzer″, itd. Zajednički koren je latinska reč ″ekvalizacija″ što znači ujednačavanje. Kada se od nje pođe, dobija se sasvim solidna srpska reč ″ekvalizer″, tj. uređaj koji vrši ekvalizaciju. Najzad, u nekim stručnim dokumentima može se sresti i


25

prevod koji glasi ″amplitudski korektor″. Prevod opisuje našim rečima ono što taj uređaj radi.

Standardizacija termina Postupak koji u stručnu terminologiju uvedi izvestan red, bar u oblasti osnovnih pojmova, jeste standardizacija. To znači da postoji standard, kao poseban pisani dokument, u kome se taksativno pobroje pojmovi, obično navedeni paralelno s prevodima na glavne svetske jezike, sa kratkim objašnjenjem njihovog značenja. Nakon proglašenja takvog javnog dokumenta, koji kao i drugi standardi ima snagu zakona, u stručnoj literaturi obavezna je primena termina koji su u njemu navedeni. Eventualne jezičke alternative ne mogu se koristiti u zvaničnoj stručnoj komunikaciji. U našoj zemlji postoji takav standard, nosi oznaku JUS N.N4.103 i naziv ″Elektroakustika - Uređaji audio sistema: opšti termini, definicije i računske metode″. Interesantno je da se u spisku pojmova na prvom mestu nalazi ″audio sistem″ (engleski sound system, francuski système électroacoustique). To znači da je upotreba reči ″audio″ standardizovana u srpskom jeziku. Jasno je da se ovakvim dokumentom ne mogu obuhvatiti svi relevantni pojmovi koji su u svakodnevnoj upotrebi, pogotovo što se tehnologija stalno razvija i pojavljuju se nove reči. Ipak, postojanje standarda nameće inženjerima obavezu da vode računa o terminologiji koju koriste.

1.7 Kratka istorija audiotehnike Veoma je teško na sažet način prikazati istoriju audiotehnike. U periodu postojanja ove oblasti, koji traje samo nešto duže od stodvadeset godina, desilo se mnogo značajnih događaja, bilo je prelomnih trenutaka, a pojavilo se i hiljade relativno značajnih patenata ugrađenih u istoriju audio uređaja kakve ih danas poznajemo. Napraviti reprezentativni izbor najznačajnijih događaja i prikazati ih na kvalitetan način u ograničenom prostoru gotovo je nemoguć zadatak. Može se reći da istorija audiotehnike ima svoja dva paralelna koloseka: istoriju velikih pronalazaka, koji su skokovito menjali tehnološke tokove, i istoriju tržišta audio uređaja i sistema, koje je imalo specifičan razvoj vođen sopstvenim ekonomskim zakonima, koje je ništa manje uticalo na stanje u savremenoj audio tehnologiji. Preplitanje ova dva aspekta tokom istorije čini sa svoje strane izbor najznačajnijih događaja krajnje složenim. Zato ono što ovde sledi treba posmatrati samo kao jedan mogući spisak značajnih datuma. Početak audiotehnike vezuje se za dva bliska događaja koja su se odigrala krajem prošlog veka. Graham Bel je 1876. godine patentirao telefon, spravu koja primenom elektriciteta može da prenese zvuk na daljinu. Osnovu pronalaska činio je prvi elektroakustički pretvarač koji je zvučni pritisak pretvarao u električni signal i obrnuto. Godinu dana kasnije, 1877. godine, Tomas Alva Edison prijavio je svoj patent: mehaničko-akustički pretvarač za pretvaranje modulacije mehaničke brazde u čujan zvuk. Bio je to prvi fonograf, preteča gramofona, koji je zapisivao zvuk na voštanom cilindru. Na taj način napravljen je prvi zvučni zapis. Ova dva događaja sa kraja prošlog veka mogu se smatrati početkom audiotehnike. Ostvaren je prenos zvučne informacije


26

udaljenom slušaocu i omogućeno je da se takve informacije zapisuju radi kasnije reprodukcije.

Istorija zvučnog zapisa Izlazak zvučnog zapisa iz laboratorijske ekskluzive na široko tržište omogućio je amerikanac nemačkog porekla Emil Berliner pronalaskom okrugle ravne ploče koja je zamenila cilindar kao format zvučnog zapisa. Godine 1888. Berliner je prikazao gramofon, spravu koja reprodukuje zvučni zapis sa okruglog diska od šelaka, u našem jeziku nazvanog gramofonska ploča. Forma diska umesto cilindra omogućavala je masovnu proizvodnju metodom presovanja. Time su stvoreni uslovi za kasniji razvoj muzičkog tržišta, odnosno audio industrije kao drugog paralenog koloseka u audiotehnici. Trebalo je da prođe oko trideset godina od tih prvih početaka pa da audiotehnika, tačnije pronalazak gramofona kao verzije fonografa, uđe u široki svet kućne zabave. Početkom ovoga veka pojavila se na tržištu sprava za reprodukciju zvučnog zapisa sa ploča, čiji se primerci i danas mogu naći na po nekom tavanu, ili se čuvaju kao dekorativni element zbog trube i politirane drvene kutije u kojoj se krije mehanizam na navijanje. Izuzetno visoka cena u to vreme nije odmah dozvoljavala njihovo masovnije širenje. Ipak, postoje podaci da je već 1919. godine prodato više od dva miliona ovakvih uređaja. U razvoju postupaka snimanja zvuka svakako je značajna i pojava zvučnog filma. Bilo je to 1927. godine, a prvi zvučni film se zvao ″Džez pevač″ (The Jazz Singer). Tako nastaje posebna grana razvoja audiotehnike koja je pratila prvo filmsku, a kasnije televizijsku sliku. Danas je ova sprega slike i zvuka osnova moćnog tržišta zabave, kroz film televiziju, multimedijalne forme, internet itd. Niz pronalazaka koji je usledio permanentno je usavršavao kvalitet zvučnog zapisa. Već 1926. godine pojavio se električni pretvarač za reprodukciju zapisa sa ploče, što neki analitičari smatraju za prvi korak prema kasnijoj reprodukciju zvuka visoke vernosti. Tokom 1948. godine firma Columbia prikazala je ploče od vinila sa brzinom obrtanja 33 1/3 obrtaja u minuti. Bila je to prva LP (″dugosvirajuća″) ploča. Prva stereo ploča pojavila se 1958. godine i HI-FI industrija je počela sa svojim zamahom, a bez nje mnogi patenti ostali bi zauvek u laboratorijama. Interesantno je da se prva ideja o magnetskom zapisivanju signala pojavila u jednom američkom časopisu još 1888. godine. Ipak, prvi magnetofon, sprava za magnetsko zapisivanje zvuka, pojavio se kao patent u Danskoj 1898. godine (pronalazač Valdemar Poulsen). Prema toj ideji, zapisivanje se vršilo na čeličnoj žici. Kvalitet njegovog zapisa bio je inferioran u odnosu na gramofon koji je već postojao, pa je magnetski zapis još dugo ostao samo u laboratorijama. Godine 1930. pojavljuje se magnetofon koji beleži zapis na čeličnoj traci širine 1/2 inča, što je standard širine koji se zadržao do danas. Magnetofonska traka u svom današnjem obliku pojavljuje se tokom tridesetih godina u Nemačkoj. Tako je u Berlinu 1934. godine firma AEG pokazala prvi magnetofon u današnjem smislu te reči, sa magnetskom trakom na plastičnoj osnovi koju je pravila firma BASF i mehaničkim transportom trake, koji je po svojim principima bio osnov svih kasnijih modela magnetofona (vidi se da veliki proizvođači u oblasti audio tehnologije svoju tržišnu trku počinju pre skoro sedamdeset godina). Tokom 1935. godine napravljeni su prvi eksperimentalni muzički snimci sa ovim uređajem. Opet firma AEG tokom 1940. godine pokazala je usavršeni magnetski zapis, zasnovan na principima koji


27

se i danas koriste (visokofrekvencijska predmagnetizacija), i koji je omogućavao dovoljno visok kvalitet zapisa (odnos signal/šum oko 60 dB).

Slika 1.9 - Neki oblici fonografa sa početka 20. veka

Istorija audio elektronike i pretvarača Bitan događaj u razvoju elektronike, a posredno i audiotehnike, bio je pronalazak triode. Zbog početnih problema sa tehnologijom proizvodnje, pre svega dobijanjem dovoljnog vakuuma u cevima, tek 1912. godine prikazan je prvi komercijalni audio pojačavač, istina pre svega za vojne potrebe. Može se reći da taj događaj označava početak razvoja audio elektronike. U priči o razvoju audiotehnike interesantan je i podatak da je prva komercijalna radio stanica u svetu počela sa radom 2. novembra 1920. godine. Značaj ovoga događaja je veliki, jer se komercijalna strana audiotehnike preko sila koje deluju na tržištu pokazala kao glavni motor daljeg razvoja tehnologije. Potrebe radio stanica preko tržišta doprinele su razvoju mikrofona. Prvi kondenzatorski mikrofon napravljen je 1917. godine, a komercijalno je bio dostupan početkom dvadesetih godina. Ovaj uređaj odmah je našao svoje mesto u tadašnjim radio stanicama. Dinamički mikrofon je komercijalizovan krajem dvadesetih godina. Prva praktična, komercijalna realizacija dinamičkog zvučnika sa kartonskom membranom, dakle u obliku kakav se principijelno i danas koristi, pojavila se 1925. godine. Današnji oblici zvučnika rezultat su sedamdesetogodišnjih usavršavanja i poboljšavanja principijelno iste elektromehaničke konstrukcije.


28

Digitalni audio Jedna od prekretnica u istoriji audiotehnike bila je pojava digitalne tehnike i njeno uključenje u audio tokove. U laboratorijskim uslovima prvi digitalni zapis signala pojavio se sredinom pedesetih godina, a 1961. godine prikazana je prva digitalna simulacija reverberacije uz pomoć računara. Deset godina kasnije, 1971. godine, prikazana je digitalna linija za kašnjenje. Digitalni audio magnetofon prikazala je britanska radiodifuzna kuća BBC 1971. godine. Međutim, ekspanzija ove tehnologije i pojava digitalnih audio snimaka na tržištu vezana je tek za kraj sedamdesetih i početak osamdesetih godina. Tokom 1972. godine u Japanu su se pojavili prvi snimci napravljeni sa digitalnim masterom, a 1972. godine BBC počinje da primenjuje sisteme za distribuciju signala u digitalnom obliku širom Velike Britanije. Još je interesantno pomenuti da su se 1976. godine pojavili snimci Enrika Karuza očišćeni digitalnom obradom signala uz pomoć računara.

Pojam mastera u audiotehnici ima više značenja. Ovde označava finalnu verziju studijskog snimka.

Ipak, jedna od najznačajnijih, i možda poslednjih velikih pojava u seriji digitalnih inovacija je CD kao sistem zapisivanja i optičkog očitavanja digitalnih signala. Ideja za sistem zapisivanja sa ″kompakt diskom″ objavljena je 1980. godine, a odgovarajući CD reproduktor 1982. godine. Već u leto 1983. godine na tržištu su se pojavili prvi CD reproduktori, reklamirani u to vreme kao ″muzika bez šuma″. Od tada do danas, digitalni oblik signala duboko je utemeljen u savremenoj audiotehnici. Gotovo da se može reći kako time prestaje istorija i počinje onomšto se zrenutno naziva ″savremeno doba″, koje više nema tehnoloških lomova i prekretnica, već se samo vidi lagana reka bezbrojnih, stalnih poboljšanja i usavršavanja. Vidi se i neumitna integracija do sada nezavisnih tehnologija audiotehnike, računarske tehnike, telekomunikacione tehnike (telefonije) i video tehnike u jedinstvenu tehnologiju proizvodnje i prenosa slike i zvuka.

AUDIO SISTEMI - Tema 2

29

2. ČULO SLUHA KAO PRIJEMNIK 2.1

Uvod

Čulo sluha predstavlja senzorski deo čovekovog sistema za komunikaciju zvukom (zajedno sa vokalnim traktom kao kontrolisanim izvorom zvuka). Ono je anatomski i fiziološki prilagođeno registrovanju zvučnih pojava u vazduhu kao mediju. U drugim sredinama, na primer u vodi, čulo sluha zbog neprilagođenosti na ovu sredinu menja svoje osobine i čak gubi neke sposobnosti (na primer: nemogućnost određivanja pravca nailaska zvuka kada je glava zaronjena u vodu). Rezulta rada čula sluha je zvučna senzacija koja nastaje pod dejstvom spoljašnjih zvučnih nadražaja. U kontekstu problema kojima se bavi audiotehnike ovo čulo je krajnja tačka audio sistema. Zvučni nadražaj, a to je zvučni pritisak koji iz vazduha deluje na čulo sluha, može se u fizičkom smislu smatrati izlaznom veličinom audio sistema. U suštinskom smislu, izlaz audio sistema je kompleksna svest o prisustuvu zvučnog nadražaja, to jest saznanje da se u tom trenutku čuje neki zvuk. U organizacionom smislu čulo sluha se moze podeliti na dva osnovna dela: na fizički deo i na psihološki deo. Fizički deo čula sluha čini sve ono što se anatomski i fiziološki nalazi u njegovom sklopu. To je složeni sistem koji se sastoji od dva uva sa senzorima u njima, centara u kori velikog mozga i nervnih puteva koji ih povezuju. Psihološki deo čula sluha čini nematerijalna sfera reagovanja na zvučnu pobudu koje kao rezultat daje zvučnu sliku u svesti slušaoca. U takvoj podeli može se reći da anatomski deo čula sluha posreduje između zvučnog polja i svesti čoveka. Ovakva podela čula sluha na dva dela učinila je da se u akustici razviju dve relativno nezavisne oblasti: fiziološka akustika, koja se bavi anatomijom i fiziologijom fizičkog dela čula, i psihološka akustika, koja se bavi percepcijom zvuka i formiranjem zvučne slike. Fizički deo čula sluha obrađen je u izvesnoj meri u okviru predmeta Elektroakustika. Zbog toga će ovde biti ponovljene samo najznačajnije činjenice važne za razumevanje procesa percepcije. Poznavanje psihološkog dela čula sluha značajno je za razumevanje zahteva koji se postavljaju pred audio sistemima. Zbog toga će proces percepcije, svojstva zvučnog polja koja utiču na stvaranje zvučne slike i dimenzije same zvučne slike biti tema u nastavku.

2.2

Struktura čula sluha

Proces koji se unutar čula sluha odvija od prijema zvučnih informacija iz zvučnog polja do adekvatne reakcije u svesti čoveka podrazumeva prenos informacija složenim putevima. Današnje poznavanje tih procesa nije ujednačeno po svim njihovim


30

segmentima. Rad fizičkog dela čula sluha poznat je u gotovo svim njegovim detaljima, kako sa aspekta anatomije, tako i sa aspekta fizioloških procesa koji se odvijaju pri slušanju. Brojni eksperimenti čiji su rezultati objavljeni do danas pokazali su kako funkcioniše mehanizam spoljašnjeg, srednjeg i unutrašnjeg uva i putevi prenošenja neuralnih signala do mozga. Međutim, psihološki deo čula sluha i danas predstavlja samo delimično obrađenu temu. Razlozi, naravno, leže u njihovoj složnosti, ali i u činjenici da je nemoguće spolja pristupiti svim pojedinačnim procesima koji se dešavaju u moždanim centrima, a koji čine materijalno okruženje u kome nastaje svest o prisustvu zvukova. Ispitivanja u oblasti psihološkog dela čula sluha mogu biti samo indirektna. Uz to, veliki deo onoga što čini proces slušanja zbog raznih specifičnosti ne može se predstaviti inženjerskim modelima. U inženjerskoj praksi prisutna je potreba da se zbivanja unutar čula sluha predstave nekim jednostavnim i lako razumljivim modelima. To najčešće vodi ka intuitivnom modelu uva kao jednostavnog spektralnog analizatora, jer je taj uređaj deo svakodnevnog inženjerskog iskustva. Tada se svi procesi u audio sistemima posmatraju kroz frekvencijsku karakteristiku prenosnih puteva, smatrajući da je to ključno za čujni doživljaj. Nažalost, ovakav model čula sluha samo delimično i u ograničenim uslovima pobude odgovara složenoj stvarnosti. Za većinu realnih zvučnih stimulusa ovakav model ne pruža objašnjenja za sve fenomene u procesu percepcije zvučne slike. Opšta blok šema čula sluha Da bi se bar delimično objasnila složenost procesa slušanja na slici 2.1 prikazana je pojednostavljena blok šema čula sluha. Karakteristično za čulo sluha je da postoje dva fizički identična puta informacija koji polaze od levog i desnog uva. Na njih deluju dve manje ili više nezavisne pobude: zvučni pritisci na levom uvu pL i na desnom uvu pD. Razlike među njima zavise od pravca nailaska zvuka, od prirode zvuka i od fizičkog okruženja.

pD

pL

slušni kanal

BO i SK

BM

S

neuronski putevi centri u mozgu

slušni kanal

zvucni talas

BO i SK

vibracije

BM

S

neuronski putevi

neuralni signali

svest

putujuci talas Slika 2.1 - Blok šema koja uprošćeno prikazuje do danas poznate procese u čulu sluha. Oznake na slici: BO - bubna opna, Sk - slušne koščice, BM - bazilarna membrana, S - senzori.

Na početku svog puta kroz uvo informacije su u obliku zvučnog talasa, nastavljaju kao vibracije bubne opne i slušnih koščica, duž bazilarne membrane kao putujući talas, zatim kao neuralni električni signali u receptorskim ćelijama i neuronima koji od unutrašnjeg uva vode nadražaje do centara u mozgu. Najzad, sve informacije se stiču u


31

centrima u mozgu, gde se od informacija iz dva izvora, levog i desnog uva, formira zvučna slika. Složeni fizički procesi dešavaju se i u domenu neuralnih signala. Na putu do moždanih centara postoje složeni međusobni uticaji. Tako postoje unakrsni uticaji informacija iz levog i desnog uva, a karakteristična je i pojava uticaja ″unapred″, što je na šemi čula sluha sa slike 2.1 prikazano strelicama. Neke karakteristike sluha posledica su ovakvih uticaja, kao što je pojava vremenskog maskiranja koje je objašnjeno kasnije. Prikazan šema ne obuhvata puteve delovanja povratnih sprega koji postoje u sistemu. Takve sprege se, pre svega, javljaju u delu neuronskih puteva. Karakteristična je i povratna sprega koja iz centra u mozgu deluje na srednje i unutrašnej uvo. Ova pojava će biti detaljnije objašnjena u poglavlju o pomeranju granice čujnosti. Uticaj slušnog kanal Prvi element na putu zvuka iz spoljašnje sredine ka senzorima je slušni kanal. To je cevčica sa prednje strane otvorena, a sa zadnje strane zatvorena impedansom bubne opne, kao što je prikazano na slici 2.2. Kao takva, ona pri zvučnoj pobudi iz spoljašnje sredine ispoljava svoje rezonantne frekvencije koje se javljaju na frekvencijama na kojima je njena dužina jednaka celobrojnom umnošku četvrtine talasne dužine.

B

A

Slika 2.2 – Izgled slušnog kanala u preseu (gore) i amplitudska prenosna karakteristika između tačaka A i B (dole).

12

pojacanje (dB)

10 8 6 4 2 0 200

1000

frekvencija (Hz)

10000


32

Rezonance cevi manifestuju se u prenosnog karakteristici uva kroz maksimume koji nastaju relativnim pojačanjem u oblasti rezonantnih frekvencija. Prva takva rezonanca (četvrttalasna) pojavljuje se u oblasti između 3 kHz i 4 kHz. Uticaj rezonanci slušnog kanala vidi se na njegovoj amplitudskoj prenosnoj karakteristici prikazanoj na slici 2.2. Kao što je pokazano u prethodnoj temi, upravo u toj zoni uvo ispoljava najveću osetljivost. Procesi na bazilarnoj membrani Za inženjersko razumevanje onoga što se dešava u formiranju zvučne slike, osim elemenata iz domena psihologije rada čula sluha, veoma je značajno sagledavanje prirode fizičkog procesa na bazilarnoj membrani. Svaka zvučna pobuda rezultuje putujućem talasom u vidu vibracija koji se kreće od ovalnog prozora, koji čini ulaz unutrašnjeg uva, duž bazilarne membrane prema njenom kraju. Ovo putovanje talasa odvija se sve do mesta na membrani gde se pobudna frekvencija poklapa sa frekvencijom sopstvene mehaničke rezonance membrane. Tu energija talasa koji putuje membranom pobuđuje njenu sopstvenu rezonancu, što rezultuje maksimalnom amplitudom vibracija. U toj zoni se prostiranje talasa zaustavlja, jer sva njegova energija biva apsorbovana od strane rezonantnog procesa membrane. Iza tog mesta membrana pri pobudi samo jednom frekvencijom ostaje u stanju mirovanja. Mehaničke rezonance bazilarne membrane javljaju se poprečno u odnosu na njenu dužinu. Vrednost frekvencije rezonance određena je zategnutošću membrane u poprečnom pravcu i drugim relevantnim mehaničkim svojstvima. Kontinualna promena ovih parametara duž membrane čini da se i frekvencije rezonance kontinualno menjaju. Pozicija najviše frekvencije rezonance (20 kHz) je na samom početku membrane, neposredno pored ovalnog prozora, a najniža (oko 20 Hz) na samom njenom kraju.

Slika 2.3 - Šematski prikaz dejstva zvučne pobude na bazilarnu membranu

Ovo zbivanje je prikazano uprošćenom prostornom šemom na slici 2.3. Vidi se pojednostavljen prikaz prostiranja jednog putujućeg talasa duž bazilarne membrane. Vibracije kreću sa prostiranjem od ovalnog prozora na levoj strani slike, gde se pobuda prenosi iz srednjeg uha. Iza zone na membrani gde se javlja rezonanca vibracija više nema. Na slici 2.4 šematski je pokazan oblik dijagrama obvojnice amplitude vibracija bazilarne membrane koji bi otprilike odgovarao zbivanju sa slike 2.3.


33

relativna amplituda oscilacija

+max

0

-max

rezonanca

Slika 2.4 - Šematski prikaz obvojnice amplitude vibracija bazilarne membrane kada je pobuđena zvukom jedne frekvencije, i koji odgovara situaciji sa slike 2.3.

du` ina bazilarne membrane

Sa donje strane bazilarne membrane, čitavom njenom dužinom, nalaze se receptorske ćelije koje reaguju na svaki pokret membrane. Sa slika 2.3 i 2.4 jasno je da svaki nadražaj, čak i kada je veoma uskog spektralnog sadržaja, proizvodi pobudu receptora duž velikog dela membrane. Frekvencija pobude određuje samo mesto gde će se javiti maksimum vibracionog odziva. Intenzitet reakcije receptorskih ćelija srazmeran je veličini obvojnice vibracija membrane neposredno iznad njih. Iz opisa reakcije membrane na zvučnu pobudu sledi da se pri pobudi sinusnim tonom javlja reakcija svih senzorskih ćelija od početka membrane do zone u kojoj se javlja rezonanca. Na mestu rezonance reakcija senzora je najintenzivnija, ali informacije o pobudi šalju sve pobuđene ćelije, srazmerno lokalnom intenzitetu pobude, kao što je prikazano na slici 2.4. Centri u mozgu dobijaju sliku stanja vibracija čitave bazilarne membrane, a zvučna slika se formira na osnovu takvog kompleta informacija koje kontinualno dospevaju. Raspodela maksimuma duž bazilarne membrane Raspodela mesta gde se javljaju maksimumi oscilacija duž bazilarne membrane nije frekvencijski linearna. Na slici 2.5 prikazana je ilustracija relativne vibracione pobude duž bazilarne membrane pri zvučnoj pobudi tonovima tri različite frekvencije: 25 Hz, 50 Hz i 1600 Hz. Maksimum odziva na frekvenciji 1600 Hz približno je u zoni polovine bazilarne membrane. To znači da je veoma širok opseg od 1600 Hz do 20 kHz raspodeljen na jednoj polovini senzora, koliko imaju i frekvencije ispod 1600 Hz. Takođe se vidi da pomak od samo 25 Hz na najnižim frekvencijama (od 25 Hz do 50 Hz) znači pomeranje maksimuma pobude za približno 10% ukupne dužine bazilarne membrane. Ove slike na svoj način ilustruju frekvencijsku nelinearnost uva. S obzirom da je raspodela senzorskih ćelija duž membrane konstantna, jasno je sa kakvom razlikom u rezoluciji po frekvencijama radi uvo. Ove slike istovremeno pokazuju fizički osnov njegove logaritamske karakteristike duž frekvencijske ose. Intenzitet reakcije receptorskih ćelija srazmeran je veličini obvojnice vibracija membrane neposredno iznad njih. Iz opisa reakcije membrane na zvučnu pobudu sledi da se pri pobudi sinusnim tonom javlja reakcija svih senzorskih ćelija od početka membrane do zone u kojoj se javlja rezonanca. Na mestu rezonance reakcija senzora je najintenzivnija, ali informacije o pobudi šalju sve pobuđene ćelije, srazmerno lokalnom


34

intenzitetu pobude, kao što je prikazano na slikama 2.3 i 2.4. Ovakav fizički odziv uveo je u objašnjenje rada uva ″teoriju položaja″, pri čemu se pod položajem podrazumeva mesto na bazilarnoj membrani. Za svaku pobudnu frekvenciju postoji lokalizovani maksimum na njoj. Doživljaj visine tona, kada je uvo pobuđeno čistim sinusnim signalom, određeno je pozicijom tog maksimuma vibracija na bazilarnoj membrani. 25 Hz

0

10

20

30

mm

50 Hz

0

10

20

30

mm

1600Hz

0

10

20

30

mm

Slika 2.5 - Ilustracija relativne promene vibracione pobude duž bazilarne membrane za tri različite pobudne frekvencije.

2.3

Rezolucija čula sluha

Zakoni po kojima funkcionišu ljudska čula podrazumevaju da je pri nekom nivou pobude neophodno izvršiti njeno povećanje za neki određeni procenat da bi to bilo primetno. To je imanentno svojstvo logaritamske prirode rada čula. U domenu percepcije zvuka ovaj zakon dovodi do pojma rezolucije čula sluha. Budući da su zvučne informacije dvodimenzionalne, definisane u prostoru frekvencija-nivo zvuka, moguće je definisati veličinu minimalne potrebne promene frekvencije i nivoa koju će uvo primetiti kao promenu u nadražaju. Promena zvučne pobude koja je primetna može se definisati kao različit zvučni događaj, u smislu kako je to opisano u fizičkoj definiciji zvučnih informacija. Činjenica da je rezolucije čula sluha konačna znači da u informacionom polju zvuka sa slike 1.4,


35

odnosno u oblasti čujnosti sa slike 1.6, postoji konačan broj različitih frekvencija koje čulo sluha može međusobno da razlikuje, kao i konačan broj različitih intenziteta zvuka koji se mogu uočiti. Drugim rečima, čulo sluha ima konačnu rezoluciju po frekvencijama i po nivoima zvuka. Posmatrajući samo sa aspekta teorije informacija, čulo sluha može da percepira konačan broj različitih zvučnih događaja. Rezolucija po frekvencijama Rezolucija čula sluha po frekvencijama definiše se veličinom minimalne promene frekvencije sinusnog tona koja se može primetiti. Ova rezolucija je, u načelu, zavisna od nivoa zvuka. Pri nivoima zvuka bliskim granici čujnosti sposobnost čula sluha da primeti promene frekvencije je manja nego pri višim nivoima. Rezolucija po frekvencijama pri nivou zvuka od 40 dB, što se može smatrati dovoljno daleko od granice čujnosti, prikazana je dijagramom na slici 2.6. Vidi se da najveću rezoluciju po frekvencijama čovek ima u srednjem opsegu oko 1 kHz, i ona je malo manja od 0,2% (u apsolutnom smislu to predstavlja promenu od oko 2 Hz). U zonama prema visokim i prema niskim frekvencijama rezolucija se pogoršava, odnosno kriva sa slike raste.

1.0 0.9 0.8 0.7

∆f/f (%)

0.6 0.5

Slika 2.6 - Rezolucija čula sluha po frekvencijama pri nivou zvuka 40 dB.

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Rezolucija po nivoima Rezolucija čula sluha po nivoima definiše se veličinom minimalne potrebne promene nivoa zvuka u decibelima da bi se to primetilo kao promena. Ona zavisi od nivoa slušanja zvuka, a u izvesnoj meri zavisi i od frekvencije. Na slici 2.7 prikazan je dijagram srednje rezolucije, dobijena usrednjavanjem rezultata za više frekvencija čujnog područja. I ovaj dijagram dobijen je na osnovu principa 75% pouzdanosti odlučivanja (videti napomenu u prethodnom poglavlju o psihometriji sluha).


36

3.0

2.5

∆ L (dB)

2.0

Slika 2.7 - Rezolucija čula sluha po nivoima (minimalno čujno povećanje nivoa zvuka) za sinusne tonove

1.5

1.0

0.5

0.0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

nivo zvuka pri slušanju (dB)

Sa dijagrama se vidi da pri visokim nivoima zvuka, reda 80 dB, čulo sluha može primetiti promene nivoa od čak svega 0,5 dB. Međutim, sa smanjenjem nivoa slušanja ova rezolucija se smanjuje. U okolini granice čujnosti potrebno je promeniti nivo zvuka skoro za 2 dB da bi to bilo primetno. Prikazani rezultat sa slike 2.7 odnosi se na čiste sinusne tonove. Pri pobudi kompleksnim zvukovima širokog spektra sposobnost rezolucije se smanjuje. U literaturi se često navodi da je zvukove širokog spektra, kao što je šum, potrebna promena nivoa od skoro 3 dB da bi bila primetna.

2.4

Vremenska integracija zvučne pobude

Pobuda čula sluha, odnosno senzora u unutrašnjem uhu, srazmerna je energiji koju uvo primi iz zvučnog polja. Pri tome se u uhu odvija proces integracije energije u vremenu, pa je intenzitet pobude senzora srazmeran srednjoj vrednosti energije posmatrane u intervalu vremenske konstante integracije. U okolnostima kada su zvučni stimulusi promenljivog trajanja, ovakva osobina se manifestuje kao izvesna nelinearnost čula sluha u funkciji trajanja zvučne pobude. To se manifestuje pojavom da osećaj jačine zvuka zavisi i od njegovog vremenskog trajanja. Ako se predpostavi da se čulo sluha pobuđuje sinusnim tonom ograničenog trajanja, rezultat će biti neki subjektivni doživljaj jačine takvog zvuka. Kada pobuda traje dovoljno dugo, što u praksi znači duže od oko 0,5 s, razlika u subjektivnom doživljaju jačine zvuka praktično ne postoji, bez obzira na njegovo trajanje. Međutim, ako se trajanje pobude skrati na intervale ispod 0,5 s, pa i veoma kratke, javiće se razlika u subjektivnom doživljaju u zavisnosti od trajanja dejstva zvučne energije na čulo sluha. Uticaj trajanja zvučnog stimulusa na subjektivni doživljaj jačine zvuka uobičajeno se prikazuje dijagramom kao na slici 2.8. Krive su dobijene ispitivanjem pri nivoima zvuka bliskim granici čujnosti. Vidi se da skraćivanje trajanja pobude ispod granice reda veličine 0,5 s kao rezultat prouzrokuje pomeranje granice čujnosti prema višim nivoima. To znači da se kraći zvukovi subjektivno doživljavaju kao tiši. Očitavajući sa dijagrama zaključuje se da pobude čije je trajanje oko 10 ms moraju biti oko 10 dB višeg nivoa da bi se subjektivno doživljavale iste jačine kao pobuda dužeg trajanja. Sa slike se takođe vidi


37

da kvantitativni uticaj trajanja na subjektivni doživljaj u izvesnoj meri zavisi i od frekvencije.

14

125 Hz

povišenje praga cujnosti (dB)

12

10

8

1 kHz

4 kHz

Slika 2.8 - Dijagram zavisnosti promene praga čujnosti u funkciji trajanja tona

6

4

2

0

10

100

1000

trajanje tona (ms)

Iz prikazanih rezultata proizilazi da sa aspekta subjektivnog doživljaja jačine zvuka uvo ima osobinu nekakvig integratora. Može se slikovito reći da u mehanizmu rada čula sluha postoji vremenski ″prozor″ u okviru koga se vrši integrisanje energije pobude. Subjektivni doživljaj jačine zvuka je srazmeran energiji koja upada u taj vremenski prozor. Sa dijagrama na slici 2.8 može se proceniti da period integracije traje oko 300 ms. U literaturi se obično navodi da je vrednost konstante integraljenja u uvu oko 200-300 ms, što zavisi od načina očitavanja sa prikazanih krivih. Ova karakteristika sluha jako je važna za subjektivni doživljaj jačine muzičkog signala, ali i za doživljaj jačine zvuka u prostorijama. U muzici vremenski interval od 300 ms, koliki je približno period integracije, relativno je veliki. Muzika uobičajeno sadrži zvučne pojave koje traju mnogo kraće (razni udarci, kratke note, itd.). Zbog uticaja integracije takvi kratki zvukovi subjektivno se dozivljavaju tišim nego što objektivno jesu. Vremenska integracija zvučne pobude ima veliki značaj u percepciji zvuka, a posebno u prostorijama. Integracija je razlog što pojedini delovi impulsnog odziva prostorija mogu imati različiti uticaj na subjektivni doživljaj jačine zvuka u njima. Da bi se objasnila ova pojava, na slici 2.9 je prikazana idealizovana struktura impulsnog odziva prostorije. Ranije je pokazano da se u odzivu prostorije načelno mogu razdvojiti tri energetske komponente: direktan zvuk, prve refleksije i reverberacioni deo. Redosled kojim su nabrojani odgovara vremenskom redosledu stizanja do prijemne tačke, odnosno slušaoca. Početak odziva određuje trenutak stizanja direktnog zvuka. Nakon toga slede prve refleksije, a reverberacioni deo karakteriše velika gustina komponenti sa obvojnicom koja u vremenu teži nuli brzinom definisanom vremenom reverberacije ili njenim nagibom izraženim u dB/s. U realnosti se osnovna forma impulsnog odziva menja u zavisnosti od karakteristika prostorije: njene zapremine, geometrijskih proporcija i ukupnih energetskih gubitaka zvuka (apsorpcija) koja zavisi od materijalizacije enterijerskih površina. U malim


38

reltivni nivo (dB)

prve refleksije

direktan talas

prostorijama i prostorijama u kojima je ukupna apsorpcija velika, trajanje impulsnog odziva može biti relativno kratko. Nasuprot tome, u velikim prostorijama i prostorijama u kojima je apsorpcija mala, vremensko trajanje odziva je duže. Vreme reverberacije u veoma velikim prostorima, kao što su velike crkve (npr. Crkva Sv. Marka u Beogradu) ili velike akustički neobrađene hale, može biti i do 10 s (na najnižim frekvencijama ova vrednost može biti i veća).

Slika 2.9 - Idealizovana struktura impulsnog odziva prostorije nagi b:d B /s

iliT( s)

reverberacija

vreme Interesantno je da efekat vremenske integracije utiče kao faktor na kvalitet zvučne slike pri reprodukciji muzike primenom sistema za ozvučavanje. Kada sistem nema dovoljnu rezervu snage i radi na svojim graničnim mogućnostima, dolazi do prinudne kompresije signala, odnosno zaravnjenja njegovih impulsnih delova. Nasuprot tome, kada se koristi sistem koji pri nominalnom nivou zvuka ima veliku rezervu snage, on je sposoban da bez izobličenja prenese sve impulse u muzičkom signalu. Kao rezultat efekta vremenske integracije često se dešava da subjektivni utisak reprodukovanog zvuka pomoću dovoljno snažnog sistema za ozvučavanje, koji ima dovoljnu rezeru snage, bude subjektivno tiše nego kada se koristi nedovoljno snažan sistem, iako je pri tome srednja vrednost nivoa zvuka merena instrumentom jednaka u oba slučaja.

Subjektivni dozivljaj jačine zvuka zavisi od količine energije u odzivu prostorije koja upada u integracioni interval čula sluha. Pri tome, integracija se startuje trenutkom nailaska direktnog zvuka. Efekat vremenske integracije u prostorijama sa kraćim i dužim trajanjem odziva ilustrovan je na slici 2.10. Pri kraćem impulsnom odzivu u integracioni period, nakon što je startovan stizanjem direktnog zvuka, ulazi najveći deo celine odziva, pa je subjektivni dozivljaj jačine zvuka funkcija energije i prvih refleksija i reverberacionog dela (slika 2.10a). U prostorijama sa relativno dugačkim impulsnim odzivom u integracioni period sa direktnim zvukom uglavnom ulaze samo prve refleksije. Zbog toga u velikim prostorima prve refleksije dominantno određuju subjektivni doživljaj jačine zvuka (slika 2.10b). Reverberacioni deo odziva tada utiče samo na estetski doživljaj zvuka, a ne i na subjektivni doživljaj jačine. Takve okolnosti postoje u koncertnim salama i velikim halama.


39

period integracije

nivo (dB)

nivo (dB)

period integracije

vreme

a)

vreme

b)

Slika 2.10 - Ilustracija razlike u značaju pojedinih delova impusnog odziva za subjektivni doživljaj jačine zvuka: a) kod kratkih odziva (male prostorije) skoro čitav odziv ulazi u period integracije, b) kod dugačkog odziva (velike prostorije) samo prve refleksije su značajne za doživljaj jačine zvuka.

U nekim velikim salama subjektivni doživljaj jačine zvuka je niskog nivoa samo zbog toga što u impulsnom odzivu nema dovoljno brzih i jakih prvih refleksija. Njih u narodu ″bije″ glas da su ″gluve″, iako im je vreme reverberacije korektno podešeno prema zahtevima za koncertne sale.

2.5

Maskiranje

Maskiranje je pojava koja nastaje u procesu percepcije i koja se manifestuje nesposobnošću čula da registruje neki zvučni nadražaj samo zbog toga što istovremeno u uvo stiže neki drugi zvuk koji ga na neki način ″maskira″. Naime, svaki zvuk koji dospeva u uvo svojom pobudom izaziva efekte zbog kojih nije moguće istovremeno registrovati neke druge, konkurentske zvukove koji su mu u frekvencijskom ili vremenskom domenu suviše blizu, a pri tome nedovoljno jaki (međusobnu ″konkurenciju″ zvukova treba posmatrati sa aspekta njihovog dejstva na unutrašnje uvo). Takve zvukove, iako su prisutni u uvu i svojim fizičkim dimenzijama se nalaze unutar oblasti čujnosti, čulo sluha ne registruje jer je na izvestan način ometeno. Maskiranje može nastupiti zbog bliskosti maskirajućeg i maskiranog zvuka na skali frekvencija (frekvencijsko maskiranje) i zbog međusobne blizine na vremenskoj osi (vremensko maskiranje). Frekvencijsko maskiranje Frekvencijsko maskiranje podrazumeva pojavu da u prisustvu zvuka neke frekvencije postoji šira oblast na frekvencijskoj osi u kojoj novi zvukovi ne mogu pobuditi senzore u uvu ako im je intenzitet manji od nekog praga. Ovaj efekat je principijelno definisan obvojnicom sa slike 2.4, gde je pokazano da pobuda bazilarne membrane zvukom neke frekvencije podrazumeva vibracije na membrani u širokoj zoni. Razlika


40

vibracionog odziva duž membrane samo je u rasporedu intenziteta, odnosno u veličini obvojnice njenih vibracija, sa maksimumom na poziciji gde je mehanička rezonanca jednaka pobudnoj frekvenciji. Frekvencijsko maskiranje se kvantifikuje krivom maskiranja čiji je principijelni oblik prikazan na slici 2.11. U prisustvu pobude označenim sinusnim tonom nekog intenziteta uvo ne može registrovati zvukove koji se nalaze ispod označene granice maskiranja. To znači da su svi zvukovi koji se nalaze unutar štrafirane oblasti na slici u prisustvu prisutnog sinusnog tona privremeno nečujni, jer bazilarna membrana u toj zoni frekvencija već osciluje nekim intenzitetom.

sinusni ton

intenzitet

granica maskiranja ostalih zvukova

Slika 2.11 - Principijelni izgled oblika krive frekvencijskog maskiranja

frekvencija

Kao što se vidi sa slike, kriva maskiranja svojim oblikom nije simetrična u odnosu na položaj frekvencije maskirajućeg tona. Ona je šira prema visokim frekvencijama, i može se reći da, teorijski gledano, opada sve do najviših čujnih frekvencija. Oblik krive maskiranja u izvesnoj meri se menja u zavisnosti od frekvencije maskirajućeg tona i njegovog intenziteta, ali uvek ostaje njen asimetrični principijelni izgled kakav je prikazan na slici 2.11. Ta činjenica proizilazi iz načina oscilovanja bazilarne membrane koji je prikazan na slici 2.3. Svaka zvučna pobuda izaziva putujući vibracioni talas koji kreće od početka bazilarne membrane, a to znači od zone najviših frekvencija. Realan izgled krive maskiranja pri pobudi sinusnim tonom frekvencije 1200 Hz i nivoa 110 dB prikazan je na slici 2.12. Vidi se da se pojava frekvencijskog maskiranja može shvatiti kao specifična deformacija granice čujnosti. Frekvencijsko maskiranje podrazumeva pomeranje granice čujnosti naviše u zoni oko pobudne frekvencije. Za različite nivoe pobude istim tonom može se nacrtati čitava familija krivih maskiranja. Isto tako, mogu se prikazati krive maskiranja i za različite frekvencije pobude, pa se pojava frekvencijskog maskiranja u celini opisuje velikim skupom krivih poput one sa slike 2.12. Vremensko maskiranje Vremensko maskiranje znači da pri pobudi čula sluha nekim zvučnim stimulusom postoji izvesna zona na vremenskoj osi pre i posle njegovog delovanja u kojoj drugi zvukovi, ako nemaju dovoljan intenzitet, ne mogu biti registrovani. Može se reći da aktiviranje mehanizma čula sluha pri nailasku neke zvučne pobude stvara uslove da ono postaje neosetljivo na druge, slabije stumuluse koji su na vremenskoj osi naišli neposredno pre ili neposredno posle te pobude. Na slici 2.13 prikazan je principijelni


41

izgled vremenskog oblika maskiranja. Posebno interesantno je da se efekat maskiranja javlja i pre i posle maskirajućeg zvuka, što se naziva maskiranje unapred i maskiranje unazad. 120 110 100 90 80

nivo (dB)

70 60 50 40 30 20 10 0 -10

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Slika 2.12 - Realna kriva maskiranja u prisustvu maskirajućeg zvuka nivoa 110 dB frekvencije 1200 Hz

intenzitet

sinusni ton

granica maskiranja unapred

granica maskiranja unazad

Slika 2.13 - Principijelni izgled oblika krive vremenskog maskiranja

vreme

Pojava maskiranja nakon prestanka pobude, označena kao maskiranje unapred, može se objasniti vremenom smirivanja oscilacija u uunutrašnjem uvu. Ta pojava se


42

može modelovati nekim ekvivalentnim ″vremenom reverberacije″ uva, što znači analogijom sa opadanjem zvučnog polja u prostorijama. Jasno je da nova pobuda mora biti jača od trenutnog stanja vibracija bazilarne membrane da bi bila registrovana. Trajanje smirivanja oscilacija zavisi od intenziteta pobude, i može biti reda veličine desetina milisekundi. Pojava maskiranja unazad je svojevrsna specifičnost, jer to znači da će doći do ometanja percepcije zvuka koji je u uvo stigao ranije, ako pri tome nije bio dovoljnog intenziteta da se na putu do centara u mozgu ″izbori″ sa nadražajem koji je stigao nešto kasnije, ali je znatno jači. Ovakva pojava je posledica postojanja mehanizama delovanja unapred u domenu neuronskih puteva, kao što je prikazani na slici 2.1. U tom delu dolazi do ″preticanja″ informacija na putu do mozga.

2.6

Izobličenja

Kao i svi drugi drugi prenosni sistemi, i čulo sluha pokazuje izvesnu nelinearnost u svojoj prenosnoj karakteristici na putu od pobudnog zvučnog pritiska koji deluje na bubnu opnu do pobude receptora na bazilarnoj membrani. Pošto uvo nije četvoropol čiji se ulaz i izlaz mogu lako posmatrati i meriti stanja (izlaz je u fizičkom smislu nedostupan), traganje za dokazima o njegovoj nelinearnosti je relativno složeno. Takva analiza se može vršiti samo indirektno, sa ciljem da se otkriju pojave u zvučnoj slici koje dokazuju nelinearnos prenosa. Nizom eksperimenata utvrđeno je da postoji mehanizam koji u uvu generiše harmonike i intermodulacione produkte. Nivo nastalih novih spektralnih komponenti srazmeran je nivou zvučne pobude koja deluje na čulo. Što je nivo pobude viši, to je izobličenje veće. Dokazi o postojanju harmonika koji nastaju u uvu mogu se dobiti preko indirektnih efekata koji nastaju prisustvom harmonijskih komponenti u zvučnoj slici. Pod određenim okolnostima u uvu se može registrovati pojava izbijanja, to jest pojava komponenti u zvučnoj slici koje se javljaju na frekvencijama zbira ili razlike frekvencija objektivno prisutnih zvukova koji spolja deluju na uvo. Već to je pojava koja dokazuje da postoji određena nelinearnost. Postoje eksperimenti kada se može čuti zvučna komponenta koja nastaje izbijanjem zvuka koji deluje spolja i harmonika koji nastaje u uvu. To su sve indirektni dokazi o tome da postoje harmonici nastali u uvu, što dokazuje i da postoje izobličenja pri prenosu zvuka od spoljašnje sredine do receptora u unutrašnjem uvu. Izobličenja u uvu su jedan od razloga zbog kojih neumitno postoji izvesna razlika u zvučnoj slici kada su nivoi slušanja veoma visoki (na primer glasniji koncerti sa ozvučenjem, diskoteke, itd.) i kada su nivoi uobičajeni (preporučeni nivoi slušanja). Izvesne razlike koje se subjektivno mogu konstatovati u takvim okolnostima nisu posledica samo eventualnih razlika u kvalitetu uređaja kojim se vrši reprodukcija, izobličenja u električnom doemenu ili na zvučnicima, već i zbog izobličenja nastalih u samom uhu pri dovoljno visokim nivoima zvučne pobude.

2.7

Subjektivni doživljaj jačine zvuka

Subjektivni doživljaj jačine zvuka pri složenoj zvučnoj pobudi predstavlja rezultat superponiranih uticaja svih do sada opisanih anatomskih, fizioloških i psiholoških


43

osobina koje deluju u kompleksnom procesu stvaranja zvučne slike. Zbog toga je subjektivni doživljaj jačine zvuka veoma složena pojava koja se ne može svesti samo na podatke o izmerenim nivoima zvuka koji deluju na uvo. U subjektivnom doživljaju jačine zvuka mogu se razdvojiti dva slučaja: - kada na čulo sluha deluje jedan čist sinusni ton, i - kada je zvučna pobuda kompleksna, složene vremenske i frekvencijske strukture. Sa aspekta mehanizma rada čula sluha ovo su dva veoma različita slučaja koji imaju različita merila. Subjektivna jačina čistih sinusnih tonova U slučaju kada na uvo deluje čist sinusni ton subjektivni doživljaj jačine zvuka rezultat je samo frekvencijske nelinearnosti osetljivosti uva kao senzora. U okolnostima tako jednostavne pobude nema efekata maskiranja i drugih pojava karakterističnih za delovanje složenih zvukova. Doživljaj jačine takvog zvuka izražava se nivoom subjektivne jačina zvuka (loudnes level). Češće se koristi skraćeni naziv subjektivna jačina zvuka, ili samo jačina zvuka. Za njeno izražavanje u literaturi se najčešće koristi oznaka Λ ili LN, i uvedena je jedinica koja se naziva fon. 140 130

120

120

110

110

100

100

90

90

80

80

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

nivo zvuka (dB)

130

0 -10 20

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Slika 2.14 - Dijagram izofonskih linija (brojevi na linijama značavaju fone)

Dijagram izofonskih krivih, prikazan na slici 2.14 potpuno definiše taj slučaj. Prikazana osetljivost čula sluha na pobudu jednostavnim sinusnim tonovima utvrđena je


44

eksperimentalno, testiranjem na otološki zdravoj populaciji. Na početku je, po definiciji, usvojeno da se skala nivoa subjektivne jačine zvuka u fonima na frekvenciji 1000 Hz poklapa sa skalom objektivno merenog nivoa zvuka u decibelima. To znači da je početna skala jačine zvuka na jednoj frekvenciji utvrđena konvencijom. Zbog činjenice da je izjednačena sa skalom nivoa zvuka, makar to bilo samo na jednoj frekvenciji (1000 Hz), skala subjektivne jačine zvuka u fonima ima odlike logaritamske veličine. Za tonove čije su frekvencije niže ili više od 1000 Hz podaci o subjektivnoj jačini zvuka utvrđeni su metodom naizmeničnog slušnog poređenja dva zvuka različitih frekvencija: jednog koji je predmet ocene subjektivne jačine i drugog, referentnog, na 1000 Hz. Slušaocima je omogućeno da pri tome samostalno podešavaju nivo signala koji je predmet ocene i vrše poređenje subjektivnog doživljaja njegove jačine sa referentnim zvukom. Cilj testa je bio da slušalac podesi nivo tako da ova dva tona budu subjektivno iste jačine, što znači da odgovaraju istom broju fona. Sukscesivnim ponavljanjem ove procedure za razne frekvencije i očitavanjem podešenog nivoa zvuka dobija se linija iste subjektivne jačine, takozvana izofonska linija. Sve vrednosti koje se nalaze na jednoj izofonskoj liniji imaju subjektivno istu jačinu zvuka, koji je jednak onom na 1000 Hz. Poredeći sa referentnim vrednostima na 1000 Hz pri raznim nivoima ovog zvuka dobijena je familija izofonskih linija. Na osnovu ovakve procedure merenja sprovedene na dovoljno velikom broju ljudi i usrednjavanjem rezulta dobijene su standardne izofonske krive prikazane na slici 2.14. Na slici su ucrtane krive u koracima od po 10 fona, mada se u tekstu standarda koji definišu subjektivnu jačinu zvuka prikazuju dijagrami sa korakom 1 fon. Svaka kriva odgovara jednoj vrednosti subjektivne jačine zvuka u fonima. Vidi se da ranije pokazana kriva granice čujnosti predstavlja izofonsku krivu koja odgovara subjektivnoj jačini zvuka 0 fona. Dijagram prikazan na slici 2.14 preuzet je iz danas važećeg standarda. Međutim, izofonske krive su odavno bile predmet merenja. Zbog toga se u starijoj literaturi mogu videti isti dijagrami sa neznatno drugačijim oblikom krivih. Naravno principijelni izgled je isti, ali se javljju razlike u detaljima. One krive su dobijene u nekim ranijim merenjima, sa opremom čiji je tehnološki nivo sigurno bio niži, i na zorcima populacije koji su možda imali neka ograničenja. U svakom slučaju, posmatrano istorijski, postoje razlike u ovim dijagramima kako su se pojavljivali kroz istoriju akustike i treba bitio bazriv prilikom njihovog tumačenja.

Sa dijagrama izofonskih linija detaljnije se sagledava nelinearnost čula sluha naznačena još ranije oblikom krive granice čujnosti na slici 1.6. Kao ilustracija može se sa dijagrama očitati da jačinu 70 fona na frekvenciji 4 kHz, gde je uvo najosetljivije, ima zvuk nivoa oko 60 dB, a na frekvenciji 20 Hz za istu subjektivnu jačinu potreban je nivo zvuka od preko 100 dB. Promene zakrivljenosti izofonskih linija pokazuju da se nelinearnost čula sluha u izvesnoj meri smanjuje sa povećanjem nivoa zvuka. To ne znači da rad sluha pri bilo kom nivou postaje linearan po frekvencijama. Može se se samo reći da pri višim nivoima zvuka dolazi do izvesnog smanjenja nelinearnosti. Glasnost Skala fona ima logaritamsku prirodu, kao i nivo zvuka u domenu objektivnih mera. To znači da dvostruko veća subjektivna jačina zvuka ne znači dvostruku vrednost u fonima. Testovima je utvrđeno da subjektivni osećaj dvostruko jačeg zvuka zahteva


45

povećanje jačine zvuka za oko 10 fona. Zbog toga je postojala potreba za primenom neke linearne skale subjektivnog doživljaja jačine. Tako je konvencijom utvrđena nova veličina koja se naziva glasnost (loudnes). Jedinica glasnosti je son. Uobičajen oznaka za glasnost je s. Skala glasnosti je definisana tako što je, po konvenciji, usvojeno da glasnosti od 1 sona odgovara jačina zvuka 40 fona. Takođe po definiciji, udvostručavanje glasnosti, odnosno udvostručavanje subjektivnog doživljaja jačine zvuka, podrazumeva dvostruku vrednost u sonima, a što priblizno odgovara povećanju jačine zvuka za 10 fona. Činjenica da je skala sona definisana tako da glasnosti 1 son odgovara jačini zvuka 40 fona i da promena od 10 fona odgovara udvostručavanju broja sona, omogućava da se ustanovi analitička veza između glasnosti i jačine zvuka. Izraz koji definiše njihovu vezu je:

S ( sona ) =

Λ ( fona ) − 40 10 2

Bitno je imati u vodu da se određivanje glasnosti nekog zvuka može vršiti samo poređenjem sa drugim zvukom poznate glasnosti. Zbog toga i zavisnost određena gornjim izrazom ne odslikava sasvim precizno ponašanje uva, ali je dovoljno tačna za mnoge praktične aplikacije. Subjektivna jačina složenih zvukova U slučaju kada je zvučna pobuda frekvencijski i amplitudno kompleksna, doživljaj jačine zvuka rezultat je uticaja ne samo osetljivosti, veći svih opisanih procesa u spektralnom i vremenskom domenu koji se javljaju u radu čula sluha (maskiranje, vremenska integracija i drugi). Čak i pri dejstvu zvukova koji se sastoje od manjeg broja spektralnih komponenti, subjektivna jačina nije jednaka jednostavnom zbiru glasnosti pojedinačno prepoznatih komponenti. Maskiranje i drugi fenomeni koji deluju u procesu slušanja značajno utiču na ukupni doživljaj. Zbog tako složenih procesa izražavanje subjektivnog doživljaja jačine zvuka moguće je samo subjektivnim ocenjivanjem, što znači metodom međusobnog poređenja jačine dva zvuka. U takvim okolnostima glasnost je veličina koja se za to koristi. Izražavanje subjektivnog doživljaja jačine zvuka u sonima se realizuje poređenjem na osnovu utvrđenog etalona čistog sinusnog tona jačine 40 fona koji predstavlja jediničnu glasnost. Može se reći da ne postoji potpuni matematički model za određivanje subjektivne jačine složenih zvukova, ali se u praksi koristi nekoliko algoritama čija je tačnost prihvatljiva u praksi. Svi oni pre svega polaze od spektra zvuka da bi se odredio uticaj maskiranja. Dve takve metode se danas koriste u praksi: Cvikerova i Stivensonova metoda. Cvikerova metoda polazi od 1/3 oktavnog spektra i omogućava određivanje glasnosti i kada je spektar zvuka neregularan, čak i sa pojedinačnim diskretnim komponentama. Stivensonova metoda je jednostavnija i polazi od oktavnog spektra zvuka. Primenjiva je samo kada je spektar zvuka uravnotežen, bez velikih neregularnosti. Danas na tržištu postoje softverski paketi koji služe za merenje subjektivne jačine zvuka na osnovu signala registrovanog mikrofonom.


2.8

46

Promenljivost karakteristika čula sluha

Granice oblasti čujnosti sa slike 1.6 podložne su promenama pod uticajem različitih faktora. Pre svega, postoje bolesti čije se posledice manifestuju i u promeni svojstava čula sluha. Istovremeno, postoje i lekovi čije dejstvo može imati neželjene efekte na nekim delovima slušnog mehanizma. Sve su to, naravno neke vanredne okolnosti u životu čoveka, ali i kada ne dođe do toga, granice oblasti čujnosti proložne su prirodnim promenama. Pri tome, najznačajnije promene se dešavaju sa granicom čujnosti, to jest sa donjom granicom oblasti čujnosti. Prirodne promene granice čujnosti Granica čujnosti predstavlja prag nadražaja čula sluha, posmatran po nivoima zvuka. U geometrijskom smislu to je linija koja čini donju granicu oblasti čujnosti i prikazana je na slici 1.6. Ona je utvrđena merenjem na uzorku zdrave populacije u stanju mirovanja, i bez ikakvih prethodnih uticaja. Međutim, dva su moguća slučaja kada se granica čujnosti prirodnim procesima pomera ka višim nivoima. To su: - privremeni pomeraj nakon dužeg dejstva visokih nivoa zvuka i - trajni pomeraj usled starenja organizma ili usled preležane bolesti uva.

Ovde treba uočiti da se u objašnjenju navodi da postoji pobuda visokim nivoima zvuka, a ne buke. Naime, po definiciji buka je svaki neželjeni zvuk. To znači da pojam buke nije skopčan sa vrednostima nivoa zvuka. Na koncertima ili u diskotekama zvuk koji se tamo javlja svakako nije neželjen za one koji su platili ulaznice da bi se tu našli. Otuda je ovde napravljena razlika u terminologiji.

U okolnostima kada se zdravo čulo sluha izloži dejstvu visokih nivoa zvuka, bez obzira na njegov sadržaj (muzika ili šum), dolazi do zaštitne reakcije organizma. Ova reakcija je najefikasnija na nivou razdešavanja slušnih koščica srednjeg uva, ali postoji određeno dejstvo i u unutrašnjem uvu. Usled povećanog slabljenja na putu prenosa zvuka, ova reakcija kao rezultat proizvodi privremeno pomeranje granice čujnosti naviše. Na slici 2.15 prikazan je rezultat merenja ovakvog pomeranja nakon dvadesetominutnog boravka u ambijentu gde je reprodukovan beli šum ukupnog nivoa 115 dB. Merenje je izvršeno 30 sekundi nakon prestanka zvučne pobude. Ova deformacija u osetljivosti čula sluha se po prestanku pobude lagano smanjuje tokom vremena i prikazana slika je presek stanja sposobnosti uha 30 sekundi nakon isključenja zvučne pobude. Proces relaksacije uva i vraćanja u početno stanje osetljivosti odvija se veoma lagano i asimptotski teži početnom stanju. Podaci pokazuju da se pri ovako snažnoj pobudi, kao što je bila u slučaju čiji je rezultat prikazan, izvesno odstupanje od normale može registrovati čak i 24 sata nakon prestanka takve pobude. Pomeranja granice čujnosti naviše može biti i trajno. Ono nastaje prirodnim procesom koji se odvija starenjem organizma, ali takođe i izlaganjem prekomernoj buci duže od bioloških granica bez dovoljno dugih perioda relaksacije. Na slici 2.16 prikazan je jedan rezultat ispitivanja prosečne, dakle prirodne promene granice čujnosti sa godinama starosti. Krive pokazuju prosečan položaj granice čujnosti kod ljudi starosti od 40 do 70 godina. Jasno je da pokazane krive treba shvatiti kao statistički pokazatelj. Vidi se da pojava trajnog pomeranja granice čujnosti praktično znači sužavanje čujnog


47

opsega u oblasti nižih nivoa zvuka. Percepcija najviših frekvencija moguća je tek pri visokim nivoima zvučne pobude. 120 110 100 90 80

nivo zvuka (dB)

70 60

privremeno pomerena granica ~ujnosti Slika 2.15 - Poraj granice čujnosti izmeren 30 sekundi nakon što je čulo sluha bilo izloženo dejstvu belog šuma nivoa 115 dB u trajanju od 20 minuta

50 40 30 20 10 0 -10 20

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Privremeno pomeranje granice čujnosti usled dejstva visokih nivoa zvuka poznato je iskustvo svima koji su boravili u diskotekama gde se glasno reprodukuje muzika, ili na koncertima savremene muzike. Po izlasku iz prostorije gde vlada visok nivo zvuka javlja se osećaj ″zaglušenosti″. Uobičajeni zvukovi iz okoline izgledaju subjektivno tiši. Upravo to je manifestacija pomerenosti granice čujnosti naviše. Takođe je poznato da ovaj efekat praktično nestaje sutradan nakon posete mestu preglasnog zvuka. Može se reći da je opisana pojava rezultat nastojanja uva da se odbrani od prekomerne ponude.

Ovaj proces je, naravno, individualan i njegova kvantifikacija može biti samo preko statističkih pokazatelja (prosečno stanje sluha otološki zdrave populacije određene starosti). Postojanje individualnih razlika može se uočiti i kroz činjenicu da u literaturi postoje rezultati ispitivanja ove pojave koji se mešusobno u izvesnoj meri. Razlog tome je u činjenici da su dobijeni na različitim uzorcima populacije (u raznim zemljama, sa različitim uslovima u kojima su subjekti provodili život i slično). Interesantno je da je povećanje trajanja životnog doba i kupovna moć najstarijeg dela populacije učinilo da je se poslednjih godina piše i govori o potrebi posebnog pristupa u audio tehnologiji koji se popularno označava kao ″audio za starije″. U pitanju je prilagođavanje tehnologije i osobina signala signala promenama koje sa godinama nastaju u čulu sluha.


48

120 110 100 90 80

nivo zvuka (dB)

70

70

60 60

50 40

Slika 2.16 - Prosečne promene granice čujnosti sa godinama. (parametar na dijagramu je godina starosti)

50

30

40

20 10 0 -10 20

100

1000

10000

frekvencija (Hz)

Audiometrija Ispitivanje granice čujnosti je jedan od dijagnostičkih postupaka u medicini. Oblast koja se bavi ispitivanjem sluha naziva se audiometrija. U okviru audiometrijskih ispitivanje vrši se, između ostalog, utvrđivanje stanja granice čujnosti kod pacijenta. Ono podrazumeva utvrđivanje najtišeg tona koga čovek može čuti, uz ponavljanje procedure za više različitih frekvencija. Hz 125 -20

250

500

1000

2000

4000

8000

0

20

dB

40

60

80

100

Slika 2.17 – Forma dijagrama koji se koristi za prikazivanje rezultata audiometrijskog ispitivanja uva sa ucrtanim primerom rezultata ispitivanja jednog normalnog uva.


49

Kao rezultat audiometrije utvrđuje se odstupanje granice čujnosti od standardom utvrđenih vrednosti koje karakterišu zdravo uvo. Rezultat se naziva audiogram i iskazuje se odvojenim dijagramima za levo i desno uvo. Način prezentacije audiograma prikazan je na slici 2.17. Standarda vrednost granice čujnosti usvojena je za referencu, i na dijagramu je predstavljena sa 0 dB. Na ordinati se prikazuje odstupanje od te standardne vrednosti, odnosno relativni odnos granice čujnosti kod ispitivanog subjekta i standardom utvrđene granice. Svaki poremećaj, odnosno povišenje granice kod ispitivane osobe na dijagramu se prikazuje snižavanjem audiograma. Primer jednog normanog audiograma takođe je ucrtan na slici.

2.9

Binauralno slušanje

Jedna od najznačajnijih osobina čula sluha jeste mogućnost percepcije prostornih dimenzija zvučne slike. Ova osobina se zasniva na sposobnosti čula da odredi pravac iz koga zvučni talas nailazi na glavu slušaoca, što je moguće zahvaljujući činjenici da čulo sluha radi sa dva prostorno razdvojena senzora i sa glavom kao fizičkom preprekom između njih. Takav mehanizam percepcije naziva se binauralno slušanje. Mehanizam binauralnog slušanja kod čoveka, pre svega način na koji su uši postavljene u odnosu na glavu, prilagođen je percepciji u horizontalnoj ravni. Realno je pretpostaviti da je to prirodna posledica evolucije, jer se gotovo svi zvučni izvor za koje je čovek zainteresovan nalaze na zemlji, odnosno u jednoj vrlo uskoj zoni u odnosu na horizontalnu ravan. U vertikalnoj ravni ljudske sposobnost percepcije pravca su značajno manje upravo zbog vertikalne simetrije glave. Pravac u okviru horizontalne ravni iz koga zvuk nailazi na glavu slušaoca određen je uglom koji se naziva azimut. Definicija azimuta je prikazana na slici 2.18. Sposobnost rezolucije po pravcima nije ista za sve vrednosti azimuta. Najveća je u pravcu ose lica slušaoca (azimut oko 0o), i u toj zoni prosečan slušalac može da razlikuje pomeranja izvora sa rezolucijim od oko 2o. U literaturi namenjenoj snimateljima zvuka može se naći podatak da je ta rezolucija čak 1o. Rezolucija se smanjuje sa povećanjem azimuta, i već pod uglom od oko 75o rezolucija je samo oko 7o. U zadnjoj poluravni sposobnost rezolucije po pravcima je još lošija. azimut o 0 2

o

o

7 270

o

90

180

o

o

Slika 2.18 - Definicija ugla azimuta pri binauralnom slušanju sa označenom ugaonom rezolucijom


50

Razlike signala na levom i desnom uvu Prostorna razdvojenost ušiju, sa glavom kao preprekom između njih, čini da signali na levom i desnom uvu nisu isti. Dve bitne pojave se javljaju kao posledica toga. Pre svega, postoji vremenska razlika, koja se naziva interauralno kašnjenje, između signala na levom i desnom uvu. Kada zvuk nailazi iz pravca određenog nekih azimutom, onda se mogu uvesti definicije bližeg i daljeg uva. Zvuk stiže do bližeg uva nešto ranije nego do daljeg uva zbog njihovog rastojanja. Vremenska razlika koja tako nastaje najveća je za azimut 90o, oko 0,6 ms. Tačna vrednost kašnjenja, naravno, zavisi od dimenzija i oblika glave. Za prosečnu glavu zavisnost interauralnog kašnjenja u funkciji azimuta prikazana je dijagramom na slici 2.19.

interauralna vremensk razlika (ms)

0.6

0.5

0.4

Slika 2.19 - Zavisnost interauralnog kašnjenja od veličine azimuta za prosečnu veličinu glave

0.3

0.2

0.1

0.0 0

20

40

60

80

100

azimut (stepeni)

120

140

160

180

Interauralna razlika je važan parametar na osnovu koga čulo sluha utvrđuje pravac iz koga dolazi zvuk. Na niskim frekvencijama, gde je trajanje periode veće od interauralnog kašnjenja, tako mala vremenska razlika je dovoljna za formiranje svesti o pravcu u kome se nalazi izvor zvuka. Sa porastom frekvencije, odnosno kada trajanje periode signala postaje poredljivo sa interauralnim kašnjenjem, dolazi do konfuzije u tumačenju registrovane razlike. Zbog toga na visokim frekvencijama vremenska razlika nema značaja za određivanje pravca. Međutim, na visokim frekvencijama glava predstavlja prepreku koja je poredljiva ili čak mnogo veća od talasnih dužina. Na primer, na frekvenciji 10 kHz talasna dužina je 3,4 cm, pa je prosečna glava već na toj frekvenciji mnogo veća od talasne dužine. U takvim okolnostima dolazi do refleksije zvučnih talasa od glave, pa na bliže uvo deluje zbir direktnog i reflektovanog talasa. To kao rezultat daje povećavanje nivoa zvuka na bližem uvu u odnosu na nivo zvuka koji postoji u istoj tački prostora kada glava nije prisutna u zvučnom polju. Istovremeno, dalje uvo se nalazi u zvučnoj senci glave. Zvučna energija koja deluje na njega dospeva samo difrakcijom oko glave. To podrazumeva izvesno frekvencijski zavisno slabljenje u odnosu na nivo koji postoji kada glava nije prisutna u zvučnom polju. Kao rezultat, na višim frekvencijama postoji interauralna razlika u nivoima zvuka. U zavisnosti od frekvencije te intenzitetne razlike mogu biti veće ili manje. Njihov


51

odnos dominantno zavisi od odnosa dimenzije glave i talasne dužine, ali izvestan uticaj imaju i pojedini delovi glave. Na najvišim čujnim frekvencijama izvestan uticaj imaju i ušne školjke, kada i one postaju značajna fizička prepreka. Takođe je pokazano da na signale koji deluju na levo i desno uvo određene efekte ima čak i ljudski torzo, jer postoji uticaj refleksije od ramena. Prenosna funkcija glave Uticaj svih faktora koji utiču na interauralne razlike intenziteta signala na levom i desnom uvu definišu se prenosnom funkcijom glave (head related transfer function HRTF). Ona se, po definiciji, definiše preko impulsnog odziva registrovanog na poziciji bubne opne ili na otvoru spoljašnjeg slušnog kanala. Na taj način su uvedeni pojmovi prenosne funkcije za bliže i dalje uvo. Po svojoj definiciji, HRTF pokazuje promene koje nastaju u zvučnom polju u odnosu na stanje koje postoji kada se glava ukloni iz polja. Za ilustraciju HRTF na slici 2.20 je prikazan njen izgled za azimut 90o. Dva efekta koja određuju razlike: sabiranje direktnog i reflektovanog zvuka na bližem uvu i zvučna senka na daljem uvu, čine da je kriva prenosne funcije bližeg uva uvek iznad krive funkcije daljeg uva. Sa slike se može očitati da je na frekvenciji 4 kHz nivo zvuka na ulazu u slušni kanal skoro 20 dB viši nego kada u polju na tom mestu nema glave.

20 15 10

blize uvo

5

pravac nailaska zvuka

relativninivo (dB)

0 dalje uvo -5

dalje uvo

-10

bliže uvo

-15 -20

Slika 2.20 - Prenosna funkcija glave izmerena na jednoj osobi za azimut

-25

od 90o

-30 -35 -40 200

1000 frekvencija (H z)

10000

Na slici se takođe vidi da u obliku krive prenosne funkcije glave postoje izvesne fluktuacije. One su posledica raznih talasnih pojava koje nastaju interferencijama, uglavnom kao rezultat superponiranja reflektovane energije od pojedinih delova glave.


52

Posmatrajući sa aspekta čula sluha kao prijemnika na izlazu audio sistema, može se reći da glava u zvučnom polju deluje kao složeno filtarsko kolo. Oblik prenosne funkcije glave zavisi od azimuta. Za svaku vrednost azimuta prenosna funkcija ima drugačiji oblik. U slučaju azimuta od 90o razlike u funkcijama za bliže i dalje uvo su najveće, što je i prikazano na slici 2.20. Detaljno poznavanje HRTF podrazumeva banku impulsnih odziva, odnosno krivih prenosnih funkcija, za vrednosti azimuta u dovoljno malim koracima, najčešće od po 10o ili manje. To se dobija merenjem u anehoičnoj prostoriji menjajući poziciju zvučnika po krugu oko slušaoca. Pošto je HRTF posledica talasnih pojava na glavi koja predstavlja prepreku u zvučnom polju, jasno je da u tom pogledu moraju postojati izvesne individualne razlike od osobe do osobe. One su posledica činjenice da postoje razlike u veličini i obliku glava, kao i razlike u dimenzijama bitnih fizičkih detalja na glavi. Zbog toga svaka osoba ima svoj specifičan oblik HRTF na koje je čulo sluha prilagođeno. Korelisanost signala na levom i desnom uvu

Odnos signala na levom i desnom uvu može se posmatrati i preko njihove korelacije. Kada zvučni talas nailazi u osi glave, odnosno kada je azimut 0o, onda su signali na levom i desnom uvu identični, odnosno potpuno korelisani. Pomeranje pravca od ose glave povlači za sobom promenu u korelisanosti ova dva signala. Ako na glavu slušaoca nailazi više talasa iz raznih pravaca, kao što je to slučaj u prostorijama, korelacija ovih signala postaje složena funkcija odziva prostorije, a kao rezultat korelisanost između signala na levom i desnom uvu se smanjuje. Najmanja korelisanost ova dva signala je u potpuno difuznom polju, kada su svi pravci nailaska zvučne energije na glavu slušaoca jednako verovatni. Posmatrano sa aspekta zvučne slike, subjektivni utisak da zvuk ne dolazi iz jedne tačke, već iz neodređenog pravca direktno je srazmeran sa korelisanošću signala na levom i desnom uvu. U slučaju da su oni potpuno nekorelisani, dobija se utisak kao da zvuk dolazi sa svih strana. To je, na primer, u izvesnom smislu poželjna osobina u koncertnim salama, gde se teži osećanju da zvuk dolazi iz čitavog prostora, a ne samo sa bine. Korelisanosti signala u levom u desnom uvu je predmet akustičkih merenja u koncertnim salama i sličnim prostorima za slušanje muzike. Što je ta korelisanost manja, to je prostor bolji sa aspekta subjektivnog doživljaja. Za ovakva akustička merenja koristi se veštačka glava. Korelisanost signala u levom i desnom uvu se izražava pomoću parametra koji se naziva interauralni kroskorelacioni koeficijent (IACC). U literaturi su ustanovljeni estetski kriterijumi za poželjne vrednosti IACC u koncertnim salama, čak i u zavisnosti od vrste muzike koja se izvodi u sali.

2.10 Neki uticaji čula sluha na audio tehnologiju Čulo sluha predstavlja završetak audio sistema i osnovno je merilo kvaliteta njegovog rada. Zbog toga su neke od opisanih karakteristika čula sluha imale neposrednog odraza na pojedine oblasti audio tehnologije. U nastavku će biti ukratko opisani neki od uticaja čula sluha na tehničke aspekte audio sistema.


53

Kompresija audio signala

Krive maskiranja su jedna od važnih činjenica u audiotehnici zbog toga što proces maskiranja onemogućava percepciju zvučnih informacije koje se javljaju ispod njih. Zbog toga se krive maskiranja u vidu tabela nalaze ugrađene u današnje algoritme za kompresiju audio signala. Sve komponente signala za koje se nakon spektralne analize utvrdi da su za slušaoca ispod krive maskiranja, ne koduje se. Time se smanjuje broj potrebnih bita za predstavljanje audio signala, koji je prilagođen ukupnom mogućem dinamičkom ospegu. Na principima eliminacije maskiranih komponenti zasniva se početni nivo u procesu rada danas primenjivanih algoritama za kompresiju audio signala (AC3, MPEG). Naravno da maskiranje nije njihov jedini element već su ugrađene i druge procedure, ali je pronalaženje i eliminacija delova signala koji se ne čuju usled efekta maskiranja jedan od osnovnih koraka. Optimalni nivo slušanja reprodukovanog zvuka

Nelinearnost osetljivosti čula sluha preciznije definisana dijagramom izofonskih krivih (slika 2.14) stvara niz praktičnih problema pri podešavanju nivoa zvuka u sistemima za reprodukciju zvuka. Najveća linearnost, ako se o linearnosti uopšte može govoriti, je u oblasti 80-100 dB. To je razlog zašto su u audiotehnici uvedene norme za nivoe slušanja pri reprodukciji zvuka. Utvrđene su vrednosti nivoa zvuka koje treba ostvariti pri srednjim nivoima audio signala. Uobičajeno je da te vrednosti budu nešto preko 80 dB. Na primer, preporuka firme Dolby za podešavanje sistema za reprodukciju u formatu 5.1 utvrđuje referentni nivo zvuka 85 dB. Ove vrednosti dalje imaju implikacije i na hedrum u sistemu, ali se prvenstveno određuju prema zahtevima čula sluha. Frekvencijske korekcije pri niskim nivoima slušanja

Smanjenje nivoa zvuka pri reprodukciji ispod referentnih vrednosti za slušanje, što je uobičajen zahtev pri reprodukciji zvuka u stanovima, dovodi do subjektivno bržeg stišavanja komponenti na niskim frekvencijama. Sa dijagrama izofonskih linija (slika 2.14) može se videti da pri niskim nivoima slušanja najniže spektralne komponente mogu lako sići ispod granice čujnosti. Zbog toga je za slušanje tiho reprodukovane muzike na mnogim kućnim uređajima za reprodukciju zvuka uvedena posebna frekvencijska korekcija. Označena je nazivom ″laudnes″ (loudnes). Njenim uključivanjem signal se propušta kroz filtar koji vrši izdizanje niskih vrekvencija, u skladu sa oblikom nižih izofonskih linija. Time se pri tihoj reprodukciji omogućava percepcija i spektralnih komponenti muzike na niskim frekvencijama, koje bi u takvim okolnostima pale ispod granice čujnosti. Jasno je da uključivanje ove korekcije u okolnostima kada se slušanje vrši pri normalnim nivoima zvuka predstavlja izobličenje koje podrazumeva prekomerno izdizanje niskih frekvencija. Merenje nivoa sopstvenog šuma u audio sistemu

Nelinearnost osetljivosti čula sluha, osim u oblasti reprodukcije zvuka, održava se i na procedure merenja nivoa audio signala, ako se merenje vrši radi ocene stanja jačine zvuka. Jedan takva direktna posledica nelinearnosti čula sluha je i uvođenje ″A″ filtra u


54

merni lanac pri merenju nivoa buka u životnoj i radnoj sredini. Karakteristika ″A″ filtra je prikazana na slici 2.21. Njen oblik je izveden iz oblika obrnute izofonske linije 40 fona, uz pojednostavljenja i korekcije radi lakše izvodljivosti filtarskog kola pasivnim elementima. Rezultat merenja sa ovakvim frekvencijskim ponderisanjem izražava se u dBA (čita se ″decibeli A″). 10

0

relativni nivo (dB)

-10

Slika 2.21 - Dijagram A karakteristike za merenje buke

-20

-30

-40

-50 20

100

1000

10000

frekvencija (Hz) 15 10 5 0

nivo (dB)

-5

Slika 2.22 - Dijagram težnske krive za merenja šuma u audio sistemima (prema preporukama Međunarodne unije za telekomunikacije ITU)

-10 -15 -20 -25 -30 -35 -40

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Filtarsko kolo sa ″A″ karakteristikom koristi se, osim za merenje buke, i za merenje nivoa sopstvenog šuma pojedinih audio uređaja ili sistema u celini. Činjenica da


55

pojedine spektralne komponente generisanog šuma nemaju za ljudsko uvo isti značaj učinila je da se i sopstveni šum u sistemu utvrđuje uz frekvencijsko ponderisanje ovim filtrom. Na primer, izražavanje sopstvenog šuma mikrofona preko EIN izražava se u dBA umesto linearno merenim nivoom u dB. Osim ″A″ filtra u pojedinim okolnostima koriste se i drugi oblici frekvencijskog ponderisanja. Tako je Međunarodna unija za telekomunikacije - ITU utvrdila svoju težinsku krivu za merenje šuma u audio delu radiodifuznih sistema. Njen oblik je prikazan na slici 2.22. Sistemi za prostornu reprodukciju zvuka pomoću slušalica

Poznavanje mehanizma binauralnog slušanja i HRTF u svim njenim detaljima omogućilo je dizajniranje sistema za surround reprodukciju pomoću slušalica. Banka prenosnih funkcija za razne vrednosti azimuta omogućava da se filtriranjem ostvari promena u signalu koja odgovara situaciji kada zvuk nailazi na glavu slušaoca iz nekog definisanog pravca. Uslov za to je, naravno, procesor koji može u realnom vremenu da radi konvoluciju audio signala sa memorisanim odzivima HRTF filtara. Ovakva reprodukcija je podešena prema nekoj prosečnoj, standardnoj glavi, jer su banke HRTF filtara uglavnom snimane za veštačkom glavom. Odstupanje u preciznosti prostorne dimenzije zvučne slike dobijene takvom reprodukcijom zavisi od toga koliko se glava slušaoca razlikuje od veštačke glave. I pored svih svojih nesavršenosti, ovakav pristup prostornoj reprodukciji sve više se koristi u tehnologiji multimedija.


56

Literatura

Eksperimenti pomoću veštačke glave su pokazali da oblik ušne školjke značajno pomaže u lokalizaciji pravca. U anehoičnim uslovima mreža zvučnika je omogućavala različite pravce nailaska zvuka a subjekti su trebali da definišu zvučnik iz koga je dolazio zvuk. nakon toga snimanje je izvršeno sa vetačkom glavom na kojoj su menjane kopije formi ušnih školjki, a subjekti su to onda preslušavali. Rezultati su bili isti kada su subjekti neposredno slušali i kada su služali binauralni snimak sa glavom na kojoj je bio otisak njihovog uva. Međutim, pokazalo se da neki subjekti bolje određrivaliu pravac sa tuižim ušnim školjkama, nego sa svojim. To pokazuje da nemaju svi ljudi iste sposobnosti u tom smislu, i da je ta sposobnost posledica samo fizičkih formi spoljašnjeg uva. To dalje pokazuje opšti značaj geometrije spoljašnjeg uva i objašnjava činjenicu da životinje imaju u tom smislu bolje sposobnosti od čoveka.


56

3. AUDIO SIGNALI

3.1

Uvod

Audio signali su po svojoj prirodi vrlo specifični, bez sličnog primera u elektrotehnici. Takva osobina je direktna posledica veličine informacionog polja zvuka određenog graničnim mogućnostima čula sluha. Informaciono polje karakteriše velika širina frekvencijskog opsega (tri dekade) i veliki dinamički opseg čula sluha (u nekim okolnostima i preko 120 dB). Kontrola takvog signala radi očuvanja njegovog informacionog sadržaja u raznim fazama prolaska kroz audio sistem jedan je od bitnih zadataka u procesu upravljanja radom. Zbog prirode audio signala realizacija njegovog merenja predstavlja relativno složen tehnički zadatak koji nema apsolutno i jedninstveno rešenje. Uvid u saržaj audio signala veoma je delikatna tehnička tema. Gotovo po pravilu, merenje i kontrola mora se obavljati u realnom vremenu, a u mnogim situacijama i bez mogućnosti naknadnih korekcija ako se na vreme ne predvidi moguća nepravilnost (na primer pri ″živim″ prenosima za potrebe radija i televizije, pri ozvučavanju koncerata i slično). Samo u nekim okolnostima merenje i kontrola audio signala vrše se bez vremenskih organičenja. To je slučaj kada je kompletan signal prethodno smešten na neki memorijski medij i dostupan detaljnoj proveri. Procedura njegove kontrole bez vremenskih ograničenja, to jest off line, obavlja se, na primer, u procesu ″remiksa″ (pojam koji označava pravljenje finalnog snimka na osnovu višekanalnog zapisa) tokom pravljenja audio snimaka za tržište, u pripremi signala za proizvodnju CD (″premastering″) ili u montaži i obradi filmskog zvuka. Potrebe dizajna zvučne slike zahtevaju da se kontrola signala u audio sistemu obavlja ne samo sa aspekta amplituda, odnosno njegovog trenutnog nivoa, već se moraju kontrolisati i drugi parametri kao što je frekvencijski sadržaj, preciznost prostornih informacija i slično. Takvi zahtevi doveli su do oklnosti da se proces kontrole signala u audio sistemu ne može vršiti samo instrumentima, odnosno objektivnim mernim procedurama, već se nužno uvodi postupak subjektivne kontrole slušanjem reprodukovanog signala. U kontroli slušanjem čulo sluha postaje složeni merni instrument koji ima zadatak da prepozna fizički teško merljive dimenzije signala. To dalje otvara pitanje obučavanja čula sluha da prepoznaje određene osobine audio signala, odnosno da dekoduje što finije nivoe njegovog informacionog sadržaja. Zbog svega toga, poznavanje osnovnih osobina audio signala je od bitnog značaja za razumevanje raznih pojava i kvalitetno upravljanje audio sistemima. Zbog činjenice da ovi signali nemaju sličan pandan u drugim oblastima, postoji potreba da se šire prikažu osobine audio signala, načini njihovog merenja i kontrole.


3.2

57

Osnovni oblici audio signala

Audio signal se na svom putu od izvora do slušaoca javlja u raznim fizičkim oblicima. To su: - akustički signal koga stvaraju izvori zvuka i zvučnici, - zvučni pritisak kao signal u zvučnom polju i - signal u električnom domenu. Precizno definisanje ulaznog audio signala nije uvek jednostavno jer zadire u fizičke principe zračenja zvučih izvora. U fizičkom smislu taj izvorni signal se može posmatrati kao akustički protok q. Pod određenim ograničenim uslovima taj signal se može posmatrati i kao zvučni pritisak p koga izvor stvara u anehoičnim uslovima. Zvučni pritisak kao signal je veličina koja se, po definiciji, posmatra u jednoj tački fizičkog prostora. U ulaznom akustičkom okruženju to je tačka u kojoj se nalazi mikrofon, a u izlaznom akustičkom okruženju to su tačke ulaza u slušni kanal levog i desnog uva. Najzad, električni audio signal se javlja u svoja dva osnovna oblika: analognom i digitalnom. Iako je označen kao električni, činjenica je da u raznim fazama prolaska kroz audio sistem signal prelazi iz električnog oblika u druge fizičke forme, pre svega optički (u uređajima za zapisivanje signala i u optičkim vlaknima za povezivanje delova sistema) ili magnetski (u raznim memorijskim medijima). Audio signal može biti i u mehaničkom obliku, kada je predstavljen fizičkim, odnosno geometrijskim promenama u pogodnom materijalu, kao što je to na analognim (LP) poločama ili na CD ili DVD medijima. Osnovni oblici analognog signala - linijski i mikrofonski nivo U opštem slučaju audio signali dobijeni na različite načine, iz raznih reproduktora i mikrofona, mogu biti različitih amplituda. Veličina signala je faktor od značaja za ostvarivanje potrebnog dinamičkog opsega, odnosno izdizanje signala dovoljno iznad nivoa šuma. Da bi se izbegla proizvoljnost u veličinama analognih audio signala unutar audio sistema i da bi se u tom domenu uveo izvestan red, u audiotehnici su definisane dve kategorije signala podeljene prema njihovoj veličini. Prvu kategoriju čine signali visokog nivoa, koji se u praksi nazivaju ″linijski signali″. Signali linijskog nivoa imaju relativno velike vrednosti maksimalnih amplituda, što omogućava i maksimalan odnos signal/šum u sistemu i povećava zaštitu od eventualnih uticaja smetnji. Njihove amplitude u maksimumu mogu dostizati veličine reda volti. Drugu kategoriju čine signali niskog nivoa, kakve na svom izlazu uglavnom daju mikrofoni, pa se zbog toga oni nazivaju i ″mikrofonski signali″. Njihov nivo je niži od linijskih signala za 30-50 dB, zavisno od karakteristika izvora. Sistem elektroakustičkog pretvaranja u mikrofonima je takav da se kod njih izlazni signali pri uobičajenim zvučnim pobudama veoma mali. Tako mikrofonski signali uobičajeno imaju srednje vrednosti reda veličine −40 dBV do −60dBV, što zavisi od osetljivosti mikrofona (veća osetljivost podrazumeva u istim uslovima zvučnog polja viši nivo signala). Ovako mali signali su, naravno, podložni ugrožavanju spoljnim smetnjama i šumom u samom audio sistemu. Zbog toga se na mestima gde se javljaju signali mikrofonskog nivoa neposredno postavljaju odgovarajući pretpojačavači koji takav signal podižu na linijski nivo. Mikrofonski predpojačavači su uobičajeni na ulazima mikseta, ali mogu biti i nezavisni uređaji. Na svim uređajima. pre svega na miksetama, posebno se označavaju ulazi namenjeni prihvatanju mikrofonskog nivoa signala.


58

U klasičnim gramofonima sistemi pretvaranja u njihovim pretvaračima (takozvane gramofonske zvučnice, gramofonske glave ili gramofonski ″pikap″) takođe daju nizak, odnosno mikrofonski nivo signala. Kada se gramofoni vezuju u audio sistem, na njihovim izlazima postavljaju se odgovarajući predpojačavači kojima se nivo signala diže na linijski nivo. Klasične LP ploče, a time i gramofoni kao reproduktori, danas su još uvek prisutni u nekim oblastima muzike gde je mogućnosti neposrednog uticaja na proces reprodukcije jednostavnom manipulacijom rukama sa pločom, odnosno obrtnim tanjirom gramofona, od nekog značaja (na primer: rejv, tehno i slične vrste muzike).

Signal iz gramofona, osim odgovarajućeg pojačanja radi podizanja na linijski nivo, zahteva i posebne frekvencijske korekcije. Naime, audio signal pre upisivanja na LP ploču podvrgnut je posebnim frekvencijskim korekcijama utvrđenim standardom. Oblik korekcije je uslovljen mogućnostima vinila kao medija za zapisivanje analognog signala. Zbog toga je nakon reprodukcije sa gramofona neophodno dobijeni signal, osim pojačanja, podvrgnuti filtriranju sa inverznom frekvencijskom karakteristikom. Oblik karakteristike filtra koji se koristi pre upisivanja na ploču i filtra u predpojačavaču nakon reprodukcije sa gramofona utvrđeni su standardom stare esnafske asocijacije koja se skraćeno naziva RIAA (Record Industry Association of America). Predpojačavači za gramofone, koji u sebi sadrže i takve filtre, uobičajeno se nazivaju ″RIAA predpojačavači″. Uređaji koji imaju posebne ulaze za gramofone, kao što su danas miksete za diskoteke ili stariji kućni uređaji, imaju u sebi takve filtre.

Da bi se izbegla proizvoljnost i šarenilo koje bi otežalo sklapanje audio sistema, uređaji se dizajniraju tako da se svi pojavni oblici signala, koji se javljaju na njihovim izlazima i koje mogu prihvatiti na svojim ulazima, moraju po veličini nalaziti u jednoj od ove dve kategorije. Mikrofonski nivoi signala se danas javljaju na izlazima mikforona i gramofona. Izlazi i ulazi svih ostalih audio uređaja prilagođeni su za signale linijskog nivoa. Uobičajeno je da svi uređaji, bez obzira na svoju funkciju, rade sa jediničnim nominalnim pojačanjem, osim onih koji imaju zadatak da mikrofonski nivo signala pojačaju na linijski nivo (mikrofonski pretpojačavači i miksete sa mikrofonskim ulazima) i pojačavači snage za napajanje zvučnika. Osnovni oblik digitalnog audio signala Digitalni audio signal je definisan svojom frekvencijom odmeravanja i brojem bita kojima je predstavljena vrednost odmerka. Danas je u upotrebi nekoliko različitih frekvencija odmeravanja koje su zbog kompatibilnosti audio uređaja utvrđene standardom. Istorijski posmatrano najstarija korišćena frekvencija, uvedena sa početkom primene digitalnih signala u audio sistemima, je 44,1 kHz. Ova neobična vrednost definisana je numeričkim postupkom, iz zahteva da bude malo viša od graničnih 40 kHz, i da se povorka odmeraka može smestiti u kompozitni video signal, tačnije da ceo broj odmeraka signala stane u jednu aktivnu video liniju. Ovo je bilo neopodno jer su u to vreme jedini snimači koji su mogli da zapisuju digitalni audio signal bili magnetoskopi. Vrednost 44,1 kHz je prihvaćena u standardu CD medija, i tako opstaje do danas. Paralelno sa 44,1 kHz u upotrebu je uvedena i frekvencija odmeravanja 48 kHz. Vremenom su, sa razvojem tehnologije A/D i D/A konvertora, uvođene u upotrebu i više frekvencije, ali uvek kao multipl osnovne vrednosti 48 kHz. Tako se danas standardno koriste frekvencije odmeravanja 96 kHz i 192 kHz. Razlozi za primene ovako visokih frekvencija u okolonostima ograničenog frekvencijskog opsega audio signala objašnjeni su u temi 8.


59

Binarna predstava odmeraka koja se koristi u audio sistemima podrazumeva izvesnu transformaciju u odnosu na prirodni binarni kod. Kao osnovni način za predstavljanje digitalnih audio signala koristi se takozvani “dvokomplementarni kod”. Princip formiranja ovog koda prikazan je u tabeli 3.1 na primeru četvorobitnih binarnih brojeva. Iz tabele se vidi da je dvokomplementarni kod teorijski izveden iz osnovnog koda promenom mesta gornje i donje polovine tabele sa brojnim nizom. Iz tabele se takođe vidi da se ta transformacija praktično ostvaruje tako što se invertuje najznačajnija (MSB) cifra. Tabela 3.1 – Način formiranja dvokomplementarnog koda

osnovni binarni kod najveća vrednost

najmanja vrednost

1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

dvokomplementarni kod 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000

Audio signal je po svojoj prirodi bipolaran, što proizilazi iz činjenice da on reprezentuje zvučni pritisak. Konverzija takvog signala zahteva da minimalni binarni kodni broj predstavlja maksimalnu negativnu vrednost, a maksimalni binarni kodni broj predstavlja maksimalnu pozitivnu vrednost analognog signala. U takvoj podeli vrednost 0 V se koduje vrednošću koji se nalazi na sredini niza binarnih brojeva. U slučaju dvokomplementarnog koda 0 V se koduje binarnim brojem kod koga su sve cifre nula. Ovo je ilustrovani na slici 3.1, gde je na primeru osmobitnih binarnih brojeva šematski prikazana konverzija analognog audio signala u dvokomplementarni digitalni kod. Na skali binarnih vrednosti analognih 0 V se nalazi na sredini, kodovano binarnim brojem koji se sastoji samo od nula. Vidi se da najznačajnija cifra (MSB) u dvokomplementarnom kodu predstavlja, u stvari, polaritet signala. Pri tome MSB 0 označava pozitivne vrednosti, a MSB 1 negativne vrednosti analognog napona. Može se reći da je dvokomplementarni kod po svojoj prirodi prolagođen za konverzije bipolarnog signala. Postoje značajne prednosti dvokomplementarnog koda koje su učinile da on bude primenjen u audio sistemima umesto osnovnog binarnog koda. Prvo, u ovom obliku koda ekstremne vrednosti binarnog signala, 0000 i 1111, predstavljaju vrednosti analogne nule, odnosno najmanje negativne kvantne vrednosti, respektivno. U slučaju bilo kakvog defekta u prenosu koji bi generisao povorku nula ili jedinica, izlazni analogni signal, nakon D/A konverzije, je 0 V ili ima najmanju moguću negativnu vrednost. Ako bi se umesto dvokomplementarnog primenio osnovni binarni kod, ovakav događaj u audio


60

sistemu bi na izlazu stvarao ekstremne vrednost analognog signala. To bi trenutno dovodilo izlazni elektroakustički pretvarač u maksimalni položaj membrane, pozitivan ili negativan, što je rizičan događaj po integritet njegovog kretnog sistema. Takav događaj, naravno, nije prijatan ni za slušaoca. Drugo, kod dvokomplementarnog binarnog koda postoji stalna indikacija polariteta, što pokazuje MSB cifra. analogni signal

dvokomplementarni kod

Vmax

0

Vmin

01111111

t

00000001 00000000 11111111

Slika 3.1 – Šematski prikaz konverzije analognog signala u dvokomplementarni kod na primeru osmobitne reči

10000000

Ostali oblici digitalnog audio signala – zaštitni i kanaski kod Digitalni signal nakon konverzije predstavlja skup podataka, odnosno spisak vrednosti signala izmerenih određenim unapred usvojenim vremenskim redom definisanim frekvencijom odmeravanja. On, dakle, ima jednu nematerijalnu formu koja je zapisana u nekom memorijskom mediju ili postoji u okvirima nekog procesora. Sa aspekta korisnika audio uređaja ili sistema digitalni signal je virtuelan, pa fizička forma pojedinih bita nije od značaja, na isti način na koji nisu od značaja fizičke forme bilo kojih podataka u računarima. Međutim, postoje okolnosti kada iz virtuelne forme ″spiska″ binarnih brojeva digitalni signal mora da se transformiše u fizički digitalni signal predstavljen strujom ili naponom koji se prostoru kroz neki fizički prenosni kanal (duži električni ili optički kabl, optički, mehanički ili magnetski medij za zapisivanje. radiodifuzni prenosni kanal i slično). Budući da tada postaje fizička veličina, manipulacija digitalnim signalom se susreće sa raznim ograničenjima fizičkog sveta koja treba savladati i tako sprečiti da se sadržaj informacija pogrešno prenese ili potpuno izgubi. Da bi se digitalni signal zaštitio od mogućih izobličenja u fizičkim kanalima nužno je uvesti izvesnu pripremu, što podrazumeva određene transformacije njegovog sadržaja. Te promene se ostvaruju kroz dva nivoa posebnog kodovanja koji su označeni kao zaštitno i kanalsko kodovanje. Njihovo mesto u procesu prenosa digitalnog signala kroz fizički prenosni sistem prikazani su na slici 3.2. Zaštitno kodovanje ima za cilj da se nakon izlaska iz fizičkog kanala isprave greške u prenosu. Pri svakoj pripremi digitalnog signala za određeni fizički kanal uvodi se neki adekvatan oblik zaštitnog kodovanja. Zaštitno kodovanje podrazumeva, po pravilu, proširivanje podataka uvođenjem dodatanih bita. Na osnovu toga se omogućava detekcija i ispravljanje grešaka.


61

zapisani niz bita

osnovni binarni kod

zastitno kodovanje

zapisani niz bita

fizicki signal

fizicki signal

kanalski koder

fizicki kanal

kanalski dekoder

dekodovanje zastitnog koda

osnovni binarni kod

Slika 3.2 – Blok šema prenosa digitalnog audio signala kroz neki fizički kanal sa označenim mestima zaštitnog i kanalskog kodovanja.

Za razliku od zaštitnog kodovanja koje se primenjuje u prenosu podataka, kod koga je zadatak precizna detekcija pogrešno prenetih bite i, eventualno, njihovo ispravljanje, kod audio signala nije uvek i po svaku cenu neophodna takva potpuna rekonstrukcija. Neki fizički kanali koji se pojavljuju u audio sistemima, kao što su optički ili mehanički zapis, mogu da unesu destrukciju velike povorke bita čija rekonstrukcija daleko premašuje mogućnosti poznatih zaštitnih kodova. Na primer, svaki otisak prsta na površini CD stvara takve destrukcije pri očitavanja zapisa. Međutim, u slučaju audio signala potpuno precizna rekonstrukcija svih bita zbog njegove prirode i kriterijuma krajnjeg korisnika nije uvek neophodna. To omogućava da se u domenu zaštitnog kodovanja audio signala, pored postupaka standardnog zaštitnog kodovanja, istovremeno koriste i metode koje omogućavaju dovoljno tačnu rekonstrukciju početnog signala. Šta je pri tome dovoljno tačna rekonstrukcija procenjuje se na osnovu mogućnosti percepcije greške pri slušanju. U pripremi audio signala za prolazak kroz fizičke prenosne kanale koristi se jedan poznati postupak koji se naziva interliving, samo primenjen na nivou odmeraka. Na slici 3.3 prikazana je šematska ilustracija postupka interlivinga u pripremi digitalnog audio signala na primeru bloka od 16 odmeraka. Vidi se po nekom definisanom principu vrši promena mesta odmercima, odnosno njihovo mešanja u redosledu kojim se pojavljuju u povorci digitalnog signala. Po prijemu signala na izlazu iz fizičkog kanala vrši se vraćanje odmeraka na njhovo prirodno mesto. prirodni redosled odmeraka 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 13 14 15 16

Slika 3.3 – Ilustracija principa interlivinga na modulu od 16 odmeraka. 1

5

9

13

2

6

10 14

3

7

11 15

4

8

12 16

redosled odmeraka posle interlivinga

U slučaju oštećenja dela signala sa interlivingom čije je trajanje nekoliko odmeraka, po povratku signala u njegovu početnu formu dolazi do razbacivanja oštećenih odmeraka umesto da se pojavljuju u bloku. Ovo je prikazano na slici 3.4. Nakon prijema moguće je primeniti interpolaciju i obaviti izračunavanje vrednosti pojedinačnih oštećenih odmeraka na osnovu poznatih susednih vrednosti. Jasno je da to nije apsolutna rekonstrukcija, i da uvek postoji neka razlike između vrednosti dobijene interpolacijom i stvarne vrednosti. Ipak, pod određenim okolnostima takva razlike mogu biti nečujne. Bitno je da se primenom interlivinga može u realnom vremenu vršiti


62

nadoknađivanje relativno velikog broja nedostajućih podataka, a da pri tome metoda ne zahteva povećavanje broja prenesenih bita.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

1

2

3

4

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

odmerci

13

14

15

16

odmerci

ostecenje

1

5

9

13

2

6

10 14

3

7

11 15

4

8

12 16

ostecenje

Slika 3.4 – Uticaj prekida u trajanju od četiri odmerka na signal sa interlivingom i bez njega: gore – bez interlivinga; dole – sa interlivingom.

Povorka bita sa brzinama odmeravanja kakve se koriste u audio sistemima ima kada se pretvori u fizički signal veoma širok frekvencijski opseg (videti numerički primer u okviru). Frekvencijski sadržaj takvog signala koji odgovara čak i najnižim bitskim brzinama često daleko premašuje granične frekvencije raspoloživih prenosnih kanala. Da bi se ipak digitalni signal preneo ili zapisao uz sva nametnuta ograničenja, vrši se njegovo prilagođavanje koje se naziva kanalsko kodovanje. Bitske brzine osnovnog audio signala koji podrazumeva stereo format sa 16bitnom konverzijom frekvencijom odmeravanja 44,1 kHz ima brzinu protoka podataka: 44,1 kHz x 16 bita x 2 kanala = 1,4112 Mbit/s. Gornja granična frekvencija fizičkog signala ovakve bitske brzine zavisi od sadržaja signala, odnosno od dinamike smenjivanja jedinica i nula, ali je očigledno za dva reda veličine premašuje frekvencijski opseg analognog audio signala. Sa 24-bitnom konverzijom, koja danas postaje standard u studijskom radu, i sa većim brojem kanala, jasno je da mnogi fizički prenosni kanali i praktično svi mediji za zapisivanje ne mogu primiti signal tako širokog frekvencijskog opsega u originalnom obliku.


63

Osnovna funkcija kanalskog kodovanja je da formira povorku bita pre ulaska u fizički knal koja će imati smene jedinica i nula na način koji daje dovoljno nisku gornju graničnu frekvenciju. Druga važna funkcija kanalskog kodovanja je da olakša rekonstrukciju takta signala na mestu prijema. Naime, takt se na prijemu održava samo na osnovu bitskih promena. U realnosti su sasvim moguće pojave dužih pauza u signalu, što znači da u tim intervalima nema nikakvih promena u signalnim bitima. Zbog toga je u takvim okolnostima neophodno na veštački način povremeno unositi promene bitskog stanja da bi se očuvao sinhronitet na prijemu. Da bi se u procesu kanalskog kodovanja ovakvi ciljevi postigli, vrši se proširivanje signala. Blokovi originalnih signalnih bita, najčešće po bajtima, zamenjuju se novim, odgovarajuće dužim blokovima koji imaju prikladnu strukturu promena stanja, odnosno manju učestanost prelaza između bitskih stanja. Za veća smanjenja frekvencijskog sadržaja digitalnog signala u nekim okolnostima je potrebno značajno povećanje broja bita u signalu. Na primer, u kanalskom kodovanju pre usnimavanje na audio CD svakih 8 bita signala se proširuje na 17 bita koji se šalju u fizički kanal, odnosno koji se zapisuju na mediju. Iako je to veoma veliko proširenje sa aspekta broja bita koji se prenose, kao rezultat se dobija smanjenje gornje granične frekvencije upisanog signala jer se u novim okolnostima ostvaruje bitno smanjenje broja promena između dva bitska stanja.

3.3

Predstavljanje veličine audio signala jednobrojnim vrednostima

Prestavljanje veličine audio signala jednobrojnim vrednostima podrazumeva nalaženje nekog numeričkog pokazatelja koji će kroz izvestan proces usrednjavanja uzeti u obzir kretanje veličine signala u određenom vremenskom periodu. Dve osobine audio signala dominantno utiču u pokušaju da se njegova veličina predstavi jednim brojem: izrazita nestacionarnost i osobine čula sluha kao njegovog krajnjeg korisnika. Nestacionarnost čini da je numerička vrednost kojom bi signal mogao da se predstavi funkcija trenutka merenja. Ta činjenica je u audiotehnici zahtevala posebnu standardizaciju samog postupka merenja u odnosu na merenja u ostalim oblastima elektrotehnike, pa čak i paralelno koriščenje više načina za iskazivanje veličine signala da bi se omogućilo zadovoljavanje raznorodnih zahteva. Ljudsko uvo kao korisnik audio signala nametnulo je logaritamske mere veličine, odnosno uvođenje decibela za predstavljanje veličine signala. Efektivna vrednost audio signala Osnovna veličina koja karakteriše audio signal je, po prirodi stvari, njegova efektivna vrednost. Po definiciji, efektivna vrednosti nekog vremenski promenljivog signala je:

1T 2 V= v (t )dt T ∫0

(3.1)

Iz gornjeg izraza se vidi da efektivna vrednost podrazumeva usrednjavanje energije signala u nekom zadatom vremenskom intervalu integracije T. Prema tome, u jednobrojnom podatku o veličini efektivne vrednosti nekog audio signala uključen je njegov energetski sadržaj iz čitavog intervala integracije.


64

Pošto je audio signal po svojoj prirodi izrazito nestacionaran, veličina intervala integracije T značajno utiče na izračunatu efektivnu vrednost. Odabrana vrednost T određuje brzinu reagovanja efektivne vrednosti na promene audio signala. Što je T veće, to je mogućnost praćenja brzih promena u signalu manja. Jedan primer koji ilustruje problem merenja efektivne vrednosti prikazan je na slici 3.5. To je mali segment dužine 2,5 s uzet iz jedne popularne kompozicije. Efektivna vrednost izračunata na čitavom prikazanom intervalu označena je sa strane, pa se vidi da postoje lokalni maksimumi u signalu koji u značajnoj meri prevazilaze njenu vrednost. Ako bi se efektivna vrednost određivala na manjem vremenskom segmentu, onda bi izračunata vrednost zavisila od mesta duž vremenske ose sa koga se uzima signal. To dalje znači da bi efektivna vrednost signala fluktuirala u vremenu kada se po vremenskoj osi pomera period integracije iz izraza (3.1).

amplituda (kvantni nivoi)

32768

eff. 0

-32768 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

vreme (s) Slika 3.5 - Segment jednog signala orkestarske muzike (popularna muzika). Označena je efektivna vrednost izračunata na čitavom segmentu od 2,5 s.

Nestacionarnost zvučnih signala uslovila je da se u audio sistemima koristi kratkovremena efektivna vrednost, kod koje je period integraljenja T relativno kratak. To su u praksi uvek delovi sekunde, a u posebnim slučajevima period integraljenja je reda milisekundi. Usvojeni standardi za vrednosti perioda integracije prikazani su nešto kasnije. Zbog nestacionarnosti audio signala, pri izračunavanju efektivne vrednosti period integracije se ne sme uzimati proizvoljno. Na primer, efektivna vrednost označena na slici 3.5 posebnim oznakama sa strane, dobijena je usrednjavanjem na čitavom prikazanom vremenskom intervalu od 2,5 s. Jasno je da bi u slučaju manjeg trajanja perioda integracije, i pri tome postavljenog u zoni većih amplituda, izračunata efektvna vrednost bila veća. Izbor vrednosti T u procesu određivanja efektivne vrednosti predstavlja važnu temu u audiotehnici. Značaj izbora perioda integracije i vrednosti koje se koriste u praksi biće šire objašnjena kasnije.


65

Opšte skale nivoa analognih signala U telekomunikacijama, a zatim i u audiotehnici, usvojeno je nekoliko opšteprihvaćenih skala nivoa signala koje su definisane i u odgovarajućim standardima. To su dve skale nivoa snage, čije su jedinice označene sa dBm i dBW, i dve skale naponskog nivoa označene sa dBu i dBV. U telekomunikacijama se odavno koristi skala nivoa signala čija je jedinica označena sa dBm. To je nivo snage za koji je referentna vrednost Pref = 1 mW. To znači da nivo 0 dBm odgovara vrednosti snage signala od 1 mW. Lako se preračunava da snaga 1 W odgovara nivou od +30 dBm, pri snazi 1 kW nivo je +60 dBm, itd. Skala dBm je ustanovljena kao industrijski standard za merenje nivoa signala još 1940. godine i odražava stanje tehnike toga vremena. Aktivni elementi su u to vreme korišćeni vrlo ekonomično, gde je to zaista neophodno, pa su mnoge funkcije pri obradi signala rešavane pasivnim kolima. Zato je snaga bila relevantan faktor pri svakom prolasku signala, i o njenom očuvanju duž audio sistema vodilo se računa. Otuda je bila i stalna potreba prilagođenja po snazi pri povezivanju uređaja kao i u međusobnim vezama pojedinih sklopova unutar uređaja. Iako je razvojem tehnologije prestala potreba da se u čitavom audio sistemu posmatra snaga kao signal, postoje okolnosti kada je njeno praćenje i merenje ipak nužno. To se, pre svega, odnosi na pojačavače snage i zvučnike u sistemima za ozvučavanje. Nivo snage se danas iskazuje u decibelima na skali čija jedinica ima oznaku dBW. Ona je definisana u odnosu na referentnu vrednosti Pref =1 W, pa zato nivou 0 dBW odgovara snaga 1 W. Jasno je da je ova skala pomerena za 30 dB u odnosu na prvobitnu skalu nivoa snage čija je jedinica dBm. Razvoj poluprovodičkih komponenti učinio je da su aktivni elementi postali dovoljno mali i jeftini, pa je tokom razvoja audiotehnike počela njihova brojnija primena u svim uređajima. To je uslovilo prelazak na primenu naponskog izražavanja signala. Snaga više nije bila predmet interesovanja u analizi toka informacija, pa je prestala potreba za širom upotrebom skale nivoa snage. Kada je svojevremeno ustanovljen dBm kao jedinica nivoa, merenje je tipično vršeno na potrošačima impedanse 600 Oma, kao što je prikazano i na slici 3.6. U takvim okolnostima usvojena referentna snaga 1 mW disipirana na potrošaču otpornosti 600 Oma podrazumeva da je na istom potrošaču efektivna vrednost napona 0,775 V.

Rg

e

600 Oma

Slika 3.6 - Šema uz definiciju dBm

P = 1mW

Prvi mogući pristup u definisanju skale naponskog nivoa zasniva se na preuzimanju vrednosti napona koji se pojavljuje na potrošaču iz definicije skale dBm sa slike 3.6. Tako je usvojena naponska referentna vrednost Vref = 0,775 V kao osnov za definisanje jedne nove naponske skale nivoa signala. Jedinica ove skale označava se dBu ili dBv. Na ovoj skali nivo signala 0 dBu odgovara naponu 0,775 V. Zbog toga se


66

skale dBu i dBm numerički poklapaju ako je vrednost impedanse na kojoj se posmatra signal 600 Oma.

Činjenica da postoje dve oznake za istu skalu, dBu i dBv, ima iste uzroke kao što se u literaturi naporedo koriste dva različita slova za označavanje napona: U i V. Činjenica da su dBu i dBv naponske skale učinila je da se paralelizam u korišćenju slova za označavanje napona preslika i u oznake skale naponskog nivoa signala.

Očigledno je da skale dBu ili dBv predstavljaju sponu sa ranijim vremenima. Danas se za merenje nivoa signala najšire koristi skala naponskih nivoa sa oznakom jedinice dBV, gde je za referentnu vrednost usvojena jedinična vrednost napona Vref = 1 V. Ova skala se danas koristi u mnogim okolnostima kada je potrebno izražavati naponski nivo. Referentna vrednost napona 1 V koristi se i pri definisanju skale izvedenih jedinica, kao što je osetljivost mikrofona i slično. Razlika između skale dBu i dBV je približno 2 dB (tačnije 2,2 dB). Zbog toga je nivo signala koji odgovara 0 dBV jednak +2 dBu, odnosno nivo signala koji odgovara 0 dBu je -2 dBV. Izražavanje dinamike signala jednobrojnom vrednostima U praksi postoji potreba da se dinamički sadržaj signala definiše pogodnim jednobrojnim podacima. Jedan od šire poznatih načina da se nestacionarnost audio signala kvantifikuje jednim brojem je veličina koja se naziva krest faktor. Krest faktor pokazuje premašenja veličine signala u odnosu na njegovu efektivnu vrednost. Po svojoj definiciji, krest faktor C je: C=

maksimalna vršna vrednost efektivna vrednost

(3.2)

U praksi se koristi i njegov logaritamski ekvivalent koji se naziva nivo krest faktora Lc. Definicija nivoa krest faktora je: Lc = 20 log (C)

(3.3)

Zamenom C iz (3.2) u izraz (3.3) može se videti da se nivo krest faktora može protumačiti i kao razlika maksimalnog trenutnog nivoa signala i srednjeg nivoa signala, odnosno broj decibela za koji maksimalna trenutna vrednost iskače iznad srednjeg nivoa signala. Vrednost krest faktora, odnosno njegovog nivoa, kod realnih audio signala se može kretati u relativno širokim granicama. Lako se pokazuje da je krest faktor sinusnog signala 2 , odnosno nivo krest faktora je 3 dB. Kod signala veće dinamike nivo krest faktora može biti 20 dB, pa i više. Zbog činjenice da se u akustici javlja složeni dinamički sadržaji signala, u ovoj oblasti su odavno uvedeni specifični parametri koji nešto detaljnije pokazuju dinamičko ponašanje signala u vremenu. Dobijaju se statističkom analizom nivoa signala, tačnije na osnovu kumulativne raspodele nivoa za posmatrani vremenski interval. Označeni su procentima i označavaju nivo koji signal premašuje u tom procentu vremena.


67

HEVI METAL

ROK MUZIKA

DŽEZ

MUZIKA

ORKESTARSKA

KAMERNA MUZIKA

Za ilustraciju dinamičkih osobina audio signala uzeti su muzičkih uzorci, čije je trajanje 25 s, sa pet muzičkih albuma različitih žanrova štampanih na CD. To su: klasična muzika (kamerni orkestar), klasična muzika (simfonijski orkestar), džez, rok muzika i hevi metal. Nivo signala je definisan relativno u odnosu na maksimalnu vrednost koja se pojavljuje zapisana na CD, pa je najveća moguća vrednost signala 0 dB, a svi ostali nivoi su sa negativnim predznakom. Na čitavom segmentu od 25 s izračunata je efektivna vrednost i njen položaj na skali nivoa signala je označen sa ″eff″. Oznaka na slici ″1%″ označava nivo koji vrednosti muzičkog signala premašuju u periodu 1% vremena trajanja. Isti je smisao ostalih označenih nivoa (10%, 50%, 90%). Sa slike se može zaključiti da statističke osobine signala snačajno zavise od programskog materijala, u ovom slučaju od vrste muzike i načina izvođenja. Najveću dinamiku pokazao je uzorak kamerne muzike, kod koga je efektivna vrednost na uzorku od 25 s čak 35 dB niža od maksimalne vrednosti usnimljenog signala. Ovaj podatak ima značenje nivoa krest faktora. Sa druge strane, muzički uzorak popularnog žanra ″hevi metal″ ima tu razliku oko 21 dB. Sasvim sigurno da se na uzorcima drugih vrsta muzike mogu utvrditi i drugačiji dinamički odnosi. Savremeni muzički pravci, kao što je tehno, imaju još manji dinamički raspon, dok signali nekih dramskih radiofonskih dela mogu imati veći nivo krest faktora od kamerne muzike. Iako je pokazana statistika napravljena uzimanjem samo po jednog relativno kratkog uzorka po muzičkom žanru (samo 25 s), ipak predstavlja dobru ilustraciju složenosti audio signala. Prvo, vidi se da su muzičkim signalima svojstveni lokalni maksimumi koji značajno iskaču iznad izmerene efektivne vrednosti, što se može naslutiti i sa slike 3.2. Drugo, postoje značajne razlike u statističkim osobinama signala prema njihovoj zvučnoj prirodi (u ovom slučaju u pitanju su različiti muzički žanrovi). Najzad, merenje audio signala i dobijanje podatka o njegovoj efektivnoj vrednosti zahteva dodatno tumačenje da bi se sagledalo koliko u pojedinim trenucima njegove vršne vrednosti mogu biti veće.

0

1%

1%

10%

10%

-5

50% 1%

1%

10%

-10

50%

90%

10% 50%

50%

90%

90% -15 1% 10%

90%

-20

eff

-25

-30 90% -35

eff

eff

eff

50%

eff


68

Na primer: L10 je podatak o nivou u decibelima koji označava procenat vremena u posmatranom vremenskom intervalu u kome trenutni nivo premašuje u 10% vremena; L1 pokazuje koliku vrendost nivo premašuje u intervalu 1% vremena, i slično. U analizi akustičkih signala najčešće se primenjuju L10, L50 i L90, ali je na opisani način moguće definisati odgovarajuću vrednost za bilo koji procenat vremena. Jedna moguća ilustracija ovakvog iskazivanja dinamike signala prikazana je u okviru (videti okvir). Istovremeno, prikaz treba shvatiti i kao demonstraciju dinamičkih karakteristika različitih muzičkih signala.

3.4

Specifični standardi za referentne vrednosti

U radu sa audio sistemima postoji stalna potreba da se njihova veličina prati, što znači da se kontroliše pomoću mernih instrumenata i utvrđuje trenutna veličina nivoa u decibelima. Pokazano je da su realni audio signali izrazito nestacionarni i da njihove vršne vrednosti mogu značajno premašivati efektivnu vrednost. Sa druge strane, veličina efektivne vrednosti zavisi od perioda usrednjavanja, pogotovo ako je taj interval mali. U takvoj situaciji apsolutni položaj tačke 0 dB na skali nivoa signala nije samo pitanje izbora referente vrednosti napona ili snage koje se rešava za sebe, već je mnogo kompleksniji problem jer je praćenje, odnosno percepcija veličine signala u realnom vremenu zasnovana na praćenju kretanja efektivne vrednosti u odnosu na neku uočenu referencu. Praktičan značaj skale nivoa signala ogleda se u činjenici da je za pravilan rad audio sistema neophodna precizna usaglašenost sa jedne strane dinamičkih mogućnosti uređaja utvrđenih proizvođačkim specifikacijama, a sa druge signala koji se pojavljuju u sistemu. Naime, realni audio signali imaju izuzetno veliki dinamički opseg, koji je često blizak tehničkim granicama uređaja. Pogotovo uvođenje u audio sisteme digitalnih uređaja u kojima se koristi konverzija sa većim brojem bita (do 24) uvode mogućnost upotrebe izuzetno velikih zahteva u pogledu dinamičkog opsega koji ostali uređaji u lancu prolaska signala moraju da podrže. Zbog toga svaka neusaglašenost dinamičkog opsega uređaja ili medija za zapisivanje signala, sa jedne strane, i veličine signala sa druge, može izazvati deformacije u signalu. Pojava suviše velikih signala može ugrožavati njihov talasni oblik zbog odsecanja vrhova u uređajima koji tako veliki signal ne mogu da prenesu bez promena u talasnom obliku, a suviše mali signali mogu pretrpeti gubitak dela informacija usled ″utapanja″ njihovih najtiših delova u šum. Zato je usaglašavanje veličine signala i dinamičkih mogućnosti audio uređaja kroz ceo audio sistem važan postupak koji zahteva pažljivu analizu i merenja, a merenje se zasniva na primeni neke skale nivoa signala. Takve realne potrebe učinile su da se u audiotehnici, pored opisanih opštih skala nivoa signala, danas u upotrebi i druge skale sa drugačijim referentnim vrednostima napona. Sve one, manje ili više, odstupaju od opštih skala dBu ili dBV jer je položaj 0 dB na skali nivoa signala prilagođavan raznim konkretnim zahtevima audio prakse, specifičnostima pojedinih uređaja, i slično. Razlozi takvom stanju su brojni: istorijsko nasleđe, realno različite tehničke potrebe u različitim okolnostima, specifičnosti nekih audio uređaja, funkcionalna i tehnološka zatvorenost velikih nacionalnih radiodifuznih centara koja je omogućavala nezavisnost od ostalih, itd. Zbog toga se može reći da danas vlada ″šarenilo″ u poziciji usvojenog nivoa 0 dB u raznim audio uređajima i sistemima, a u zavisnosti od tehnoloških koncepcija, starosti uređaja, proizvođača opreme i slično. Razlike se javljaju čak i među različitim radiodifuznim kućama, jer neke od njih imaju svoje interne skale nivoa signala. U okolnostima takve raznolikosti ovde će


69

biti pobrojani samo neke specifične skale nivoa signala koje se najšire koriste u praksi, bez pretenzija da to bude celovit prikaz onoga što se u tom domenu pojavljuje. Standard nivoa ″−10 dB″ Specifičan standard primenjuje se u kućnim, odnosno komercijalnim audio uređajima, i u višekanalnim snimačima. U tom standardu referentna vrednost je usvojena da bude Vref = 0,245 V, što definiše 0 dB na skali nivoa. U tehničkom žargonu ovaj standard se često označava kao ″nivo 300 mV″, što očigledno predstavlja zaokruživanje stvarne vrednosti. Pošto nivo 0 dB ovde odgovara nivou −10 dBu, ova skala se često označava i kao ″standard −10 dB″. U komercijalnim audio uređajima primena ovakve specifične skale je nasleđe prošlosti, kada su kućni uređaji iz nekih razloga bili prilagođeni radu sa takvim nivoima signala. Zbog kompatibilnosti, to jest zbog potrebe da se u sistem mogu vezivati uređaji različite starosti, nivoi kakvi su bili usvojeni u starim uređajima ostali su i danas kao standard. Ovako pomerena skala nivoa za −10 dB u odnosu na opšti standard usvojena je i na višekanalnim snimačima. Kod njih je to bila nužnost zbog pojave sabiranja do koga logično dolazi na kraju u mikseti, na primer, pri pravljenju finalnog snimka iz prethodno formiranog višekanalnog zapisa (″remiks″). Pri sabiranju više signala u jedan, prirodno nastaje relativno povećavanje nivoa rezultantnog signala. Zbog toga je niži nivo signala u ulaznim kanalima neophodan da bi nivo zbirnog signala ostao u gabaritima prihvatljivim za uređaje. Za ilustraciju može se navesti da će rezultantna vrednost zbira 16 jednakih potpuno nekoherentnih signala iz višekanalnog snimača biti za oko 12 dB viša od pojedinačnih vrednosti nivoa u kanalima. Ako se pretpostavi da su nivoi pojedinačnih signala po kanalima 0 dB (re 0,245 V), nivo njihovog zbirnog signala će biti približno 0 dBV. Kada bi pojedinačni signali iz višekanalnog snimačan imali nivoe 0 dBV, rezultantni signal bi nakon sabiranja bio relativno visok za dalju manipulaciju u standardnom audio sistemu.

Standard ″+4 dBu″ U mnogim profesionalnim audio uređajima, a po pravilu u analognim snimačima (magnetofonima), koristi se posebna skala nivoa. Pokazivanje 0 dB na njihovim mernim instrumentima odgovara referentnoj vrednosti napona 1,23 V. To je jednako nivou +4 dBu, odnosno +2 dBV. Standard u digitalnim uređajima U digitalnim uređajima, odnosno pri radu sa A/D konvertorima, ne postoji referentna vrednost u onom smislu u kome je to usvojeno u analognim sistemima. Kod konvertora se uvek usvaja da je referentna vrednost napona, što znači 0 dB na skali nivoa, najveća moguća vrednost signala koji se može prihvatiti, a to je maksimum A/D konvertora. Tako je u digitalnim uređajima 0 dB istovremeno i najveća moguća vrednost koja može bez izobličenja da prođe kroz njih. To je suštinska razlika u odnosu na sistem merenja signala u analognim uređajima kod kojih signal regularno može imati pozitivne


70

vrednosti nivoa, što znači veće od 0 dB. Vrednosti iznad 0 dB u digitalnim sistemima ne postoje, pa ova referentna vrednost ima posebnu oznaku: 0 dB FS. Dodatak ″FS″ je skraćenica od ″full scale″. Zbog limitiranja signala u A/D konvertoru na mnogim digitalnim snimačima postoje posebni svetlosni indikatori koji pokazuju kada vrednost nekog odmerka dostigne maksimalnu vrednost konvertora. Time se skreće pažnja snimatelju, jer ta pojava može biti veoma kratkotrajna. a prouzrokuje nezanemarljiva izobličenja.

Ostali standardi Interesantno je da u nekim nacionalnim radiodifuznim kućama postoje i drugačiji standardi za merenje nivoa signala. Tako se može naći podatak da je u nemačkoj radiodifuziji za 0 dB usvojena referentna vrednost 1,5 V, što odgovara nivou +6 dBu. Kao poseban kuriozitet može se navesti baždarenje skale instrumenata koje se koristi u radiodifuznoj kući BBC, gde se na logaritamskoj skali koriste jedinice nivoa koje nisu u decibelima. Skala je, iako logaritamska, baždarena linearnom podelom od 0 do 7. U novijem periodu postoji stav strukovnih udruženja da skala nivoa dBV (re 1 V) treba da bude opšteprihvaćena. Naravno da je potrebno mnogo vemena da se takva ideja realizuje u praksi, a sigurno je i da će se, uz sve napore, na mnogim mestima zadržati drugačiji principi. Sa druge strane, širenje digitalnih uređaja u praksi istovremeno širi primenu principa merenja u odnosu na 0 dB FS i polako postaje opšti standard. Poređenje različitih skala nivoa signala Nepostojanje jedinstvene skale nivoa audio signala, odnosno pozicije 0 dB, u mnogim okolnostima zahteva veliki oprez u manipulaciji sa signalima, jer postoje okolnosti kada to može stvariti razne tehničke probleme. Posebno u razmeni signala između nezavisnih tehnoloških celina, odnosno nezavisnih audio sistema, moguća su pogrešna tumačenja i neusklađenost.

U okviru jednog izolovanog audio sistema, koji sam za sebe obavlja neku zadatu funkciju, izbor skale za merenje veličine signala nema nikakvog uticaja. Dovoljno je samo da se pri njegovom podešavanju i usaglašavanju vodi računa o veličini signala i mogućnostima uređaja. Na primer, u okviru jednog produkcionog studija pitanje položaja 0 dB nije od presudnog značaja za onoga ko radi ako je osoba koja je povezala uređaje izvršila pravilno podešavanje. Sam izbor referentne vrednosti, odnosno naponska vrednost koja odgovara nivou signala 0 dB, može praktično biti odabrana proizvoljno, bez praktičnih posledica na rezultat usaglašavanja dinamičkih mogućnosti uređaja i veličine signala. Takođe svaka kontrola signala koji prolazi može se prilagoditi usvojenoj skali. Problemi nastaju tek kada se razmenjuje signal između sistema koji imaju različito definisane tačke 0 V.Rešenje ovakvih problema je nađeno u razvijanju posebnih strategija za usaglašavanje nivoa signala pri njihovoj razmeni između različitih tehnoloških celina. Definisani su posebni test signali čiji su nivoi precizno utvrđeni u odnosu na fizičke mogućnosti uređaja u sistemu da bi se davaoc i primalac audio signala mogli međusobno usaglasiti.


71

Da bi se lakše sagledale razlike koje postoje između pojedinih standarda korišćenih za definisanje nivoa signala, na slici 3.7 grafički su uporedno prikazane skale nivoa za neke od njih. To su: skala dBu koja je ovde pokazana kao referenca, zatim standard kućnih uređaja (1), standard digitalnih uređaja (2), standard ″+4 dBu″ u analognim snimačima (3) i skala nivoa u audio kanalu TV kamera Betacam SP firme Sony (4). Sa slike se vidi da pokazivanje na instrumentu ″0 dB″ može da podrazumeva signale veoma različlitih veličina.

dBu

1

3

2

+24

4

0

+20

-10

+10

+22 +20

+10

+30

+18 +16 +14 +12 +10

0

+20

+8 +6 +4

-20

0

-24

-4

-30

-10

-40

-20

+2 0 -2

+10

-10 -13

Slika 3.7 - Upoređenje nekih skala nivoa audio signala sa standardnom skalom dBu: 1 - kućni uređaji; 2 - digitalni snimači; 3 - analogni snimači; 4 - audio kanal na TV kamerama Betacam SP

-4 -6 -8 -10

-20

0

-12 -14 -16 -18

3.5

Modulometri − Instrumenti za merenje efektivne vrednosti audio signala

U audio sistemima postoji stalna potreba da se na neki način prati trenutna veličina audio signala, uprkos njegovoj nestacionarnosti. Sasvim precizna kontrola veličine audio signala u svim njegovim fizičkim dimenzijama moguća je samo van realnog vremena. Tada je pregledanjem signala na ekranu monitora, pretraživanjem po detaljima i izračunavanjem relevantnih parametara moguće u potpunosti sagledati njegove dimenzije i, eventualno, intervenisati prema potrebama. Za te okolnosti postoje softverske rutine koje obavljaju statističku analizu zadatih segmenata signala i, po potrebi, njihovo podešavanje.


72

Neka od karakterističnih podešavanja audio signala koja se softverski rešavaju u off line analizama su: - normalizacija, kada se veličina signala podešava tako da najveći odmerak bude dovoljno blizu ili jednak 0 dB FS; - DC offset, kada se testira eventualno prisustvo jednosmerne komponente u audio signalu i njena vrednost oduzima od signala.

Prikazivanje, odnosno praćenje trenutne veličine signala u realnom vremenu, čak i kada bi se tehnički realizovalo, nema praktičnog značaja jer čovekovo oko ne bi moglo da registruje njegove promene. Zato je kontrola veličine audio signala u realnom vremenu nužno ograničena na praćenje neke kratkovremene efektivne vrednosti. To se ostvaruje pomoću mernog instrumenta koji se naziva modulometar. Osnovna blok šema modulometra prikazana je na slici 3.8. Pošto je audio signal vremenski promenljiva veličina, ovi instrumenti se principijelno ne razlikuju od standardnog voltmetra za naizmenični signal. Svaki modulometar, kao i voltmetar, može se podeliti na tri osnovna bloka. To su: - detektor, - integrator i - pokazivač (indikator).

instrument ulaz

detektor

integrator

Slika 3.8 - Principijelna blok šema modulometra

U takvim okolnostima primena nekog instrumenta za kontrolu audio signala podrazumeva rešavanje dva osnovna problema. To su: - izbor vremenske konstante integracije i - percepcija okom pokazivanja indikatora. Svaki od navedenih problema ima svoje specifičnosti koje se rešavaju na različite načine. U analognoj tehnologiji konstrukcija detektorskog kola, odnosno realizacija njegove kvadratne karakteristike, relativno je složen problem, pa način realizacije ovog kola može uticati na rezultat merenja. Da bi se merenjem dobila efektivna vrednost signala koja odgovara teorijskoj vrednosti, shodno izrazu (3.1), neophodno je da detektor ima precizno formiranu kvadratnu karakteristiku. Izrada detektorskog kola u analognoj tehnologiji koje ima pravilnu kvadratnu karakteristku je tehnički problem koji ima svoja različita manje ili više kvalitetna rešenja. Problem koji nema apsolutno rešenje je kolo integratora, jer izbor njegove vremenske konstante dominantno utiče na ono što će pokazati instrument. S obzirom na navedene vrednosti krest faktora i rezultate statističke analize nekih uzoraka muzičkih signala, jasno je da pri merenju audio signala na instrument povremeno mogu dolaziti vremenski kratkotrajne pojave izrazito visokih vrednosti (udari) ili izrazito niskih vrednosti


73

(pauze). Da bi se registrovalo šta se zaista dešava u signalu, nije svejedno kolika će biti konstanta integraljenja. Na slici 3.8 prikazana je jedna proizvoljna ilustracija uticaja vremenske konstante integratora na pokazivanje instrumenta. Vidi se značajna razlika kada se period usrednjavanja promeni čak samo u odnosu 2:1.

Slika 3.9 - Razlika u pokazivanju instrumenta za jedan segment signala pri različitim vremenskim konstantama integraljenja: gornja kriva je pokazivanje modulometra za vremensku konstantu 5,7 ms, a donja kriva za vremensku konstantu 2,3 ms

Očigledno je neophodno da vreme integracije instrumenta bude unapred poznato onome ko ga koristi, i na izvestan način prilagođeno očekivanim dinamičkim karakteristikama audio signala. To je ono što čini osnovnu razliku između običnog voltmetra, kakav se korsti za razna merenja, i modulometra za merenje audio signala. Istovremeno, prikazani uticaj vremenske konstante integraljenja pokazuje da nema apsolutnog rešenja pri njegovom izboru. Kontrola signala modulometrom podrazumeva praćenje njegovog indikatora čulom vida. Ovo čulo ima svoja ograničenja, pa izbor konstante integraljenja i konstrukcija indikatora u nekim aspektima moraju biti podređeni i zahtevima percepcije ljudskog oka. Na primer, ako se napravi instrument beskrajno male vremenske konstante integraljenja, on će moći da prati čak i veoma kratke pojave u signalu, to jest da registruje i ono što se kratkotrajno javlja. Međutim, brze promene indikatora naviše i naniže mogu ostati slučajno neprimećene zbog nekog trenutnog ometanja osobe koja vrši kontolu. Zato se postavlja načelno pitanje koliko brz otklon na instrumentu čovek može da vidi? Sa druge strane, usporavanje pokazivanja instrumenta velikim vremenskim konstantama integraljenja prilagođava se mogućnosti percepcije oka, ali za takav instrument ostaju nevidljive krakotrajne pojave u signalu. Dakle, postoje dva oprečna zahteva u odnosu na modulometre: što veća brzina otklona da bi se registrovale sve brze promene veličine signala (kratkotrajni ″udari″ u


74

muzici i govoru) i dovoljno mala brzina da bi oko moglo u realnom vremenu da prati šta se dešava u signalu i sagleda promene njegove srednje vrednosti u vremenu. Podešenost vremenske konstante integraljenja je najvažnija karakteristika modulometara, a usvojene dinamičke karakteristike, odnosno usvojena brzina pokazivanja naziva se balistika instrumenta. Rešenja balistike modulometra nisu jednoznačna, već je to vodilo ka formiranju dve različite vrste instrumenata. Njihove osobine su propisane različitim standardima. To su: - VU metar (skraćeno od volume unit) i - merač vršnih vrednosti (″peak″ metar) ili PPM U komercijalnim, odnosno kućnim uređajima za široku potrošnju često se nalaze ugrađeni instrumenti čije je pokazivanje van standarda, sa ne tako precizno definisanim svojstvima. VU metar VU metar je najstariji i najrasprostranjeniji modulometarski instrument, uveden u upotrebu pre više od šezdeset godina. Ime potiče od engleskog naziva ″Volume Unit″. Nastao je u vreme kada je takva konstrukcija bila pasivna (samo detektorsko kolo sa RC kolom kao integratorom i instrument sa kretnim kalemom i kazaljkom), povezivana na kolo u kome je otpornost potrošača podešavana da bude 600 Oma. Kada je signal stacionaran, pokazivanje takvog VU metra odgovara skali dBm. Međutim, kada je signal nestacionaran, pokazivanje instrumenta ne odgovara definciji dBm, jer uvodi u vrednost koju pokazuje i uticaj vremena integracije detektorskog kola. Zbog toga je uveden poseban naziv ″VU″ umesto već postojeće skale dBm. Bilo bi pravilno reći da je to instrument koji meri u ″VU″ jedinicama, i to je onda ″volume″ instrument. Ideja koja je dovela do nastanka ovoga instrumenta bila je da se dobije pokazivanje koje je ekvivalentno subjektivnom doživljaju jačine reprodukovanog zvuka (″Volume″). Zbog to se koristi kao osnovni merni instrument za kontrolu signala u sistemima za ozvučavanje i slične namene. Imajući u vidu činjenice o uticaju dužine signala na subjektivni doživljaj jačine zvuka iz poglavlja 2, usvojeno je da integraciona konstanta instrumenta bude definisana u skladu sa vremenskom integracijom uva. Rad VU metra je precizno utvđen standardom. Najvažnija osobina koja je definisana standardom je njegova balistika, odnosno brzina reagovanja na trenutnu pobudu nekim referentnim signalom konstantne frekvencije i amplitude. Na slici 3.10 prikazana je standardna brzina reagovanja VU metra. Vidi se da je vreme integracije podešeno tako da se 99% otklona instrument postiže za 300 ms, što na izvestan način liči na reakciju čula sluha. Na slici 3.11 prikazano je baždarenje skale VU metra. U vreme kada je VU metar nastao nije bilo tehničkih mogućnosti da se u njega ugradi logaritamski pojačavač. Pošto je baždarenje skale VU metra u logaritamskoj razmeri (u decibelima) a rad sam instrumenta relativno linearan, raspored podeoka duž njegove skale je veoma nelinearan. Referentni podeok 0 dB postavljen je na oko 2/3 pune skale, jer je to zona najpreciznijeg kretanja kazaljke instrumenta sa kretnim kalemom. Kao posledica, dobijena je skala instrumenta na kojoj više od pola opsega zauzima raspon pokazivanja od samo 6 dB. Danas bi se to moglo prevazići logaritamskim pojačavačem, ali je veoma davno usvojen standard učinio da skala VU metra i danas izgleda kao na slici 3.11.


75 99% skretanja posle 300 ms

1 0,7

otklon VU metra

0

-1 0

300

vreme (ms)

600

900

1200

Slika 3.10 - Ilustracija otklona VU metra pri nailasku signala. Označeno je da 99% maksimalnog skretanja dostiže nakon 300 ms.

Slika 3.11 - Izgled skale VU metra.

U izradi skale VU metara ranije je korišćen drugačiji oblik baždarenja, koji je bio u procentima. Procenti se odnose na stepen modulacije predajnika koji je sledio iza tačke kontrole. Ova skala je prikazana na donjoj slici. Takav princip baždarenja nastao je u vreme kada je jedni razlog proizvodnje audio signala bio slanje na predajnik radio stanice. Pokazivanje instrumenta 100% imalo je smisao tačke koju signal ne bi trebao da prelazi. Često se na instrumentima ucrtavaju oba oblika baždarenja, s tim što se jednom daje prednost što podrazumeva krupnije oznake, kao što se vidi i na slici 3.8.


76

U zavisnosti od krest faktora signala koji se meri, pokazivanje VU metra manje ili više podbacuje u odnosu na njegove trenutne vrednosti. Ovakav instrument je, po definiciji, imun na kratkotrajne promene u signalu, i pokazuje nešto što se može shvatiti kao da je blisko njegovoj kratkotrajnoj srednjoj vrednosti (sa usrednjavanjem u periodu od 300 ms). Međutim, to se, samo po sebi, ne smatra negativnom osobinom jer mu pokazivanje relativno dobro odgovara ukupnom doživljaju nivoa zvuka slušaoca na kraju audio sistema. Međutim, ako se audio signal prosleđuje na predajnik ili u A/D konvertor, koji su osetljivi na trenutna premašenja maksimuma napona koga mogu primiti, VU metar neće pokazivati da postoje delovi u signalu koji to premašuju i samim tim neće omogućiti da se izbegne izobličenje koje pri tome nastaje. PPM Postoje tačke u audio sistemima u kojima se mora konrolisati veličina i kratkotrajnih pojava u signalu. Takva potreba oduvek postoji na ulazu u predajnika, radi zaštite modulatora, a obavezna je i ispred svakog A/D konvertora radi sprečavanja premašenja njegovog maksimuma. Jasno je da sa VU metrom takva kontrola nije moguća. Za takve namene služi posebno dizajniran modulometar koji se naziva merač vršnih vrednosti ili kratko PPM. On se ugrađuje na uređajima gde je takvo merenje bitno, ali se izrađuje i kao nezavistan uređaj, sa mogućnošču da se poveže u audio sistem u tački gde je potrebna kontrola. Balistika kod merača vršnih vrednosti, kao i kod VU metra, utvrđuje se podacima o vremenu otklona pri nailasku signala konstantne amplitude. Tako će PPM pokazati otklon −2 dB u odnosu na stvarnu veličinu signala nakon 5 ms, a −1 dB nakon 10 ms trajanja signala. Zahvaljujući tome PPM će sa zanemarljivom greškom (−1 dB) pokazivati i impulsne pojave u signalu čije je trajanje samo 10 ms. Priroda ovog instrumenta nametnula je i poseban oblik skale koji se primenjuje. U tom pogledu nema jedinstvenog stava, već je prisutno nekoliko standarda. Na slici 3.12 prikazani su standardni oblici skale PPM prema standardu IEC i prema standardu Evropske radiodifuzne unije EBU. Uobičajeno je da se njihovo pokazivanje realizuje svetlećim tragovima postavljenim po vertikali. Percepcija pokazivanja modulometara U konstrukciji modulometara jedna od važnih tema jeste i problem vizuelne percepcije njegovog pokazivanja. Naime, kontrola audio signala pomoću modulometra je proces posmatranja instrumenta koji se odvija u realnom vremenu, što znači da u realnom vremenu treba registrovati šta on pokazuje. Kod VU metra njegova brzina reagovanja je takva da čulo vida nema problem pri praćenju kretanja indikatora. Međutim, kretanje indikatora PPM je zbog malog vremena integraljenja izvan mogućnosti percepcije. Zbog toga je u PPM učinjen tehnički ustupak oku uvođenjem usporenog povratka indikatora. Vreme reagovanja ovog instrumenta je veoma kratko, ali je u njima uvedena posebna, nezavisna vremenska konstanta vraćanja pokazivača indikatora. Povratak pokazivača od punog otklona na nulu je relativno spor. Ta vrednost nije uvek precizirana standardom, ali je njen red veličine 2-3 s (na primer, prema standardu EBU vreme povratka od maksimuma do minimuma skale je 2,8±0,3 s). Ovakvom konstrukcijom indikatora, sa nejednakom brzinom reagovanja u dva smera pokazivanja, učinjen je ustupak ograničenjima u percepciji oka. U savremenim rešenjima instrumenata,


77

zahvaljujući digitalnim kolima i indikatorima sa svetlećim diodama, primenjuje se i sistem zadržavanja pokazivanja dostignutog maksimuma u trajanju od nekoliki sekundi.

Slika 3.12 – Izgled skale merača vršnih vrednosti: levo - po IEC standaru, desno – po EBU standardu.

Problem percepcije stanja nekog audio uređaja ili sistema uređaja ljudskim okom u realnom vremenu pitanje je koje nije povezano samo sa modulometrima, već se projektuje i na problematiku dizajniranja audio uređaja u celini. Danas većina audio uređaja po svojoj unutrašnjoj strukturi praktično predstavlja računar, odnosno namenski procesori za obradu signala. Prirodni način upravljanja takvih uređaja je kroz softverski sistem sa menijima koji je hijerarhijski podeljen. Međutim, softverski pristup upravljanju preko menija neprimenjiv je kada se zahtevaju brze promene stanja audio sistema i intervencije na signalu u realnom vremenu. Brzina percepcije je nešto što je u određenim situacijama jako važno. Ako se upravlja audio sistemom na nekom koncertu ili u pozorištu tokom predstave, sve se dešava veoma brzo i u pojedinim situacijama potrebno je najbrže moguće shvatiti kakvo je stanje sistema i tome prilagodi reakciju. Postoje okolnosti kada se u upravljanju audio sistemom zahteva čovekova brzina reakcije koja se meri delovima sekunde. Analogni uređaji za kontrolu svih njihovih funkcija imaju potenciometre, tastere i preklopnike. Svako dugme potenciometra je jedan analogni pokazivač njegovog stanja, a sa analognim pokazivačima vizuelna percepcija je veoma brza. Suština takvih komandi je da se jednim pogledom na veći broj regulatora može konstatovati u kom su oni stanju. Zbog takve osobine analognog pokazivanja u audiotehnici se javlja specifičan zahtev da se digitalni uređaji u svom interfejsu prema korisniku prilagođavaju tako da imaju formu analognog uređaja. Razlog tome je, pre svega, moguća brzina rada. Tako se danas javlja naizgled apsurdna situacija da se pojavljuju digitalni uređaji čiji sistem upravljanja ujednom delu kopira analogne uređaje, bez obzira šta se krije iza takvih komandi. To je, na primer, slučaj sa miksetama za koncertne aplikacije.


78

Ono što čini VU metar i PPM, to su njihove vremenske konstantne propisane standardima, što nije vezano za način prikazivanja, pa se oni teorijski mogu napraviti sa digitalnim numeričkim indikatorom. Međutim, kada se kontrola vrši u realnom vremenu, onda je digitalni indikator neupotrebljiv, jer ima konačan broj različitih pokazivanja u jedinici vremena koje oko može registrovati. Očigledno je da analogno pokazivanje predstavlja ono što oko može veoma brzo da percepira. Bez obzira da li je u pitanju kazaljka ili niz svetlećih dioda koje formiraju svetleći stub (što je danas uobičajeno) u pitanju je analogno pokazivanje, jer je skretanje pokazivača na instrumentu analogno veličini efektivne vrednosti audio signala. Numerički displej može imati neke druge funkcije, ali nikada za kontinualno pokazivanje efektivne vrednosti signala.

3.6

Nivo šuma u sistemu kao donji prag dinamičkog opsega signala

Donji prag dinamičkog opsega u jednom audio sistemu određen je nivoom šuma. Šum je prirodna, fizička pojava i u analognim uređajima to je dobro poznati termički šum, a u digitalnim sistemima to je šum kvantizacije. Svaki analogni uređaj i svaki A/D konvertor ugrađeni u audio sistem doprinose nivou šuma na njegovom izlazu. Ovi signali se sabiraju duž sistema i na izlazu se javlja njihov energetski zbir. Naravno, svi uređaji nisu isti u pogledu šuma koji se u njima javlja, pa postoje karakteristični elementi u audio sistemima u kojima je šum koji nastaje veći po amplitudama nego u drugim. Termički šum U svakom električnom kolu, odnosno u svakoj otpornosti kroz koju protiče struja javlja se termički šum. Efektivna vrednost elektromotorne sile tako nastalog šuma EN je:

E N = 4 k T R ∆f gde je

(3.4)

k - Bolcmanova konstanta, čija je vrednost 1,38⋅10-23 J/K T - apsolutna temperatura, u proračunima se zaokružuje na 290 oK (17 oC) R - otpornost u kolu ∆f - frekvencijski opseg u kome se posmatra pojava šuma.

Svaki spoj dva audio uređaja podrazumeva formiranje ekvivalentnog kola čija je šema prikazana na slici 3.13. Osim generatora korisnog signala, u kolu se javlja i generator termičkog šuma elektromotorne sile eN. Veličina ove elektromotorne sile je funkcija otpronosti u kolu, shodno izrazu (3.4). Za načelno rešavanje problema povezivanja uređaja značajno je poznavati realne veličine termičkog šuma. Uobičajeno je da se termički šum u audiotehnici predstavlja svojim nivoom N koji se izražava u dBV. Usvajajući jediničnu vrednost otpornosti u kolu (1 Om) i jedinični frekvencijski opseg (1 Hz), dobija se da je ″jedinični″ nivo signala termičkog šuma: N11 = -198 dBV (re 1 Om, 1 Hz)

(3.5)


79

Rg e Rp

Slika 3.13 - Ekvivalentno kolo veze dva audio uređaja

eN

To je vrednost nivoa šuma po jednom Omu otpornosti i jednom Hercu frekvencijskog opsega. Polazeći od izraza (3.4) dobija se da je u bilo kom drugom, realnom slučaju nivo termičkog šuma:

N [dBV ] = −198 + 10 log(∆f ) + 10 log R

(3.6)

Drugi član ovog izraza pokazuje doprinos širine frekvencijskog opsega, a treći je doprinos otpornosti u kolu. Pri standardnom frekvencijskom opsegu širine 20 kHz drugi član gornjeg izraza ima vrednost

10 log(∆f) = 10 log(∆f) = 43 dB

(3.7)

Jasno je da svako sužavanje frekvencijskog opsega utiče na smanjenje nivoa signala termičkog šuma. Ovo je jedan od razloga zašto u praksi bez objektivne potrebe ne treba širiti frekvencijski opseg. Svako širenje ∆f preko realno potrebne gornje granice frekvencijske sadržine signala koji se prenosi ne doprinosi prolasku korisnog signala, a povećava nivo šuma. Prema tome, u opštem slučaju nivo termičkog šuma po jednom Omu ukupne otpornosti u audio kolu je oko −155 dBV. Realni nivo šuma u konkretnom slučaju dobija se uvećanjem ove vrednosti za doprinos otpornosti u kolu. Ako je ta otpornost oko 1.000 Oma, što je realna vrednost u mnogim slučajevima, treći član u izrazu (3.6) je 30 dB i termički šum ima nivo oko −125 dBV. Ova vrednost u audio sistemima sa najvišim zahtevima nije zanemarljiva i predstavlja jedan od značajnih ograničavajućih faktora. Nivo šuma određuje donju granicu dinamičkog opsega, pa mogući uticaj termičkog šuma na informacioni sadržaj koji se prenosi kroz audio sistem zavisi od veličine signala. Objektivni uticaj šuma može se očekivati, pre svega, na mestima gde se javljaju signali niskog, mikrofonskog nivoa. U okolnostima kada se pretenduje da se očuva veoma velika dinamika signala, nivo šuma lako može upasti u koristan dinamički opseg. Jedan aspekt ovoga problema detaljnije je opisan u temi 5 o upotrebi mikrofona. Šum kvantizacije U procesu konverzije nastaje greška koja se javlja pri diskretizaciji analognog signala po amplitudama. Ta greška je posledica stepenastog oblika prenosne karakteristike kvantizera koja je prikazana na slici 3.14. Sa ovako definisanom prenosnom karakteristikom, kvantizacijom nekog analognog signala x(t) dobija se diskretni signal koji se može definisati kao: x$ (t ) = Q {x (t )} = x (t ) + eQ [ x ( t )]

(3.8)


80

IZLAZ 5 4 3 2 1

ULAZ

0 -5

-4

-3

-2

-1

-1

0

1

2

3

4

5

Slika 3.14 - Prenosna karakteristika kvantizera

-2 -3 -4 -5

Ovde je xˆ (t ) kvantovani signal, a oznaka Q(x) predstavlja proces kvantizacije. Vidi se da se kvantovani signal sastoji od dve komponente: originalnog signala x(t) i signala greške kvantovanja eQ[x(t)]. Može se reći da je signal greške kvantovanja definisan razlikom između prenosne karakteristike kvantizera i idealne prenosne karakteristike (izvučene isprekidanom linijom). Ova razlika je prikazana dijagramom na slici 3.15. GREŠKA 1

ULAZ

0 -2

-1

0

1

2

Slika 3.15 - Dijagram veličine greške kvantovanja u funkciji veličine ulaznog signala (karakteristika se u istoj formi produžava levo i desno do maksimalne i minimalne vrednosti ulaznog signala. Ose su baždarene u kvantnim nivoima.

-1

Pitanje od velikog značaja za primenu audio sistema jesu perceptualne karakteristike signala greške. Iz oblika karakteristike sa slike 3.15 koja definiše veličinu


81

greške može se zaključiti da će statističke osobine signala greške zavise od statističkih osobina amplitude ulaznog analognog signala. Osnovna teorija diskretizacije signala daje definiciju nivoa šuma kvantizacije za slučaj kada se signal velike amplitude i širokog spektra. U takvom slučaju ovaj signal ima odlike šuma, pa se signal greške naziva i šum kvantizacije, a njegov nivo u odnosu na maksimum signala je:

N[dB] = − (6 b + 2)

(3.8)

gde je b broj bita sa kojim se vrši kvantizacija. Lako se izračuvava da je teorijski maksimalni odnos signal/kvantizacioni šum pri konverziji sa 16 bita oko 98 dB, a pri konverziji sa 24 bita oko 144 dB. Ovo su samo teorijske vrednosti, jer mogi faktori ne dozvoljavaju ostvarivanje tolike dinamike signala u sistemu. Izraz (3.8) u praksi treba smatrati približnim zbog niza praktičnih problema. Kada se govori o greškama u procesu kvantizacije ne razmatra se najdrastičnija greška koja se može javiti.To je zasićenje kvantizera, to jest premašenje njegovog gornjeg praga ulaznim signalom. U takvim slučajevima veličina greške naglo i monotono raste, pa izraz (3.8) ne važi. Pojava zasićenja kvantizera predstavlja grubu grešku u manipulaciji sistemom. Postoje tehnički razlozi zašto se ne može u praksi dobiti dinamički opseg definisan teorijski izrazom (3.8). Međutim mnogo je značajniji uticaj korisničkih, praktičnih razloga. Na primer, pri snimanju siganala mora se sve svesno odreći maksimuma sa gornje strane dinamičkog opsega zbog problema koji su objašnjeni u poglavlju o hedrumu. Takođe se u praksi mora odreći maksimuma dinamičkog ospega i sa donje strane zbog razloga koi su objačnjeni u nastavku (granulacioni šum). Pri snimanjima u 16 bitnoj konverziji, koja je inače dovoljna za krajnjeg korisnika i proizvode za tržište, sa ograničenjma koja se nameću sa gornje i donje strane teorijskog dinamičkog opsega prema izrazu (3.8), ono što preostane nije mnogo bolje od dinamičkog opsega koji pruža profesinalni analogni snimač. Zbog toga je u procesu snimanja i pripremanja signala potreban veći dinamički opseg, odnosno rad sa većim brojem bita od 16. To je samo stvar tehnologije i mogućnosti da se napravi dovoljno brz konvertor sa dovoljnom rezolucijom i sa dovoljni kvalitetom (preciznošću). U studijskim uslovima danas se radi sa najmanje 20 bitnom konverzijom (to je 122 dB opsega), a konverzija sa 24 bita je postala standard. Za krajnjeg korisnika to će uvek biti svedeno na 16-bitnu dinamiku i upakovano na CD. Pokazane osobine signala greške su teorijske, jer se podrazumevalo da je kvantizer po svojoj konstrukciji idealan, to jest sa potpuno uniformnim kvantizacionim nivoima, kao što je prikazan na slikama 3.14 i 3.15. U praksi to nije baš sasvim zadovoljeno, jer se neminovno javljaju manja ili po nekad i veća odstupanja od idealne karakteristike kvantizera, što je posledica konačne preciznosti tehnologije proizvodnje čipova A/D konvertora. Izvesna tolerancija u izradi uvek postoji. Kao rezultat toga, kvantizer je, osim kvantizacionog šuma, uzrok određenih stohastičkih nepravilnosti koje predstavljaju dodatnu grešku u signalu. Zato kvantovani signal uvek sadrži i grešku drugog reda, pa se može pisati da je:

x$ (t ) = x (t ) + eQ [ x (t )] + e2 [ x (t )]

(3.9)

gde je eQ idelani signal greške, a e2 dodatni signal greške koji se javlja usled nesavršenosti kvantizera, odnosno odstupanja u tačnosti kvantnih nivoa. Dodatni signal greške nije moguće modelovati jer veličina odstupanja kvantnih nivoa od idealnih se ne može predvideti. Njen uticaj na ulazni signal zavisi i od rasporeda neidealnosti duž lestvice kvantizera, što čak i kod istih modela konvertora zavisi od


82

primerka do primerka. Može se jedino sa sigurnošću reći da je veličina dodatne greške direktno srazmetna ceni A/D onvertora. Priroda signala greške Periodična struktura dijagrama koji definiše veličinu greške u funkciji amplitude ulaznog signala (slika 3.15) prouzrokuje kao posledicu da šum kvantizacije može imati stohastičku prirodu samo pod posebnim okolnostima: kada je ulazni signal širokog spektra i velike amplitude. Međutim, kada je ulazni signal male amplitude, ili kada je po svom frekvencijskom sadržaju uskopojasan, tada greška kvantizacije dobija oblike determinističkog signala. Na slici 3.15 se vidi da je greška definisana testerastom funkcijom nivoa signala. Razvijajući taj oblik u beskonačan Furijeov red, ista funkcija se može predstaviti izrazom: ∞

e (x ) = ∑ (−1) n n =1

sin (2 n π x ) nπ

(3.10)

Na osnovu ovako definisane funkcije može se napisati izraz koji određuje opšti oblik signala nakon kvantizacije ulaznog signala x(t): ∞

x$ (t ) = x (t ) + ∑ (−1) n n =1

sin [ 2 nπ x (t )] nπ

(3.11)

Vidi se da signal greške u svojoj teorijskoj osnovi ima determinističku prirodu. Koristeći gornji izraz mogu se u opštem slučaju utvrditi statističke osobine signala greške (vidi okvir). Pojava da signala greške nema uvek stohatičke osobine već po svojoj prirodi može predstavljati deterministički signal (u nekim slučajevima čak poprima prirodu harmonijskog izobličenja) ima posebno značajne efekte sa aspekta percepcije. Naime, pojava harmonika u procesu kvantizacije javlja se iza ulaznog filtra za spektralno ograničavanje ulaznog signala. Zbog toga se svi harmonici koji se nalaze iznad granične frekvencije aliasiraju i pojavljuju na neharmonijskim frekvencijama. Tako nastala neharmonijska struktura diskretnih spektralnih komponenti onemogućava maskiranje i lakše se percepira na izlazu iz sistema. Šum kvantizacije pri niskim nivoima signala - granulacioni šum Kada se ulazni signal po svojoj veličini primakne najnižim kvantnim nivoima, greška kvantizacije dobija specifične oblike. U slučaju da je signal još i uskog spektra, u najgorem slučaju sinusoidalni, zavisnost amplituda harmonika u signalu greške od veličine ulaznog signala ima posebne subjektivne posledice koje slušalac može da percepira. Kao ilustracija, na slici 3.16 prikazana je promena osnovnih harmonika signala greške kada se nivo ulaznog signala snižava u poblasti veličina koje se nalaze u najnižih 100 kvantnih nivoa. Sa slike 3.16 se vidi da postoji velika zavisnost amplitude harmonika greške An od amplitude signala V. Vidi se i da pri pojavi malih sinusoidalnih signala promenljive amplitude, harmonijske komponente u signalu greške se značajno menjaju sa promenom veličine ulaznog signala. Kao detaljnije ilustracija pojave sa slike može se navesti da povećanje amplitude ulaznog signala za pola kvantnog nivoa menja nivoe nižih


83

harmonika greške za oko 10 dB u odnosu na stanje kada je nivo na celim kvantnim nivoima. Takve promene čine da se greška kvantizacije subjektivno doživljava kao neprijatan zvuk koji liči na “drljanje“, i naziva se granilacioni šum. To više nije benigna pojava, već skreće pažnju. Zato se preuzimaju posebne intervencije u A/D konvertorima da se ova pojava minimizira i učini nečujnom (proces diterovanja objašnjen u narednim temama).

Na osnovu analitičke predstave greške kvantovanja prikazane izrazom (3.11) moguće je detaljnije prikazati strukturu tog signala u ekstremnom slučaju kada se na ulazu kvantizera pojavi sinusni signal. Ako je ulazni signal sinusoida amplitude V i frekvencije ω, onda je signal nakon kvantizacije: ∞

xˆ (t ) = V sin(ωt ) + ∑ (−1) n n =1

sin [2nπ V sin(ωt )] nπ

Sređivanjem ovoga izraza dobija se:

x$ (t ) = V sin (ω t ) +

∞

∑A

n

sin (nω t )

n =1

gde je n uzima samo neparne vrednosti. Koeficijent An sadrži Beselovu funkciju prve vrste n-tog reda, a predstavlja funkciju amplitude V. Što je amplituda veća, vrednost konstante je manja. Vidi se da signal greške pri kvantovanju sinusnog signala ima harmonijsku strukturu sa neparnim harmonicima, uključujući i komponentu na osnovnoj frekvenciji. Signal greške u ovakvom slučaju se manifestuje kao harmonijsko izobličenje. Jasno je da njegovo modelovanje belim šumom ovde nije primenjivo. Za druge oblike ulaznih signala analitički pristup u nalaženju signala greške nije tako jednostavan. U literaturi je analitički opisan i slučaj signala sa više sinusoida raznih vrekvencija. Tada signal greške sadrži komponente na svim zastupljenim frekvencijama i njihovim harmonicima, kao i na intermodulacionim produktima, tj na frekvencijama zbirova i razlika ulaznih frekvencija. Prema tome, signal greške i za ulazni signal koji sadrži više sinusoida još uvek je deterministički, ali sa znatno složenijim spektrom čije je komponente teže izračunati. Taj slučaj odgovara signalima tonova koje sviraju muzički istrumenti.

Slika 3.16 – Promena prvih harmonika signala greške pri smanjenju nivoa ulaznog sinusoidalnog signala: A – nivo ulaznog signala, B – nivo osnovnog harmonika, C, D, E – nivoi prva tri harmonika u signalu greške.


3.7

84

Principi podešavanja nivoa audio signala - hedrum

Podešavanje nivoa signala u audio sistemu svodi se na to da signal, načelno, treba da bude što veći kako bi se maksimalno zaštitio od uticaja smetnji i izdigao iznad nivoa šuma koji uvek postoji u sistemu. Istovremeno, veličina signala ni jednog trenutka ne sme da premašuje maksimalnu vrednost koju elektronska kola uređaja ili A/D konvertori mogu da prihvate. Dakle, uvek postoji neki maksimum veličine amlitude koji je utvrđen kao apsolutni limit u sistemu. U precesu podešavanja veličine signala smisao postojanja referentne tačke na skali nivoa, označene sa 0 dB, jeste da se olakša praćenje stanja efektivne vrednosti pomoću modulometra i njegovo podešavanje. Kontrola veličine signala u realnom vremenu praktično se svodi na održavanje njegove efektivne vrednosti u zadatom odnosu prema 0 dB kao prepoznatljivoj referentnoj tački na skali instrumenta. Procedure za to podešavanje zavise i od statističkih osobina amplituda očekivanih audio signala i principa rada instrumenata kojim se vrši merenje nivoa. Pojam hedruma u analognim uređajima U procesu podešavanja nivoa signala uvek se postavlja pitanje koliko je dozvoljeno da njegova amplituda u pojedinim trenucima premašuje usvojenu referentnu vrednost 0 dB. Odgovor na ovo pitanje nije jednoznačan, već zavisi od uređaja, odnosno od načina na koji su rešeni pojedini sklopovi. U analognim uređajima to zavisi pre svega od veličine njihovog jednosmernog napona napajanja. Maksimalna dopuštena vrednost signala je negde neposredno ispod te vrednosti. Tako svaki audio uređaj ima neki nivo signala preko koga više ne može da prihvati signal i kada počinje da odseca (klipuje) vrhove talasnog oblika. Pojava odsecanja, naravno, podrazumeva nastanak ozbiljnog izobličenja signala. Razlika u decibelima na skali nivoa signala od usvojene referentne vrednosti 0 dB do tačke na kojoj nastaje klipovanje naziva se hedrum (headroom). Tako definisan prostor se može shvatiti kao rezerva unutar koje signal može da se prostire na skali nivoa bez povećanih izobličenja. U savremenim analognim audio uređajima večičina hedruma je uobičajeno oko dvadesetak decibela, a najčešće oko 24 dB, kako je označeno na skali dBu sa slike 3.7. U prospektnoj dokumentaciji audio uređaja, pogotovo za miksete, mora biti naveden podatak o veličini hedruma. Na taj način referentna vrednost 0 dB i veličina hedruma zajedno određuju gornju granicu dinamičkog raspona, odnosno maksimalne vrednosti signala koje mogu proći kroz audio sistem sa nekim nominalnim izobličenjima. Raspoloživi dinamički opseg signala Na osnovu definisanog pojma hedruma moguće je utvrditi raspoloživi dinamički opseg audio sistema u okviru koga se može kretati veličina signala. Ovaj opseg je grafički ilustrovan na slici 3.17. Vidi se da su granice određene nivoom šuma sistema, sa donje strane, i maksimalnim nivoom kada počinje odsecanje talasnih oblika, sa gornje strane. Nivo šuma u sistemu je rezultanta delovanja svih generatora termičkog šuma i svih izvora kvantizacionih šumova.


85

maksimalni nivo (nivo klipovanja)

referentna vrednost (0 dB ili usvojena)

Slika 3.17 - Šematski prikaz ukupnog raspoloživog dinamičkog opsega audio signala

nivo suma

Pojam hedruma u digitalnim uređajima U digitalnim sistemima na skali nivoa signala tačka 0 dB FS je postavljena na apsolutnom maksimumu amplitude koju sistem može prihvatiti bez klipovanja, kao što se vidi na slici 3.7. Zbog toga je u digitalnom domenu referentna vrednost ″0 dB″ nedodirljiva tačka iznad koje ne može postojati signal, i svako premašenje samo znači drastično izobličenje signala, dok kod analognih uređaja uvek postoje dopuštene vrednosti nivoa signala i iznad usvojene referentne vrednosti 0 dB. Zato se pri praćenju nivoa signala na instrumentima digitalnih uređaja mora primeniti potpuno drugačija filozofija od one koja je uobičajena pri merenju u analognom domenu. Korisnik u digitalnim delovima audio sistema mora sam da odredi koliki će biti hedrum tako što će pre početka rada, a u zavisnosti od očekivanih statističkih osobina signala, definisati gde će na njegovoj skali nivoa signala biti proglašena ″uslovna″ referentna vrednost (logički ekvivalentna 0 dB kod analognih uređaja) koja važi u ostatku audio sistema. Obično se usvaja da hedrum bude oko 20 dB, ali to zavisi od vrste signala. To znači da se pri posmatranju signala na skali modulometra teži da pokazivanje bude na oko 20 dB ispod maksimuma skale. Za neke vrste zvučnih signala, u okolnostima kada se radi sa manje dinamičnim zvučnim pojavama, mogu se naći preporuke da pri snimanju na digitalni medij treba ostavljati hedrum 18 dB, 16 dB ili čak samo 14 dB.

3.8

Kontrola audio signala slušanjem – monitoring

Upotreba modulometara u kontroli signala može da pruži saznanje samo o njihovom nivou, sa kraćim ili dužim usrednjavanjem. Kompleksan kvalitet audio signala može se sagledati samo slušanjem, posebno u domenu prostornih dimenzija zvučne


86

slike. Zbog toga čulo sluha postaje najznačajniji kontolni mehanizam u audio sistemima. Kontrola zvučne slike slušanjem naziva se monitoring. Prostorija u kojoj se vrši slušanje naziva se audio režija, a deo prostora u njoj gde se postavljaju monitorski zvučnici ispred kojih se nalazi osoba koja sluša naziva se zona monitoringa. Proces kontrole slušanjem može imati više različitih kvalitativnih nivoa, u zavisnosti od konkretnih zahteva za kvalitetom i složenošću zvučne slike. Pri tome se mogu prepoznati dve moguće krajnosti. Prva se javlja u okolnostima kada se slušanjem samo proverava prisustvo signala i da li se u tom signalu javlja neko ozbiljnije izobličenje. Ovakav pristup monitoringu najčešće se sreće u emitovanju radio i TV programa. Osoba koja radi na emitovanju programa ne kreira zvučnu sliku, jer se najveći deo vremena emituju gotovi snimci. Izuzetak je samo kada se uključuju spikeri iz studija, ali je to relativno jednostavan snimateljski zadatak. Drugi nivo u monitoringu slušanjem podrazumeva kreiranje zvučne slike, pri čemu se određuju prostorne dimenzije i podešavaju sve finese kvaliteta zvuka. Ovaj oblik monitoringa se odvija u produkcionim studijima gde se proizvode muzički snimci, zvučna slika za film itd. Monitorski zvučnici Zvučnici koji se primenjuju za monitoring slušanjem predstavljaju jednu posebnu kategoriju koja se naziva monitorski zvučnici. Činjenica je da su monitorski zvučnici uvek najkvalitetniji u gami raznih vrsta zvučničkih sistema koji postoje na tržištu. Ono što se od njih očekuje jeste da njihov impulsni odziv bude što bliže idealnom. Tako stroge zahteve reprodukcije prati i jedno pojednostavljenje u odnosu na neke druge primene zvučnika. Za razliku od zvučničkih sistema koji se primenjuju u ozvučavanju, potencijalni slušalac monitorskih zvučnika može biti samo u jednoj uskoj zoni oko njihove ose. Zato se od njih očekuje da samo u jednoj uskoj zoni oko svoje ose zračenja naprave maksimalno mogući kvalitet zvuka. U monitoringu signala postoji potreba da se, između ostalog, povremeno oceni i kako će krajnji slušalac da čuje pripremljeni signal. Naime, kada se pravi audio snimak za tržište ne sme se izgubiti iz vida u kakvim uslovima će to biti slušano. Zbog toga se u produkcionim režijama, osim najkvalitetnijih monitorskih zvučnika, dodaju i druge vrste zvučnika za monitoring čiji je kvalitet niži. Uobičajeno se koristi jedan dodatni par zvučnika koji svojim karakteristikama treba da liče na prosečne kućne HI-FI zvučnike. U nekim studijima koji neguju muzičke proizvode za najšire tržište, dakle sa nezahtevnom muzikom, često i nema visokokvalitetnih monitorskih zvučnika, već samo ovi drugi. Najzad, u mnogim studijima koriste se i posebno konstruisani mali zvučnici suženog frekvencijskog opsega koji treba da simuliraju prosečne uslove slušanja na malim radio prijemnicima i kasetofonima.

Kvalitetni uslovi slušanja, kakvi po definiciji postoje u studijskim uslovima, često daju sasvim drugačiji utisak od onoga što se dobija kod krajnjeg korisnika. Svaki snimak, kada ga kućni uređaj ″sreže″ svojim tehničkim ograničenjima, može izgubiti neke svoje bitne zvučne sadržaje. Zato neki snimatelji vrše finalnu kontrolu snimaka za tržište tako što presnime delo na običnu audio kasetu i zatim to preslušavaju na jeftinom prenosnom kasetofonu. U pitanju je veoma suženi frekvencijski i dinamički opseg, a muzički sadržaj za tržište u dobro napravljenom snimku treba da bude dovoljno bogat i u takvim uslovima reprodukcije.


87

Akustičko okruženje kao faktor u monitoringu Monitoring slušanjem uvodi kao temu uticaj akustičkog okruženja u kome se vrši kontrola kvaliteta signala. U tom pogledu postoji razlika između dva navedena moguća nivoa kontrole. U prvom slučaju, kada se kontroliše samo prisustvo signala i njegova izobličenja, akustičko okruženje nije preterano kritično. U prostorji gde se vrši takav nivo monitoringa (radio, TV stanica) potrebno je da onaj koji sluša reprodukovan signal, odnosno realizator programa, bude unutar kritičnog rastojanja od zvučnika. To se postiže akustičkom obradom prostorije tako da vreme reverberacije u njoj bude dovoljno malo. Smanjivanjem vremena reverberacije prostorije povećava se kritično rastojanje do mere da se tačka gde sedi snimatelj nađe unutar kritičnog rastojanja. U prostoriji gde se vrši monitoring stereo zvučne slike ili složenojih prostornih formata, smeštanje slušaoca unutar kritičnog rastojanja gde dominira direktan zvuk iz zvučnika nije dovoljan preduslov. Treba imati u vidu da je stereo signal napravljen tako što se levi i desni kanal razlikuju po nivoima ili su pomereni u vremenu (videti temu 6). Da bi se stvorila iluzija prostora potrebno je da samo po jedan signal iz svakog zvučnika stiže na oba uva, a difrakcija na glavi i interauralno kašnjenje utiču na stvaranje razlika koje se pri tome javljaju na levom i desnom uvu. Pri slušanju u prostoriji, osim direktnog zvuka iz monitorskih zvučnika uvek postoje neke refleksije koje brzo nakon direktnog zvuka takođe stižu do slušaoca. Njihov vremenski pomak je mali u odnosu na direktan zvuk (na primer refleksije od bočnog ili zadnjeg zida iza zvučnika). Ako se dopusti pojava takvih brzih refleksija, višestruki signali stižu u čulo sluha slušaoca sa malim zakašnjenjem, ali sa približno iste strane odakle, inače, dolazi direktan zvuk. Tako se u moždanom centru stiču informacije suprotnog smisla, sa intenzitetnim razlikama i sa kašnjenjem. Kao rezultat, nastaje konfuzija a rezultat te konfuzije je pojava da u stereo slici ne postoji više precizan položaj izvora i gubi se prostorna preciznost zvučne slike. Istovremeno, fizička superponiranja u uvu direktnog talasa iz zvučnika i brzih refleksija stvaraju komb filtre koji u izvesnoj meri menjaju spektralni sadržaj zvuka koga prima slušalac. Prema tome, ako je u procesu monitoringa potrebno kontrolisati stereo zvučnu sliku, nije dovoljno što je vreme reverberacije prostorije u kojoj se sluša dovoljno malo. To samo znači da je u prostoriju uneto dovoljno apsorpcije, ali ostaje pitanje njenog rasporeda. Monitoring stereo zvučne slike zahteva jedan korak dalje u akustičkom dizajnu prostorije, pre svega sa intervencijama koje će kontrolisati pojavu brzih refleksija od površina koje neposredno okružuju zvučnike. Postoji empirijski uspostavljen kriterijum za akustički dizajn prostorija za monitoring prema kome sve refleksije koje stižu u prvih 15 ms nakon direktnog zvuka iz zvučnika moraju biti potisnute u odnosu na taj direktan zvuk za više od 15 dB (nešto strožiji kriterijum zahteva da se u prvih 20 ms potisnu refleksije za više od 20 dB). O načinima kako se postiže adekvatan impulsni odziv akustičkog okruženja za kvalitetan monitoring više je rečeno u temi 12.

3.9

Kompresija audio signala

Digitalni oblik audio signala otvara mogućnost za razne transformacije. Najvažnija među njima je kompresija podataka, koja kao rezultat daje smanjenje količine podataka kojim je signal predstavljen. Pokazalo se da zvučni signali sa aspekta onoga što ljudsko uvo može da percepira sadrže izvesnu redundansu. Uklanjanje na odgovarajući način te


88

redundanse u podacima daje rezultat koji pod određenim uslovima može biti perceptivno nečujan. Algoritmi koji vrše takvu kompresiju zasnivaju se na poznavanju mehanizma procesa slušanja i prilagođavanja količine informacija kojom se signal reprezentuje njegovim mogućnostima. To rade takozvani perceptivni koderi. Princip njihovog rada prikazan je šematski na slici 3.18. Ulazni signal se spektralno analizira bankom filtara koji su po svojoj strukturi izvedeni iz perceptivne rezolucije uva po frekvencijama. Istovremeno signal se analizira u pogledu čujnosti njegovih komponenti. U tom bloku se određuju dve značajne činjenice za svaki frekvencijski opseg: - koji zvučni sadržaji nisu čujni zbog efekta maskiranja is susednih opsega i - koliki je maksimalni dozvoljeni nivo šuma kvantizacije a da on bude perceptivno nečujan. Kvantizacija i kodovanje se vrše samo sa onim komponentama signala koje se u složenoj slici mogu čuti i u minimalnoj rezoluciji koja omogućava nečujnost šuma kvantizacije.

ulazni signal

banka filtara

kvantizacija i kodovanje

formiranje povorke bita

izlazni signal

model percepcije zvuka SLika 3.18 – Opšta blok šema osnovnih postupaka u procesu kompresije audio signala.

Danas postoji nekoliko široko prihvaćenih algoritama za perceptivno kodovanje. Njihovim dizajniranjem bavili su se na raznim mestima. Tako od 1988. godine postoji ekspertsko telo koje je formirano u okvirima međunarnodnih organizacija ISO i IEC koje je poznat pod originalnim nazivom Moving Pictures Expert Group, ili skraćeno MPEG. Ova grupa je 1992 definisala prvi perceptni audio koder nazvan MPEG-1 (u originalu specificiran kao ISO/IEC 11172-3). Ovaj algoritam omogućava da se originalni signal sa frekvencijom odmeravanja do 48 kHz sa početnih 705,6 kbit/s po kanalu svede na 128 kbit/s. Dalja poboljšavanja algoritama dovela su 1994. godine do kodera označenog kao MPEG-2, koji je omogućio da se pet audio kanala punog opsega svedu na bitsku brzinu 640-900 kbit/s. U najširoj upotrebi je nivo 3 koji je poznat pod skraćenim nazivom MP3. Najzad, 1999. godine finaliziran je koder MPEG-4. Paralelno sa koderima iz serije MPEG firma Dolby je napravila algoritam označen kao AC-3. On je u širokoj primeni za kompresiju audio signala koji prate film i video. Dominantni sistemi zapisa na filmu su iz firme Dolby, pa je AC-3 standard u bioskopima.

AUDO SISTEMI - Tema 4

89

4. AUDIO SISTEMI 4.1 Uvod Audio sistem predstavlja manje ili više složenu fizičku celinu koja obezbeđuje tok signala između zvučnog izvora i slušaoca. Njegov zadatak je prenos zvučnih informacija između izvora i slušaoca, kao što je ranije prikazano šemom na slici 1.8. Audio sistem se formira međusobnim nizanjem audio uređaja, prostora u kojima postoji zvučno polje i softverskih celina, a kojima se, u svakom za sebe, odvijaju određeni procesi nad audio signalom. U svakodnevnom životu pojam audio sistema se uglavnom vezuje za razne audio uređaje. Činjenica je takođe da takva predstava odgovara mnogim slučajevima poznatim iz svakodnevnog života ali nije i potpuna slika pojma audio sistema. Svaki pokušaj da se definiše audio sistem na način koji bi obuhvatio sve moguće slučajeve mora poći sa aspekta informacija koje se pomoću njega prenose i putanja kojim one putuju od izvora do slušaoca. Audio sistemi u svojoj osnovi spadaju u kategoriju linearnih sistema. Sa izuzetkom nekih uređaja koji služe za specifične oblike procesiranja signala, svi ostali elementi od kojih je sastavljen audio sistem su linearni, pa se tako može smatrati da je linearan i sistem u celini. Osnovna osobina linearnih sistema je u činjenici da se njihovo ponašanje može potpuno opisati impulsnim odzivom h(t), odnosno kompleksnom prenosnom funkcijom H(ω). Primenjeno u slučaju audio sistema znači da je put prolaska zvučnih informacija od izvora do slušaoca u potpunosti opisan ako je poznat impulsni odziv sistema koji ih povezuje.

4.2 Struktura audio sistema Polazeći od stava da je audio sistem sve ono što se nalazi između izvora zvuka i udaljenog slušaoca, predstava audio sistema sa slike 1.8 može se dalje razviti tako što bi se u tu početnu, jednostavnu blok šemu uneli sve značajne celine kroz koje prolazi zvučna informacija, odnosno signal, na putu od izvora do slušaoca. Takvim postupkom se dobija detaljnija blok šema koja je prikazana na slici 4.1. Ona predstavlja strukturu audio sistema sa svim komponentama principijelno bitnim za sudbinu zvučnih informacija i kvalitet zvučne slike koju dobija slušalac. Sa slike 4.1 se vidi da se audio sistem može podeliti na tri osnovne celine: 1. 2. 3.

ulazno akustičko okruženje sa mikrofonom, električni deo audio sistema i izlazno akustičko okruženje sa zvučnikom.


90

Ulazno akustičko okruženje označeno je kao deo celine audio sistema jer predstavlja prvi deo puta zvučne informacije od izvora do slušaoca. On je predstavljen fizičkim prostorom u kome se nalazi zvučni izvor, odnosno generator zvučnih informacija koji stvara izvorni signal s(t), i mikrofon koji na svom izlazu daje isti signal u električnoj formi. U ulaznom akustičkom okruženju može biti više nezavisnih izvora zvuka, kao i više mikrofona kojim se registruju različite zvučne informacije. Audio signal je predstavljen fizičkom prirodom zvučnog polja, i uobičajeno se kvantifikuje zvučnim pritiskom p(t). Očigledno je da ovaj deo audio sistema određuje audio signal koji dalje prolazi kroz električni deo sistema. U nekim okolnostima struktura zvučnog polja je u fizičkom smislu veoma složena i ne može se opisati jedinstvenim matematičkim modelom. AKUSTICKI DOMEN

AKUSTICKI DOMEN

ELEKTRICNI DOMEN

izlazno akusticko okruzenje

ulazno akusticko okruzenje

v ul(t)

SISTEM AUDIO UREÐAJA I SISTEM PRENOSA

v izl(t)

SLIKA 4.1 - Opšta struktura audio sistema prikazana blok šemom.

Centralni, električni deo sistema, na slici označen kao ″sistem audio uređaja i sistem prenosa″, može se posmatrati i kao audio sistem u užem smislu. Ovaj deo sistema počinje sa izlazom iz mikrofona, odnosno sa ulaznim električnim signalom vul(t). U najjednostavnijem slučaju električni deo audio sistema može činiti samo jedan pojačavač, ali njega uobičajeno čini manje ili više složen sklop međusobno povezanih audio uređaja ili softverskih celina koji obavljaju neke funkcije nad audio signalom. Bez obzira na složenost ovog dela sistema, njegov završetak je uvek nekakav izlazni električni audio signal koji se vodi na izlazni elektroakustički pretvarač, zvučnik ili slušalice, odakle počinje završni deo audio sistema. Izlazno akustičko okruženje podrazumeva fizički prostor u kome elektroakustički pretvarač stvara zvučno polje i u kome se nalazi slušalac. Čak i kada se za reprodukciju signala koriste slušalice, postoji izvesno akustičko okruženje, samo što se ono svodi na fizički prostor unutrašnjosti kućišta slušalica i spoljašnji slušni kanal. To je i poslednja etapa na putu zvučne informacije od izvora do slušaoca. Strogo posmatrano, u izlaznom okruženju postoje dva izlaza, a to su levo i desno uvo kao senzori u procesu binauralnog slušanja, ali to nije od značaja za opšti uvid u strukturu generalizovane blok šeme audio sistema. Prema tome, polazeći od stava da je audio sistem sve ono što se nalazi između izvora zvučnih informacija i slušaoca, očigledno je da u njega ne ulaze samo uređaji, već da to uključuje i zvučno polje na mestima gde ono predstavlja deo lanca prenosa informacija. Zato akustiku, posebno u domenu zvučnog polja u prostorijama, treba posmatrati kao deo audiotehnike. Činjenica je da se u inženjerskoj praksi često previđa složenost brojnih uticaja koji se javljaju duž audio sistema i koji utiču na karakteristike njegovog izlaznog signala. To zanemarivanje se u prvom redu odnosi na uticaje u akustičkom domenu pa je, shodno tome, jedna od klasičnih inženjerskih grešaka u audiotehnici previđanje značaja akustičkih fenomena, posebno u okruženju slušaoca. Jedna inženjerska oblast u akustici


91

bavi se problemom akustičke obrade prostora koji treba da postanu deo nekog audio sistema, što obuhvata prilagođavanje odziva prostora potrebama prenosa zvučnih informacija. Tako je razvijena teorija obrade studijskih prostora, koji se javljaju u funkciji ulaznog akustičkog okruženja audio sistema, i obrade prostorija za slušanje reprodukovanog , koje imaju funkciju izlaznog akustičkog okruženja. Slučaj bez ulaznog akustičkog okruženja Postoje okolnosti kada se na početku audio sistema pojavljuje električni izvor informacija koji direktno generiše električni signal, odnosno informacija nastaje u električnom domenu, a ne akustičkom. Tada na šemi sa slike 4.1 nema ulaznog akustičkog okruženja, pa njena struktura u tom delu postaje jednostavnija. Ovaj slučaj je prikazan na slici 4.2. On se standardno javlja pri upotrebi elektronskih muzičkih instrumenata, jer se oni uključuju direktno u električni deo audio sistema. ELEKTRICNI DOMEN

AKUSTICKI DOMEN


IZVOR VEŠTACKIH AUDIO SIGNALA

v ul(t)


v izl(t)

SLIKA 4.2 - Struktura audio sistema sa električnim izvorom na početku

Ranije je objašnjeno da primena veštačkog generisanja zvučnih informacija ima svoja dva osnovna pojavna oblika (videti poglavlje 1.5). Prvi je simulacija signala koji bi se dobili registrovanjem zvukova prirodnih muzičkih instrumenata, ili prirodnih zvukova u najširem smislu, a drugi je generisanje potpuno originalnih zvukova, dakle zvukovi koji ne postoje u prirodi. Primena elektronskih muzičkih instrumenata predstavlja, pre svega, ekonomsku kategoriju, jer se time zamenjuje angažovanje muzičara. Iako se pošlo od zahteva za pojednostavljenjem i pojeftinjenjem muzičke produkcije, na novim mogućnostima koje je donela primena elektronskih muzičkih instrumenata vremenom su se razvijale posebne oblasti muzike, u umetničkoj literaturi često nazivane ″digitalna muzika″, koje danas egzistiraju čaki i kao globalni umetnički pravci. Postoje brojne okolnosti i van oblasti muzike u kojima se zvučne informacije generišu direktno u električnom domenu. Takav slučaj se javlja pri potrebi simulacije virtuelnih prostora i izvora u filmu, u video igrama, u multimedijalnim prezentacijama i sličnim formama. Jasno je da tada realno ne postoje ni zvučni izvori ni ulazno akustičko okruženje, već se u tehničkom smislu sve realizuje u električnom domenu. Takva primena je otvorila novu istraživačku oblast koja se bavi principima i metodama simulacije prostornih dimenzija u zvučnoj slici. Slučaj vremenski udaljenog slušaoca U mnogim okolnostima postoji potreba da slušalac neke zvučne informacije prima naknadno, ili da se iste informacije slušaju više puta. To su okolnosti koje su ranije


92

označene kao ″vremenski udaljen slušalac″, pa postoji potreba da se napravi zapis signala koga je generisao zvučni izvor radi naknadne reprodukcije. Ovaj slučaj je prikazan generalizovanom šemom na slici 4.3.


SISTEM AUDIO UREÐAJA 1

ZAPIS SIGNALA


ZAPIS SIGNALA

SISTEM AUDIO UREÐAJA 2

Slika 4.3 - Struktura celine audio sistema od izvora do slušaoca pri odloženoj reprodukciji

Vidi se da pravljenje snimka podrazumeva da se električni deo sistema razdvaja na dva dela između kojih se nalazi snimak kao oblik memorisanja audio signala. Ova dva dela audio sistem su u praksi uglavnom različita po svojoj složenosti, a i po nivou kvaliteta komponenti od kojih su sastavljeni. Industrija audio ″softvera″ podrazumeva umnožavanje napravljenih snimka, pa se u ovakvom pristupu drugi deo audio sistema multiplicira na brojna mesta gde se umnoženi snimak sluša. U praksi postoji velika disperzija u zahtevima koji se odnose na izlazni deo sistema, što već postaje tema tržišta audio uređaja široke potrošnje. Opisivanje audio sistema Audio sistem sa slike 4.1 se može se, uz zanemarivanja trodimenzinalnosti u ulaznom i izlaznom delu kao i činjenicu da faktički postoje dva izlaza (levo i desno uvo), predstaviti blok šemom toka signala kao na slici 4.4. Zanemarenja koja su izvršena odnose se na zvučno polje u ulaznom i izlaznom okruženju. Prolaz signala kroz taj deo sistema funkcija je prostornih koordinata i prostornih karakteristika usmerenosti mikrofona i zvučnika. Ipak, za definiciju postupka opisivanja audio sistema takva zanemarivanja ne menjaju opšti smisao. Ako je signal na ulazu linearnog sistema s(t), onda važi relacija:

s ′(t ) =

+∞

∫ s(t )h(t − τ )dτ

−∞

(4.1)

gde je s′(t) izlazni signal sistema a h(t) njegov impulsni odziv. Izraz (4.1) predstavlja konvoluciju ulaznog signala i imupulsnog odziva sistema, to jest:


s(t)


pm(t)

93

mikrofon

vul(t)

sistem audio uredjaja

vizl(t)

zvucnik

s’(t)


pizl(t)

Slika 4.4 - Blok šema toka signala u audio sistemu.

s ′(t ) = s (t ) ∗ h(t )

(4.2)

Očigledno je da se, pod predpostavkom da su svi elementi audio sistema sa slike 4.4 linearni, za svaki od njih mogu napisati parovi relacija ulaznog i izlaznog signala. Za pretvarače (mikrofon i zvučnik) potrebno je uzeti u obzir i njihove faktore pretvaranja da bi leva i desna strana izraza (4.1), odnosno (4.2), kada se primene na mikrofon i zvučnik, bile dimenziono jednake. Ako je sistem linearan i vremensko nepromenljiv, njegov impulsni odziv h(t) i njegov kompleksni frekvencijski odziv H(ω) su povezani Furijeovom transformacijom, pa je:

H (ω ) = h(t ) =

+∞

∫ h(t )e

−∞ +∞

∫ H (ω )e

− jωt

jωt

dt

dω

−∞

Kompleksni frekvencijski odziv H(ω) može se prikazati u obliku:

H (ω ) = H (ω ) e jϕ (ω ) Ovde je |H(ω)| amplitudski odziv i u praksi predstavlja odziv na stacionarnu sinusnu pobudu. To je ono što se uobičajeno pojavljuje u prikazu raznih audio uređaja kao frekvencijska karakteristika. Fazna karakteristika ϕ(ω) takođe predstavlja predmet merenja.

Prema tome, potpuno opis svakog prenosnog sistema, pa i audio sistema, impulsni odziv. Zbog toga je on uobičajeno predmet merenja i analize pri određivanju karakteristika audio uređaja i sistema, a iz njega se dalje određuje amplitudski odziv |H(ω)|. Takava procedura predstavlja osnovi postupak merenja u audiotehnici. U analizi akustičkih delova audio sistema, to jest ulaznog i izlaznog okruženja, iz impulnsnih odziva se izračunavaju i neki specifični jednobrojni pokazatelji zvučnog polja sa aspekta percepcije govora i muzike.

4.3 Ulazno akustičko okruženje U najopštijem slučaju početak audio sistema je akustički izvor koji se nalazi u svom akustičkom okruženju u kome stvara zvučno polje. U tako nastalom polju ulazni


94

električni audio signal dobija se pomoću mikrofona, koji predstavlja granicu odakle zvučna informacija dobija formu električnog signala. Kraj akustičkog domena, odnosno početak električnog domena u audio sistemu je ulazni audio signal vul(t). To znači da ulazno akustičko okruženje u širem smislu obuhvata ne samo zvučno polje, već i mikrofon. Mikrofon se definiše svojim karakteristikama, među kojima su najznačajnije osetljivost, odnosno faktor pretvaranja, usmerenost, itd. Na rad mikrofona kao elektroakustičkog pretvarača utiču i razni akustički fenomeni (videti principe akustičke podele mikrofona). Iako su mikrofoni u fizičkom smislu uređaji, pravilno ih je sa aspekta rada i analize audio sistema posmatrati kao integralni deo ulaznog akustičkog okruženja. brzina membrane

p

akusticko mehanicko pretvaranje AKUSTICKI DOMEN

v

mehanicko elektricno pretvaranje

u

Slika 4.5 - Unutrašnja podela mikrofona sa granicom akustičkog i električnog domena

ELEKTRICNI DOMEN

U mikrofonu se odvijaju dva stepena pretvaranja, kao što je pokazano na slici 4.5. Na početku je to pretvaranje zvučnog pritiska u analogno kretanje membrane, a zatim pretvaranje kretanja membrane u napon, odnosno u električni signal. Mesto dešavanja prvog stepena tog pretvaranja je membrana mikrofona sa njenim neposrednim fizičkim okruženjem koji određuje način delovanja zvučnog polja na nju. Taj deo mikrofona u fizičkom smislu predstavlja deo zvučnog polja, pa strogo gledano granica između akustičkog i električnog domena je na mestu kao što je označeno na slici 4.5. U praksi ta granica nije dostupna posmatraču spolja jer se nalazi unutar mikrofona. S obzirom na činjenicu da su u fazi akustičko.mehaničkog pretvaranja uticaji na signal mnogo veći nego u delu mehaničko.električnog pretvaranja, u praksi se može smatrati da je čitav mikrofon deo akustičkog domena, u smislu kako je on definisan na slici 4.1. Tada je fizički početak električnog domena izlazni signal mikrofona. Posmatrano hardverski, to je konektor na mikrofonu na koji se povezuje mikrofonski kabl. Standardizovani način povezivaja mikrofona na sledeći uređaj (najčešće je to ulaz miksete, ali može biti i poseban mikrofonski predpojačavač) učinio je da se minimizira uticaj eventualnih varijacija vrednosti električnih parametara mikrofonskog kola na audio signal. To je takozvano ″nadprilagođenje″ koje podrazumeva da je ulazna otpornost prijemnika signala čisto termogena i za red veličine veća od izlazne impedanse mikrofona. To je dodatno doprinelo da se uticaj mikrofona na signal dominantno dešava u njegovom prvom stepenu pretvaranja, to jest u akustičkom domenu

Odziv ulaznog akustičkog okruženja Akustičko okruženje kao prenosni sistem iz lanca sa slike 4.4 karakteriše se svojim impulsnim odzivom hul(t). Poznato je kako principijelno izgledaju impulsni odzivi u akustici. Za audiotehniku najinteresantniji je slučaj prostorije kao akustičkog prenosnog sistema, pošto se u praksi najčešće prostorija i zvučno polje u njoj nalazi u funkciji


95

relativna amplituda

ulaznog akustičkog okruženja audio sistema. Istovremeno, najsloženiji mogući slučaj akustičkog impulsnog odziva je upravo u prostorijama. Osnovna karakteristika impulsnog odziva svake prostorije je monotono opadajući tok njegove obvojnice sa brojnim komponentama signala ispod nje. Fizički proces formiranja sukscesivnih refleksija zvuka u postoru koje energetski ispunjavaju impulsni odziv u vremenu naziva se reverberacija. Njegovo odvijanje uslovljeno je veličinom prostorije, njenom geometrijskom konfiguracijom i sposobnostima površina u njoj da apsorbuju zvučnu energiju. Tipičan izgled impulsnog odziva jedne prostorije prikazan je na slici 4.6. Takva njegova forma nastaje pristizanjem reflektovanog zvuka koji slabi u vremenu do potpunog nestanka zvučnog polja u prostoriji. Brzina opadanja obvojnice odziva kvantifikuje se vremenom reverberacije (vreme za koje nivo zvuka u odzivu opadne za 60 dB). Slabljenje odziva je asimptotski proces koji u praksi prestaje kada se utopi u nivo postojećeg šuma.

0.0

Slika 4.6 - Jedan primer impulsnog odziva prostorije (snimljeno u sali ″Beogradske filharmonije″)

0.5

vreme (s)

1.0

1.5

Prikaz impulsnog odziva kakav je na slici 4.6 predstavlja uobičajeni način prezentacije i dobija se snimanjem u prostorijama. On se može registrovati na izlazu iz mikrofona pri impulsnoj pobudi prostora. Međutim, akustički impulsni odziv je rezultat pojava u trodimenzionalnom zvučnom polju na mestu prijema. Zbog toga prikaz sa slike, mada uobičajen, predstavlja svesno pojednostavljenje. Na njemu nema informacija o pravcima nailaska pojedinih komponenti, već samo njihove relativne amplitude. Ovakvo uprošćenje rezultat je svođenja trodimenzionalnog zvučnog polja na jednodimenzioni signal kakav je na izlazu mernog mikrofona. Unošenje prostornih koordinata pravaca nailaska komponenti odziva u nekakav jedinstven prikaz u ravni crteža, sa nužnom čitljivošću crteža, predstavlja teško rešiv problem. Srećom, za većinu praktičnih inženjerskih potreba prikaz kao na slici 4.6 je dovoljan. Ipak, za razumevanje nekih pojava u audiotehnici mora se imati u vidu sva prostorna složenost odziva prostorije, iako se ona ne može prikazati grafički. Svaki akustički impulsni odziv, pa i odziv prostorije, funkcija je prostornih koordinata tačaka akustičkog ulaza i izlaza, odnosno položaja zvučnog izvora i mernog mikrofona kojim se registruje signal. Za svaki odabrani par ovih tačaka impulsni odziv ima drugačiji oblik. Zbog karakterističnih statističkih osobina zvučnog polja u prostorijama razlike u odzivima sa promenama koordinata izvora i prijemnika u okviru jedne prostorije


96

uglavnom su u detaljima, ali ipak postoje. Zbog toga se impulsni odziv prostorije često onačava kao h(rr0,t), gde je r vektor položaja prijemnika, a r0 vektor položaja izvora. Time se odziv vezuje za tačno određeni par tačaka za koje je definisan. Kao što je pokazano, potpuni prikaz impulsnog odziva h(t) podrazumeva vremenski oblik signala kao na slici 4.6, ili njegov ekvivalent u frekvencijskom domenu predstavljen kompleksnom prenosnom funkcijom uglavnom prikazivanom sa dva dijagrama: amplitudskom karakteristikom |H (ω)| i faznom karakteristikom ϕ(ω). Zbog tehničke složenosti njihovog dobijanja u realnim okolnostima, čija realizacija je tek u novije vreme postala jednostavna i široko dostupna, ali i zbog informativnosti grafičkog prikaza odziva sa aspekta relevantnih detalja, u audio praksi se odziv prenosnih sistema uglavnom prikazuje u nekoliko pojednostavljenih ili modifikovanih oblika. Pogotovo što je analiza impulsnog odziva sa dovoljnom tačnošću i ponovljivošću omogućena tek uvođenjem računara u metode merenja. Pre toga pojednostavljivanje prikaza impulnog odziva bilo je nužno. Neki uobičajeni oblici prikaza odziva prostorije ilustrovani su na slici 4.7. Osnovni, prirodni oblik impulsnog odziva je prikazan na slici 4.7a. To je bipolarni signal odziva i predstavlja talasni oblik kakas se dobija na izlazu iz mikrofona pri impulsnoj pobudi prostorije, kao što je bio i primer sa slike 4.6. Međutim, iz ovakve forme slike ne može se u potpunosti sagledati sve što je relevantno u ponašanju prostorije, pa se zato uvode njegove modifikacije i transformacije, uvek sa ciljem da se neka od karakteristika odziva učini lakše vidljivom pri posmatranju slike. Tako se standardno koristi i unipolarni prikaz odziva. On se crta u dve moguće razmere po ordinati: u linearnoj razmeri kao što je prikazano na slici 4.7.b i varijanta sa logaritamski prikazanom ordinatom, kao na slici 4.7c. Unipolarna predstava omogućava lakše sagledavanje prvih refleksija, njihovog relativnog odnosa i položaja na vremenskoj osi. Logaritamski prikaz kao na slici 4.7c ranije je u literaturi označavan kao ETC (energy-time-curve). Furijeovom transformacijom osnovnog signala sa slike 4.7a dobija se isti odziv u frekvencijskom domenu, što je prikazano na slici 4.7d. Najzad, impulsni odziv se iz domena signala može transformisati u domen nivoa zvuka, pa se dobijaju prikazi kao na slikama 4.7e i 4.7f. Prelazak na nivo zvuka podrazumeva preračunavanje iz osnovnog signala u njegovu efektivnu vrednost, pa je oblik odziva određen i usvojenom vrednošću perioda usrednjavanja. Slika 4.7e dobijena sa kratkim vremenom usrednjavanja koje je bilo 10 ms, a slika 4.7f sa usrednjavanjem koje je bilo 100 ms. Vidi se da povećavanje vrednosti perioda usrednjavanja kao rezultat daje glatkiju krivu odziva, na kojoj se gube detalji trenutnih fluktiacija ali se dobija preglednost opšteg toka opadanja nivoa što je za neke vrste analize veoma značajno. Prikaz odziva u domenu nivoa signala načelno daje lakši uvid u reverberacioni proces, pa se koristi kao osnovi prikaz pri merenju vremena reverberacije prostorija. Fakori koji određuju odziv ulaznog dela audio sistema Fizički prostori koji se u praksi pojavljuju kao ulazno akustičko okruženje audio sistema sa slike 4.1 mogu biti veoma različiti, a najčešće su to prostorije. Prostorije koje se pojavljuju u toj funkciji mogu biti svojim akustičkim osobinama pripremljene za takve namene, ali često mogu biti sasvim obične prostorije čiji je akustički odziv odeđen faktorima koji su potpuno izvan oblasti audiotehnike. Na slici 4.8 prikazana su tri karakteristična oblika impulsnih odziva, koji su snimljeni u tri prostorije različite po veličini i nameni, a koji ilustruju razlike značajne za rad audio sistema. Razmere na vremenskoj osi dijagrama su izjednačene da bi se omogućilo njihovo međusobno poređenje. Prvu komponentu na vremenskoj osi u odzivu stvara direktan zvuk, tj zvučni talas koji od izvora najkraćim putem dospeva u tačku


97

prostora koja predstavlja izlaz akustičkog sistema, to jest gde se nalazi mikrofon. Nakon direktnog zvuka u odzivu se javlja mnoštvo refleksija koje predstavljaju reflektovani zvuk. a)

b)

0.25

0.25

0.2 0.15

0.2

0.1 0.05

0.15

0 -0.05

0.1

-0.1 -0.15

0.05

-0.2 -0.25

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0

1.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

vreme [s]

c)

1.6

vreme [s]

d)

-10

-10

-20

-20

-30

-30

-40 -40 -50 -50 -60 -60

-70

-70

-80

-80

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

-90

1.6

10

2

10

3

10

e)

f)

-20

-20

-30

-30

-40

-40

-50

-50

-60

-60

-70

-70

-80

4

frekvencija [Hz]

vreme [s]

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

vreme [s]

-80

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

vreme [s]

Slika 4.7 - Neki standardni načini prikazivanja impulsnog odziva prostorije: a - osnovni prikaz bipolarnog signala odziva, b - unipolarni prikaz kao apsoputna vrednost signala, c - isto kao b, samo sa logaritamskom razmerom po oerdinati, d - spektralna karakteristika odziva, e - prikaz nivoa signala dobijenog usrednjavanjem 10 ms, f - isto kao e, samo sa usrednjavanjem 100 ms.


98

Na slikama se vide i razlike koje se mogu javiti u formama odziva različitih prostorija. U velikoj sali jednog pozorišta (slika 4.8a) trajanje odziva je najduže među pokazanim primerima, odnosno u procesu reverberacije intenzitet zvuka najsporije opada. U prostoriji studija (slika 4.8b) zahvaljujući intenzivnoj akustičkoj obradi direktan zvuk je značajno jači od refleksija koje se nakon direktnog zvuka javljaju u odzivu. Najzad, u običnoj stambenoj prostoriji (slika 4.8c) brzina opadanja zvuka je velika, kao i u studiju, ali zbog relativno malih dimenzija postoje jake brojne prve refleksije koje neposredno slede iza direktnog zvuka, i čiji je intenzitet samo malo manji od njega. To je osnovna razlika odziva prostorije studija (slika 4.8a) i ove stambene prostorije, jer proces reverberacije u obe prostorije opada približno istom brzinom. Obične prostorije, bez ikakvih dodatnih akustičkih intervencija, postaju ulazni deo audio sistema u okolnostima snimanja zvuka za potrebe filma i po nekada za potrebe televizije, u informisanju i slično. a)

apsolutna vrednost amplitude


b)

0 vreme (s)

1,0

0

1,0 vreme (s)


c)

Slika 4.8 - Impulsni odzivi nekih prostorija: a - veća pozorišna sala, b - prostorija studija za snimanje c - jedna obična soba u stanu

0

1,0 vreme (s)

Primer sa slike 4.8b prikazuje impulsni odziv prostorije koja je svojom akustičkom obradom prilagođena specifičnim zahtevima audio sistema. Naime, u takvim okolnostima nužno je da u odzivu dominira direktan zvuk, bez jakih brzih refleksija. Postoje posebni kriteirjumi koji definišu koliko treba da budu potisnute refleksije u odnosu na drirektan zvuk. U tom pogledu se studijski prostori razlikuju od prostorija stanova ili čak od prostorija koje su namenjene za živo izvođenje muzike. Za razliku od zahteva audiotehnike, u takvim okolnostima prve refleksije su ključne za subjektivni doživljaj jačine zvuka, kao i za estetiku zvučne slike.


99

Zvučni pritisak koji deluje na membranu mikrofona definisan je konvolucijom ulaznog signala s(t), koga emituje izvor, i impulnog odziva ulaznog akustičkog okruženja: p(t) = s(t) ∗ hul(t)

(4.3)

Ulazni električni signal rezultanta je delovanja tog pritiska i impulsnog odziva mikrofona kao prenosnog sistema hmik(t): vul(t) = Tm p(t) ∗ hmik(t)

(4.4)

Konstanta Tm ispred konvolucije pritiska i impulsnog odziva je osetljivosti mikrofona. Budući da je impulsni odziv prostora hul(t) funkcija prostornih koordinata, i ulazni električni signal vul(t) zavisi od položaja zvučnog izvora i tačke u kojoj se nalazi mikrofon. Sa aspekta osnovnih zvučnih informacija koje emituje zvučni izvor u akustičkom odzivu ulaznog akustičkog okruženja najznačajnija je njegova prva komponenta koja se naziva direktan zvuk. Ona u neizmenjenom obliku nosi informacije zvučnog izvora. Zbog toga je u ulaznom akustičkom okruženju najznačajnije da se na izlazu mirofona ova komponenta potencira u odnosu na ostatak impulsnog odziva. Podešavanje akustičkih osobina prostora da bi se njihov odziv prilagodio funkciji u okviru audio sistema naziva se akustička obrada i karakteristično je za studijske prostore. Parazitski zvučni izvori U ulaznom akustičkom okruženju audio sistema, pored posmatranog izvora zvučnih informacija, mogu se nalaziti i drugi, parazitski zvučni izvori koji u istom prostoru stvaraju svoje zvučno polje i tako deluju na mikrofon. Pojavni oblici parazitskih zvučnih izvora i njihov uticaj u praksi mogu biti veoma raznoliki, ali se sa aspekta reakcije slušaoca kao prijemnika informacija mogu svrstati u dve opšte kategorije: To može biti opšta buka ambijenta čija je osnovna karakteristika da potiče iz velikog broja zvučnih izvora i u kojoj se ne mogu razaznati pojedinačne zvučne informacije već se sve stapa u jednistvenu zvučnu pojavu, i može biti zvuk jednog ili više relativno bliskih izvora čiji je informacioni sadržaj prepoznatljiv i koji se u uvu slušaoca na izlazu iz audio sistema ″takmiči″ sa korisnim informacijama i eventualno ih istiskuje u procesu percepcije. Pri snimanjima u tu kategoriju spada ljudski govor i zvuk susednih instrumenata u orkestru koji se javlja u neposrednoj okolni mikrofona. U takvim okolnostima audio sistem ima dodatni zadatak da korisne informacije željenog zvučnog izvora u dovoljnoj meri zaštiti od uticaja ostalih zvukova. Ta ″dovoljna mera″ određena je kriterijumima slušaoca na kraju audio sistema i ne postoji kao opšte pravilo. U tom smislu ozbiljniji je problem parazitskih izvora sa prepoznatljivim informacionim sadržajem za koje zaštita, izražena fizički samerljivim parametrima, mora da bude mnogo intenzivnija nego kada je ometanje opštom ambijentalnom bukom. Problem zaštite se može uspešno rešavati isključivo u akustičkom domenu: izborom položaja izvora i mikrofona, akustičkim karakteristikama prostorije i izborom odgovarajućih karakteristika mikrofona. Prava kombinacija ovih mera proizilazi iz proces aprilagođavanja datim uslovima u svakoj konkretnoj situaciji. Ako se potiskivanje parazitskih signala u akustičkom domenu ne realizuje na zadovoljavajući način, naknadne mogućnosti izdvajanja korisnih informacija iz zvukova parazitskih izvora u elektičnom delu audio sistema gotovo su zanemarljive, ako se zahteva rad u realnom vremenu. Složenim metodama adaptivnog filtriranja moguće je izvšiti naknadno potiskivanje parazitskih signala ako to nije urađeno akustičkim


100

metodama u ulaznom akustičkom okruženju, ali je to vremenski, a samim tim i finansijski, zahtevna procedura. Takav pristup ima opravdanja samo u izuzetnim i retkim slučajevima, a njegov ishod zavisi i od razlika u statističkim osobinama korisnog i parazitskog signala. Prema parazitskim zvukovima koji se javljaju u ulaznom akustičkom okruženju u praksi je neophodno imati relativistički stav. Naime, nekada su oni sasvim kontraindikovani osnovnim ciljevima snimateljskog rada i za slušaoca na kraju audio sistema moraju biti nečujni, a nekada su oni korisni jer predstavljaju nosioce informacija o ambijentu i prostoru ulaznog akustičkog okruženja (vidi okvir). Pojam ″drugih zvučnih izvora″ u praksi može biti veoma različit, kao i odnos prema njima u formiranju ulaznog audio signala. Nekada oni nose specifičnu informaciju o ambijentu. Tako na primer, pri snimanju intervjua, što je karakteristično za informativne emisije radija i televizije, drugi zvučni izvori mogu biti ljudi u okolini. To što će krajnji slušalac na izlazu sistema čuti njihove glasove nije u apsolutnom smislu kritično ako su oni za slušaoca dovoljno slabiji od njemu korisnih zvunih informacija. Dakle, oni jesu ometajući faktor, ali ako ne utiču na kvalitet prenosa relevantnih informacija predstavljaju korisnu informaciju o ambijentu gde se vodi razgovor sa intervjuisanom osobom. Sasvim je drugačija situacija pri snimanju muzike. Prisustvo istih takvih glasova je, po definiciji, apsolutno štetno. Međutim, ukoliko je snimak načinjen u nekom klubu, prisustvo glasova koje bi slušalac povremeno čuo ukazivali bi na klupsku atmosferu i bili bi za njega informacija o ambijentu u kome je snimano. To bi svakako podrazumevalo drugačiji odnos prema istoj ometajućoj zvučnoj pojavi. Može to biti ista kompozicija koju izvode isti izvođači, ali ometajući izvori stvarali bi karakter dokumenta o jednom muzičkom događaju, dok god ne ugrožavaju osnovnu muzičku informaciju. Još jedan primer je karakterističan. Na koncertima klasične muzike parazitski zvukovi u sali koji potiču od pucketanja stolica, poda, ili su šum okretanja nota ne deluju ometajuće. Ali, ako se na istom mestu sa istim muzičarima snima isto delo za potrebe, na primer, filmske muzike pojava takvih zvukova je zabranjena u snimku.

4.4 Električni deo audio sistema Početak električnog dela audio sistema je izlaz mikrofona. Njegov signal predstavlja ulaznu veličinu centralnog dela audio sistema, na slikama 4.1 i 4.2 označenog kao ″sistem audio uređaja i sistem prenosa″. Na kraju, posle svih operacija na audio signalu koje pretrpi u električnom delu dobija se izlazni audio signal namenjen krajnjem korisniku. Poslednja tačka električnog dela audio sistema je zvučnik kao elektroakustički pretvarač koji pomoću izlaznog audio signala generiše zvučno polje u prostoru gde se nalazi slušalac. Tačnije rečeno, to je elektodinamički motor zvučnika, jer je njegova membrana, kao i u slučaju mikrofona, sastavni deo akustičkog okruženja. Osnovna arhitektura električnog dela audio sistema Električni deo audio sistema se formira prema konkretnim ciljevima koji se pred njega postavljaju. Zbog toga se konfiguracija sistema može razlikovati od slučaja do


101

slučaja, u zavisnosti od njegove namene. Ipak se može utvrditi jedna najopštija blok šema kakva je prikazana na slici 4.9. Centralni uređaj sistema je audio mikseta. To je uređaj koji predstavlja osnovni element električnog dela svakog audio sistema. U mikseti se vrši prilagođavanje signala iz raznih izvora i njihovo ujednačavanje, komutacija, osnovna obrada, kontrola i druge slične funkcije. Osnovna prilagođavanja audio sistema zadatoj funkciji ogledaju se kroz složenost miksete. One mogu biti u širokom rasponu složenosti, od najjednostavnijih prenosnih modela do veoma složenih i veoma skupih varijanti (vidi okvir). Struktura i funkcija miksete opisana je u okviru posebne teme. Iako je centralni deo audio sistema označen kao ″električni″, činjenica je da danas audio signal u njemu uzima i druge fizičke oblike. Tako svaki audio zapis podrazumeva pretvaranje signal u magnetni oblik kakav je na traci ili disku. Za arhiviranje ili za tržište audio snimaka pravi se mehanički zapis koji se očitava optički (CD). U povezivanju uređaja jedan od standarda je i optička veza, pa audio signal u pojedinim tačkama audio sistema može imati i fizičku formu svetlosti. Ipak, danas najveći deo puta kroz audio sistem signal ima električni oblik pa je uvedeni naziv opravdan.

PROCESORI

ULAZI

AUDIO MIKSETA

IZLAZ

Slika 4.9 - Blok šema osnovne strukture električnog dela audio sistema

SNIMACI / REPRODUKTORI

Signal iz miksete moze se u raznim fazama njegovog prolaska od njenog ulaza do izlaza uputiti na druge uređaje a zatim vratiti u miksetu. Sa slike 4.9 se vidi da postoje dve kategorije pratećih uređaja. To su procesori i snimači, odnosno reproduktori. Uobičajeno je da se svi korišćeni procesori u okviru audio sistema fizički grupišu u jednu celinu koja se u stručnom žargonu naziva ″efekt rek″ (pojam ″rek″ označava metalni ormar za smeštaj uređaja), iako se u bolje opremljenim studjima procesori nalaze smešteni u nekoliko takvih ormara. Za razliku od procesora, danas korišćeni snimači/reproduktori mogu biti veoma različiti po principima rada i fizičkim gabaritima, a u nekim slučajevima te funkcije obavljaju računari. Zbog toga fizički smeštaj snimača/reproduktora nije tako standardizovan. U novije vreme zbog upotrebe


102

računarske tehnologije snimači se, zajedno sa svim korišćenim računarima smeštaju u posebne prostorije da bi se umanjila buka koju stvaraju ventilatori za hlađenje. Ove prostorije se u žargonu nazivaju ″mašinske sobe″. U zavisnosti od konkretne namene koriste se audio sistemi kod kojih postoji pojednostavljenje u odnosu na prikazanu strukturu sa slike 4.9, tako da neki delovi blok šeme budu izostavljeni. Primena snimača ili reproduktora nije obavezna, a primer za to su jednostavni sistemi za ozvučavanje govora gde ne postoji potreba snimanja ili reprodukovanja snimljenih signala, pa nema ni donje grane blok šeme sa slike 4.9. Sa druge strane, postoje okolnosti kada se ne vrši nikakva obrada signala, pa se ne koriste procesori. Tada u sistemu sa slike 4.9 nema gornje grane blok šeme. Odziv električnog dela sistema Ako je električni deo audio sistema linearan i vremenski nepromenljiv, onda sve što se u njemu dešava može se takođe definisati impulsnim odzivom hel(t). Izlazni audio signal je konvolucija ulaznog signala i tog električnog impulsnog odziva. vizl(t) = vul(t) ∗ hel(t)

(4.5)

U najvećem broju slučajeva komponente čijim međusobnim povezivanjem se formira električni deo audio sistema su, svaka za sebe, linearne ili se bar teži da takve budu. Impulsni odzivi ulaznog i izlaznog akustičkog okruženja unose mnogo značajnije odstupanje od idealnog prenosa kroz audio sistem nego odziv njegovog električnog dela. Razlog tome leži u činjenici da fizički zakoni koji deluju u zvučnom polju značajnije menjaju strukturu impulsnog odziva, što se vidi i sa slike 4.8. U električnom delu sistema postoje okolnosti kada se razne nelinearnosti ili poremećaji u formi impulsnog odziva unose namerno, i za to se koriste posebno dizajnirani procesori ili softverske celine. Upotreba takvih procesora proizilazi iz estetskih zahteva u dizajnu zvučne slike. pre svega muzike, i nije tehničko pitanje. Cilj takvih intervencija uvek je kreativno delovanje na zvučnim informacijama. Procesori koji se koriste u audio sistemima biće kasnije obuhvaćeni posebnom temom. Interesantno je da u audiotehnici postoje okolnosti kada se za neke signale podrazumeva da moraju biti manje ili više izobličeni. Na primer, električna gitara u savremenoj muzici gotovo uvek ima priključen neki od uređaja za unošenje manjih ili većih izobličenja. Mnogi od njih se izrađuju u formi pedala radi lakše kontrole za vreme sviranja. Upotreba procesora za električne gitare je pitanje estetike zvuka i zahtevi za raznim oblicima izobličenja proizilaze iz tog domena. Iz istih razloga se pojačavači za električne gitare međusobno razlikuju po boji zvuka, što je posledica razlika u izobličenjima koja su im svojstvena. Ta tema dalje je pitanje ukusa, odnosno muzičke estetike.

Ako se apstrahuju uređaji koji namerno unose nelinearnosti, može se reći da je zahvaljujući današnjem stanju audio elektronike u elektičnom delu audio sistema relativno jednostavno ostvariti veoma visok kvalitet odziva, odnosno veliku linearnost. U poslednjih dve do tri decenije odigrao se veoma veliki skok u razvoju kvaliteta komponenti audio sistema, pa je kvalitet danas postao samo pitanje cene. Neki analitičaru ukazuju da, na primer, performanse zvučnika koji su pre tridesetak godina bili u vrhu kvaliteta, danas ostvaruju zvučnici svih boljih kućnih sistema za reprodukciju zvuka.


103

Za pojam audio miksete u svakodnevnoj praksi se koriste i neki drugi termini. Tako se često može čuti termin ″mikser″, mada je to u izvesnom smislu pogrešno, jer se tako u radiodifuznoj tehnologiji naziva osoba koja radi na mikseti kao uređaju (na primer ″video mikser″ na odjavnim špicama TV emisija, i označava osobu koja radi sa video miksetom). Drugi često korišćeni termin za audio miksetu je ″konzola″. Prvenstveno se koristi kada su u pitanji fizički veliki modeli misketa kakve se primenjuju u bolje opremljenim produkcionim studijima Dva ekstremna primera mikseta prikazana su na donjim slikama. Jedno je mala prenosna mikseta za rad na terenu sa samo tri izvora signala, a drugo je jedna veća produkciona mikseta.

4.5 Izlazno akustičko okruženje Slušalac koji prima informacije prenošene audio sistemom nalazi se i sam u nekakvom akustičkom okruženju. Zvučni pritisak koji deluje na njegove bubne opne predstavlja izlaz audio sistema u fizičkom smislu, na način koji je definisan slikom 1.8. Da bi zvučna informacija stigla do slušaoca potrebno je u tom okruženju stvoriti zvučno polje. Taj zadatak obavlja zvučnik (eventualno slušalice). Izlazni akustički signal sizl(t) je funkcija izlaznog audio signala vizl(t), impulsnog odziva izlaznog pretvarača i njegovog faktora pretvaranja. Fizički smisao signala sizl(t) zavisi od prirode izlaznog pretvarača i postupka njegovog modelovanja. To dimenziono može biti akustički protok q(t) koga stvara pretvarač ili zvučni pritisak p(t) na nekom referentnom mestu u konstrukciji pretvarača, ali to ne menja opštost ovog objašnjenja. Menja se samo dimenzija faktora pretvaranja.


104

brzina membrane

i

linearni motor ELEKTRICNI DOMEN

v

mehanicko akusticko pretvaranje

q

Slika 4.10 - Unutrašnja podela izlaznog elektoakustičkog pretvarača sa granicom akustičkog i električnog domena.

AKUSTICKI DOMEN

Kao i kod mikrofona, u izlaznim elektroakustičkim pretvaračima se pretvaranje odigrava u dva stepena, kao što je prikazano na slici 4.10. U prvom stepenu elektrodinamički motor vrši pomeranje membrane na osnovu ulaznog signala predstavljanog strujom. U drugom stepenu membrana vrši pretvaranje mehaničke svog energije kretanja u zvučnu enenrgiju. Mehanizam zračenja membrane zavisi i od neposrednog okruženja, pa se može smatrati da je ona deo izlaznog akustičkog okruženja. Tako se granica električnog i akustičkog domena nalazi u unutrašnjosti pretvarača i, kao kod mikrofona, nije dostupna spolja. Odziv izlaznog akustičkog okruženja Akustičko okruženje opisuje se impulsnim odzivom hizl(t), uz sve napomene koje su izložene uz opis odziva ulaznog akustičkog okruženja. Pritisak na mestu gde će se nalaziti slušalac predstavlja konvoluciju signala sizl(t) i impulsnog odziva izlaznog akustičkog okruženja: pizl(t) = sizl(t) ∗ hizl(t)

(4.6)

Ovo podrazumeva pritisak u tački prostora gde će se nalaziti slušalac, ali bez njegovog fizičkog prisustva. Binauralno slušanje podrazumeva da se zvučna slika formira na osnovu signala dobijenih sa dva prostorno razdvojena uva. Prema tome, na kraju audio sistema. postoje dva izlaza čiji su signali u manjoj ili većoj meri korelisani. Ulaskom slušaoca u zvučno polje dolazi do izvesnih poremećaja strukture polja koji nastaju u interakciji zvučnih talasa i glave kao fizičke prepreke. Kao što je pokazano u prethodnom poglavlju, ovaj uticaj se definiše prenosnom funkcijom glave za levo i desno uvo (HRTF). Izlazni pritisak definisan izrazom (4.6) definiše polje pre ulaska slušaocau njega. Svaka komponenta izlaznog signala pizl(t) konvoluira se sa odgovarajućom HRTF koja zavisi od njenog pravca nailaska na glavu slušaoca. Iz toga je jasno da je potpuni prikaz izlaznih signala na levom i desnom uvi slušaoca veoma složen i da se zbog trodimenzionalnosti koja je imanentna binauralnom slušanju ne može iskazati jednostavnim izrazima. Akustičke osobine izlaznog okruženja u mnogim slučajevima nisu pod kontrolom onih koji upravljaju audio sistemom. U radiodifuziji to su uglavnom sobe u kojima se nalaze slušaoci pored svojih radio i TV prijemnika, ali mogu biti kabine automobila i slične sredine gde se koriste radio prijemnici. Samo u nekim situacijama je to posebno akustički dizajniran prostor za slušanje reprodukovanog zvuka. Zbog toga su moguće značajne razlike izlaznih signala od slušaoca do slušaoca, pa se može govoriti samo o prosečnim uslovima slušanja. To unosi specifičnu dimenziju u rad audio sistema, jer se pojavljuje element neizvesnosti, odnosno karika u lancu prenosa koja nije pod kontrolom onoga koji njime upravlja.


4.6

105

Razlike između neposrednog slušanja i slušanja posredstvom audio sistema

Polje zvučnih informacija sa slike 1.4 definiše zvučne informacije sa aspekta jednodimenzionalnog audio signala. Takav pristup znači zanemarivanje prostorne dimenzije zvučne slike, jer u zvučnoj slici osim informacija koje su kodovane u dvodimenzionalnom prostoru (frekvencija - dinamika) postoje i prostorne dimenzije. Njihovo postojanje posledica je binauralnog mehanizma slušanja. Najelementarnije je da slušalac dobija informaciju o pravcu iz koga dolazi zvuk, odnosno poziciji zvučnog izvora u prostoru. Međutim, postoje i viši nivoi percepcije prostora koji su vezani za estetiku zvučne slike u onom smislu u kome se, na primer, govori o boljim ili lošijim koncertnim salama. I u jednim i u dugim zvuk se čuje praktično podjednakom jačinom. Drugim rečima, loša sala ne znači da se u njoj ne čuje zvuk sa bine, već da ne zadovoljava neke estetske norme, između ostalog i prostorne. One se baziraju, između ostalog, u prostornim koordinatama pravaca nailaska pojedinih komponenti odziva do slušaoca, veličinom početnog kašnjenja pojedinih komponenti odziva, itd. Na tim principima uporedna analiza zvučne slike koju čovek dobija kada neposredno sluša zvuk iz nekog izvora nalazeći se u ulaznom akustičkom okruženju i kada isti zvučni sadržaj sluša posredstvom audio sistema otvara posebno pitanje nekih dimenzija kvaliteta prenosa audio sistemom. Da bi se to pitanje bliže objasnilo neophopdno je raščlaniti proces formiranja zvučne slike u ta dva različita slučaja. Neposredno slušanje Okolnosti koje postoje pri neposrednom slušanju, što znači bez posredovanja audio sistema, prikazane su na slici 4.11. U tački prostora koja predstavlja ulaz sistema zvučni izvor stvara signal s(t), a postoje dva izlaza: levo i desno uvo. Izlazni signali su pritisci na levom i desnom uvu pL(t) i pD(t). Ta dva pritiska nisu jednaka, jer glava ima konačne dimenzije u odnosu na talasnu dužinu zvuka i u izvesnoj meri remeti strukturu zvučnog polja u odnosu na okolnosti kada slušalac tu nije prisutan. Impulsni odzivi koji definišu prenos od izvora zvuka do ušiju slušaoca hL(t) i hD(t) zavise od akustičkih osobina prostora (veličina i materijalizcija površina), pravaca nailaska zvuka na glavu i rastojanja izvora i slušaoca r.

ulazno akusti~ko okru` enje

s(t)

Slika 4.11 -Okonosti pri neposrednom slušanju.

r


106

Ako se prenos signala sa slike 4.11 razloži na elemente dobija se blok šema prikazana na slici 4.12. Dva ulazna signala, pL(t) i pD(t), predstavljaju pobudu za prenosni sistem levog i desnog uva, da bi na osnovu takvih informacija nastala zvučna slika u svesti slušaoca. Razlika u signalima na levom i desnom uvu omogućavaju dekodovanje prostornih informacija u čulu sluha Te razlike su uslovljene okruženjem, odnosno impulsnim odzivima hL(t) i hD(t).

ulazno akusticko okruženje p (t) D

s(t)

desno uvo culo sluha

p L (t)

zvucna slika

levo uvo

Slika 4.12 - Blok šema formiranja zvučne slike pri neposrednom slušanju

Slušanje posredstvom audio sistema Okolnosti koje postoje pri prenosu audio sistemom prikazane su na slici 4.13. Kada se u onaj isti prostor sa sliek 4.11 umesto slušaoca stavi mikrofon, menja se nekoliko osnovnih elemenata u prenosu. Umesto dva izlaza informacija iz akustičkog okruženja dobija se samo jedan izlazni signal. Trodimenzionali procesi u zvučnom polju time su svedeni na jednodimenzionalni električni signal. U literaturi se duhovito navodi da se mikrofon može modelovati kao slušalac sa odsečenom ušnom školjkom, koji je gluv na jedno uvo. Drugim rečima, samom činjenicom da je stavljen mikrofon u prostor nepovratno je izgubljena razlika signala na levom i desnom uvu koja nastaje baš u tom prostoru. Na izlazu iz audio sistema u nekom akustičkom okruženju reprodukuje se izlazni signal sizl(t) kojim se stvara zvučno polje. Slušalac se sada nalazi u nekom novom prostoru i odgovarajućem zvučnom polju. I ovde je pritisak na levom i desnom uvu određen impulsnim odzivima hL2(t) i hD2(t) koji zavise od lokalnih osobina okruženja, ali su oni različiti od odziva hL(t) i hD(t) sa slike 4.11 jer su to različiti prostori. Ono prvo je mogla biti koncertna sala, a ovo na izlazu može biti soba u stanu, što podrazumeva velike razlike u impulsnim odzvima (kao primer mogućih razlika videti sliku 4.8). Prema tome, Izlazni impulsni odziv je novi, dodatni element u lancu prenosa zvučnih informacija koji ne postoji pri neposrednom slušanju.

ulazno akusti~ko okru` enje

s(t)

izlazno akusti~ko okru` enje

s izl(t)

Slika 4.13 - Šema toka signala pri slušanju posredstvom audio sistema.


107

Čak i da su impulsni odzivi u izlaznom akustičkom okruženju sa slike 4.13 na neki hipotetički način idealni, što znači da ne utiču na signal, postoji još jedna važna razlika između neposrednog i posrednog slušanja. Zbog sasvim praktičnih razloga o kojima će kasnije biti reči (odnos signal/šum u mikrofonskom signalu) mikrofon se u ulaznom akustičkom okruženju po pravilu postavlja u neposrednu blizinu zvučnog izvora. Mikrofonski signal je određen impulsnim odzivom hM(t) koji je funkcija njegovog rastojanja r1. Čak i kada se sve događa u istom prostoru gde je slušalac neposredno slušao isti zvučni izvor, smanjeno rastojanja značajno utiče da se ovaj odziv razlikuje od hL(t) i hD(t) sa slike 4.11. Približavanje mikrofona pri snimanju utiče da ovaj impulsni odzvi teži idealnom, jer direktan zvuk dominira u odnosu na sve refleksije, pa u mikrofonskom signalu bivaju značajno potisnute sve komponente koje zavise od okruženja. Ako je mikrofon usmeren, okrenut svojom osom ka izvoru, sve ostale komponente impulsnog odziva mogu postati praktično zanemarljive. Prema tome, prenos zvučnih informacija audio sistemom nikada ne može biti sasvim jednak neposrednom, ″živom″ slušanju, čak i pod pretpostavkom da se koriste idealne komponente. To je posledica fizičkih zakona koji postoje u oblasti akustike. Naravno, može se težiti da zvučna slika u ta dva slučaja bude što bliža, i to je sastavni deo snimateljskog zanata, ali su sasvim sigurno nepovratno izgubljene neke originalne informacije koje registruje prisutni slušalac. Karakteristike impulsnog odziva kakve su svojstvene odzivima prostorija dobijaju se simulacijom pomoću posebnih procesora unutar audio sistema. Taki uređaji se nazivaju reverberatori. Dakle, gubitak komponenti u odzivu koji nastaje približavanju mikrofona zvučnom izvoru nadoknađuje se veštački. Naravno da u takvoj situaciji krajnji rezultat zavisi od sofisticiranosti upotrebljenog procesora i mogućnosti da se simulirani odziv približi realnom, što je neposredno vezano i sa cenom reverberatora. Postoji čitav niz uređaja i softverskih paketa koji nemaju mogućnost adekvatne simulacije, ali se korste zbog njihove jednostavnosti ili niske cene. Naravno, simulacija impulsnog odziva ne rešava centralni problem odsecanja prostornih informacija odnosno svođenje dva signala iz dva uva na jednodimenzionalni mikrofonski signal.

4.7 Prostorne informacije u audio sistemu Prenošenje prostornih informacija sa ulaza u audio sistem poseban je zadatak audiotehnike. Čovek zahvaljujući svom mehanizmu čula sluha sa dva prostorno razdvojena uva ima mogućnost percepcije informacija o prostoru u kome se formiralo zvučno polje. Sklapanje zvuče slike sa prostornm informacijama realizuje se na osnovu dva kanala informacionog protoka kroz dva uva, a informacije o prostoru se sadrže u njihovim međusobnim trenutnim razlikama. Stavljanjem mikrofona u trodimenzionalno zvučno polje sve prostorne informacije, dostupne slušaocu koji se nalazi na licu mesta, gube se i svode na jednodimenzionalni električni signal. Zbog toga je prenošenje prostornih informacija jedna od posebnih oblasti audiotehnike koja ima zadatak da sa minimumom informacionih kapaciteta koje treba preneti pruži slušaocu i informacije o prostoru. Prenos takvih informacija kroz audio sistem zahteva davanje čulu sluha slušaoca dodatnih podataka u odnosu na audio signal sa izlaza iz mikrofona. Postupci prenosa se zasnivaju na povećavanju broja audio signala koji se nezavisno prenose iz primarnog akustičkog okruženja i reprodukuju slušaocu. Kroz istoriju je isprobavano više različitih realizacija sistema koji su imali takav cilj, a neki od njih su ušli u standardnu primenu. Uvek je to podrazumevalo uvođenje


108

dodatnih kanala za prenos signala, samo sa raznim informacionim kapacitetima, i definisani broj i raspored zvučnika u prostoru oko slušaoca. Tako je svojevremeno prvo nastao stereo sistem, kod koga se do slušaoca prenosi dva signala, pa zatim razni oblici surround sistema sa više od dva signala. U nekim od primenjenih sistema signali su prenošeni sa različitim frekvencijskim opsezima zbog prilagođavanja tehničkim mogućnostima. Ni jedan od tih sistema ne prenosi stvarne prostorne informacije, već se one u audio sistemu veštački stvaraju sa idejom da simuliraju prostorni sadržaj zvučne slike. Naime, rešenje prenosa originalnih prostornih informacija moguće je tražiti u stvaranju iluzije o prostoru kod slušaoca. Takav pristup bazira se na izvesnim psihoakustičkim osobinama čula sluha koje omogućavaju iluziju reprodukovanog prostora sa veoma ograničenim brojem fizičkih izvora zvuka (zvučnika), a to znači i sa ograničenim brojem signala koji se prenose do mesta gde se nalazi slušalac. U razmatranju prenosa prostornih informacija treba imati u vidu da u mnogim okolnostima uz osnovnu zvučnu informaciju dodatni podaci o prostoru slušaocu nisu ni potrebni. Takav je, na primer, svakodnevni TV program ili program lokalnog radija, gde su najznačajnije samo govorne informacije. Prosečan slušalac takvih programa nije zainteresovan, niti je u situaciji da percepira eventualno prenete prostorne informacije. Zato je njihov prenos pitanje optimizacije tehnoloških mogućnosti i ekonomske opravdanosti. On se optimizira u zavisnosti od tehničkih uslova prenosa, odnosno kapaciteta prenosnih puteva kojim se šalje audio signal, kapaciteta memorijskih medija, namene zvučnih informacija, itd. Zbog toga je stereo sistem, koji podrazumeva proširenje na samo dva kanala, najšire primenjivan u audio praksi bez obzira na sve novije pristupe. Postoje okolnosti kada prenošenje prostornih informacija ima negativne efekte. Na filmu svi dijalozi se emituju sa centralno postavljenog zvučnika, odnosno iz centralnog kanala, bez obzira na eventualnu primenu surround sistema reprodukcije. Zvuk govora se ne vezuje za trenutni položaj govornika u slici bez obzira na mogućnosti, i takav pristup je usvojen kao standard. Pokazalo se da između mehanizama percepcije slike i zvuka ima značajnih razlika. Oko normalno prima činjenicu da kamera stalno menja ugao posmatranja scene jer je centar za formiranje slike u mozgu prilagođen stalnim diskontinuitetima u prilivu informacija. Ti skokovi su u životu normalni zbog naglih pokreta očiju ili glave, treptaja, itd. U svim tim okolnostima ukupna vizuelna slika o okruženju koja se formira u svesti čoveka ostaje neugrožena. Ona se samo dopunjava informacijama koje stižu u centralni nervni sistem u proizvoljnom diskretnom redosledu. Međutim, čulo sluha je naviknuto na kontinuitet u prilivu informacija jer, za razliku od čula vida, ne postoji mogućnost naglih prekida ili preskoka. Zbog toga čulo sluha reaguje na sve eventualne diskontinuitete koje audio sistem može da ostvari. Eksperimenti su pokazali da se remeti zvučna slika i javlja negativna reakcija kada pozicije izvora zvuka ″skakuću″ po ekranu u skladu sa promenama pozicije govornika u slici. Iz tih razloga je na filmu sav govor, odnosno svi dijalozi, sakupljen u jedan centralni kanal. Nepoklapanje vidne i slušne ose, koje se u pojedinim trenucima neumitno javlja tokom filmske reprodukcije ne stvara negativnu reakciju kod gledaoca, kao što je to slučaj pri ″skakutanju″ pozicije zvučnog izvora. Dakle, na filmu se odustalo od prenosa prostorni informacija o položaju govornika zbog toga što deluje neprijatno na čoveka. Samo ono što predstavlja zvučnu sliku ambijenta koji se vidi na ekranu sadrži u reprodukciji i prostorne informacije

Zvučna slika sa simuliranim prostornim informacijama predstavlja delikatnu psihološku konstrukciju koja se lako može pokvariti raznim akustičkim problemima u


109

izlaznom akustičkom okruženju, slučajnim anomalijama u prenosu signala itd. Prvo što takvom prilikom strada jesu prostorne informacije. Zato simulacija prostornih informacija unutar audio sistema pri stereo ili surround reprodukciji nameće stroge kriterijume za izlazno akustičko okruženje, sisteme prenosa signala i sisteme za snimanje. U tehničkom smislu, svako preslušavanje između signala u kanalima degradira planiranu iluziju prostora. Tako na primer, analogni sistemi prenosa i zapisivanja signala bili su bremeniti problemom preslušavanja između kanala. U digitalnim sistemima preslušavanje između audio kanala kao pojava ne postoji, pa je uvođenje digitalnog snimanja posebno doprinelo poboljšanju reprodukcije prostornih informacija čak i sa relativno jeftinim audio sistemima.

4.8 Vremenska dimenzija u audio sistemu Putovanje signala kroz audio sistem zahteva određeno vreme. U tom pogledu se značajno razlikuju ulazno i izlazno akustičko okruženje, u kome signali putuju brzinom prostiranja zvučnog talasa (340 m/s), i električni deo u kome se u mnogim okolnostima može smatrati da je prolazak signala kroz njega trenutan. Ipak, postoje okolnosti kada i pored ogromne brzine prostiranja električnih pojava postoji izvesno zadržavanje audio signala, pre svega u procesorima zbog ograničene brzine procesiranja signala, u raznim bafer memorijama zbog potrebe obezbeđenja kontinuiteta isčitavanja, u dalekim vezama posredstvom telefonskih prenosnika, i slično. Zbog uticaja konačne brzina prostiranja signala kroz ulazno i izlazno akustičko okruženje ili zbog njegovog zadržavanja u pojedinim segmentima električnog dela sistema može se pojaviti izvesno samerljivo kašnjenje signala na izlazu u odnosu na ulaz. Ukupni značaj takvog kašnjenja za kvalitet rada audio sistema zavisi od okolnosti. Ako se prenosi samo audio signal, za slušaoca je nebitno koliko je dugo signal putovao jer se konačnost tog vremenskog intervala ne može primetiti. Vreme prolaska kroz audio sistem praktično postaje značajno samo ako zvučna informacija putuje zajedno sa vizuelnom informacijom.Tada slušalac ima mogućnost da poredi ono što vidi sa onim što čuje. Takve okolnosti postoje kada se audio sistem koristi za ozvučavanje, na filmu i na televiziji. Preciznije rečeno, kašnjenje signala u prolasku kroz audio sistem postaje problem ako čulima pruža uočljivu nesinhronizovanost vizuelnog i auditivnog doživljaja. Problem sinhronizacije se rešava odgovarajućim tehnološkim postupcima tako da vreme prolaska zvučne informacije i vizuelne informacije, odnosno da vreme prolaska audio signala kroz sistem bude jednako vremenu prolasku signala slike kroz odgovarajuće sisteme obrade. Tada audio sistem koji prati vizuelne medije dobija proširenje, pa se njegova struktura sa slike 3.1 može prikazan kao na slici 4.14. Vreme prolaska kroz akustički deo sistema U ulaznom i izlaznom akustičkom okruženju brzina prostiranja zvučnih talasa je relativno mala u poređenju sa bruinama ostalih talasnih fenomena u elektrotehnici. Zato je to faktor koji može da utiče na brzinu rada audio sistema u celini. takve okolnosti se javljaju kad su veća rastojanja između izvora i mikrofona, odnosno zvučnika i slušaoca. Pozicije mikrofona su, po pravilu, bliske izvorima zvuka, pa se konačnost prolaska signala od izvora zvuka do mikrofona u svim uobičajenim okolnostima ne može primetiti ljudskim čulima. Međutim, postoje mnoge okolnosti primene audio sistema kada se


110

slušaoci nalaze na rastojanjima od zvučnika pri kojima je vreme putovanja signala kroz izlazno akustičko okruženje nezanemarljivo.

SISTEM AUDIO UREÐAJA

SINHRONIZACIJA SA DRUGIM MEDIJIMA

Slika 4.14 - Struktura audio sistema koji prati vizuelne medije

U oblasti video produkcije moguće su razne nepravilnosti u domenu sinhronizacije. Zbog jednostavnijeg signala procesi u audio domenu dešavaju se brže nego u domenu video signala. Često se u muzičkim spotovima koji se emituju na TV programima može primetiti da slika i zvuk nisu sinhronizovani. U procesu montaže, pogotovo ako su u pitanju veći kreativni zahtevi, obrada video signala je zahtevna jer je taj signal kompleksniji od audio signala, pa bilo kakva obrada zahteva izvesno vreme. Najšešće signal u procesu obrade prelazi u digitalni domen, gde se zadrži izvesno vreme zbog procesiranja, i zatim vraća u analogni oblik. Ta procedura dovodi do relativnog kašnjenja video signala u odnosu na audio, jer istovremeno audio signal prolazi praktično trenutno. Kao rezultat, snimak sadrži vremenski neusaglašene zvuk i sliku. Potrebno je imati uređaj za kašnjenje audio signala da bi se ovaj nedostatak sprečio. [to je obrada video signala kreativno zahtevnija, za njeno izvršavanje je potrebno duže vreme, pa je vremenska razlika prolaska signala slike i zvuka veća. Pažljivim gledanjem već razlika od jednog frejma može da se primeti, a vremenske razlike od dva frejma postaju jednostavno uočljive.

Karakterističan primer su audio sistemi za ozvučavanje. U okolnostima ozvučavanja velikih prostora vreme putovanja zvuka je značajan podatak i mora se uzimati u obzir. Poseban slučaj se javlja kada se koristi više prostorno razdvojenih zvučnika. Tada se dodatno pojavljuju razlike u vremenu prolaska zvuka od različitih zvučnika do slušaoca. Apsolutno vreme putovanja signala tada uglavnom nije od interesa, već vremensko usaglašavanje signala na mestu slušaoca. To je tema kojom se bavi ozvučavanje kao podoblast audiotehnike, a podešavanja se ostvaruju korišćenjem posebnih procesora (linije za kašnjenje) kojima je moguće uskladiti vremena stizanja signala do slušaoca. Vreme prolaska kroz električni deo sistema Savremeni tehnološki sistemi mogu stvoriti okolnosti da vreme prolaska audio signala kroz električni deo sistema ne mora uvek biti beskrajno kratko. Činjenica je da u savremenim sistemima vreme putovanja može biti toliko da postane dostupno ljudskim


111

čulima. Najbanalniji slučaj odstupanja javlja se kada se signal zapiše i odsluša posle više godina, ali to nije ovde tema. U okolnostima kada se u audio sistemu javlja više nego jedna putanja prolaska signala postoji problem njihove vremenske usaglašenosti na izlazu. Stoga sinhronizacija kao pojam nije isključivo problem povezivanja audio sistema sa vizuelnim medijima, već se pojavljuje i unutar jednog sistema, odnosno jednog medija. Karakterističan slučaj je, na primer, višekanalno snimanje. Tada se zahteva da signali svih kanala unutar audio sistema budu međusobno precizno vremenski usaglašeni, bez obzira na način njihovog beleženja. Generalizujući ovu vrstu problema u vremenskom domenu može se reći da se problem sinhronizacije uvek javlja kada se unutar audio sistema stvaraju paralelni putevi kojima se kreću zvučne informacije, odnosno kada se signali u sistemu razdvajaju ili umnožavaju. Danas, kada se audio signali prenose putevima računarskih mreža, problem sinhronizacije paralelnih tokova signala koji treba da stvaraju jedinstvenu zvučnu sliku može postati jedno od dominantnih tehničkih pitanja. Potrebna preciznost u tom procesu odrežena je mogućnostima čula sluha da percepira te vremenske razlike.

4.9 Upravljanje audio sistemom U svakom audio sistemu postoji potreba praćenja i kontrole audio signala u realnom vremenu tokom snimanja, obrade ili prenosa, a svakako pre nego što taj signal dođe do slušaoca. U tom procesu podrazumeva se kontrola veličine i raznih aspekata kvaliteta signala, kao što su: provera stereo slike, provera veličine amplituda signala, itd. Kontrola signala u audiotehnici naziva se monitoring. Kontrola kvaliteta zvučne slike koja se želi stvoriti kod slušaoca i njeno podešavanje vrši se u jednoj posebnoj grani audio sistema koja je označena na slici 4.15. Osim u nekim retkim okolnostima kada se koriste sistemi koji mogu automatski da održavaju audio signal u zadatim parametrima (automatske miksete), kontrolu signala obavlja čovek.


Slika 4.15 - Šematski prikaz mesta monitoringa u audio sistemu.

akusticko okruzenje monitoringa


112

Pojam monitoringa u audiotehnici ima dva značenja koja su međusobno prilično udaljena. Osim monitoringa kao kontrole audio signala pri upravljanju audio sistemom u realnom vremenu, monitoring se naziva i sistem ozvučavanja prostora bine da bi izvođači mogli da se međusobno čuju. U praksi se to realizuje posebnim zvučnicima koji se postavljaju ispred izvođača ili sa strane bine. U novije vreme se sve više koristi takozvani bežični monitoring, pri čemu se slušanje ostvaruje pomoću posebnih prijemnika i minijaturnih slušalica koje izvođači nose u uvu. Sticajem okolnosti za dva različita pojma koristi se ista reč.

Potrebe za kontrolom signala u audio sistemu mogu biti veoma različite. Može se reći da se signal kontroliše zbog: - evidencije prisustva signala u sistemu, - analiza tehničke ispravnosti signala (npr. otkrivanje pojave izobličenja), - analize subjektivnog kvaliteta sa aspekta estetike zvučne slike, - ujednačavanja nivoa signala zbog prilagođavanja krajnjem korisniku, - podešavanje nivoa signala koji odlazi u neki drugi sistem. Neki od pobrojanih razloga karakteristični su samo za specifične vrste audio sistema, a neki su uvek prisutni. Naravno da je u radu sa audio sistemom potrebno, pre svega, biti siguran da kroz njega uopšte prolazi signal, pa je evidencija prisutnosti signala osnovni razlog monitoringa. Ovo je posebno značajno u radiodifuziji, jer je izlaz iz sistema kod slušalaca, što znači nedostupan, pa se kontola vrši prevashodno zbog uvida da li postoji izlazni signal koji odlazi ka predajniku. U radio stanicama se za tu namenu često koristi poseban radio prijemnik, pa je predmet kontrole i emitovani signal, a ne samo signal koji izlazi is studija. Monitoring audio signala je potreban radi kontrole kvaliteta na svim nivoima informacija koje on nosi. U višekanalnim sistemima reprodukcije (stereo, surround) kontrolišu se prostorni parametri zvučne slike, ali i kvalitet pojedinačnih signala sa aspekta njihovih mogućih degradacija. Najzad, monitorig audio signala se vrši i zbog provere njihovog nivoa. U svim hardverskim elementima audio sistema prekomerne veličine signala povlače za sobom manja ili veća izobličenja. U tom smislu, najkritičniju su modulator predajnika, ulazi u A/D konvertore i slično. Kada se monitoring vrši u realnom vremenu postoje dva moguća pristupa. Prvi podrazumeva posebno dizajnirane merne instrumente koji se u žargonu nazivaju ″modulometri″. Drugi način je kontrola slušanjem, odnosno subjektivna kontrola koju vrši osoba koja upravlja audio sistemom slušajući reprodukovan signal. Činjenica je da se slušanje pri kontroli obavlja u nekakvom akustičkom okruženju koje uvek ima izvestan uticaj na ono što će se čuti. Zato se posebna pažnja obraća akustičkom dizajnu ovih prostora. Jasno je da se slušanjem reprodukovanog signala postiže kontrola signala u celini, a instrumentima se može pratiti samo nivo signala.

Interesantno je da terminologija u oblasti audiotehnike jednim svojim delom datira iz vremena kada je audio signal pravljen sa jedinom svrhom da ide na predajnik. Tada je nastao termin modulometar koji označaja instrument pomoću koga se vrši merenje signala za modulaciju predajnika, tj audio signala. U velikim radijskim kućama koje imaju dugačku tehničku tradiciju termin ″modulacija″ se koristi i danas kao sinonim za pojam audio signala.

AUDIO SISTEMI – Tema 5

82

5. ULAZNO AKUSTIČKO OKRUŽENJE I MIKROFONSKI KONCEPT 5.1

Uvod

U prethodnom poglavlju, na slici 4.1, pokazano je da početni deo audio sistema čini ulazno akustičko okruženje. U njemu su zvučne informacije predstavljene zvučnim pritiskom kao signalom. Karakteristike pritiska su određene ne samo ulaznim signalom koga generiše zvučni izvor, već i raznim fizičkim uticajima iz neposredne okoline koji određuju karakteristike zvučnog polja. Zbog toga je ulazno akustičko okruženje faktor koji značajno utiče na audio signal. U nekoj tački ulaznog akustičkog okruženja nalazi se mikrofon koji zvučni pritisak kao signal pretvara u njegov električni ekvivalent. Pojam mikrofonskog koncepta podrazumeva načina rada sa mikrofonima da bi se u nekom zadatom okruženju, uz sva akustička, fizička i druga nametnuta ograničenja, dobio električni signal odgovajućeg kvaliteta. To podrazumeva optimizaciju vrste mikrofona, koja će biti prilagođena akustičkim osobinama prostora u kome se koristi, i njegove pozicije u odnosu na izvor zvuka i prostor. Sve eventualne nedostatke registrovanog signala koji bi bili posledica prevelikog uticaja ulaznog akustičkog okruženja praktično je nemoguće otkloniti naknadno u ostalim delovima audio sistema, pogotovu ne u realnom vremenu. Zbog toga je razumevanje svih bitnih pojava u ovom početnom delu audio sistema i korišćenje mikrofona u njemu od velikog značaja u audio praksi.

5.2

Ulazni signal audio sistema

Na slici 3.1 označen je neki ulazni signal audio sistema s(t). Njegova fizička priroda u opisu sistema nije tada definisana jer se u svojoj suštini taj signal ne može u opštem slučaju jednoznačno odrediti. Po definiciji audio sistema s(t) je izvorni akustički signal, što znači da je to neka veličina direktno generisana zvučnim izvorom, i sa kojom je kodovana zvučna informacija upućena slušaocu. Da bi se bliže definisala priroda ovog signala potrebno je sagledati na koji način se sve može opsati rad zvučnog izvora. Osnovna veličina koja definiše rad zvučnog izvora je akustički protok q(t). On je po definiciji:

q (t ) = S v(t )

(5.1)


83

gde je v(t) brzina oscilovanja molekula na površini talasnog fronta koji se udaljava od izvora, a S površina talasnog fronta koji pri tome nastaje. Vidi se da akustički protok ima dimenziju (m3/s). Zbog toga se akustički protok često naziva zapreminska brzina. Druga osobina zvučnih izvora od značaja za audio signal je njihova usmerenost. Ona se iskazuje karakteristikom usmerenosti, što je po definiciji odnos zvučnog pritiska koga izvor stvara u nekom posmatranom pravcu i pritiska koga istovremeno stvara u pravcu usvojene ose. Uobičajeno je da se kao osa zvučnog izvora usvaja pravac njegovog maksimalnog zračenja. Karakteristika usmerenosti se u praksi uobičajeno crta u domenu nivoa zvuka, i tada predstavlja promenu nivoa zvuka, u decibelima, u funkciji ugla posmatrano u odnosu na nivo koga izvor stvara u pravcu svoje ose (videti napomenu u okviru).

Kod prikazivanja dijagrama usmerenosti u logaritamskoj razmeri, kada se usmerenost izražava u decibelima, oblik istog dijagrama se menja u zavisnosti od toga kako se odabere razmera duž polarne ose. Kao ilustracija ovih promena prikazan je jedan dijagram (to je kriva kardioide, karakteristična usmerenost za neke vrste mikrofona) nacrtan u tri različine razmere: - od 0 dB do -6 dB - od 0 dB do -20 dB i - od 0 dB do -50 dB. Vidi se značajna promena u opštem obliku dijagrama, iako je u pitanju ista kriva. U tom smislu treba biti obazriv u tumečanju usmerenosti. 90 1

90

120

0

60

120

60

0 -5

-1 -2

30

150

-4

30

150

-10

-3

-15

-5 -6

180

0

-20

180

0

-5 -15

-4 -3 -2

330

210

-1

-10

330

210

-5

0 1

240

300

240

0

300 270

270

90 0

120

60

-10 -20

30

150

-30 -40 -50

180

0

-40 -30 -20

330

210

-10 0

240

300 270


84

Usmerenost je, po definiciji, prostorna karakteristika definisana u čitavom prostornom uglu, ali se zbog jednostavnosti grafičkog prikazivanja ona uobičajeno predstavlja dijagramima usmerenosti datim u ravni. Takvi dijagrami predstavljaju preseke prostorne karakteristike usmerenosti sa nekim karakterističnim ravnima (horzontalna, vertikalna). Prirodni izvori zvuka mogu imati veoma različite oblike karakteristike usmerenosti Posebno značajne vrste izvora zvuka na početku audio sistema su ljudski glas i muzički instrumenti. Zbog njihovih realnih dimenzija uobičajeno je da im na niskim frekvencijama prostorna usmerenost bude slabije izražena, pa se mogu smatrati gotovo neusmerenim zvučnim izvorima. Na višim frekvencijama ovi izvori ispoljavaju izraženije oblike usmeravanja, često i sa specifičnim oblicima dijagrama usmerenosti. Kao ilustracija, na slici 51 prikazana je usmerenost zračenja dva klasična instrumenta: čela i trombona. Pokazane su karakteristike zračenja na niskim i visokim frekvencijama. Senčenjem je označen ugao zračenja definisan slabljenjem 3 dB u odnosu na maksimum.

Slika 5.1- Ilustracija usmerenosti muzičkih instrumenata na prieru čela i trombona: gore - na frekvenciji 500 Hz, dole - na frekvencijama višim od 2 kHz. Strelice pokazuju pravce u kojima se zvučni pritisak smanji za 3 dB u odnosu na maksimum.

Ilustracije sa slike 5.1 pokazuju nekoliko značajnih činjenica o muzičkim instrumentima kao prirodnim izvorima zvuka. Prvo, vidi se promena usmerenosti sa frekvencijama, pri čemu je ona veća na višim frekvencijama. Ovo je opšta odlika svih


85

zvučnih izvora, samo što je kod nekih to manje, a kod nekih više izraženo. Drugo, na primeru čela se vidi jedan specfičan fenomen karakterističan za neke instrumente: sa povišenjem frekvencije menja se pravac maksimalnog zračenja. Ta pojava je posledica složenih pojava u mehanizmu njihovog zračenja. Iz ovakvog ponašanja usmerenosti muzičkih instrumenata proizilazi i posebna teorija postavljanja mikrofona pri njihovom snimanju. Ta teorija je ugrađena u osnove snimateljskog zanata. U zavisnosti kako se postavi mikrofon u prostoru u odnosu na muzički instrument menja se i spektralni sadržaj zvuka, a to znači da se menja i boja zvuka, što zavisi od odnosa mikrofona prema pravcima maksimalnog zračenja i promenama tih pravaca po frekvencijama. Na osnovu toga su razvijena izvesna pravila za uobičajene postavke mikrofona, ali je to takođe i oblast koja pruža mogućnosti za stalno eksperimentisanje.

Na primeru usmerenosti muzičkih instrumenata može se definisati još jedna razlika između slušanja zvuka u sali i sa snimka. Mikrofon postavljen negde u neposrednoj blizini instrumenta registruje samo ono što je izračeno u tom pravcu, pa spektralni sadržaj signala zavisi od njegove pozicije u odnosu na pravce zračenja poput onih sa slike 5.1. Pri neposrednom slušanju u sali prostorija kroz svoj impulsni odziv integriše ukupnu energiju koju muzički instrument izrači na sve strane. Iz toga prizilazi da ne postoje bitne razlike u zvuku na različitim sedištima u prostoriji, ali i da može postojati velika razlika u načinu kako zvuči neki muzički instrument kada se sluša uživo i kada se sluša signal registrovan mikrofonom. Odgovarajućim postavljanjem mikrofona te razlike treba da se minimiziraju.

Direktan zvuk Direktan zvuk sadrži sve informacije koje je emitovao zvučni izvor, bez promena usled spoljašnjih uticaja iz akustičkog okruženja. Cilj postavljnja mikrofona je najčešće registrovanje direktnog zvuka radi daljeg prenosa kroz audio sistem. Promene u karakteristikama direktnog zvuka nastaju kao posledica slabljenja usled širenja talasnog fronta. Pri prostiranju kroz vazduh on podleže fizičkom zakonu opadanja energije talasa sa udaljavanjem od izvora, zbog čega se sa svakim udvostručavanjem rastojanja od izvora njegov nivo smanjuje za po 6 dB (zakon ″6 dB″). Uticaj disipacije u vazduhu na ukupan nivo zvuka primetan je samo na većim rastojanjima. Na manjim rastojanjima od zvučnog izvora, reda metara, ova pojava unosi slabljenje najviših frekvencija u odnosu na ostale komponente spektra zvuka, pa se uticaj disipacije manifestuje promenama obvojnice spektra. Prema tome, na rastojanjima na kojima se uobičajeno postavljaju mikrofoni pri snimanjima promene koje unosi disipacija uglavnom nisu značajne, pa zakon ″6 dB″ ima isključivi uticaj. Sa udaljavanjem mikrofona od izvora nivo direktnog zvuka koji deluje na njegovu membranu slabi po tom zakonu. Za slučaj tačkastog izvora zvuka ovo slabljenje je iskazano poznatim izrazom za intenzitet direktnog zvuka:

JD =

Pa 4π r 2

(5.2)

gde je Pa zvučna snaga izvora, a r rastojanje od izvora. Direktnom transformacijom ovog izraza može se preći na nivo direktnog zvuka:


86

LD = LW − 20 log(r ) − 11 [dB ]

(5.3)

gde je LW nivo snage zvučnog izvora u dB (re 10-12 W). Konstanta na kraju desne strane izraza potiče od člana 10 log (4π).

Interesantno je da drugi i treći član sa desne strane izraza (5.2) postaju jednaki po apsolutnoj vrednosti na rastojanju od oko 0,3 m (20 log 0,3 = 11). Ova dva člana se zbog suprotnih predznaka tada poništavaju, pa je kod neusmerenih zvučnih izvora na rastojanju 0,3 m nivo zvuka numerički jednak nivou zvučne snage. Važno je uočiti da je u pitanju samo numerička jednakost, a ne i suštinska.

Direktan zvuk usmerenih zvučnih izvora Prirodni zvučni izvori uobičajeno imaju neku svoju usmerenost zračenja i u okviru toga neku dominantnu osu zračenja. U zoni oko te ose zračenje izvora je jače nego u drugim pravcima. Nivo zvuka koga stvara usmereni izvor u pravcu ose viši je od vrednosti definisane izrazom (5.3), koji važi za tačkaste izvore, to jest izvore sa neusmerenim zračenjem. Na račun toga, u pravcima suprotnim osi zračenja nivo direktnog zvuka usmerenog izvora niži su od vrednosti utvrđene izrazom (5.3). Povećanje nivoa zvuka u osi zračenja izovra srazmerno je ukupnoj izraženosti pojave usmerenosti. Što je usmerenost veća, viši je nivo zvuka u odnosu na ono što bi se dobilo da je izvor neusmeren. U elektroakustici je pokazano da se usmerenost zvučnog izvora izražava veličinom koja se naziva faktor usmerenosti γ. Njegova vrednost je, po definiciji:

γ=

4π Ω Zeff

(5.4)

gde je ΩZeff efektivni prostorni ugao zračenja. Za neusmereni izvor γ = 1. Što je izvor usmereniji u svom zračenju to je vrednost njegovog faktora usmerenosti veća. Faktor usmerenosti ima svoj logaritamski ekvivalent koji se naziva indeks usmerenosti. Indeks usmerenosti je, po definiciji:

D = 10 log γ

(5.5)

Za neusmereni izvor zvuka indeks usmerenosti je 0 dB. Efekat zračenja usmerenog zvučnog izvora u pravcu njegove ose je ekvivalentan povećanju snage zračenja za faktor γ. Intenzitet zračenja takvog izvora u smeru ose je:

J0 = γ

Pa 4π r 2

(5.6)

gde Jo označava vrednost intenziteta u osi zračenja. Transformacijom ovoga izraza u logaritamsku formu dobija se da je nivo zvuka u pravcu ose:


87

L0 = Lw + D − 20 log r − 11dB

(5.7)

Kod zvučnih izvora kakvi su govornici, pevači i muzički instrumenti podrazumeva se da se mikrofon postavlja isključivo u zoni njihove ose zračenja. U takvim okolnostima sve što se izrači u drugim pravcima je ″bačena″ energija, pa podatak o ukupnoj zvučnoj snazi koju izvor razvija nije relevantan sa aspekta snimanja zvuka. Umesto toga, zračenje izvora se kvantifikuje podatkom o nivoima zvuka koje ostvaruje u zoni oko njegove ose. Uobičajeno se za takve zvučne izvore navodi podatak o nivou zvuka L1 koga on stvara u osi na jediničnom rastojanju r = 1 m. Zato je umesto izraza (5.7) za nivo direktnog zvuka koga stvara usmereni izvor u pravcu ose prikladniji izraz:

LD = L1 − 20 log(r ) [dB ]

(5.8)

gde je L1 izmereni nivo zvuka u osi na rastojanju 1 m. Ovaj podatak se u nekim praktičnim okolnostima može tretirati kao ulazni signal audio sistema umesti akustičkog protoka.

5.3

Struktura zvučnog polja u ulaznom akustičkom okruženju

Audio sistem počinje sa zvučnim izvorom koji generiše zvučne informacije. Izvor se uvek nalazi u nekom ulaznom akustičkom okruženju. U istom okruženju se nalazi i mikrofon koji, delovanjem zvučnog pritiska na membranu, na svom izlazu daje audio signal u njegovoj električnoj formi. Zbog toga se na ulazni elektični audio signal preslikavaju uticaji svih fizičkih zakona koji određuju strukturu zvučnog polja. Najčešći oblik akustičkog okruženja na ulazu u audio sistem je prostorija. Iz elektroakustike je poznato da pristup modelovanju zvučnog polja u prostorijama može biti različit, što zavisi, s jedne strane, od veličine prostorije u odnosu na talasnu dužinu zvuka, a sa druge od ciljeva i namene modela. Svi matematički modeli koji se danas koriste polaze od nekih početnih pretpostavki i ograničenja koja se uvode da bi model bio rešiv. Otida primena nekog od njih za analizu zvučnog polja u svakoj konkretnoj situaciji zavisi od ciljeva analize i fizičkih karakteristika prostora koji se modeluje. Nezavisno od matematičkog aparata, subjektivni aspekti percepcije zvuka dodatno unose svoje zahteve u izbor modela, ali unose i mogućnosti izvesnih pojednostavljivanja u postupcima analize. U prostorijama to pojednostavljenje, u opštem slučaju, znači razdvajanje zvučnog polja na tri komponente. To su: direktan zvuk, prve refleksije i ostatak reflektovanog zvuka koji sledi i koji je posledica procesa reverberacije. Ove tri komponente prikazane su šematski na slici 5.2. Glavni cilj registrovanja zvuka u ulaznom akustičkom okruženju je dobijanje signala direktnog zvuka i dovoljno potiskivanje ostalih komponenti odziva. Uticaj prvih refleksija se manifestuje kroz pojavu superponiranja sa direktnim zvukom, pori čemu posledice toga mogu imati čujne manifestacije. Intenzitet uticaja prvih refleksija je funkcija njihove relativne amplitude i relativnog kašnjenja u odnosu na direktan zvuk. Uticaj reverberacije je prevashodno kroz ukupnu energiju reflektovanih komponenti koja se zbirnim nazivom označava kao reflektovani zvuk, i koja u izvesnoj meri može da maskira delove direktnog zvuka. Nivo reflektovanog zvuka je približno konstantan u svim tačkama prostorije. Prema tome, prve refleksije menjaju spektralni sadržaj direktnog zvuka, a reverberacija maskira slabije komponente njegove energije,


88

pa je čitav rad u ulaznom akustičkom okruženju usmeren na dobijanje direktnog zvuka koji će biti dovoljno jači od prvih refleksija i energije reflektovanog zvuka.

Slika 5.2 - Principijelna struktura impulsnog odziva prostorije. Označen je direktan zvuk, prve refleksije i reverbracije koja obuhvata reflektovan zvuk.

direktan zvuk

nivo (dB)

prve refleksije

reverberacija

vreme

Uticaj jakih prvih refleksija u zvučnom polju U ulaznom akustičkom okružanju u tačku gde se nalazi mikrofon uvek stižu i neke brze refleksije koje se u vremenu izdvajaju iz celine reverberacije. Njihova pojava je u realnosti uvek prisutna, i nije vezana samo za prostorije. Čak i kada je ulazno akustičko okruženje potpuno otvoreni prostor javlja se refleksija od tla koja zajedno sa direktnim zvukom stiže do mikrofona. Uticaj takve refleksije se u prostorijama nekada izdvaja od uticaja ostalih mnogobrojnih reflektovanih komponenti koje sadri impulsni odziv prostorije i predstavljen je jednom fizičkom pojavom koja proizilazi iz talasne prirode zvuka: Sa aspekta audio signala to podrazumeva promene u spektralnom sadržaju zvuka (koloracija). Koloracija je rezultat superponiranja dve komponente između kojih postoji razlika u fazama. U zavisnosti od njihovih međusobnih faznih stavova i odnosa amplituda rezultat superponiranja može biti veća ili manja promena u spektru signala koji odlazi dalje kroz audio sistem. Na slici 5.3 šematski je prikazan jedan uobičajen slučaj nastanka koloracije zvuka usled superponiranja direktnog i jednog njegovog reflektovanog talasa. Takva okolnost postoji na otvorenom prostoru, ali se i mnogim u prostorijama pre celine reverberacije u odzivu javlja jedna ili više jakih prvih refleksija. Površina od koje se u prostorijama one mogu javiti su gornja ploča stola, površina govornice, pod bine, bliski zidovi i slično. Rezultat njihovog superponiranja sa direktnom talasom je pojava koja se u elektrotehnici naziva češljasti filtar ili ″komb″ filtar. Principijlni izgled njegove frekvencijske karakteristike je prikazan u ukviru na slici 5.3. Na svim frekvencijama na kojima je putna razlika između reflektovanog i direktnog talasa neparni umnožak polovine talasne dužine pojavljuje se slabljenje usled protivfaznog sabiranja. S obzirom da reflektovan talas prelazi duži put i eventualno gubi deo energije pri refleksiji, to slabljenje u praksi nikada nije potpuno poništavanje. Istovremeno, na frekvencijama na kojima je putna razlika celobrojni umnožak talasne


89

dužine (odnosno parni umnožak polovine talasne dužine) dolazi do povećanja usled sabiranja jer su tada dva talasa u fazi. Kao ukupni rezultat, spektar zvuka nakon superponiranja sa svojom refleksijom postaje izmenjen usled uticaja uticaja češljastog filtra.

frekvencija

frekvencija

Slika 5.3 - Pojava superponiranja direktnog talasa sa jakom refleksijom, što kao rezultat na mikrofonu daje promenu spektralnog sadržaja zvuka (″komb″ filtar).

Reflektovani zvuk Posmatrajući šematski prikaz impulsnog odziva prostorije sa slike 5.2 reflektovani zvuk čine sve komponente odziva koje stižu nakon direktnog zvuka i predstavljene su brojnim refleksijama. Reflektovane komponente odziva počinju da stižu nakon nekog kratkog vremenskog intervala iza direktnog zvuka. Ova interval vremena se naziva ″početni vremenski džep″. On je značajan za subjektivni doživljaj veličine prostora. Osim na samom početku odziva, svaka od njih se više puta reflektovala od raznih unutrašnjih površine prostorije. Strogo formalno, u reflektovani zvuk spadaju i prve refleksije, bez obzira što u praksi njihov uticaj ima drugu fizičku prirodu. Celina reflektovanog zvuka takođe sadrži zvučne informacije koje emituje izvor, ali zvučni talas pri svakoj refleksiji trpe frekvencijski zavisne energetske promene usled apsorpcije površina, a tokom vremena trpi i promene usled disipacije u vazduhu. Komponente reflektovanog zvuka karakteriše i vremensko kašnjenje koje je funkcija veličine i oblika prostorije. Zato u odzivu prostorije reflektovani zvuk za slušaoca prevashodno nosi informacije o prostoru. Na osnovu reflektovanog zvuka čulo sluha u ukupnoj zvučnoj slici može da prepozna ambijent u kome se nalazi zvučni izvor i mikrofon. Lako su prepoznatljive razlike u zvuku snimljenom na otvorenom prostoru, gde nema reverberacije, u običnoj sobi, u akustički obrađenom studiju, u kupatilu, pećini, itd. Uvežbano uvo ume da pomoću reflektovanog zvuka napravi razlike mežu zvukovima snimljenim u nekim karakterističnim salama. Budući da je pri snimanjima u ulaznom akustičkom okruženju značajan samo direktan zvuk kao osnovna informacija koju treba preneti slušaocu, sve ostale komponente odziva se u energetskom smislu posmatraju jedinstveno kroz podatak o ukupnom nivou reflektovanog zvuka. Njegova vrednost je rezultanta energetskog sabiranja svih komponenti odziva raznih amplituda i raznih vremenskih kašnjenja. Statistički model zvučnog polja u prostoriji pokazuje da ovaj nivo ne zavisi od prostornih


90

koordinata i ima istu vrednost u svim njenim tačkama, jer je broj sabiraka u toj sumi ekstremno veliki. Veliki broj komponenti minimizira eventualni uticaji talsanih pojava na ukupni rezultat sumerponiranja. Pojednostavljujući statistički model zvučnog polja u prostoriji, intenzitet reflektovanog zvuka je definisan izrazom: JR =

4 Pa 25 Pa T = A V

(5.9)

gde je Pa zvučna snaga izvora, A ukupna apsorpciona površina u prostoriji, T vreme reverberacije i V zapremina prostorije. Tansformacijom ovog izraza u njegov logaritamski oblik, kao što je učinjeno i za slučaj direktnog zvuka iz izraza (5.6) u (5.7), može se preći na ekvivalentni izraz za nivo reflektovanog zvuka. Tako je u prostoriji u kojoj radi zvučni izvor nivo reflektovanog zvuka definisan izrazom: V LR = LW − 10 log T

  + 14 [dB ] 

(5.10)

gde je LW nivo snage neusmerenog zvučnog izvora. Eventualna usmerenost zvučnog izvora nema uticaja na nivo reflektovanog zvuka, jer je energija refleksija koje se stiču u tački posmatranja i svojim zbirom daju vrednost intenziteta reflektovanog zvuka funkcija zračenja izvora u svim pravcima. Činjenica je da realne prostorije u manjoj ili većoj meri ne zadovoljavaju u potpunosti preduslove za primenu statističke teorije, a time i pokazanih izraza za reflektovan zvuk, ali je u inženjerskoj praksi ovaj Izraz dovoljno tačan u većini standardnih prostorija. Izrazi (5.9) i (5.10) pokazuju da nivo reflektovanog zvuka ne zavisi samo od nivoa zvučne snage izvora, već i od karakteristika prostorije. Od značaja su njene geometrijske dimenzije, iskazane kroz podatak o zapremini, i vreme reverberacije, odnosno vremenski interval u kome pristižu reflektovane komponente koje se sabiraju. Ambijentalna buka Nezavisno od rada korisnog zvučnog izvora, u svakom akustičkom okruženju uvek postoje razni ″parazitski″ zvukovi koji dolaze sa raznih strana i potiču od mnoštva zvučnih izvora iz bližeg i daljeg okruženja. Oni se nazivaju zbirnim imenom ambijentalna buka. Čak i u praznim prostorijama kroz njihove zidove, tavanicu, pod i eventualno neke ostavljene otvore u njih dospevaju razni zvukovi iz okoline. Zbog konačne vrednosti izolacione moći realnih građevinskih materijala svaki element površine koji ograničava prostoriju u koju dopire ambijentalna buka može se smatrati nezavisnim izvorom zvuka čije je zračenje nekoherentno sa ostalim. Broj takvih relativno nezavisnih izvora parazitskih zvukova u svakoj prostoriji može biti veliki. Jasno je da ukupni nivo ambijentalne buke u jednoj prostoriji zavisi od akustičkog kvaliteta pregradnih konstrukcija prostorije (zidovi, prozori, vrata itd.) i od zaptivenosti svih otvora koji postoje u pregradama. Postoje okolnosti kada se u samoj prostoriji mogu nalaziti neki zvučni izvori koji sa aspekta porocesa snimanja imaju karakter izvora buke. U studijskim prostorima to su najčešće sistem za klimatizaciju i ventilaciju, ali su mogući i drugi oblici zvučnih izvora (na primer ventilatori za hlađenje na raznim uređajima, poput računara). U svakoj tački prostorije nivo ambijentalne buke rezultat je energetskog sabiranja relativno velikog broja komponenti koje potiču iz raznih izvora i njihovih brojnih refleksija, pa je i vrednost nivoa ambijentalne buke po prostoriji konstantan, kao što je to slučaj sa reflektovanim zvukom koga stvara osnovni zvučni izvor prisutan u prostoriji. Prema tome,


91

sa aspekta delovanja na mikrofon, ambijentalna buka u fizičkom smislu ima sve odlike reflektovanog zvuka. Uniformnost nivoa zvuka je dodatno poboljšana delovanjem više nekoherentnih izvora. U mnogim okolnostima rada audio sistema moguće je utvrditi maksimalno prihvatljivu vrednost nivoa ambijentalne buke pri kome informacioni sadržaj direktnog zvuka neće biti ugrožen. Problemom smanjenja nivoa ambijentalne buke u unapred zadate gabarite bavi se oblast akustike koja se naziva zvučna zaštita. Ona je integralni deo oblasti koja se bavi dizajnom studijskih prostora i obrađena u posebnoj temi. Relativni odnosi komponenti zvučnog polja Direktan zvuk je određen jasno definisanim fizičkim zakonom slabljenja pri prostiranju, a statistička teorija zvučnog polja u prostorijama na relativno jednostavan način definiše polje reflektovanog zvuka . Na osnovu toga, na slici 5.4 grafički je prikazan relativno odnos nivoa direktnog zvuka, reflektovanog zvuka i ambijentalne buke u funkciji udaljenosti tačke u zvučnom polju od zvučnog izvora. Vidi se zakon opadanja nivoa direktnog zvuka, definisan izrazom (5.2) i konstantnost nivoa reflektovanog zvuka utvrđena izrazom (4.10). Ambijentalna buka takođe ima konstantan nivo po prostoriji. Apscisna osa, koja prikazuje rastojanje od izvora zvuka, prikazana je u logaritamskoj razmeri, što kao rezultat čini da je dijagram promene nivoa direktnog zvuka prava linija. U bilo kojoj tački prostora gde se postavi mikrofon u ukupnom nivou zvuka koji deluje na njegovu membranu uvek postoji komponenta nivoa direktnog zvuka (D), komponenta nivoa reflektovanog zvuka (R) i komponenta nivoa buke (B).

Slika 5.4 - Komponente zvučnog polja na mikrofonu u funkciji rastojanja mikrofona od izvora zvuka: direktan zvuk D, reflektovan zvuk R i ambijentalna buka B.

Na slici 5.4 vrednosti nivoa reflektovanog zvuka i ambijentalne buke postavljene su sasvim proizvoljno. Njihov relativni odnos u svakoj konkretnoj situaciji zavisi od okolnosti. Nivo reflektovanog zvuka u studijskim prostorima zavisi od obima primenjene akustičke obrade, a nivo ambijentalne buke od akustičkog kvaliteta građevinskih


92

pregrada koje uokviruju prostoriju kvaliteta zaptivanja svih otvora. U studijskim prostorima, zahvaljujući posebnim građevinskim i enterijerskim intervencijama, uobičajeno je da nivo buke bude znatno niži od nivoa reflektovanog zvuka, kao što je i naznačeno na slici. U običnim prostorijama na kojima su često prozori i vrata nedovoljnog akustičkog kvaliteta ili u kojima su prisutni i drugi izvori zvuka, nivo ambijentalne buke može biti viši od nivoa reflektovanog zvuka. Sa aspekta registrovanja zvuka nekog izvora u ulaznom akustičkom okruženju od značaja je međusobni odnos ove tri komponente zvučnog polja: nivoa njegovog direktnog zvuka, njegovog reflektovanog zvuka i ambijentalne buke. Međusobni odnos nivoa direktnog i reflektovanog zvuka (D/R), odnosno ambijentalne buke (D/B), zavisi od rastojanja mikrofona od izvora, kao što je označeno na slici 5.4. U delu prostora neposredno oko izvora komponenta direktnog zvuka po prirodi stvari energetski dominira. Na većim rastojanjima dominira reflektovani zvuk. Zbog toga se u svakoj tački ulaznog akustičkog okruženja može se utvrditi postojeći odnos direktan zvuk/reflektovan zvuk (D/R) i direktan zvuk/ambijentalna buka (D/B). Vrednosti tih odnosa na mestu mikrofona pokazuju u kojoj meri je ugrožena osnovna zvučna informacija koju emituje izvor a registruje mikrofon. Sa dijagrama na slici 5.4 se vidi da postoji neko rastojanje od izvora na kome komponenta direktnog i reflektovanog zvuka postaju jednake, što je na slici označeno sa rc. Ovo rastojanje se naziva ″poluprečnik zone direktnog zvuka″, a često se koristi i naziv ″kritično rastojanje″. Iz izraza (5.3) i (5.7) se vidi da kritično rastojanje ne zavisi od snage izvora zvuka, jer se njenom promenom jednako menjaju nivoi i direktnog i reflektovanog zvuka. Promenom nivoa snage izvora obe prave na slici transliraju se zajedno naviše ili naniže, ali se njihov relativni odnos ne menja, pa se ne menja ni rc. Promenom zvučne snage izvora menja se samo odnos ove dve komponente prema nivou ambijentalne buke. Zbog toga veličina kritičnog rastojanja predstavlja karakteristiku prostorije jer zavisi samo od njenih osobina, a ne i od izvora zvuka koji u njoj radi. Izraz koji definiše veličinu kritičnog rastojanja u nekoj prostoriji može se utvrditi na osnovu njegove osnovne definicije prema kojoj mora biti zadovoljen uslov: JD = JR

(5.11)

Polazeći od statističkog matematičkog modela zvučnog polja u prostoriji, uz izvesna zanemarivanja radi jednostavnosti, vrednost rc se može definisati izrazom: rc = 0,057

V T

(5.12)

gde je V zapremina prostorije, a T vreme reverberacije. Značaj veličine kritičnog rastojanja u prostorijama proizilazi iz činjenice da je osnovi zahtev pri registrovanju zvuka nekog izvora da na mikrofonu mora dominirati direktna komponenta zvuka. Izraz (5.12) pokazuje da kritično rastojanje zavisi od akustičkih (reko vremena reverberacije) i geometrijskih karakteristika prostorije (preko zapremine). Pri unapred zadatim dimenzijama prostorije veličina kritičnog rastojanja zavisi samo od rezultata akustičke obrade. Na veličinu rc utiče i usmerenost zvučnog izvora, jer ona povećava nivo direktnog zvuka u njegovoj osi u odnosu na slučaj neusmerenosti. Zbog toga će u pravcu ose zračenja usmerenog izvora kritično rastojanje biti veće od vrednosti definisane izrazom (5.12).


5.4

93

Mikrofonski signali

Osnovni cilj na početku prenosa zvučnih informacija audio sistemom je pretvaranje direktnog zvuka u odgovarajući električni signal. Sve komponente zvučnog polja koje su prikazane na slici 5.4 (D, R i B) preslikavaju se u izlazni signal mikrofona, pa se u ukupnom audio signalu na njegovom izlazu mogu prepoznati tri odgovarajuće komponente: signali direktnog zvuka, reflektovanog zvuka i buke. Suština problema postavke mikrofona u ulaznom akustičkom okruženju je da se postignu dovoljno velike vrednosti odnosa D/R i D/B u mikrofonskom signalu, a odnosi D/R i D/B u signalu su relevantni parametri koji pokazuju kvalitet onoga što je u datim uslovima mikrofonom registrovano. Sa slike 5.4 se vidi da odnosi D/R i D/B u mikrofonskom signalu principijelno zavise od toga koliko blizu izvora se nalazi mikrofon. To znači da se registrovanje reflektovanih komponenti impulsnog odziva sa slike 5.2 mora kontrolisati, odnosno redukovati u dovoljnoj meri. Termički šum mikrofona Prva tačka audio sistema nakon ulaznog akustičkog okruženja je mikrofon. Njegova specifičnost koja ga izdvaja od ostalih uređaja u audio sistemima je nizak nivo izlaznog signala. Ekvivalentna šema kola koje nastaje pri njegovom vezivanja u audio sistem odgovara šemi sa slike 3.13. Ista konfiguracija nastaje i kada se međusobno povežu bilo koja dva uređaja unutar audio sistema. Međutim, apsolutna vrednost šuma koji u realnim okolnostima nastaje dovoljno je manja od veličine signala linijskog nivoa. Zato se u najvećem broju slučajeva pojava šuma može zanemariti. Izuzetak mogu biti ulazi u neke digitalne uređaje gde rezolucija sa velikim brojem bita (npr 24 bita, što je postalo standard u studijskim aplikacijama) može nekad stvoriti uslove da signal termičkog šuma uđe u dinamički opseg sistema. Niski nivoi mikrofonskog signala čine da termički šum koji nastaje pri povezivanju mikrofona na ulazno kolo nije zanemarljiv. Za ilustraciju se može na jednom jednostavnom numeričkom primeru pokazati koliki u realnim okolnostima može biti nivo šuma. Ulazna otpornost pretpojačavača u kolu dinamičkih mikrofona je oko 1000 Oma, a njihova izlazna otpornost je relativno mala. Nivo šuma je tada približno:

N = −155 + 10 log1000 = −125 dBV

(5.13)

Dakle, dinamički opseg mikrofona određen je sa donje strane vrednošću nivoa sopstvenog šuma od oko −125 dBV. Gornja granica dinamičkog opsega mikrofonskog signala definisana je njegovom osetljivošću i veličinom maksimalne zvučne pobude. Nivo osetljivosti mikrofona se definiše izrazom:

20 log gde je

s s ref

[dB]

(5.14)

s - osetljivost posmatranog mikrofona, sref - usvojena referentna osetljivost koja je, po definiciji, jednaka 1 V/Pa.


94

Dakle, osetljivost mikrofona se utvrđuje poredeći je sa referentnim mikrofonom koji pri pobudi od 1 Pa (što odgovara nivou zvuka 94 dB) na izlazu daje efektivnu vrednost signala 1 V. Realne vrednosti osetljivosti dinamičkog mikrofona reda su veličine mV/Pa, što znači za tri reda veličine manje od osetljivosti tog referentnog mikrofona. Ako se pretpostavi da je osetljivost 3 mV/Pa, to odgovara nivou osetljivosti −55 dB. Sa ovoolikom osetljivošću zvučni pritisak 1 Pa ostvaruje na izlazu mikrofona nivo signala −55 dBV. Preslikavanje ulaznog nivoa zvuka u nivo izlaznog signala ilustrovan je na slici 5.5. Na istoj slici je označen i nivo njegovog sopstvenog termičkog šuma (pri otpornosti 1000 Oma) dobijen izrazom (5.13). Ovde pretpostavljena pobuda mikrofona zvukom čiji je nivo 94 dB jeste relativno jaka, dovoljno blizu njegovim maksimalnim mogućnostima, pa se ukupni dinamički opseg mikrofonskog signala u prvoj aproksimaciji može definisati rasponom između nivoa šuma, koji se pojavljuje na nivou oko −125 dBV, i označenog nivoa signala mikrofona na −55 dBV. Vidi se da je dinamički opseg koji preostaje između ove dve granice samo oko 70 dB.

Slika 5.5 - Ilustracija odnosa pobude mikrofona i mikrofonskog signala

Prema tome, termički šum je osnovni limitirajući faktor pri upotrebi mikrofona. On se ne može izbeći, može se samo minimizirati tako da ne bude značajan za koristan signal. Iz tih razloga vremenom su se ustalile relativno male otpornosti u mikrofonskim kolima, mada to nije i jedini razlog.

Ekvivalentni ulazni šum mikrofona Pokazano je da pri povezivanju mikrofona u audio sistemima jedan od ključnih limitirajućih faktora jeste termički šum. Ukupni korisni dinamički opseg signala u audio


95

sistemu limitiran je razlikom između signala koji se dobija na izlazu iz mikrofona i nivoa sopstvenog šuma. Pošto je frekvencijski opseg unapred zadat, a otpornost je diktirana i drugim uslovima a ne samo šumom, jedino što preostaje jeste da se mikrofoni postavljaju što bliže izvoru zvuka gde je nivo korisnog zvuka dovoljno visok. Time se ostvaruje potreban dinamički opseg.

U starim uređajima, kada upotrebljiv dinamiči opseg kućnih audio sistema nije bio veliki, veličina ulazne otpornosti nije se postavljala kao problem. Iz raznih razloga ona je bila reda desetina pa i stotina kilooma, bez ugrožavanja dinamičkog opsega termičkim šumom jer je taj opseg ionako bio relativno mali. Vremenom je, sa porastom zahteva u odnosu na dinamički opseg vrednost otpornosti u ulaznim kolima svedena na dovoljno male vrednosti.

Na primer, ako se mikrofon odmakne na rastojanje 1 m od govornika, gde su srednji nivoi glasnog govora nešto preko 70 dB (obično se usvaja da je na tom rastojanju nivo koga stvara govornik oko 74 dB, jer odgovara pritisku vrednosti 0,1 Pa), onda je veličina raspoloživog dinamičkog opsega do margine termičkog šuma iz pokazanog primera smanjuje na samo 55 dB. Ako se taj signal iz nekih razloga pojačava, teremički šum će uvek ostati na 50 dB ispod nivoa govornog signala, pa će i svi drugi prisutni signali biti njime limitirani. To nesumnjivo predstavlja drastičnu degradaciju u odnosu na teorijske mogućnosti uređaja. Sopstveni termički šum pojavljuje se kao da na mikrofon deluje nekakva ekvivalentna spoljašnja buka spektralnih svojstava belog šuma. Zbog toga je na slici 5.5 nivo šuma sa skale mikrofonskog signala preslikan unazad na skalu nivoa zvuka. Vidi se da je nivo ove ekvivalentne pobude u posmatranom numeričkom primeru 24 dB. To znači da se na izlazu mikrofona javlja signal koji se može shvatiti kao da na njega deluje ekvivalentno zvučno polje nivoa 24 dB. Prema tome, termički šum određuje najtiši zvuk koga mikrofon može registrovati, odnosno definiše njegov prag osetljivosti. Taj prag se naziva ″ekvivalentni ulazni šum″ i u literaturi se označava skraćenicom EIN (ekvivalent input noise) ili LEIN. U kataloškim podacima mikrofona, između ostalog, navodi se uvek i ovaj podatak. U posmatranom numeričkom primeru EIN = 24 dB. Vrednost EIN je u zadatim uslovima ulaznog kola funkcija osetljivosti mikrofona. Veća osetljivost mikrofona omogućava niži ekvivalentni šum. Jeftiniji mikrofoni elektret tipa, kakvi se koriste uz računare ili u diktafonima, mogu imati ekvivalentni nivo šuma 3040 dB, pa i više. Vrhunski studijski mikrofoni mogu imati EIN oko 10 dB. Postoje posebne konstrukcije mernih mikrofona kod kojih je njegova vrednost EIN ispod 0 dB, i koji zahvaljujući tome omogućavaju merenje nivoa zvuka ispod granice čujnosti. Zbog nelinearnosti karakteristike čula sluha sopstveni šum mikrofona se često meri uz ponderisanje ″A″ karakteristikom, što podrazumeva da se pri merenju nivoa ekvivalentnog šuma vrši odgovarajuće obaranje niskih i visokih frekvencija ″A″ filtrom (videti karakteristiku ″A″ filtra prikazanu u temi 2). Tada se vrednost EIN izražava u dBA, što uvek daje niže vrednosti od podatka određenog linearnim merenjem. Merenje sa ponderisanjem relevantnije je za subjektivni doživljaj sopstvenog šuma mikrofona. Prema tome, osim reflektovanog zvuka i signala buke, u signalu na izlazu mikrofona postoji i komponenta sopstvenog šuma. Čak i kada nema reflektovanog zvuka, što je slučaj na otvorenom prostoru ili u veoma dobro akustički obrađenom studiju, i kada je ambijentalna buka zanemarljiva, što je slučaj u dobro izolovanim studijskim prostorima (ukratko: kada nema R i B komponente signala), ostaje nivo sopstvenog šuma mikrofona. Tada je koristan dinamički opseg definisan samo nivoom


96

EIN, koji ne zavisi od položaja mikrofona. Pri snimanjima sa mikrofonom na većim rastojanjima od izvora zvuka, sopstveni šum može postati čujan pri reprodukciji tog signala jer, kao što se vidi na slici 5.5, dinamički opseg je ograničen odnosom direktnog zvuka i EIN. U mnogim okolnostima snimanja slabih zvukova sa mikrofonima nedovoljne osetljivosti može se u snimku čuti ovaj šum. Na slici 5.5 označene su i promene koje nastaju povećavanjem ili smanjivanjem osetljivosti mikrofona. Očigledno je da pri povezivanju mikrofona u audio sistemima termički šum predstavlja jedan od ključnih limitirajućih faktora. Ukupni korisni dinamički opseg signala u audio sistemu limitiran je razlikom između signala koji se dobija na izlazu iz mikrofona i nivoa sopstvenog šuma. Termički šum se ne može izbeći, može se samo minimizirati tako da ne bude značajan za koristan signal. Sa slike 5.5 se vidi da se u okolnostima fiksne konfiguracije ulaznog mikrofonskog kola smanjenje EIN postiže samo povećavanjem osetljivosti mikrofona. Pošto je frekvencijski opseg unapred zadat, a otpornost u ulaznom kolu je diktirana i drugim uslovima, pri zadatoj osetljivosti mikrofona jedino što preostaje jeste da se, u skladu sa dijagramom sa slike 5.6, mikrofoni postavljaju što bliže izvoru zvuka gde je nivo korisnog zvuka dovoljno visok.

Slika 5.6 - Odnos nivoa signala direktnog zvuka i EIN

rm

Uticaj usmerenosti mikrofona Ako je zvučno polje u prostoriji dovoljno difuzno, raspodela verovatnoća nailaska refleksija približno je uniformna po pravcima. Tada su svi pravci nailaska energije komponenti reflektovanog zvuka na mikrofon podjednako verovatni, pa energija reflektovanog zvuka i ambijentalne buke, koje daju R i B komponentu mikrofonskog signala, nailazi na mikrofon sa svih strana, odnosno iz čitavog prostora. Ako se prostorna karakteristika osetljivosti mikrofona na neki način usmeri, jasno je da će to uticati na smanjenje veličine signala reflektovanog zvuka i buke. Bolje rečeno, jedan deo energije reflektovanog zvuka biće potisnut uprocesu pretvaranja zvučnog pritiska u električni signal. Ova pojava je simbolički prikazana na slici 5.7, gde je pretpostavljena neka usmerenost mikrofona a zvučna energija dospeva na mikrofon uniformno sa svih strana. Istovremeno, dok god se izvor zvuka nalazi u osi mikrofona signal direktnog zvuka ostaje nepromenjen.


97

Slika 5.7 - Ilustracija uz opis uticaja usmerenosti mikrofona na potiskivanje reflektovanog zvuka i ambijentalne buke u difuznom polju. Prikazana je kardioidna karakteristika usmerenosti.

Zbog realnih problema sa reflektovanim zvukom i ambijentalnom bukom neusmereni mirofoni se mogu koristiti samo u retkim okolnostima. Ta mogućnost postoji samo u veoma dobro obrađenim studijskim prostorima i salama gde je nivo reflektovanog zvuka i ambijentalne buke dovoljno nizak. Neusmereni mikrofoni se takođe koriste za akustička merenja, gde se druge vrste mikrofona ne koriste. Sve druge okolnosti upotrebe mikrofona po pravilu podrazumevaju izbor nekog usmerenog mikrofona.

Prema tome, posmatrano relativno u odnosu na neusmereni (presioni) mikrofon jednake osetljivosti, usmereni mikrofon će ispoljiti povećanje odnosa D/R i D/B u signalu na njegovom izlazu. Dobitak u potiskivanju difuznih komponenti polja koji se ostvaruje usmerenim mikrofonom zavisi od prostornog oblika usmerenosti. Što je usmerenost mikrofona veća, to je relativno smanjenje reflektovanog zvuka i buke u signalu veće. Ova osobina se iskazuje parametrom koji se naziva efikasnost u difuznom polju (REE Random Energy Efficiency) i izražava se u decibelima. REE pokazuje za koliko se decibela relativno smanjuje nivo signala zvukova čija energija iz prostora uniformno nailazi na mikrofon, poput buke i reflektovanog zvuka, u odnosu na signal koji bi registrovao neusmereni mikrofon iste osetljivosti. Sa slike 5.7 je jasno da veća usmerenost povlači za sobom veću vrednost REE. Drugi način da se označi isto svojstvo usmerenih mikrofona je veličina koja se u literaturi naziva faktor distance (FD). On pokazuje koliko puta se može povećati rastojanje usmerenog mikrofona od izvora u odnosu na rastojanje neusmerenog mikrofona iste osetljivosti, pa da odnos D/R na njihovim izlazima bude isti. Na slici 5.8 ilustrovan je fizički smisao parametara REE i FD. Na izlazu usmerenog mikrofona nivo signala reflektovanog zvuka (R') će biti niži od nivoa istog signala na izlazu neusmerenog mikrofona (R). Vrednost efikasnosti u difuznom polju (REE) pokazuje veličinu tog smanjenja. Faktor distance (FD) pokazuje veličinu sa kojom se množi rastojanje usmerenog mikrofona od izvora pri kome su odnosi signala isti. Ovo pocvećanje rastojanja je pokazano na primeru povećanja kritičnog rastojanja usmerenog mikrofona na kome bi signali direktog i reflektovanog zvuka bili jednaki. Očigledno je da se ostvarivanje traženog odnosa D/R ili D/B u mikrofonskom signalu postiže odgovarajućom kombinacijom udaljenosti mikrofona od izvora i njegove. Optimalna kombinacija ova dva faktora zavisi od neposrednih okolnosti.


98

Slika 5.8 - Ilustracija značaja REE i FD u mikrofonskom signalu

Standardni oblici usmerenosti mikrofona U tabeli 5.1 prikazani su standardni oblici usmerenosti mikrofona koje se najšire primenjuju i koje su zastupljene kod najvećeg broja mikrofona dostupnih na tržištu. To su dvokružna (dvosmerna), kardioidna (jednosmerna), hioperkardioidna i superkardioidna karakteristika usmerenosti. Standardni oblici usmerenosti proizilaze iz akustičke podele mokrofona, odnosno od načina interakcije zvučnog polja i njihove membrane. Sa prikazanih dijagrama se vidi da se tri varijante kardioidne usmerenosti međusobno razlikuju u dva detalja: po širini glavne petlje oko ose mikrofona i po obliku usmerenosti u pravcu 180o, to jest u smeru suprotnom od njegove ose. Obična kardioida ima nulu osetljivosti sa svoje zadnje strane (smer definsan uglom 180o). Zbog toga se mikrofoni sa ovakvom usmerenošću često nazivaju ″jednosmerni mikrofoni″. Superkardioidna i hiperkardioidna usmerenost imaju užu glavnu petlju usmerenosti u pravcu ose, ali istovremeno mikrofon u suprotnom smeru od ose umesto nule ima neku osetljivost definisanu malim petljama u zadnjem poluprostoru. Oblici svake od ovih usmerenostu prikazani su u tabeli 5.1, paralelno nacrtani u linearnoj i logaritamskoj razmeri. U poslednjoj koloni tabele upisane su odgovarajuće vrednosti REE i FD. Vidi se da je kod ovih standardnih oblika usmerenosti dobitak u potiskivanju nivoa ambijentalne buke i nivoa reflektovanog zvuka, odnosno u povećanju odnosa D/R i D/R, nalazi u opsegu vrednosti REE do 6 dB. to odgovra opsegu vrednosti faktora distance do 2. Treba ovde obratiti pažnju na razlike u oblicima usmerenosti kada su nacrtani u linearnoj i logaritamskoj razmeri. Takođe treba imati u vidu da oblik dijagrama usmerenosti, kada je prikazan u logaritamskoj razmeri, može u izvesnoj meri da menja svoju formu u zavisnosti od razmere na osi, što je već objašnjeno na primeru usmerenosti zvučnih izvora. Na slikama iz tabele 5.1 raspon je 30 dB. Promena ove vrednosti povlači za sobom promenu oblika dijagrama, iako se karakteristika mirofona ne menja. Ovo je posebno važno kada se međusobno upoređuju usmerenosti raznih mikrofona, jer je to moguće samo ako su crteži istih razmera.


99

Tabela 5.1 - Oblici standardnih usmerenosti mikrofona i efikasnosti u difuznom polju i faktor distance koje ostvaruju usmerenost

dijagram u linarnoj razmeri

dijagram u log. razmeri

0 330

0 330

30

30

-10 dB

300

300

60

60 -20 dB

dvokružna (figure eight)

270

90

240

270

240

120

210

90

REE=4,8 dB FD=1,73

90

REE=6 dB FD=2

90

REE=5,7 dB FD=1,93

150 180

180 0 330

REE=4,8 dB FD=1,73

120

210

150

90

0 30

330

30

-10 dB 300

60

300

60 -20 dB

kardioidna

270

90

240

270

120

210

240

150

120

210

180 0 330

150 180 0

330

30

30

-10 dB

300

300

60

60 -20 dB

hiperkardioidna

270

90

240

270

240

120

210

120

210

150

330

150 180 0

180 0 330

30

30

-10 dB

300

300

60

60 -20 dB

superkardioidna

270

90

240

120

210

150 180

270

240

120

210

150 180


100

Konstrukcije mikrofona velike usmerenosti Oblici usmerenosti koji se ostvaruju standardnim mikrofonima, prikazanim u tabeli 5.1, u nekim okolnostima koje mogu nastupiti pri raznim snimanjima nisu dovoljni za adekvatno potiskivanje ambijentalne buke i reflektovanog zvuka. Najčešće se takve okolnosti javljaju pri snimanjima u bučnim ambijentima ili u okolnostima kada mikrofon ne sme da bude vidljiv (filmska snimanja). Zbog toga se u audiotehnici koriste i specijalne konstrukcije mikrofona, bolje rečeno mikrofonski sistemi, koji ostvaruju usmerenost veću od standardnih usmerenih mikrofona. Postoje tri moguća načina za realizaciju mikrofonskih sistema velike usmerenosti. To su: - mikrofon sa talasovodom, - mikrofon sa paraboličnim reflektorom i - mikrofonski niz. Mikrofon sa talasovodom je danas u najširoj upotrebi pri raznim vrstama snimanja. Princip njegovog rada je ilustrovan šematski na slici 5.9. Osnovu mikrofona čini jedna metalna cev (talasovod) zatvorena sa obe strane, pri čemu se na jednom njenom kraju nalazi pretvarač, odnosno mikrofonska kapisla. Čitavom dužinom jedne svoje strane cev je perforirana, tako da zvuk može kroz otvore iz spoljašnje sredine da ulazi u unutrašnjost cevi. Kada se ovakva konstrukcija izloži zvučnom talasu, kroz svaki od otvora u cev prodire jedan deo energije. Na taj način se u unutrašnjosti cevi na membrani pretvarača stiču komponente zvuka koje u nju ulaze kroz veliki broj prostorno razdvojenih puteva. Na slici su simbolički prikazane komponente koje ulaze u cev kroz prve i poslednje otvore u nizu.

Slika 5.9 - Šematski prikaz mikrofona sa talasovodom (″mikrofonska puška″)

U zavisnosti od ugla nailaska talasa na cev, putanje komponenti energije koje do pretvarača dospevaju kroz različite otvore mogu biti različite. Na slici su šematski prikazana dva slučaja: kada je pobuda zvučnim talasom u osi sistema i pod uglom 90o u odnosu na osu. Kada talas nailazi u osi sistema sve komponente koje prolaze kroz otvore i stižu do pretvarača su međusobno u fazi jer do pretvarača prelaze isti put. Zbog toga je one sabiraju na membrani mikrofonske kapisle i odziv je maksimalan. Za razliku od ovakvog slučaja, kada zvučni talas nailazi pod nekim uglom u odnosu na osu cevi među komponentama koje se sabiraju na membrani javljaju se manje ili veće fazne razlike. U označenom slučaju nailaska talasa pod uglom od 90o u odnosu na osu cevi putna razlika među komponentama koje dopevaju kroz otvore ima rezultantu na membrani koja je manja od slučaja kada zvuk nailaska u osi jer dolazi do izvesnog poništavanja. Jasno je da su najveće fazne razlike, a time i najveća poništavanja, kada zvuk nailazi pod uglom 180o u odnosu na osu sistema.


101

Jedna realizacija ovakvog mikrofona prikazna je na slici 5.10. Vidi se da su kod ovog modela na poziciji otvora izvedeni zarezi. To je uobičajeni tehnološki način izvođenja otvora na cevi mikfrofona sa talasovodom. Rezultat superponiranja na membrani, odnosno veličina poništavanja u okolnostima kad talas nailazi u pravcu izvan ose sistema, zavisi od ukupne dužine cevi. Usmerenost ovakvog mikrofona zavisi od odnosa dužine cevi l i talasne dužine λ (l/λ). Zbog toga kod takvih mikrofona usmerenost se povećava sa frekvencijom. Na slici 4.8 prikazana je usmerenost jednog mikrofona sa talasovodom čija je ukupna dužina oko 25 cm. Vidi se sužavanje krive usmerenosti sa porastom frekvencija. Iz istih razloga sistemi sa dužom cevi imaju veću usmerenost i obrnuto. Na tržištu se mogu naći proizvodi čija je ukupna dužina nekoliko desetina santimetara, ali ima modela dužine veće od 0,5 m. Zbog svog izgleda ova vrsta mikrofonskih sistema se naziva ″puška mikrofon″ (gun microphone) ili samo ″puška″. Zbog svoje usmerenosti standardno se koriste za snimanje sa većih distanci (razgovor na ulici u uslovima visokog nivoa buke, pozorišne predstave kasa se mikrofoni nalaze u prvom redu publike, snimanje dijaloga na filmu, itd.). Izborom mikrofona adekvatne dužine može se odabrati usmerenost koja odgovara okolnostima.

Slika 5.10 - Izgled jednog usmerenog mikrofona sa talasovodom, takozvani ″puška″ mikrofon (mikrofon je postavljen na stalak pomoću posebnog antivibracionog držača).

Slika 5.11 - Izgled usmerenosti jednog mikrofona sa talasovodom dužine 25 cm. .


102

Kroz istoriju su bili korišćene i modifikacije sistema sa talasovodom. U tom smislu, karakterističan je sistem sa više cevi, kao što je prikazan na slici. Fazno slaganje, odnosno neslaganje kod njega je ostvarivano nakon prolaska zvuka kroz nekoliko cevi postavljenih paralelno. U svemu drugom princip rada je isti kao i kod opisanog mikrofona sa jednom cevi i otvorima. Ovakav tip mikrofona danas se više ne nalazi u proizvodnji.

Princip rada mikrofonskog sistema sa paraboličnim reflektorom je identičan dobro poznatim antenskim sistemima sa reflektorom. Njegov šematski prikaz je dat na slici 5.12. Činjenica je da svaki reflektor ima tu funkciju samo na frekvencijama na kojima je talasna dužina dovoljno mala u odnosu na njegov prečnik. To znači da na najnižim čujnim frekvencijama, odnosno za velike talasne dužine, ovakav sistem ne može postići usmerenost, i za to bi bilo neophodno da ima izuzetno velike dimenzije reflektora. Mikrofon sa paraboličnim reflektorom kao sistem velike usmerenosti ranije je bio u široj upotrebi, a danas se retko može sresti u ponudi proizvođača. Oni imaju neke imanentne nedostatke zbog kojih se danas retko koriste. Velika površina reflektora uzrokuje pojavu sile koju stvara vetar, pa se na vetru sa njim otežano manipuliše. Poželjno je da reflektor bude od dovoljno masivnog materijala da bi se zvuk od njega reflektovao, a ne prolazio kroz njega, a istovremeno masivnost reflektora je ograničena praktičnim razlozima ograničenja težine sistema. Najzad, zbog svojih dimenzija nije jednostavan za transport.

Slika 5.12 -Šematski prikaz mikrofona sa paraboličnim reflektorom.

Mikrofonski nizovi imaju sistem rada sličan opisanim sistemima sa talasovodom, jer se usmerenost ostvaruje superponiranjem više komponenti koje su u fazi kada zvučni talas iz udaljenog izvora nailazi u osi sistema, a fazno se razlikuju kada talas nailazi iz pravca van ose. Šematski prikaz koncepta rada mikrofoskog niza prikazan je na slici 5.13. Razlika u odnosu na sistem sa talasovodom je u tome što se kod mikrofonskog niza više komponenti signala dobija postavljanjem većeg broja mikrofona poređanih u


103

jednom nizu, a superponiranje se ostvaruje u električnom domenu sa mikrofonskim signalima na kolu za sabiranje. Izlaz mikrofonskog sistema je izlaz kola za sabiranje. Pri svakom odstupanju pravca nailaska zvučnog talasa od ose sistema rezultantni signal na izlazu je manji od signala u osi jer se zbog kašnjenja između mikrofonskih signala pojavljuju fazne razlike.

osa sistema

Slika 5.13 - Šematski prikaz rada mikrofonskog niza

+ izlaz

Za razliku od ostalih vrsta usmerenih mikrofona kod kojih je prostorna forma usmerenosti osno simetrična, pri čemu se osa simetrije poklapa sa osom mikrofona, usmerenost mikrofonskog niza je osno simetrična oko prave duž koje su raspoređeni mikrofoni. Zbog toga je njegova maksimalna osetljivost definisana u ravni koja je normalna na mikrofonski niz. Mikrofonski niz svojom koncepcijom omogućava da mu se menja pravac maksimalne osetljivosti, to jest pravac ose sistema, a da se pri tome u njemu ništa fizički ne pomera. To je moguće uvođenjem posebnog selektivnog kašnjenja pojedinačnih mikrofonskih signala sa ciljem da se postigne njihova faznost kada zvuk nailazi iz nekog željenog pravca. Na taj način se uvodi mogućnost da sistem radi sa promenljivom usmerenošću, pri čemu se ta promena realizuje kontrolom pojedinačnih kašnjenja mikrofonskih signala, što znači iz električnog domena. Na tržištu se ovakvi sistemi mogu naći kao proizvod, najčešće namenjen konferencijskim sistemima. Efekat blizine Mikrofoni čija konstrukcija podrazumeva uticaj zvučnog pritiska sa obe strane njegove membrane (gradijentni, to jest dvokružni, i kombinovani, to jest kardioidni) ispoljavaju jednu specifičnu osobinu koja se naziva ″efekat blizine″. Pod tim se podrazmeva da mikrofon menja svoj frekvencijski odziv kada se menja njegovo rastojanje od izvora, pri čemu je ta promena veoma izražena i samerljiva, odnosno čujna, na malim distancama. Promena frekvencijskog odziva se manifestuje relativnim izdizanjem signala nižih frekvencija. Efekat blizine je principijelno ilustrovan na slici 5.14. Nastanak ove pojave može se objasniti šemom mikrofonske membrane gradijentnog mikrofona prikazane na slici 5.15. Kretanje membrane je određeno rezultantom pritisaka koji deluju sa prednje i zadnje strane. Kada je zvučni izvor dovoljno daleko od mikrofona, ne postoji amplitudska razlika pritisaka p1 i p1 jer je produženje putanje zvuka koji stiže do zadnje strane membrane zanemarljivo u odnosu na ukupni


104

pređeni put od izvora. Razlika u pritiscima koji deluju sa prednje i zadnje strane membrane funkcija je isključivo fazne razlike među njima, koja je, kao što se vidi, veća na visokim frekvencijama nego na niskim. Međutim, kada se mikrofon približi veoma blizu zvučnog izvora, onda obilazak zvučnog talasa oko membrane čini nezanemarljivom putnu razliku talasa do prednje i zadnje strane membrane, pa se pored fazne javlja i amplitudska razlika među pritiscima p1 i p1. Tako je rezultanta koja deluje na membranu i određuje njeno kretanje funkcija i fazne i amplitudske razlike ova dva pritiska.

u blizini izvora

Slika 5.14 - Principijelni prikaz efekta blizine, koji se manifestuje relativnim izdizanjem frekvencijske karakteristike na nižim frekvencijama

daleko od izvora

frekvencija

p1

p2

Slika 5.15 - Šematski prikaz membrane gradijentnog mikrofona na koju polje deluje sa obe strane.

Na niskim frekvencijama fazna razlika je numerički gledano mala, pa razlika amplituda pritisaka p1 i p1 kada je mikrofon blizu izvora značajna za rezultantno kretanje membrane. Na visokim frekvencijama numerička vrednost fazne razlike je velika, pa je pojava razlike u amplitudama pritisaka manje-više zanemarljiva pojava. Zbog toga se promena u odzivu može primetiti samo na nižim frekvencijama. Objašnjenje nastanka efekta blizine može se ilustrovati i fazorski, što je prikazano na slici 5.16. U slučaju udaljenog izvora razlika pritisaka koja stvara silu na membrani definisana je na slici 5.16a. Vidi se uticaj veličine fazne razlike na niskim (levo) i visokim frekvencijama (desno). Za slučaj kada je mikrofon blizu izvora fazorski dijagrami su prikazani na slici 5.16.b. Oni pokazuju da je na niskim frekvencijama zbog razlike amplituda pritisaka relativna promena rezultante veća nego na visokim frekvencijama. Zbog toja je pojava primetna samo u oblasti niskih frekvencija. Na slici 5.17 prikazana je promena u frekvencijskoj karakteristici usped efekta blizine kakva se javlja na jednom realnom mikrofonu. Prikazana je njegova frekvencijska karakteristika za nekoliko različitih udaljenosti od izvora. Vidi se da je za veoma blisku poziciju mikrofona (rastojanje 3 mm) relativno izdizanje karakteristike na niskim frekvencijska, u oblasti oko 200 Hz, nešto veće od 10 dB. Istovremeno, na frekvencijama iznad 1 kHz karakteristika ne zavisi od rastojanja. Na tržištu postoje mikrofoni koji su napravljeni da se isključivo koriste na pozicijama veoma bliskim zvučnim izvorima. Tako postoje mikrofone za pevače, koji se uobičajeno drže neposredno ispred usta, što skoro odgovara gornjoj krivoj sa slike 4.14.


105

Kod takvih specijalizovanih mikrofona za pevanje ugrađuje se kolo za frekvencijsku kompenzaciju porasta osetljivosti na niskim frekvencijama, čime se dobija linearna karakteristika kada je mikrofon u neposrednoj blizini izvora.

p

1

p

p

1

p

2

1

p

p

2

p

2

2

b)

a)

Slika 5.16 - Vektorski prikaz efekta blizine: razlika pritisaka na membrani u slučaju dalekog izvora (a) i bliskog izvora (b). U oba slučaja dijagram za niske frekvencije je levo, a za visoke frekvencije desno. 15 0,3 cm

relativni nivo (dB)

10

2,5 cm

5

5 cm

0 -5

60 cm

-10 -15 -20

100

1000

10000

frekvencija (Hz) Slika 5.17 - Odziv jednog realnog mikrofona pri raznim rastojanjima od izvora (mikrofon SHURE model Beta 57)

MIkrofoni sa potiskivanjem buke Efekat blizine koji je prikazan na slici 5.17 stvara mogućnost da se sam mikrofon iskoristi za izvesno potiskivanje ambijentalne buke koja okružuje onoga ko taj mikrofon koristi za govor ili pevanje. Naime, ako se nekim posebno dizajniranim električnim korektorskim kolom izvrši kompenzacija izdizanja frekvencijske karakteristike mikrofona koje se javlja kada je izvor zvuka u njegovoj neposrednoj blizini, istovremeno se vrši isto takvo potiskivanje u frekvencijskoj karakteristici za signale koji dolaze od udaljenih izvora. Linearizacija karakteristike za bliski izvor povlači za sobom potiskivanje niskih frekvencija u zvuku dalekih izvora. Ambijentalna buka u svim sredinama ima osobinu da je njen spektar monotono opadajući, odnosno u njemu dominiraju niske frekvencije. Takva osobina buke u čovekovom okruženju posledica je frekvencijske zavisnosti svih fizičkih pojava koje utiču na slabljenje zvuka pri prostiranju (disipacija u vazduhu, difrakcija, izolacija građevinskih pregrada). Uvek je slabljenje zvučnog talasa na višim frekvencijama veće od slabljenja na niskim frekvencijama. Zbog toga svako potiskivanje ambijentalne buke u


106

mikrofonskim signalima uvek prevashodno podrazumeva intervenciju na najnižim frekvencijama, upravo u frekvencijskoj oblasti gde se javlja efekat blizine. Da bi se ilustrovala priroda efekta potiskivanja ambijentalne buke pomoću mikrofona koji po svojoj prirodi ispoljava efekat blizine, proračunom su pokazani mogući efekti na osnovu karakteristika mikrofona sa slike 5.17. Tako je na slici 5.18 prikazana proračunom dobijena njegova frekvencijska karakteristika za bliski i daleki izvor zvuka, pod pretpostavkom da je na neki način izvršena linearizacija za zvučni izvor koji se nalazi na udaljenosti 0,3 cm (gonja kriva sa slike 5.17). VIdi se da bi se u mikrofonskom signalu zvukova koji dolaze od udaljenih izvora ostvarilo potiskivanje čak 15-20 dB za frekvencije ispod 200 Hz. Upravo ovakva mogućnost se primenjuje kod mikrofona kod kojih je u specifikaciji posebno označeno da imaju osobinu potiskivanja buke (noise canceling). Slabljenje koje se postiže frekvencijskom korekcijom sa slike 5.17 definisano je za slučaj kada zvuk iz udaljenog izvora dolazi u osi mikrofona. Međutim, kako se efekat blizine javlja samo kod mikrofona koji su usmereni (dvokružni i kardioidni) njihova usmerenost vrši dodatno slabljenje zvukova koji dolaze iz pravaca van ose, što je karakteristično za ambijentalnu buku. Zbog toga je ukupni efekat potiskivanja veći od onoga sa slike 5.18. 15

relativni nivo (dB)

10 5 0

izvor na 0,3 cm

-5

-10 -15 -20

daleki izvori 100

1000

10000

frekvencija (Hz) Slika 5.18 - Proračunati odziv mikrofona sa slike 4.14 za daleke izvore ako bi mu se izvršila linearizacija frekvencijske karakteristike za izvor koji se nalazi na udaljenosti 0,3 cm.

5.5

Uticaj broja uključenih mikrofona

Još jedan element mikrofonskog koncepta je broj mikrofona koji se koristi. Brojne su okolnosti kada potrebe diktiraju istovremeno korišćenje većeg broja mikrofona. To može biti veći broj gostiju u studiju, snimanje muzičkog ansambla, koncerti i slično. Broj mikrofona koji iz programskih razloga moraju istovremeno biti uključeni u prostoru gde se vrši snimanje takođe je element koji ima značaja na rezultantni mikrofonski signal. Signali iz svih mikrofona se u audio sistemu sabiraju da bi se na izlazu dobio jedinstven izlazni audio signal koji se prosleđuje slušaocu. Sabiranje se vrši u uređaju koji se naziva mikseta. Ovaj proces je šematski prikazan na slici 5.19. Ako se prenosi direktan zvuk samo jednog izvora (D), kao što je prikazano na slici, a u studiju su istovremeno uključeni i drugi mikrofoni, svi oni, iako ne registuju nikakav direktan zvuk izvora, to jest koristan signal, potpuno jednako registruju ambijentalnu buku (B) i reflektovani zvuk. Nakon sabiranja u audio sistemu rezultantni


107

signal reflektovanog zvuka, odnosno buke, povećava se u zavisnosti od broja signala koji se sabiraju, odnosno broja uključenih mikrofona. Istovremeno, koristan zvuk ostaje isti jer svaki koristan signal dolazi uvek samo iz jednog pripadajućeg mikrofona. izvor

D+B

1

B

2

B

3

B

4

B

N

+

D+B+∆B

Slika 5.19 - Šematski prikaz procesa sabiranja mikrofonskih signala unutar audio sistema (označen je signal ambijentalne buke, ali se isto može primeniti i na reflektovani zvuk).

Ako je u nekom prostoru istovremeno uključeno N mikrofona, nakon sabiranja u audio sistemu dolazi do povećanja nivoa onih signala koji su prisutni na izlazima svih mikrofona. Ako su mikrofoni međusobno dovoljno razmaknuti, signali reflektovanog zvuka i ambijentalne buke su međusobno nekorelisani, pa je povećanje nivoa ovih signala u opštem slučaju:

∆R = ∆B = 10 log N [dB ]

(5.15)

Prema tome, u rezultantnom signalu koji kroz audio sistem prolazi do krajnjeg slušaoca odnos signala direktnog i reflektovanog zvuka, odnosno direktnog zvuka i ambijentalne buke, osim od karakteristika mikrofona zavisi i od njihovog broja. Ovo je posebno važna činjenica u okolnostima kada se istovremeno koristi veliki broj mikrofona, kao što su razni koncerti gde broj mikrofona može da bude i veći od broja muzičara. Da bi se ovaj problem umanjio, neophodno je da se iz procesa sabiranja isključuju signali sa mikrofona koji u tom trenutku ne daju svoj koristan signal (muzičar koji u jednom periodu ne svira, govornik koji duže ćuti i slično). To, naravno, zahteva stalni rad onoga ko upravlja audio sistemom, što u složenim okolnostima nije uvek jednostavno. Zbog toga se koristi poseban uređaj, u literaturi nazvan ″noise gate″, a koji je na srpskom uglavnom bez posebnog imena, već se koristi transkribovan termin ″nojz gejt″ ili samo ″gejt″. To je po svojoj funkciji signalom kontrolisani prekidač. On se uključuje i propušta signal samo kada je efektivna vrednost signala veća od nekog zadatog praga. Zadatak ovog uređaja je da propušta signal iz mikrofona kada zvučni izvor kome je dodeljen (muzički instrument, glas) generiše neki zvuk. Kada taj zvučni izvor prestane sa radom, prekidač se posle izvesnog vremena isključuje. Time se obezbeđuje svođenje vrednosti N iz izraza (5.15) na minimalnu vrednost.

5.6

Mikrofonski koncept i akustički dizajn prostora

Na osnovu svega što je pokazano o zvučnom polju u ulaznom akustičkom okruženju i mogućih uticaja mikrofona može se zaključiti da odnos direktnog i


108

reflektovanog zvuka, odnosno direktnog zvuka i ambijentalne buke u mikrofonskom signalu zavisi od - akustičkih osobina prostorije (označenih pojmom akustički dizajn) - vrste i načina upotrebe mikrofona (mikrofonski koncept). Komponentu reflektovanog zvuka i minimizaciju eventualnih efekata talasnih pojava određuju geometrijske osobine prostora i apsorpciona svojstva primenjenih materijala. Na nekom posmatranom rastojanju od izvora nivo reflektovanog zvuka će biti niži ako je vrednost vremena reverberacije manja. Intervencije u prostoriji sa ciljem da se podese njene akustičke osobine i tako smanji nivo reflektovanog zvuka nazivaju se jednim imenom ″akustička obrada″. Smanjivanje nivoa ambijentalne buke postiže se intervencijama na pregradnim konstrukcijama (zidovi, tavanice, vrata, prozori). Ovakve intervencije na prostorijama nazivaju se jednim imenom ″zvučna zaštita″. Intenzivnijom akustičkom obradom i zvučnom zaštitom dobija se mogućnost da mikrofon može stajati i na većim udaljenostima od izvora, a da odnos D/R i D/B budu zadovoljavajući. Mogućnost izbora rastojanja mikrofona od izvora zvuka zavisi od opšte namene audio sistema i konkretnih okolnosti. Zbog toga se u studjskim prostorima preduzimaju potrebne mere zvučne zaštite i akustičke obrade. Ove intervencije se nazivaju jednim imenom akustički dizajn prostorija i predstavlja jednu specifičnu projektantsku inženjersku delatnost. Mogućnost uticaja mikrofona na odnose signala kroz izbor vrste mikrofona i način njegovog korišćenja naziva se mikrofonski koncept rada. Pojam mikrofonskog koncepta podrazumeva tri osnovna elementa: - usvojeno rastojanje mikrofona od izvora zvuka, - izbor vrste mikrofona (potrebna usmerenost) i - maksimalni broj mikrofona koji mogu biti istovremeno aktivni (″uključeni″). Osnovni element mikrofonskog koncepta je njegovo postavljanje u odnosu na izvor zvuka. Međutim, vidi se da postoje i drugi aspekti primene mikrofona, pre svega izbor potrebne usmerenosti, koji u izvesnoj meri imaju isti uticaj, što sve zajedno korišćenje mikrofona u audio sistemima čini složenom temom. Na slici 5.20 prikazani su zbirno svi faktori koji deluju na odnose komponentni signala. Vidi se smer delovanja elemenata akustičkog dizajna i mikrofonskog koncepta. Na snižavanje nivoa signala reflektovanog zvuka utiču akustička obrada i usmerenost mikrofona. Ostvarivanje potrebnog odnosa D/R pri zadatim rastojanjima mikrofona rešava se kompromisom između akustičke obrade i veličine usmerenosti. Snižavanje nivoa signala ambijentalne buke se postiže zvučnom zaštitom i usmerenošću mikrofona. I za traženi odnos D/B usvaja se mogući kompromis između intenziteta zvučne zaštite i veličine usmerenosti mikrofona. U literaturi se mogu naći kriterijumi za akustički dizajn studijskih prostora. Velike radiodifune kuće i međunarodne esnafske asocijacije u oblasti audiotehnike i radiodifuzije uobičajeno imaju svoje preporuke o maksimalno dopuštenim vrednostima vremena reverberacije i maksimalno dozvoljenom nivou ambijentalne buke u raznim vrstama studijskih prostora, a u zavisnosti od njihove namene. Akustički dizajn studija je i finansijska kategorija, jer akustičke intervencije kojim se ostvaruju kriterijumi za ambijentalnu buku i reverberaciju često zahtevaju znatna materijalna ulaganja. Dobijanje kvalitetnog signala na osnovu adekvatnog mikrofonskog koncepta je dominantno pri snimanjima u običnim, akustički neobrađenim prostorima. Pri snimanjima van studija, što se dešava u svim terenskim snimanjima za potrebe televizijskih programa, filmskim snimanjima, itd, javljaju se mnoga ograničenja koja nameću


109

karakteristike zvučnog polja. Dobijanje kvalitetnog signala direktnog zvuka moguće je samo adekvatnim izborom mikrofona i njihovim pozicioniranjem. U namenski zidanim prostorijama, a to su studijski prostori, građevinske i enterijerske mere daju više slobode u načinu rada sa mikrofonima. Brojne su okolnosti kada se registrovanje zvuka vrši u nenamenskim prostorijama, ali čak i u studijskim prostorima raznih radiodifuznih stanica nisu uvek zadovoljeni kriterijumi iz literature.

Slika 5.20 - Promene odnosa komponenti signala u zavisnosti od elemenata mikrofonskog koncepta i akustičkog dizajna prostora.

Sagledavajući sve elemente koji čine pojam mikrofonskog koncepta jasno proizilazi da rad sa mikrofonima može delovati na kvalitet signala na isti način kao i mere koje se postižu akustičkim dizajnom. Krajnji rezultat uvek je superponirano dejstvo mikrofonskih i akustičkih efekata. Zbog toga početak rada na akustičkom dizajnu podrazumeva analizu programskog koncepta i definisanje osnovnih elemenata mikrofonskog koncepta za planirane programske oblike. Nakon toga utvrđuje se potreban obim akustičkih intervencija na objektu studija.

5.7

Neki praktični aspekti mikrofonskog koncepta

Na ulazu audio sistema se, po pravilu, zahteva registrovanje direktnog zvuka iz ciljanog zvučnog izvora, jer to daje maksimum zvučnih informacija. Da bi se to postiglo, u svakom konkretnom slučaju ulaznog akustičkog okruženja potrebno je pronaći optimum između akustičkog dizajna prostora i primenjenog mikrofonskog koncepta. Različite okolnosti mogu postavljati različite zahteve u pogledu zahtevanog minimalnog odnosa (D/R) ili (D/B). Takođe karakteristike prostorija u kojima se po zadatku vrši registrovanje direktnog zvuka mogu biti veoma različite. Najzad, mogu se postavljati i izvesna praktična ograničenja u pogledu mogućih položaja mikrofona u prostoru. Ukratko,


110

univerzalna inženjerska pravila za optimalno registrovanje direktnog zvuka iz izvora ne postoje. Zbog međusobne veze akustičkih osobina studija i koncepta mikrofonskog rada, u praksi su moguće različite kombinacije akustičkih karakteristika ulaznog akustičkog okruženja, izbora mikrofona i njihovog pozicioniranja. Osnovni parametar kojim se može uticati na kvalitet signala je udaljenost mikrofona od zvučnog izvora. Korišćenje bliže postavljenih mikrofona omogućava dovoljan odnos (D/R) i (D(B) i pri manje obimnim akustičkim i građevinskim intervencijama na prostorijama. Nasuprot tome, primena udaljenih mikrofona nužno zahteva ozbiljne mere akustičke obrade i zvučne zaštite. Udaljenost mikrofona diktiraju brojni faktori koji su najčešće u potpunosti izvan inženjerskog delokruga rada i uticaja. U studijskom radu, što je okolnost prisutna u radiodifuziji, rastojanja mikrofona od zvučnih izvora u praksi zavise od opšteg koncepta radijskog, odnosno TV programa. Neki oblici rada dozvoljavaju približavanje mikrofona sasvim do usta govornika ili do muzičkog instrumenta, a neki ne. Usvajanje koncepta isključivog rada sa bliskim mikrofonima daje u signalu maksimalni odnos korisnog zvuka prema reflektovanom zvuku i ambijentalnoj buci, što uvek povlači za sobom izvesno smanjenje potrebe za akustičkim intervencijama u izgradnji studija, pa nije zanemarljiv mogući ekonomski aspekt takvog pristupa zbog smanjenja cene izgradnje. S druge strane, rad sa udaljenim mikrofonima podrazumeva neophodnost maksimalnih intervencija u akustičkoj obradi i zvučnoj zaštiti studija, što poskupljuje njegovu izgradnju. Akustički dizajn biće obrađen kasnije u posebnoj temi. Postavljanje mikrofona uslovljeno je ne samo akustičkim okruženjem, već i netehničkim uslovima koje diktiraju druge okolnosti. Tako na primer, u emitovanju radijskog programa može se raditi uz primenu mikrofona postavljenog neposredno uz usta spikera. Sa druge strane, postoje ekstremni akustički zahtevi u studijima za TV produkciju dramskog programa da mikrofon bude izvan kadra, pa je samim tim veoma udaljen od govornika. TV ekipe koje se mogu videti kako snimaju intervjue po ulicama uglavnom koriste samo veoma usmerene mikrofone (takozvane ″mikrofonske puške″), kod kojih je vrednost faktora distance relativno velika. To im omogućava da dobiju dovoljno veliki odnos direktnog zvuka (govornika) i ambijentalne buke čak i sa većih rastojanja. Primena blisko postavljenih mikrofona zahteva izvesnu obučenost govornika i njegovu sposobnost koncentracije na odnos prema mikrofonu. Zbog toga je realno pretpostaviti da duži govor sa bliskim mikrofonom mogu realizovati samo profesionalni akteri programa. Nivo signala se u takvim okolnostima značajno menja sa malim pomeranjem glave u odnosu na mikrofon. Relativna promena nivoa signala je u tom slučaju definisana drugim članom iz izraza (5.3), odnosno:

r ∆L = 20 log   ro 

(5.16)

gde je ro minimalno rastojanje mikrofona od izvora zvuka, a r je trenutno rastojanje. Na slici 5.21 prikazan je dijagram ove relativne promene nivoa signala na mikrofonu kada se on pomera u odnosu na neko njegovo nominalno rastojanje od izvora, i to za dva slučaja: kada je nominalno rastojanje 1 m i 5 cm. Posmatrane su varijacije nivoa pri promenama rastojanja izvora od mikrofona za ±2 cm. Vidi se da pri malom udaljenju mikrofona čak i promene od samo par santimetara značajno menjaju nivo signala. Kada je mikrofon na većem rastojanju iste promene rezultuju značajno manjim varijacijama nivoa.


111

5

relativna promena nivoa signala (dB)

4 3 2 1

Slika 5.21 - relativna promena nivoa signala kada mikrofon menja rastojanje u dva slučaja: kada se nalazi na 1 m i kada se nalazi na 5 cm od izvora.

mikrofon na 1 m

0 -1

mi kro fon

-2 -3

na 5

cm

-4 -5

-3

-2

-1

0

1

2

relativna promena udaljenosti mikrofona (cm)

3

Zbog toga se za muzičke instrumente koje muzičari drže u rukama (gudački i duvački instrumenti) često koriste mikrofoni postavljeni na samim instrumentima pomoću odgovarajućih držača, kao onaj na slici 5.22. U industriji mikrofona razvijena je široka gama različitih modela za sve vrste muzičkih instrumenata. Na slici 5.23 prikazan je mikrofon za gudačke instrumente. Iz istih razloga za glas se u nekim okolnostima koriste takozvani ″naglavni″ mikforoni. U televizijskim aplikacijama postao je standard upotreba minijatirnih mikrofona koji se postavljaju na odeću.

Slika 5.22 - Jedan model mikrofona za limene duvačke instrumente (levo) i njegov položaj na saksofonu (gore).

Danas postoje razni minijaturni mikrofoni, u žargonu često nazivani ″bubice″, što omogućava njihovo ″sakrivanje″ u neposrednoj blizini zvučnih izvora. Pri ozvučavanju pozorišnih predstava, opera i mjuzikla isti minijaturni mikrofoni lepe se na čelo ili obraz


112

glumca, odnosno pevača. Međutim, postoje situacije kada je teško sakriti čak i tako mali mikrofon, već se mikrofon mora držati na većem rastojanju, uvek izvan kadra. U takvim okolnostima samo intervencijama akustičkog dizajna studija nivo reflektovanog zvuka i buke mogu se spustiti do potrebne mere. Proizvođači mikrofona nude čitavu seriju minijaturnih modela koji mogu da budu neprimetni na bini. Mogu se postavljati na odeću ili delove glave glumaca ili pevača ili sakrivati u razne predmete na sceni. Leva gornja slika prikazuje jedan takav minijaturni model. Oni pri tome mogu biti u različitim bojama, uključujući i boju kože. Na ostalim slikama prikazani su primeri primene takvih minijaturnih mikrofona. Na glavi glumca, koji u predstavi igra i peva, vide se dva minijaturna mikrofona pričvršćena štipaljkama na platnenoj traci koju nosi oko glave, neposredno iznad očiju. U pozorištu se takođe koristi sistem pričvršćivanja takvih mikrofona na površini obraza pomoću flastera, nakon čega se sve maskira šminkom. Na slikama su takođe prikazani primeri minijaturnih mikrofona na kapi jednog kostimiranig operskog pevača (označeno belim krugom), kao i primer naglavnog mikrofona koga takođe nosi jedan kostimirani operski pevač. Uobičajeno je da se ovako mali mikrofon koriste u kompletu sa predajnikom bežičnog kompleta, čime osoba koja ih nosi postaje potpuno autonomna u kretanju.


113

Govoreći o značaju akustičkih osobina studijskih prostora za rad u njima, osim aspekta dobijanja kvalitetnog audio signala, moraju se pomenuti i subjektivni efekti na ljude koji se javljaju kao posledica akustičkog dizajna. Naime, osobe bez iskustva u studijskom radu, kao što su to praktično svi gosti u radijskim ili TV emisijama, imaju poseban, uglavnom neprijatan doživljaj takozvanog ″prigušenog″ prostora, što znači sa veoma malim vremenom reverberacije i sa niskim nivoom ambijentalne buke. Zato pitanje adekvatne akustičke obrade u studijima gde se planira dovođenje gostiju od kojih se očekuje da govore sa punom koncentracijom ima i aspekt negativnih subjektivnih efekata o kojima se u nekim okolnostima mora voditi računa. U rešavanju akustičkog dizajna u ovakvim slučajevima poželjan je kompromis između nivoa akustičke obrade i primenjenog mikrofonskog koncepta. Značajnu ulogu u tom kontekstu dobija i vizuelni izgled enterijera koji deluje združeno sa doživljajem posredstvom čula sluha.

Slika 5.23 - Jedan model mikrofona za gudačke instrumente.


113

6. PROSTORNE DIMENZIJE ZVUČNE SLIKE 6.1

Uvod

U prenosu zvučnih informacija do slušaoca jedna od informacionih komponenti su i informacije o prostoru u kome se nalazi zvučni izvori. Zbog toga je ova tema posvećena percepciji prostora u zvučnoj slici pri reprodukciji zvuka i načinima na koje se rešava prenos prostornih komponenti zvučnih informacija do slušaoca koji se nalazi na izlazu audio sistema. Prenos samo jednog signala audio sistemom do slušaoca, kao što je to prikazano ranije pri definisanju sistema i njegovih zadataka, naziva se mono sistem. Mikrofon u ulaznom akustičkom okruženju eliminiše sve informacije o prostoru i svodi ih na jednodimenzionalni signal. Za slušaoca na izlazu iz sistema zvučnik je jedini izvor zvuka koga on može da prepozna. Mono reprodukcija zvuka može se slikovito predstaviti jednom "rupom u zidu" kroz koju slušalac dobija zvučne informacije iz neke virtuelne susedne prostorije u kojoj se nalaze izvori zvuka. Za slušaoca se svi izvori zvuka koje može prepoznati nalaze u tački gde je zvučnik, odnosno "rupa u zidu", a prostorne informacije se svode samo na reverberaciju koja na jedan redukovan način daje sliku o prostoru u kome se nalaze izvori zvuka. Pri neposrednom slušanju nekog zvučnog izvora, u zvučnoj slici koja tada nastaje u svesti slušaoca mogu se prepoznati dva globalna nivoa prostornih informacija koje se ugrađuju u jedinstvenu celinu: - informacije o pravcima iz kojih nailazi direktan zvuk pojedinih zvučnih izvora, odnosno lokalizacija mesta u prostoru gde se nalaze zvučni izvori čiji se zvukovi prepoznaju i - integrisane informacije o prostoru u kome se nalazi slušalac i zvučni izvori, što se često naziva "akustički ambijent". Zadatak audiotehnike je da, po potrebi, pruži informacije slušaocu iz oba nivoa prostornih informacija. Ovakva podela je značajna zbog toga što se tokom razvoja tehnologije audio sistema u jedom segmentu aplikacija pojavilo razdvajanje tehnoloških podsistema kojim se ostvaruje prenos prostornih informacija o pozicijama zvučnog izvora i informacija o akustičkom ambijentu. Čulo sluha ima sposobnost prepoznavanja azimuta nailaska zvučnih talasa iz izvora koji se nalaze u okruženju, naravno u granicama mogućnosti njegove ugaone rezolucije (videti sliku 2.17). Ova sposobnost se zasniva na zakonu prvog talasnog fronta. Prepoznavanjem tog prvog nivoa prostornih informacija slušalac stiče predstavu o rasporedu zvučnih izvora u prostoru, što je jedna od dimenzija složene zvučne slike. Zato se kao prva moguća mera u prenošenju zvučnih informacija audio sistemom


114

zahteva stvaranje mogućnosti da slušalac može detektovati pravce u kojima se nalaze pojedini zvučni izvori prisutni u zvučnoj slici. Drugi nivo prostornih informacija obuhvata integrisane informacije o ambijentu, pre svega o veličini i karakteru prostora. Karakterizacija fizičkog prostora u zvučnoj slici koja se prima je višedimenzionalna. Utisak o prostoru pri neposrednom slušanju stvara se u svesti složenim delovanjem mnoštva zvučnih komponenti koje nailaze na slušaoca sa raznih strana neposredno nakon stizanja direktnog zvuka. Ove komponente su u potpunosti definisane impulsnim odzivom prostora. Zvučne komponente relevantne za stvaranje utiska o prostoru mogu biti u obliku izolovanih prvih refleksija i kao reverberacioni zvuk. Granica između prvih refleksija i reverberacionog dela odziva može se posmatrati sa raznih aspekta. Kada je percepcije prostora u pitanju, njen položaj u impulsnom odzivu iza trenutka stizanja direktnog zvuka nije precizna konstanta. U literaturi se navodi da je za doživljaj prostora značajno prvih 30 ms odziva, to jest da je to vremenski interval u kome komponente zvuka utiču na osećaj veličine prostora. Svaki prostor ima svoj karakterističan odraz u strukturi impulsnog odziva, što čulo sluha prepoznaje kao integrisanu informaciju o ambijentu. Čulo sluha na neki način dekoduje sve takve informacije i formira sliku o prostoru. Zbog gustine signala na vremenskoj osi ni jedna od komponenti iz impulsnog odziva ne doživljava se kao nezavisna zvučna informacija. Samo u nekim posebnim okolnostima pažljivi slušalac može da odredi pravac nailaska neke od jakih prvih refleksija, ako je ona dovoljno jaka i relativno usamljena na vremenskoj osi u odnosu na ostale komponente impulsnog odziva. Uslovi za nastanak takvih okolnosti postoji u nekim veoma velikim salama ili na otvorenom prostoru (vidi tekst u okviru).

Postoje okolnosti pri ozvučavanjima na otvorenom prostoru kada se pojavljuje zakasnela komponenta odziva koja se percepira kao nezavistan zvuk, takozvani eho. Ćinjenica da na otvorenom prostoru nema reverberacije olakšava percepciju eventualnih izolovanih refleksija. Pojavu je najlakše primetiti pri ozvučavanju koncerata na gradskim trgovima, jer tada zakasnele refleksije nastaju od fasada okolnih zgrada. S obzirom da je vreme kašnjenja ovakvog eha dovoljno veliko i bez drugih komponenti odziva na vremenskoj osi neposredno oko njega, slušalac ovu pojavu lako uočava, kao i pravac i koga dolazi taj zakasneli zvuk.

U procesu percepcije prostora postoji pitanje obučenosti čula da prepozna ovakve nijanse zvučne slike. Gotovo svako može u zvučnoj slici da prepozna akustičke ambijente koji se u informacionom domenu međusobno dovoljno razlikuju, odnosno prostore između kojih su distance u informacionom prostoru dovoljno velike (takvi su, na primer: kupatilo, otvoren prostor, pećina, velika hala, i slično). Obučavanjem čula sluha moguće je steći sposobnost da se pri slušanju reprodukovanog snimka razlikuju i ambijenti između kojih su te distance mnogo manje. Postoje iskusni snimatelji koji mogu da, na primer, u zvučnoj slici prepoznaju ambijente različitih koncertnih sala ili različitih studija u kojima je snimak napravljen. Razvojem računara i multimedijalnih sistema sve više se javljaju potrebe da se dizajniraju zamišljeni prostori. U tom cilju se koriste odgovarajuće metode procisiranja signala da bi se u zvučnoj slici koju dobija slušalac projektovao neki zadati zvučni događaj. Jasno je da se takvi zadaci mogu biti realizovati samo uz prethodno dobro poznavanje mehanizama percepcije prostora kojima raspolaže čulo sluha.


6.2

115

Principi rešavanja prenosa prostornih informacija u audio sistemu

Prenos zvučnih informacija u audio sistemima, po pravilu, započinje postavljanjem mikrofona u ulazno akustičko okruženje. Ranije je objašnjeno da se time nepovratno gube neke prostorne informacije, pa je prenos audio sistemom, po definiciji, različit od neposrednog slušanja (videti tačku 3.6 u Temi 3). Mikrofoni u zvučnom polju, svaki za sebe, eliminišu informacije o pravcima nailaska zvuka koje bi slušalac, kada bi se nalazio neposredno u zvučnom polju, mogao da registruje zahvaljujući sposobnostima prostorne percepcije svog čula sluha. Na izlazu mikrofona sve komponente austičkog odziva iz zvučnog polja svode se na jedinstven, jednodimenzionalan audio signal. Zbog toga je, teorijski posmatrano, dodatna količina informacija koja se zahteva za prenos prostornih informacija audio sistemom moguća samo prenošenjem većeg broja različitih signala do mesta gde se nalazi slušalac. Takav posao sadrži u sebi tri karakteristična tehnička problema: - generisanje adekvatnih signala koji će, svi zajedno, doneti slušaocu informacije o prostoru, - prenos povećanog broja signala do slušaoca i - postupak reprodukcije zvuka slušaocu na osnovu povećanog broja specifičnih i nezavisnih audio signala. Prvi korak u tom poslu je generisanje adekvatnih signala koji će, zajedno u paketu, nositi i informacije o prostoru. To se realizuje primenom više mikrofona postavljenih na odgovarajući način u prostoru ulaznog akustičkog okruženja. Takav postupak po svojoj prirodi predstavlja prostorno odmeravanje zvučnog polja, jer pojedinačni signali nose podatke o stanju polja iz različitih tačaka prostora. Isti rezultat se može ostvariti veštačkim generisanjem adekvatnih signala. Za to su na raspolaganju razne metode sinteze, to jest alati zasnovani na principima procesiranja signala. Drugi korak, prenos većeg broja pripremljenih signala, predstavlja tehnološko i ekonomsko pitanje, jer se u tom poslu javljaju razna tehnička ograničenja zbog zadatih kapaciteta raspoloživih prenosnih kanala, ali je to i pitanje racionalnosti finansijskih ulaganja, s obzirom na krajnjeg korisnika, njegove potrebe i mogućnosti. Najzad, preneti signali moraju biti reprodukovani na odgovarajući i nezavistan način u prostoru oko slušaoca. Načini reprodukcije nisu nezavisni, već su neposredno diktirani postupcima njihovog generisanja. Svaki od tri nabrojana tehnička problema ima svoje specifičnosti i metodološki nezavisne načine rešavanja, ali odabrani postupci generisanja signala, sistemi njihovog prenosa i reprodukcija na izlazu audio sistema tesno su povezani i međusobno uslovljeni. Zato svaki pokušaj rešavanja problema prenosa prostornih informacija mora biti baziran na standardizaciji procedura duž čitavog audio sistema da bi sve faze bile međusobno kompatibilne. Istorijat razvoja ideje o prenosu prostornih informacija Tokom razvoja audiotehnike bilo je raznih pokušaja da se ostvari prenos prostornih informacija kroz audio sistem. Postoji zabeleška da je prvi takav sistem demonstriran još davne 1881. godine na Međunarodnoj izložbi o elektricitetu u Parizu. Dvokanalni prenos je vršen iz Pariske opere, pomoću telefonskih linija, do slušalaca koji su se nalazili udaljeni oko 3 kilometra. Uz svu složenost tadašnje telefonske tehnologije


116

korišćeni su dva prostorno razdvojena mikrofona na ivici bine i dve telefonske slušalice za binauranu reprodukciju. Interesantno je da su se novija razmišljanja u tom domenu javljila mnogo kasnije, i išla su u pravcu nastojanja da se sa velikim brojem, bolje rečeno mrežom mikrofona raspoređenih u vertikanoj ravni ispred izvora zvuka registruje talasni front koji nailazi, i pomoću istog broja zvučnika, takođe postavljenih u vertikalnoj ravni taj talasni front rekontruiše na mestu slušanja. Ovakav pristup je od samog početka podrazumevao sva već pomenuta ograničenja koja su svojstvena primeni audio sistema koji treba da zameni neposredno prisustvo slušaoca u ulaznom akustičkom okruženju, ali osnovno ograničenje je u prvom redu bio veliki broj nezavisnih signala koje treba preneti od mesta snimanja do mesta reprodukcije. U to vreme razmatrana je samo mogućnost prenosa signala provodnicima i to najčešče do neke susedne prostorije. Najviše ideja o prenosu prostornih dimenzija zvučne slike javljalo se u oblasti filmskog zvuka, što je lako razumljivo jer zvučna slika na filmu treba da po prostornom sadržaju prati vizuelnu sliku na velikom platnu, i da istovremeno u sali ostvari odgovarajući akustički ambijent koji odgovara prikazu na ekranu. Istovremeno, filmski zvuk se reprodukuje samo u bioskopima, gde je bilo lakše ostvariti svaku tehnološku promenu, nego u sobama stanova najšireg auditorijuma. U istoriji je zabeležen pokušaj koji je napravljen u Dizni studijima 1940. godine. Njihov crtani film ″Fantazija″ koristio je šest kanala za stvaranje prostorne zvučne slike u sali. Isti sistem je tokom pedesetih godina iskorišćen za više filmova snimanih u to vreme. Naravno, tada je bilo veoma malo sala u kojima su ti filmovi mogli da se prikazuju sa reprodukcijom u punom formatu. Kao interesantnost može se navesti da je u novije vreme prezentiran sistem koji je nazvan aidofonija (eidophony), a koji se bazira na 36 prostorno razdvojenih kanala. Ipak, osnovni inženjerski problem stvara činjenica da ovakav pristup karakteriše neracionalnost u prenosu zbog potrebe da se veliki broj signala potpuno sinhrono proslediti do mesta gde se nalazi slušalac. Praktična ograničenja U realizaciji prenosa prostornih informacija kroz audio sistem deluju dva osnovna mehanizma koji u praksi ograničavaju taj proces i utisak prostora kod slušaoca svode u okvire koji su manji od prirodnih granica čula sluha. To su: - ograničene tehničke mogućnosti zapisivanja i prenosa povećanog broja audio signala i - ograničene potrebe slušaoca pri percepciji prostora u mnogim realnim okolnostima. Problem zapisivanja ili prenosa pokazao se kao osnovni tehnički ograničavajući faktor u razvoju ove oblasti audiotehnike. Ograničene mogućnosti audio zapisa na analognim medijima, ograničenja širine prenosnog kanala u radiodifuziji, odnosno tehnici višekanalne modulacije, kao i nedostatak jeftinog komercijalnog medija za tržišnu distrbuciju višekanalnih audio snimaka određivali su celokupan razvoj tehnologije prenosa prostornih dimenzija zvučne slike do slušaoca. I danas je zapisivanje ili prenos čak samo pet nezavisnih audio signala do mesta gde se nalazi slušalac ozbiljan poduhvat koji se ne može ostvariti bez manje ili veće redukcije njihovog informacionog sadržaja. Srećom, digitalna tehnologija to omogućava uz minimalne gubitke u kvalitetu. U svim video medijima kod kojih su zvučni signali u digitalnom domenu, pet audio signala koji prate sliku podrazumevaju obaveznu kompresiju.


117

Zato je ideja o prostornom semplovanju zvučnog polja u veoma velikom broju tačaka, odnosno prenosu velikog broja signala, čak i kada se zanemare teorijske prepreke, u startu bila utopijska. Jednostavno, takav pravac rešavanja prenosa prostornih informacija audio sistemom podrazumeva ozbiljne tehničke, a onda i ekonomske probleme. Zbog ograničenja u kapacitetima koje se može javljati pri prenosu i zapisivanju većeg broja signala punog audio opsega, u audio sistemima se uvek težilo stalnom procenjivanju realno potrebnog i, u skladu sa tim, minimizaciji broja prenosnih kanala. Ta minimizacija broja signala prevashodno polazi od činjenica o ograničenjima rezolucije čula sluha pri percepciji pravca. Najfinija rezolucija je u prednjoj horizontalnoj poluravni, dok je ona mnogo skromnija u vertikalnoj ravni i u zadnjem poluprostoru slušaoca. Sa aspekta krajnjeg korisnika zvučnih informacija ulaganjem u prenos prostornih informacija iz prednjeg poluprostora slušaoca najviše se dobija. Ograničena rezolucija van te ravni utiče da informacije o komponentama zvučnog polja iz ostalih pravaca treba zanemariti, ili ih pružati slušaocu u veoma redukovanom obimu. Dosadašnji razvoj sistema za reprodukcije zvuka koji u zvučnu sliku uključuju i prostorne informacije koristio je takve polazne pretpostavke. U životu je uobičajeno da se slušalac okreće prema izvorima zvuka koje želi da sluša. To je na primer normalno ponašanje pri slušanju svih vrsta muzičkih izvođenja, jer je uobičajeno da slušaoci pri slušanju i posmatraju muzičare na koncertu. Ali i u svim drugim okolnosti, pri pojavi nekog zvuka koji treba da se sluša sa pažnjom instinktivna reakcija čoveka je okretanje prema njegovom izvoru. Zbog toga je bilo jasno da i audio sistem mora buti sposoban da pruži slušaocu precizne informacije o položaju potencijalnih zvučnih izvora samo u prednjem dela horizontalne ravni u kojoj se on nalazi. Ostali deo prostora se može tretirati sa nižim nivoom zadovoljenja percepcije ili čak potpuno zanemariti. Ne treba izgubiti iz vida da postoje okolnosti primene audio sistema u kojima slušaoci nemaju nikakve potrebe za percepcijom prostornih informacija, ili se ne nalaze u pogodnim fizičkim okolnostima da takve informacije mogu percepirati, čak i ako su im one prenete. Karakteristični primeri su pri reprodukciji govornih informacija na stanicama, reprodukciji ambijentalne muzike u raznim prostorima, u radiodifuznim informativnim emisijiama (emisije vesti), i slično. Zbog toga ulaganje napora i sredstava za prenos prostornih informacija u audiotehnici nije imperativ po svaku cenu i u svakoj situaciji. Pravci razvoja u prenosu prostornih informacija Dva su glavna pravca u kojima se razvija prenos prostornih infomacija u audio sistemima. To su: - binauralni koncept i - stereo koncept. Kao linija razgraničenja ova dva pristupa može se reći da je binauralni koncept namenjen samo jednom individualnom slušaocu, a stereo je namenjen auditorijumu i omogućava percepciju prostornih informacija u nekom zadatom prostoru. Binauralni koncept se zasniva na stvaranju odgovarajućih zvučnih signala na levom i desnom uvu, što podrazumeva prenos dva signala koji se reprodukciju pomoću slušalica. Percepcija prostora se zasniva na fizičkim fenomenima koji se odigravaju na glavi kao prepreci u zvučnom polju. Ranije je pokazano da se različiti pravci nailaska zvuka na slušaoca manifestuju različitim prenosnim funkcijama glave (HRTF) kojim se zvučni signali filtriraju pre delovanja na bubne opne. Stvaranje informacija o prostoru u


118

binauralnom konceptu realizuje se unošenjem adekvatnih promena u signalima kodujući tako informacije o projektovanim pravcima nailaska zvuka na glavu. Stereo sistem reprodukcije podrazumeva primenu dva ili više prostorno raspoređenih zvučnika preko kojih se reprodukuju nezavisni signali. Ograničen broj zvučnika koji se postavljaju pri reprodukciji u izlaznom akustičkom okruženju jedini su realni zvučni izvori koje slušalac može u takvim okolnostim da registruje. Prostorne dimezije zvučne slike u stereo sistemima, sa proizvoljnim pozicijma zvučnih izvora, formiraju se kao auditivne iluzije. One se zasnivaju na psihoakustičkim fenomenima u procesu slušanja kada zvuk istovremeno stiže iz više izvora raspoređenih u prostoru.

6.3

Binauralni koncept reprodukcije zvuka

Binauralni koncept je najdirektniji pokušaj prenosa prostornih informacija jer se zasniva na oponašanju fizičkih procesa koji se odigravaju na glavi slušaoca kada je on neposredno prisutan u ulaznom akustičkom okruženju i direktno prima zvučne informacije. Princip binauralnog koncepta šematski je ilustrovan na slici 6.1. Osnovu metode čini filtriranje audio signala odgovarajućim prenosnim funkcijama za azimut α kojim se želi definisati zadata pozicija izvora u zvučnoj slici. Prenosne funkcije filtra za bliže, u prikazano slučaju desno uvo HRTFαD i dalje, levo uvo HRTFαL predstavljaju funkcije fizičkih dimenzija glave i azimuta. Njhov uticaj je za čulo sliuha ključ kojim se dekoduju prostorne informacije. Za svaki željeni položaj izvora u zvučnoj slici koju prima slušaoc potrebno je njegov signal prethodno filtrirati odgovarajućim prenosnim funkcijama.

pravac izvora u zvucnoj slici

slušalice HRTFαD α

ulaz signala

Slika 6.1 - Ilustracija principa na kome se zasniva binauralni koncept

HRTFαL

Kada se tako filtrirani signali dovedu pomoću slušalica direktno u uši slušaocu, teoretski se nadoknađuje sve ono što bi slušalac inače imao, u fizičkom smislu, da se nalazi na licu mesta. Ovakav princip se u praksi može realizovati na dva načina: snimanjem pomoću uređaja koji se naziva veštačka glava (dumy head) ili sintezom pomoću odgovarajuće predobrade pojedinih komponenti složenog audio signala. Binauralni koncept primenom veštačke glave Princip binauralnog snimnja pomoću veštačke glave šematski je prikazan na slici 6.2. Ona u fizičkom smislu ″zamenjuje″ slušaoca u zvučnom polju ulaznog akustičkog


119

okruženja. Filtriranje odgovajućim prenosnim funkcijama za oba uva dešava se u fizičkom domenu, na veštačkoj glavi kao prepreci sa svim njenim geometrijskim atributima. Za razliku od signala koja bi se dobili primenom dva obična mikrofona postavljena u postoru ulaznog akustičkog okruženja, dva signala iz mikrofona veštačke glave sadrže u sebi sve fizičke uticaje glave kao objekta u zvučnom polju. Svaka pojedina komponenta zvuka koja nailazi na glavu iz nekog pravca na svom putu do levog i desnog uva filtrirana je odgovarajućom prenosnom funkcijom glave slušaoca.

ulazno akusticko okruzenje izvor vestacka glava

slušalice Slika 6.2 - Principijelna šema binauralnog snimanja pomoću veštačke glave

Snimanje veštačkom glavom podrazumeva dva prenosna kanala do slušaoca, što je minimalno povećanje u odnosu na osnovni slučaj prenosa jednim signalom. Zato je u tehničkom smislu binauralni koncept veoma ekonomičan, jer sa samo dva kanala omogućava prenos čitavog akustičkog ambijenta sa svim njegovim nivoima prostornih informacija. Ako se takva dva signala zabeleže na nekom dvokanalnom snimku, onda je to naziva binauralni snimak. Veštačka glava se izrađuje od nekog dovoljno čvrstog materijala, kao što je tvrda guma ili slično, i u geometrijskom smislu ima sve atribute glave. Dimenzije i oblik veštačke glave predstavljaju kopiju prosečne, standardne ljudske glave, sa posebno detaljno modelovanom ušnom školjkom. Unutar veštačke glave se, umesto bubnih opni, nalaze kvalitetni mikrofoni, najčešće iz game standardnih najkvalitetnijih studijskih kondenzatorskih mikrofona, samo sa odgovarajućim adapterima za montažu u unutrašnjosti glave. Izlazni signal ovih mikrofona ekvivalentan je zvučnom pritisku koji deluje na ulaz uva. Veštačku glavu prave razne firme proizvođači mikrofona i merne opreme. Na slici 6.3 prikazan je jedan komercijalno dostupan model veštačke glave. Postavlja se na odgovarajući stalak na mestu gde se želi registrovati signal. Postoje modeli veštačke glave koji imaju i torzo, čime se u registrovane signale uključuje i uticaj refleksija od ramena. U ranijim periodima razvoja audiotehnike bilo je pokušaja pravljenja muzičkih snimaka primenom veštačke glave, ali se to danas može smatrati samo eksperimentom. Danas je binauralno snimanje pomoću veštačke glave značajno u oblasti akustičkih merenja, i ima široku upotrebu u akustičkoj analizi prostorija. Snimanjem istog muzičkog dela u različitim okolnostima, na primer u različitim salama, omogućava se naknadno naizmenično preslušavanje snimaka, direktno poređenje i subjektivno ocenjivanje akustičkog kvaliteta prostora. Pri tome, snimci načinjeni veštačkom glavom omogućavaju da veliki broj slušalaca čuje potpuno istu zvučnu sliku, kao da su se istovremeno nalazili na mestu gde je izvršeno snimanje. Ova mogućnost nadilazi nedostatke metode koje postoje i zbog toga se binauralna tehnika koristi za subjektivno testiranje prostora. Vremenom su definisani i neki objektivni parametri koji služe kao pokazatelji akustičkih osobina prostora, a koji se dobijaju izračunavanjem na osnovu dva impulsna odziva, snimljena levim i desnim uvom veštačke glave. Oni se zasnivaju na korelaciji signala iz levog i desnog uva glave.


120

Slika 6.3 - Izgled jedne veštačke glave

U ukupnoj konfiguraciji putanje zvuka pri binauralnom prenosu sa slike 6.2 posebno je značajna uloga slušnih kanala. Prenosna karakteristika slušnog kanala nije linearna i prikazana je ranije. U njenom obliku dominantan je uticaj sopstvenih rezonanci cevi. Ako se veštačka glava napravi sa svojim slušnim knalom, sa slike 6.2 je očigledno da tada postoji jedan slušni kanal viška na putu binauralnih signala do bubne opne slušaoca. Njegova nelinearnost predstavlja izobličenje signala. Ova potencijalna pojava izobličenja koje se čuje pri slušanju binauralnih snimaka može se popraviti na dva načina: dodavanjem odgovarajućeg frekvencijskog korektora koji će u mikrofonskom signalu poništiti uticaj prenosne karakteristike slušnog kanala veštačke glave, ili izradom veštačke glave kod kojih su mikrofoni postavljeni bez cevčice slušnog kanala i tada dodatne frekvencijske korekcije nisu potrebne. Ako se veštačka glava koristi za akustička merenja raznih fizičkih parametara u prostorijama neophondo je da u njoj postoji modelovan i slušni kanal. Ako se glava koristi za izradu binauralnih snimaka, onda je prisustvo kanala suvušno i, ako postoje, zahtevaju dodatnu ekvlizaciju pre slušanja. Prednosti i nedostaci binauralnog koncepta Binauralni koncept omogućava prenos akustičkog ambijenta koji postoji u okruženju veštačke glave. Zapisi iz literature dokazuju da kvalitet takvog prenosa, kada se upotrebljava neka savremena veštačka glava i slušalice dovoljnog kvaliteta, može biti izuzetno dobar. Poseban kvalitet binauralnog koncepta ogleda se u činjenici da se on zasniva na prenosu samo dva signala. To je minimalan broj signala kojim se do slušaoca


121

prenosi praktično čitav prostor čija je veličina 4π steradijana. Kasnije će biti pokazano da sve druge metode koje pretenduju na prenos informacija u većem prostornom uglu zahtevaju mnogo veći broj kanala, odnosno prenos većeg broja signala. Sa tog aspekta posmatrano, binauralni prenos je najekonomičniji mogući pristup. Iako je osnovna ideja binauralnog prenosa principijelno ispravna i u svojoj osnovi jednostavna, postoji nekoliko ozbiljnih problema koji ga prate i koji su učinili da takav sistem nije ušao u široku upotrebu. Prvi problem proizilazi iz činjenice da binauralni prenos podrazumeva isključivo reprodukciju pomoću slušalica. Njihovo nošenje, samo po sebi, stvara smetnje jer mnogim osobama duže držanje slušalica može predstavljati fizički problem. Naime, slušalice koje potpuno zatvarju uvo podrazumevaju postojanje sile stezanja koja je nužna da bi se postiglo dobro naleganje na površinu glave. Ta sila pri dužem delovanju može izazvati nelagodnost, pa i fizički bol. Minijaturne slušalice koje se ubacuju u slušni kanal takođe mogu izazivati nelagodnost nakon dužeg nošenja. Pored fizičkih problema koje upotreba slušalica nosi, za ovakvu reprodukciju je karakteristično da se prostorna zvučna slika, odnosno prostorna perspektiva, kreće zajedno sa glavom. Svaki pokret glave znači i pokret prostora definisanog zvučnom slikom. Ova pojava takođe predstavlja jedan specifičan oblik izobličenja. Drugi problem binauralnog koncepta proizilazi iz značajnih fizičkih razlika koje postoje među ljudima. Naime, u kojoj meri će prenos prostornih informacija pri binauralnom prenosu neki slušalac oceniti kao veran zavisi od toga koliko je njegova glava po dimenzijama i u detaljima bliska upotrebljenoj veštačkoj glavi ili HRTF filtrima kojima je pripreman signal. Što je ta razlika veća, to će prostorne dimenzije zvučne slike koju registruje slušalac biti dalje od realnosti. Zbog značaja rezonantnih pojava koje se dešavaju na ušnoj školjci jedan od uslova kvaliteta prenosa prostora je i da veličina i oblik reljefa školjke koja se nalazi na veštačkoj glavi bude usaglašena sa školjkom slušaoca. Najzad, ranije je objašnjeno da neke informacije o prostoru čovek stiče manjim pokretima glave. Tada smer promena koje nastaju u signalima na levom i desnom uvu služe kao dodatne informacije o prostoru. One su posebno značajne kada su osnovne prostorne informacije kontradiktorne ili oskudne. Kada se reprodukcija vrši pomoću slušalica, što je preduslov za binauralni koncept, one se kreću sa glavom, pa taj mogući izvor dodatnih invormacija nestaje. Prema tome, primena slušalica, uz sve ispravne teorijske preduslove, ipak ne može da pruži sve ono što čulo sluha koristi za registrovanje informacija u prostornom domenu. Postoje i izvesni tehnološki aspekti koji čine da je binauralno snimanje veštačkom glavom u opštem slučaju bremenito problemima. Na primer, prisustvo bilo kakve ambijentalne buke nezanemarljivog nivoa u kruženju po definiciji zahteva da se pri snimanju mikrofoni postave u neposrednu blizinu svakog pojedinačnog zvučnog izvora. Pri snimanju veštačkom glavom tako nešto nije moguće, pa prisustvo bilo kakvih parazitskih zvukova čini takvo snimanje nemogućim. Uz sve to, binauralni pristup elminiše, ili bar veoma komplikuje, mogućnost korišćenja svih dobrih osobina višekanalnog snimanja i remiksa u produkciji muzičkih materijala Transauralna reprodukcija zvuka Pokušaj da se binauralni signali reprodukuju pomoću dva prostorno razdvojena zvučnika prouzrokuje ozbiljno izobličenje prostornih dimenzija zvučne slike. Dve su pojave koje unose to izobličenje. Prvo, pri takvoj reprodukciji se javlja preslušavanje između binauralnih kanala zbog toga što signal iz zvučnika, umesto u samo jedno, odgovarajuće uvo, dospeva u oba uva. Drugo, signal dva puta prolazi kroz filtre sa


122

prenosnom karakteristikom glave: prvi put u procesu pripreme snimka, a drugi put na glavi slušaoca. Obe ove pojave degradiraju zvučnu sliku i čine da je ona pri direktnoj reprodukciji binauralnih signala preko prostorno razdvojenih zvučnika po definiciji izobličena. Da bi se to izbeglo potrebno je na neki način otkloniti efekat nepotrebnog preslušavanja i kompenzovati frekvencijske promene koje su se desile na veštačkoj glavi. Metoda koja otklanja opisana izobličenja i omogućava reprodukciju binauralnog signala pomoću prostorno razdvojenih zvučnika bez poremećaja u zvučnoj slici naziva se transauralna reprodukcija zvuka. Sam pojam "transauralni" označava pristup u reprodukciji zvuka u kome je zadatak da se zvučni pritisak koji odgovara audio signalu stvara direktno na ušima ciljnog slušaoca, a ne u trodimenzionalnom prostoru, kao što je to uobičajeno pri upotrebi zvučnika.

Posmatrano samo u domenu jezičkih pojmova, i reprodukcija binauralnog signala pomoću slušalica mogla bi se svrstati u kategoriju transauralnih reprodukcija zvuka, iako se taj pojam ne koristi u takvom kontekstu. Činjenica je da pri reprodukciji slušalicama zvučni pritisak na uhu takođe direktno srazmeran zadatom audio signalu.

Transauralna reprodukcija zvuka se zasniva na mogućnosti da se u binauralnim signalima levog i desnog kanala, pre nego što se dovedu na zvučnike, izvrši poništavanje prirodnog preslušavanja do koga dolazi na glavi slušaoca u zvučnom polju, kao i drugih promena koje u signal unosi fizičko prisustvo veštačke glave. To se postiže odgovrajućom predobradom, kojom se formiraju signali za levi i desni kanal, koji se zatim reprodukuju preko prostorno razdvojenih zvučnika. Šema principa transauralnog sistema reprodukcije binauralnih signala prikazana je na slici 6.4.

DB

LB P

P

+

+

Predobrada

Predobrada

D

L B

D

D B

Slika 6.4 - Principijelna šema sistema za transauralnu reprodukciju: P - kolo za preslušavanje, B - prenosni put do bližeg uva, D - prenosni put do daljeg uva.


123

Na ulaze sistema za transauralnu preprodukciju dovode se binauralni levi i desni signal LB i DB. Da bi se na uvetu omogućilo poništavanje signala iz suprotnog zvučnka, u ulaznom delu sistema za reprodukciju uvode se grane za preslušavanje P između kanala, koje uključuju i odgovarajuću prenosnu funkciju. Nakon sabiranja direktnog i obrađenog preslušanog signala uvodi se još predobrada i tako pripremljen signal se dovodi na zvučnike. Signali na ušima trpe uticaj prenosne funkcije za bliže i dalje uvo B i D. Kao rezultat adekvatne pripreme signala, na ušima treba da dođe do poništavanja komponente iz daljeg uva koja stiže putanjom B, pa je rezultat ekvivalentan reprodukciji sa slušalicama. Ovaj način reprodukcije podrazumeva da je predobrada signala, i u kolu za preslušavanje i zbirnog signala u oba kanala, definisana za zadatu geometrijsku konfiguraciju zvučnika i glave slušaoca. Uobičajeno se usvaja da su pozicije zvučnika i glave slušaoca u temenima jednakostraničnog trougla, što znači da je azimut zvučnika ±30o. Jasno je da svako pomeranje slušaoca iz ose zvučničkog sistema, okretanje glave u odnosu na tu osu, udaljavanje ili približavanje, znači promenu fizičkih uslova slušanja i pojavu neslaganja prenosnih funkcija B i D unetih u predobradu sa ranije usvojenim fizičkim uslovima. U literaturi je do sada prikazano nekoliko algoritama za pripremu signala pri transauralnoj reprodukciji. Oni se razlikuju po kvalitetu postignute pripreme i po izvesnoj imunosti na promene geometrije, ali i pored svega transauralna reprodukcija je ograničena na usku zonu oko idealnog položaja glave slušaoca u odnosu na koji je definisana predobrada signala.

6.4

Stereo koncept reprodukcije zvuka

Potreba da se prevaziđu ograničenja i problemi koje pri reprodukciji nosi primena slušalica, ali i zbog realnih potreba da reprodukovani zvuk bude dostupan većem broju osoba, vodila je razvoj audiotehnike u pravcu stvaranja sistema koji koriste zvučnike umesto slušalica. Sistemi reprodukcije prostornih informacija pomoću dva ili više prostorno razdvojenih zvučnika nazivaju se stereo sistemi (videti komentar u okviru). Pojam "stereo reprodukcija" u običnom životu izgleda sasvim jasan, ali je činjnica da u široj stručnoj literaturi postoji izvesna konfuzija oko tog pojma. U nekim izvorima pod pojmom stereo reprodukcije podrazumeva se svaki sistem koji nudi i prostorne informacije, pa čak i binauralni sistem. Tako se, po negde, može naći izraz "binauralni stereo". U drugim izvorima pravi se podela na binauralne i stereo sisteme, pri čemu je stereo sve ono što za reprodukciju koristi prostorno razdvojene zvučnike. Najzad, u nekim izvorima se pravi razlika između stereo kanala koji daju informaciju o poziciji zvučnih izvora (prvi nivo prostornih informacija sa početka ove teme) i kanala koji daju samo globalnu informaciju o prostoru, odnosno akustičkom ambijentu, i koji se, radi razlike, nazivaju surround. U ovom tekstu je usvojena definicija primenjena u standardima Međunarodne telekomunikacione unije (ITU), gde se uvodi razlika između stereo i binauralnog sistema, i gde je usvojeno da surround kanali nisu integralni deo stereo sistema, već njegov dodatak. U takvom pristupu stereo sistem reprodukcije zvuka predstavlja skup diskretnih audio kanala reprodukovanih preko prostorno razdvojenih zvučnika koji omogućavaju precizno pozicioniranje zvučnih izvora u okviru zvučne slike. Sve ono što ne zadovoljava navedene uslove nije stereo sistem ili se ne može smatrati njegovim delom, kao u slučaji surround kanala.


124

U stereo sistemima se implicitno odrazumeva da u prostoru oko slušaoca postoje samo zvučnici kao realni izvori zvuka sa unapred zadatim fiksnim pozicijama. Zbog toga se prostorne informacije formiraju korišćenjem izvesnih auditornih iluzija. Njihova suština se može prikazati pomoću dva jednostavna eksperimenta. U oba se reprodukcija zvuka vrši pomoću dva prostorno razdvojena zvučnika koji sepostavljaju neposredno ispred slušaoca na izvesnom međusobnom rastojanju. Takva eksperimentalna postavka odgovara dvokanalnoj stereofoniji. Pri definisanju ovakve pozicije zvučnika polazi se od činjenice da čulo sluha ima najprecizniju rezoluciju po pravcima u horizontalnoj ravni, i to u prednjoj zoni približno definisanoj opsegom azimuta ±30o. Zbog toga u svim konceptima audio sistema koji se danas koriste, tehnološki i informacioni resursi se usmeravaju na pružanje maksimuma prostornih informacija samo u horizontalnoj ravni, i to u prednjoj zoni slušaoca. U ostalim delovima prostora sposobnost rezolucije čula sluha je značajno lošija, pa je diskutabilno usložnjavanje audio sistema radi stvaranja mogućnosti preciznog definisanja prostornih informacija izvan prednje zone. Princip kontrole prostornih iluzija pomoću intenzitetskih razlika Eksperiment koji pokazuje prvi mogući princip formiranja prostornih iluzija kod slušaoca prikazan je šematski na slici 6.5. Jedan audio signal razdvaja se i reprodukuje pomoću dva prostorno razdvojena zvučnika postavljena u skladu sa napomenama o rezoluciji čula sluha. Slušalac se pozicionira na mestu koje se nalazi na osi zvučničkog para. Duž koja spaja zvučnike naziva se zvučna baza. Kada su signali na levom i desnom zvučniku identični, i signali na levom i desnom uvu će biti identični. Čulo sluha u takvim okolnostima formira zvučnu sliku koja uključuje iluziju da je izvor zvuka tačno na sredini zvučne baze, između dva zvučnika, što je na slici označeno tačkom.

signal atenuator

∆L zvucna baza virtuelni izvor

∆L

Slika 6.5 - Šema eksperimenta sa intenzitetnim razlikama


125

Percepcija izvora zvuka na ovom mestu je, naravno, iluzija, jer čulo sluha registruje izvor na mestu gde fizički ništa ne postoji, pa je to virtuelni izvor. Realni zvučni izvori, to jest mesta gde se vrši generisanje zvučne energije, nalaze se samo na pozicijama zvučnika. U realnim okolnostima iz svakodnevnog života ovakva situacija se javlja kada stereo sistem za reprodukciju zvuka emituje jedan mono signal. Ako se u putanju signala do jednog od zvučnika postavi oslabljivač, na slici označen pravougaonikom sa oznakom ∆L, pomoću njega se može kontrolisati nivo reprodukcije tog zvučnika. Promenama slabljenja signala menja se relativan odnos nivoa zvuka koga stvaraju zvučnici na mestu slušaoca. Suština ovog eksperimenta ogleda se u činjenici da se povećavanjem slabljenja nivoa signala ∆L u kanalu jednog zvučnika virtuelni izvor u zvučnoj slici, koju percepira slušalac, kreće ka suprotnom zvučniku, odnosno zvučniku čiji je signal neoslabljen. Ovo pomeranje virtuelnog izvora označeno je na slici 6.5 isprekidanim krugom. Kada uvedeno slabljenje ∆L dostigne neku dovoljno veliku vrednost, pozicija virtuelnog izvora će se približno poklopiti sa pozicijom zvučnika prema kome se kretao. Dovoljno veliko slabljenja u praksi je više od 20 dB. Prebacivanjem oslabljivača u granu drugog zvučnika ostvarilo bi se pomeranje virtuelnog izvora ka suprotnom zvučniku. U opštem slučaju sistem kojim bi se na ovaj način vršilo pomeranje virtuelnog izvora između krajnjih pozicija dva zvučnika trebao bi da izgleda kao na slici 6.6. Ugao θ je zadat pozicijom zvučnika i slušaoca. U tako definisanim okvirima U obe grane signala koji idu na zvučnike treba da postoji mogućnost promene pojačanja. Odnos pojačanja GD i GL određuje azimut virtuelnog izvora α. Uticaj na pokrete virtuelnog izvora može se pojednostavljeno modelovati vektorskim dijagramom, pri čemu rezultanta određuje pravac pod kojim se percepira. Podrazumeva se da su promene pojačanja GD i GL simultane sa suprotnim smerovima promena, što je na slici simbolički naznačeno. Te promene treba da se izvode na način koji će obezbediti konstantan moduo rezultantnog vektora, jer time intenzitet zvuka na mestu slušaoca ostaje konstantan.

s GD

GL

Slika 6.6 - Geometrija stereo zvučne slike

θ

α GD s

GL s

Zakonitost promene položaja virtuelnog izvora u funkciji razlike intenziteta signala u kanalima zavisi od prirode signala koji se emituje. Na to utiču spektralni sadržaj signala


126

i njegove dinamičke karakteristike. Za slučaj pobude širokopojasnim impulsima srednja zavisnost položaja virtuelnog izvora u funkciji razlike u decibelima izgleda kao na slici 6.7. Oblik te promene utvrđivan je subjektivnim merenjima i statističkom obradom za više subjekata i više ponavljanja testova. Međutim, u literaturi je pokazano da oblik krive nije apsolutni, već da zavisi od vrste signala koji se emituje, od njegovog spektralnog sadržaja i vremenskog oblika (videti tekst u okviru). 30

o

azimut virtuelnog izvora ( )

20

10

Slika 6.7 - Dijagram prosečne promene položaja virtuelnog izvora duž zvučne baze, izražene preko vrednosti azimuta α, u funkciji razlike u nivoima levog i desnog kanala. Uzeto je da je ugao θ = 30o.

0

-10

-20

-30 -30

-20

-10

0

razlika nivoa (dB)

10

20

30

Zakonitost promene azimuta virtuelnog izvora između razdvojenog zvučničkog para zavisi i od sadržaja audio signala koji se preprodukuje. U tom smislu od uticaja su njegov spektralni sadržaj i vremenska obvojnica. Zbog toga dijagram promene prikazan na slici 6.7 treba shvatiti samo kao osnovni pokazatelj, a ne i kao apsolutnu zakonitost. Na donjoj slici je prikazano nekoliko rezultata merenja promene vrednosti azimuta virtuelnog izvora u funkciji razlike nivoa signala u zvučnicima. Punom tanjom linijom prikazana su rezultati merenja dva autora kada su signali sa dominantnim sadržajem niskih frekvencija. Isprekidanom linijom su prikazana takođe merenja dva različita autora, ali sa signalima koji dominantno sadrže visoke frekvencije. Debljom linijom prikazana je kriva sa slike 6.7. Razlike koje se vide pokazuju da i metodologija merenja ima određeni uticaj na dobineni rezultat.

o


30

20

10

0 0

10

razlika nivoa (dB)

20

30


127

Iz svega ovoga proizilazi da se promenama odnosa nivoa signala koji se emituju preko dva zvučnika postavljena u prostoru ispred slušaoca može kontrolisati pozicija virtuelnog izvora duž linije koja spaja zvučnike. To dalje znači da je moguće generisati prostornu informaciju pomoću ilizije koja nastaje kontrolom relativnog odnosa intenziteta dva signala. Geometrijski okviri u kojima se može kretati virtuelni izvor široki su onoliko koliko je rastojanje između zvučnika, pa njihova prostorna konfiguracija određuje gabarite mogućih prostornih promena. Princip kontrole prostornih iluzija pomoću vremenskih razlika Drugi eksperiment koji ilustruje još jedan mogući princip formiranja prostornih iluzija zasniva se na istoj konfiguraciji sistema za reprodukciju zvuka sa dva prostorno razdvojena zvučnika, kao i u prethodnom eksperimentu. Razlika je samo u tome što se umesto oslabljivača u kolu jednog zvučnika postavlja linija za kašnjenje. Eksperiment je šematski prikazan na slici 6.8. Kada je kašnjenje ∆τ jednako nuli, čulo sluha percepira virtuelni izvor tačno na sredini zvučne baze, kao u prethodnom eksperimentu za slučaj ∆L = 0.

signal

∆τ zvucna baza virtuelni izvor

∆τ

Slika 6.8 - Šema eksperimenta sa vremenskim razlikama.

Kada se u grani jednog zvučnika uvede kašnjenje ∆τ, signal sa suprotnog zvučnika stizaće ranije do slušaoca. Kao rezultat, u zvučnoj slici koju percepira slušalac javiće se pomeranja virtuelnog izvora ka zvučniku čiji je signal neokašnjen, što je na slici 6.8 označeno isprekidanim krugom. Kada uvedeno kašnjenje ∆τ dostigne neku dovoljno veliku vrednost, pozicija virtuelnog izvora će se poklopiti sa pozicijom zvučnika koji emituje neokašnjen signal. Dovoljno velika vrednost kašnjenja je u praksi reda veličine 1 ms. Prebacivanjem linije za kašnjenje u granu drugog zvučnika menjao bi se smer pomeranja virtuelnog izvora. Dijagram promene položaja virtuelnog izvora u funkciji kašenja prikazana je na slici 6.9.


128

30

o


20

10

Slika 6.9 - Dijagram prosečne promene položaja virtuelnog izvora duž zvučne baze, izražene preko vrednosti azimuta α, u funkciji relativnog kašnjenja signala u kanalima. Uzeto je da je ugao θ = 30o.

0

-10

-20

-30 -1

0

vremenska razlika (ms)

1

Prikazani eksperiment pokazuje da se promenama relativnog vremenskog odnosa signala koji se dovode na levi i desni zvučnik takođe dobija mogućnost kontrole pozicije virtuelnog izvora u okviru zvučne baze. To dalje znači da je moguće generisati prostornu informaciju i pomoću iluzije stvorene kontrolom relativnog vremenskog odnosa dva signala koji će se reprodukovati zvučnicima. Interesantno je da se ovaj efekat koristi i u tehnici ozvučavanja kada se želi da slušaoci percepiraju zvučni izvor na nekom željenom mestu u prostoru.

6.5

Višekanalni formati reprodukcije zvuka

Mogućnosti korišćenja prostornih iluzija, bez obzira na koji od prikazanih načina one bile stvarane, otvorila je prostor za dizajniranje raznih formi audio sistema koji bi slušaocu donosili i prostorne dimenzije zvučne slike. To, naravno, zahteva potpuno usaglašavanje svih procesa duž audio sistema. Polazna tačka pri tome je uvek neki usvojeni raspored zvučnika u prostoru oko slušaoca koji emituju nezavisne signale, i koji se definiše kao standard. Prema tom standardnom rasporedu koncipira se dalje tehnologija pripreme signala. Najzad, postoji poseban, relativno nezavistan tehnički problem prenosa i zapisivanja datog broja audio signala za usvojeni standard reprodukcije. U praksi je upravo ova poslednja tačka, mogućnosti tehnologije prenosa i zapisivanja koji spajaju proizvodnju signala i njihovu reprodukciju, ono što određuje limite prema kojima se dalje određuje sve drugo u audio sistemu. Kroz istoriju razvoja audiotehnike uvek su mogućnost prenosa određivali standarde reprodukcije. Broj nezavisnih kanala koji se primenjivao u reprodukciji, što podrazumeva i isti broj nezavisnih audio signala, povećavao se vremenom kako je tehnologija lagano otvarala nove mogućnosti prenosa sve veće i veće količine informacija, a posebno sa pojavom mogućnosti kompresije audio signala u digitalnom domenu. Mesto gde se stvaraju audio signali i mesto gde se oni reprodukuju u opštem slučaju veoma su udaljeni i bez ikakvih kontakata. Da bi prenos prostornih informacija


129

kroz takav audio sistem pravilno funkcionisao neophodna je standardizacija, odnosno dogovor, o svim fazama kroz koje signal prolazi. Tako je vremenom definisan osnovni koncept na kome su zasnovani svi kasnije primenjivani standardi višekanalnih formata reprodukcije zvuka. Taj koncept se zasniva na dva osnovna stava: 1. Stereo sistem za reprodukciju prostorne zvučne slike, bez obzira na broj kanala, koncentriše se samo na horizintalnu ravan, i to samo na njen prednji deo koji se vidi pod uglom od oko ±30o u odnosu na osu slušaoca. U toj oblasti prostorna rezolucija čula sluha je najveća, i u skladu je sa navikama da se čovek okreće prema izvorima zvuka. 2. Komponente zvučne slike koje nose informacije samo o akustičkom ambijentu ne prenose se stereo sistemom (što bi podrazumevalo mogućnost precizne definije pozicije svih zvučnih izvora u bilo kom pravcu) već se slušaocu reprodukuju posebnim zvučnicima raspoređenim u njegovom zadnjem poluprostoru. Ovaj deo sistema reprodukcije zvuka naziva se surround. Postojeća ograničenja, pre svega tehničkih kapaciteta snimanja i prenosa signala u punom audio opsegu, učinila su da se vremenom standarizuje konačan broj različitih formata koji su nastali kombinovanjem stereo i surround kanala. U tabeli 5.1 prikazani su danas korišćeni sistemi reprodukcije. U posebnoj koloni je naveden broj nezavisnih audio signala koje treba obezbediti za svaki od formata. Formati su poređani po rastućem broju potrebnih nezavisnih signala. Vidi se da se danas koriste sistemi prostorne reprodukcije koji zahtevaju od dva do pet signala. U životu je uobičajeno da se slušalac okreće prema izvoru zvuka koga sluša, na koncertima je okrenut prema bini na kojoj se muzicira, pa je korišćenje stereo sistema koji pokriva čitav krug oko slušaoca problematična investicija. Ostatak prostora izvan dela koji je pokriven stereo sistemom, a to je ±30o u odnosu na osu slušaoca, pokriva se surround kanalima koji sa aspekta prostornih informacija na redukovan način reprodukuju zvukove koji dolaze iz ambijenta. Ova redukcija je u skladu sa smanjenim sposobnostima percepcije pravca zvukova koji dolaze iz zadnjeg poluprostora. Koncept podele na stereo i surround kanale dodatno je omogućio izvesna prilagođavanja realnostima Naime, u okolnostima kada postoji ograničenje u kapacitetima prenosa i zapisivanja, signali surround kanala prenose sa suženim frekvencijskim opsegom, što ne bi bilo prihvatljivo za glavne, stereo kanale, ali je subjektivno prihvatljivo za signale koji samo nose informacije iz ambijenta. U skladu sa tim, u sistemima koji imaju više od jednog surround zvučnika, bez obzira da li emituju isti ili različiti signal, to jest da li su tipa (x/1) ili (x/2), traži se da njihovi signali na mestu slušaoca budu nekorelisani radi podsticanja subjektivnog osećaja okruženosti zvukom. U razvoju sistema za višekanalnu reprodukciju zvuka, posebno zbog ograničenih mogućnosti prenosa signala, pažnja je uvek bila koncentrisana ka prednjem delu prostora u kome čulo sluha ima najveću prostornu rezoluciju. Ipak, proširenje stereo reprodukcije na čitav krug azimuta bila je tema koja je povremeno privlačila pažnju, onoliko koliko je trenutno stanje tehnologije prenosa i zapisivanja to dopuštalo. Jedan od najpoznatijih pokušaja u tom pravcu bio je sedamdesetih godina prošlog veka, kada se pojavila kvadrofonija. Ona je podrazumevala četiri stereofonska kanala čiji su zvučnici bili raspoređeni u temenima kvadrata, sa slušaocem u njegovom centru. Ovaj sistem u to doba nije šire prihvaćen, a pažnja je u daljem razvoju usmerena samo na prednju poluprostor slušaoca.


130

Tabela 6.1 - Standardne varijante višekanalne reprodukcije zvuka. U poslednjoj koloni je označen potreban broj nezavisnih signala. Oznake zvučnika, odnosno kanala na slikama: L - levi, C - centralni, D - desni, MS - mono surround, LS - levi surround, DS - desni surround. C

D

L

o

-110

+110

+30

o

o

2 signala

-30

o

MS

MS

mono + mono surround (1/1)

dvokanalni stereo (2/0)

D

L

C D

L -30

o

+30

-110

o

+110

o

+30

o

3 signala

-30

o

MS

MS

trokanalni stereo (3/0)

dvokanalni stereo + mono surround (2/1)

C

D

L

D

L o

-30

o

+30

o

-30

o

+110

o

o

-110

SL

SD

MS

MS

dvokanalni stereo + 2 surround (2/2)

o

+110

trokanalni stereo + mono surround (3/1) C D

L

o

-30

o

-110

SL

o

+30

+110

5 signala

-110

o

+30

4 signala

o

o

SD

trokanalni stereo + 2 surround (3/2)


131

Dalje usložnjavanja osnovnih formata reprodukcije zvuka Osnovne konfigurcije višekanalnih formata za reprodukciju zvuka prikazane u Tabeli 6.1, sa mogućim konfiguracijama zvučnika kao na prikazanim slikama, prevashodno se odnose na reprodukciju zvuka jednom slušaocu ili maloj grupi slušalaca raspoređenih na relativno ograničenom prostoru. U praksi to odgovara okolnostima kakve postoje u uslovima kućne reprodukcije zvuka, odnosno u uslovima iz domena reprodukcije radiodifuznih programa. Činjenica je i da pokazane konfiguracije zadovoljavaju potrebe slušalaca u najvećem broju mogućih realnih okolnosti kada se koriste audio sistemi. Postoje okolnosti koje podstiču permanentni razvoj ove oblasti audiotehnike, pa je.svaki pomak u mogućnostima tehnologije korišćen i u tom pravcu. U tom smislu, stalno deluju dva jaka motiva koji pokreću proširivanje i usložnjavanje formata reprodukcije u odnosu na one koji su prikazani u tabeli 6.1. To su: - razni kreativni zahtevi koji najviše dolaze iz sfere filmske industrije, i - potrebe da se zvučna slika sa prostornim dimenzijama reprodukuje velikom broju slušalaca, odnosno nekom auditorijumu zadate veličine. Zato je svako povećanje tehnoloških mogućnosti u domenu prenosa i zapisivanja korišćen za zadovoljavanje ovakvih potreba. U tom smislu, do danas je definisano nekoliko standarda koji predstavljaju proširenje osnovnih koncepata iz tabele 6.1. To su: - formati tipa X.1, - formati tipa X.1 za reprodukciju u bioskopima, - formati uz sliku sa više od 5 diskretnih kanala. Ovaj spisak nikako ne treba shvatati kao konačan, jer se sa razvojem tehnologije povremeno pojavljuju različita usavršavanja i proširenja sistema za prostornu reprodukciju, diktirana potrebama stalnih inovacija na tržištu audio uređaja. Zbog toga će ovde biti detaljnije opisani samo standardi koji se šire primenjuju ili su masovnije zastupljeni u tržišno dostupnim uređajima. Formati tipa X.1 Kreativne potrebe fimske industrije dovele su do uvođenja jednog specifičnog, dodatnog kanala koji se koisti samo za reprodukciju posebnih efekata nezavisnih od prostornih dimenzija zvučne slike. Prisustvo tog kanala sa svojim posebnim zvučnikom označeno je u nazivu standarda dodatkom "tačka 1". Time se označava činjenica da on nije jednak sa ostalim kanalima formata. Taj kanal ima uži frekvencijski opseg, tipično 20 - 120 Hz, i služi za reprodukciju niskofrekvencijskih efekata (NFE). U tom smislu, danas se za reprodukciju zvuka koji prati sliku, filmsku i TV, ustalio sistem reprodukcije zvuka koji je definisan standardima i označen kao format ″5.1″ (čita se ″pet, tačka, jedan″). On u svojoj osnovi sadrži već opisani sistem reprodukcije (3/2), kome je pridodat NFE kanal. Na slici 6.10 prikazana je prostorna konfiguracija kanala za reprodukciju u formatu 5.1.


132

C L

NFE D

Slika 6.10 - Prostorna konfiguracija kanala u sistemu 5.1. NFE označava kanal za niskofrekvencijske efekte, a ostale oznake su iste kao u tabeli 5.1. SL

SD

NFE je sasvim nezavistan kanal čiji sadržaj, odnosno signal nema nikakve veze sa signalima u ostalih pet kanala. Format 5.1 je dizajniran prevashodno da podržava filmsku, odnosno televizijsku sliku. U tom smislu je namenjen dodavanju posebnih subjektivnih efekata koji se formiraju pomoću zvukova najnižih frekvencija u scenama koje to iz nekih kreativnih razloga zahtevaju. Da bi se takav cilj ostvario, prema standardu se u bioskopima NFE kanal dizajnira da može proizvesti 10 dB viši nivo od ostalih kanala sistema. Funkciju tog kanala ne treba mešati sa primenom sabvufera u standardnim stereo sistemima (videti tekst u okviru).

U okviru kompleta za reprodukciju zvuka u standardnim stereo formatima često se koristi poseban zvučnik, nazvan sabvufer, preko koga se iz svih signala reprodukuju komponente najnižih frekvencija. Za razliku od primene sabvufera u formatu 5.1, gde on ima funkciju nezavisnog kanala i kao takav ima svoj dodatak u oznaci formata, u standardnim stereo sistemima upotreba sabvufera ima sasvim praktičnu osnovu. Naime, donja granična frekvencija jednog zvučničkog sistema direktno je srazmerna njegovoj veličini. Otuda zvučnički sistemi od kojih se zahteva da reprodukuju čitav čujni opseg do veoma niskih frekvencija moraju imati relativno velike dimenzije kutije. Sa druge strane, čulo sluha nema sposobnost da lokalizuje pravac nailaska zvuka na najnižim frekvencijama, odnosno u opsegu talasnih dužina koje su mnogo veće od dimenzija glave. Zbog toga ne postoji potreba da se te komponente signala reprodukuju sa prostorno razdvojenim zvučnicima i sa pozicija odakle se eimtuju stereo kanali. Da bi se uštedelo na dimenzijama pet osnovnih zvučnika često se odgovarajućim filtarskim kolima (elektronskim skretnicama) iz svih kanala izdvajaju komponente najnižih frekvencija, sabiraju i zajedno reprodukuju preko jednog zajedničkog sabvufera. Ostali zvučnici tada mogu biti manji, što znači i jeftiniji. Primena sabvufera u stereo sistemu za reprodukciju zvuka ne znači poseban kanal, već zajednički pomoćni niskofrekvencijski zvučnik glavnih kanala, za razliku od formata 5.1 kod koja je to šesti, nezavisni signal. Razdvajanje komponenata signala niskih frekvencija ispod usvojene granične frekvencije, podešavanje relativnih odnosa i njihovo slanje u sabvufer u komercijalnoj literaturi naziva se "bas menadžment."


133

Za reprodukciju NFE kanala koristi se zvučnički sistem posebnog dizajna, koji se naziva sabvufer. Njegov zadatak je da efikasno reprodukuje zvuk počevši od 20 Hz, što je veoma ozbiljan zahtev, ali mu je istovremeno propusni opseg veoma sužen. Za tako speficične namene koriste se posebni zvučnici, odnosno pobuđivači, i posebne konstrukcije kutija. Činjenica je da u oblasti najnižih frekvencija koje pokriva NFE kanal čulo sluha nema mogućnost lokalizacije u prostoru. Zbog toga ne postoji precizno definisana tačka u prostoru oko slušaoca za postavljanje sabvufer zvučnika, kao što je to slučaj sa zvučnicima stereo i surround kanala. Sabvufer se uobičajeno postavlja negde između centralnog i levog, odnosno centralnog i desnog zvučnika, kao što je prikazano na slici 6.10. Formati tipa X.1 u bioskopima Osnovna konfiguracija formata 5.1 sa slike 6.10 nužno mora doživeti transformaciju kada se zahteva reprodukcija za veći auditorijum kao što je bioskop. To znači da potencijalni slušalac više nije u jednoj optimalnoj tački, već distribuiran po zadatoj površini gledališta. Ta transformacija je nužna za sve formate koji uključuju surround kanale, a 5.1 je samo najsloženiji među njima. Osnovna konfiguracija sistema za reprodukciji zvuka u takvim okolnostima prikazana je na slici 6.11.

L

NFE

C

D

ekran

gledaliste

SL

SD

Slika 6.11 - Prostorna konfiguracija sistema za reprodukciju u formatu 5.1 za veći auditorijum kakav je u bioskopskoj sali (pozicija zvučnika NFE je negde u prednjoj zoni; tačan položaj nije standardizovan, ali se uobičajeno postavlja na pod između centralnog i jednog od stereo kanala).

SD

SL

SL

SD

Dve su bitne promene u bioskopu u odnosu na osnovnu definiciju formata 5.1 sa slike 6.10. Prva promena proizilazi iz veličine auditorijuma. Zbog potrebe pokrivanja veće


134

površine nužno je da postoji više zvučnika svakog os suround kanala, koji se raspoređuju duž zidova sale. Oni se samo ne postavljaju u prvoj trećini dužine sale da bi se prostorno razdvojio pravac nailaska zvuka iz stereo kanala (L, C, D), smeštenih iza platna, i surround kanala. Zbog prirode uloge surround kanala u okviru ukupne zvučne slike poželjno je da signali iz raznih zvučnika na mestu slušalaca budu što više nekorelisani. Postoje preporuke da se u tom smislu dodaju i izvesna kašnjenja u signalima koji idu na različite zvučnike istog kanala.

Specifičnost reprodukcije u bioskopima učinila je i da se uvede nešto drugačija terminilogija. Stereo kanali koji se nalaze iza platna nazivaju se "glavni" ili "screen" kanali. Tako se u terminologiji bioskopske tehnologije govori o glavnim i surround kanalima.

Druga bitna promena je u stereo kanalima. Složen sistem reprodukcije kakav je u bisokopu nameće niz posebnih tehničkih zahteva vezanih za precizno postavljanje zvučnika u prostoru zbog potrebe uklapanja sa ekranom na kome se reprodukuje slika. Naime, pozicije zvučnika tri centralna kanala u bioskopu nisu definisane apsolutnim merama, već su povezane za dimenzije i položajem slike, odnosno ekrana. To takođe znači i da se postavljaju u ravni slike, a ne na krugu u čijem je centru slušalac, kao na slici 6.10. Širina stereo baze se prilagođava realnoj veličini slike, bez obzira na ugao pod kojim se vide zvučnici levog i desnog kanala. Osim rasporeda po širini, oni se moraju postaviti na odgovarajuću visinu prema visini slike na platnu. Postoji preporuka da se visokofrekvencijski zvučnici zvučničkih sistema postavljaju na 2/3 visine slike. Na filmu se zvučnici postavljaju uvek iza platna jer je platno transparentno za zvuk. Ugao pod kojim se vidi TV ekran je uvek manji od ugla pod kojim se vi slika u bioskopu, pa je u širina stereo baze u televizijskoj verziji relativno manja. Kod TV slike centralni zvučnik mora odstupati od pozicije ustanovljene standardom pošto TV ekran nije transparentan za zvuk. U takvim okolnostima zvučnik centralnog kanala se postavlja iznad ili ispod ekrana, što predstavlja izvesno izobličenje u odnosu na osnovni koncept formata.

Realnost bioskopske reprodukcije zvuka u najvećem broju sala odstupa od teorijske postavke formata 5.1. To je direktno povezano sa finansijskim mogućnostima, pritiskom konkurencije u okruženju, tražnjom kvaliteta u sredini u kojoj se bioskop nalazi, itd. U bioskopima se praktično mogu sresti svi oblici formata iz tabele 5.1. Većina bioskopa po malim mestima ima samo mono sistem sa jednim centralnim kanalom. U ostalima se mogu naći stereo, mono surround kanal i druge kombinacije sa i bez sabvufera. Samo mali broj bioskopa, a to su bioskopi u većim mestima koji su, pri tome, skorije renovirani, imaju sistem za reprodukciju zvuka u potpunom 5.1 formatu.

Formati uz sliku sa više od pet diskretnih kanala Velika širina bioskopskog ekrana na kome se projektuje slika i velike dimenzije auditorijuma, što karakteriše velike bioskopske sale, omogućavaju da se u takvim prostorima umeću dodatni diskretni kanali za reprodukciju zvuka. Sa povećanjem mogućnosti zapisivanja zvučnih informacija na filmskoj traci, reprodukcija zvuka koja


135

prati filmsku sliku lagano evoluira u pravcu proširivanja standardnih formata 3/2, odnosno 5.1. Odvijanje tog procesa prati tehnološki razvoj zapisivanja, kodovanja i kompresije povećanog broja audio signala. U tom domenu se povremeno pojavljuju novi specifični formati koji imaju više od pet diskretnih kanala i koji uglavnom ostaju ekskluzivno namenjeni bioskopskim salama i zbog fizičkih ograničenja ne dospevaju u kućne sisteme za reprodukciju zvuka. Veliki prostor bioskopskih sala stvorio je uslove da se poveća broj surround kanala. Tako se pojavio sistem nazvan surround EX (skraćenica od extended) koji predstavlja sistem 3/3. Zbog NFE kanala on se označava i kao 6.1. Ovaj sistem ima trokanalni surround sistem, sa posebnim signalima koji se reprodukuju na dve bočne i na zadnjoj strani sale. Projektovanje slike na veoma širokim ekranima, kakvi su u velikim bioskopskim salama, stvarali su preduslove za pojavu formata kod koga se proširuje broj stereo kanala. Tako postoji format koji bi se mogao označiti kao (5/2), odnosno 7.1, kod koga se između levog i centralnog, odnosno desnog i centralnog kanala umeće po jedan novi kanal. U okolnostima veoma velike širine slike i velike širine auditorijuma ovim se postiže kvalitetnija lokalizacija izvora u zvučnoj slici. Sasvim je sigurno da razvoj koji vodi u pravcu povećavanja broja kanala u prostornoj reprodukciji zvuka nije okončan. On je isključivo limitiran tehnološkim mogućnostima prenosa i zapisivanja, i jedino realno ograničenje u tom pravcu je konačna rezolucija čula sluha u percepciji prostora. Prenos i zapisivanje signala za višekanalne formate reprodukcije Formati prikazani u tabeli 6.1 i slici 6.10, odnosno 6.11, pokazuju samo principe reprodukcije zvuka sa više diskretnih kanala. Snimanje i prenos tih pet ili više nezavisnih kanala predstavlja posebnu tehničku temu. Ni jedan standardno korišćeni medij (filmska traka, video zapisi na traci, DVD i slično, CD) ne omogućava sinhrono zapisivanje pet različitih signala punog audio opsega. Zbog toga je osnovni problem, koji se pri tome mora savladati, "pakovanje" tih signala u kanal koji je uži od potrebnog za traženi informacioni protok. Osim nekom od metoda kompresije, to se može ostvariti raznim matričnim metodama, smanjenjem broja kanala, ograničavanjem frekvencijskog opsega i slično. Vremenom su se, prvo u analognoj formi a zatim u digitalnoj, pojavljivali razni postupci zapisivanja koji se međusobno razlikuju u načinima kako se vrši prilagođavanje realnim kapacitetima prenosnih kanala. Danas se u upotrebi ustalilo nekoliko standardnih načina snimanja koji su, pre svega, prilagođeni mogućnostima analognog i digitalnog zapisa na filmskoj traci ili mogućnostima fomata za zapis i prenos video signala. Samo neki od njih podrazumevaju puni opseg svih pet kanala. Svi sistemi nose komercijalne nazive definisane u firmama koje su ih patentirale. 1. Dolbi stereo u bioskopskoj tehnologiji i Dolbi surround kao varijanta za kućne primene - predstavljaju sisteme matričnog kodovanja koji omogućavaju format reprodukcije (3/1). Dolbi stereo se pojavio krajem sedamdesetih godina, a njegova pojednostavljena varijanta za kućne primene Dolbi 1982. godine. Na dva analogna stereo kanala ovi sistemi smeštaju dva kanala punog opsega (L i D), matrično kodovan centralni kanal punog opsega i jedan matrično kodovan surround kanal redukovane širine frekvencijskog ospega (100 Hz - 7 kHz). 2. Dolbi prolodžik (Dolby ProLogic) - predstavlja poboljšanu verziju analognih postupaka za bioskopske namene. Prva verzija se pojavila 1987. godine. Omogućava


136

format reprodukcije (3/1). Ovaj sistem na dva analogna kanala smešta 2 kanala punog opsega (L i D), dva matrično kodovana kanala takođe punog opsega (C, MS) i jedan sabvufer kanal kao skup niskofrekvencijskih komponenti svih ostalih kanala. 3. Dolbi digital (Dolby digital) - omogućava reprodukciju do formata 5.1. U digitalnom domenu uz primenu kompresije u okviru kapaciteta digitalnog zapisa na filmskoj traci smešta svih pet diskretnih kanala i LFE kanal. 4. DTS - Omogućava reprodukciju do 5.1 formata. U digitalnom domenu primenom kompresije u okviru kapaciteta CD formata smešta svih pet diskretnih kanala i LFE kanal. Kod filmova ovaj zvučni zapis nalazi se na posebnom CD mediju koji se reprodukuje pomoću CD reproduktora sinhronizovanog sa filmskim projektorom. Osim navedenih formata kodovanja postoje modifikovani standardi u analognom i digitalnom domenu koji mogu da podrže formate reprodukcije tipa 6.1 (Dolbi prolodžik IIx, Dolbi digital EX, DTS-ES, itd.).

6.6

Dvokanalni stereo format reprodukcije zvuka

Dvokanalni stereo format ima dva diskretna kanala, a zvučna slika se zasniva na principima njihovih intenzitetnih i vremenskih razlika. To je i najrasprostranjeniji format prostorne reprodukcije zvuka. Razlog treba tražiti u tome što ovakav sistem predstavlja optimum između tehnološkog ulaganja (samo dva kanala) i dobitka u zvučnoj slici u odnosu na mono reprodukciju samo jednim kanalom. Sva dalja usložnjavanja donose procentualno manji skok u količini informacija i subjektivnom doživljaju, uz linearni porast tehnoloških zahteva i cene sistema. Principi i mogućnosti dvokanalne stereofonije Dvokanalni stereo format reprodukcije pruđa mogućnost da se, koristeći razlike u signalima koji se šalju u levi i desni kanal, slušaocu omogućava percepcija virtuelnih izvora u zvučnoj slici bilo gde u okviru baze. Ako se audio sistemom prenosi složen zvuk koji sadrži komponente više nezavisnih izvora, kontrolišući za svaki izvor nezavisno intenzitetne ili vremenske razlike njihovih signala u levom i desnom kanalu, može se vršiti njihovo raspoređivanje po zvučnoj bazi, što je osnova dizajna složene zvučne slike.

Dvokanalna stereofonija je kao postupak bila poznata veoma davno, još pre Drugog svetskog rata. Međutim, u to vreme nije bilo tehničkih mogućnosti da se dvokanalni snimak na jednostavan i jeftin način distribuira slušaocima. Tek uvođenjem finog mehaničkog zapisa koji je primenjen na LP pločama, takozvani ″mikrorez″, omogućena je pojava stereo snimaka na tržištu. Uvođenje ultrakratkih talasa i frekvencijske modulacije omogućilo je radiodifuziju stereo signala.

Preduslov za potpun prostorni efekat dvokanalne stereo reprodukcije jeste da se slušalac nalazi na mestu koje je optimalno u odnosu na položaj zvučnika u prostoru, što je u tabeli 6.1 prikazano stavljanjem slušaoca u centar. Polazeći od potrebnih uslova za formiranje prostorne iluzije intenzitetnim i vremenskim razlikama signala u stereo


137

kanalima taj optimum položaja slušaoca nije samo jedna tačka, već posrazumeva geometrijsko mesto tačaka koje je označeno kao "zona stereo slušanja" na slici 6.12.

D

L

60o Slika 6.12 - Zona stereo slušanja.Kružićem je označena takozvana "sweet spot".

Kao što se sa slike vidi, zona slušanja je simetrična u odnosu na osu zvučne baze, koja se u ovom slučaju naziva i ″stereo baza″. Za slušaoca koji se nalazi negde sa strane, značajno izvan označene zone sa slike, stereo reprodukcija pruža čak manje zvučnih informacija nego jednostavni mono sistem. Na primer, nejednaka udaljenost od zvučnika može učiniti da će potencijalni zvučni izvori postavljeni u stereo slici sasvim na jednoj strani zvučne baze biti nečujan za slušaoca koji se nalazi neposredno uz suprotni zvučnik. U tom smislu postoje okolnosti kada je kontraindikovano primenjivari stereo reprodukciju, bez obzira na postojanje stereo zvučničkog para, već je razumno na oba zvulnika slati jedinstven mono signal. Dodatnom manipulacijom sa veštačkom reverberacijom u signalima dobija se mogućnost da se, osim prostornog razmeštanja izvora u zvućnoj slici između levog i desnog zvučnika, postigne još i iluzija prividnog pozicioniranja virtuelnih izvora po dubini. Propuštajući signale kroz veštački reverberator, uz adekvatno podešavanje relativnog odnosa pojedinih komponenti u impulsnom odzivu dodatom veštačkom reverberacijom moguće je kontrolisati iluziju udaljavanja virtuelnog izvora sa linije stereo baze. Naravno, sve što je navedeno da stereo format reprodukcije zvuka kvalitativno donosi predstavlja samo mogućnosti. Precizan dizajn zvučne slike i prostorni raspored zvučnih izvora u zvučnoj slici zavisi od toga kakav je umetnički koncept i kakva je tehnička ispravnost svih primenjenih postupaka sa signalima, odnosno zavisi od rada osobe koja upravlja audio sistemomdonosi i njegove tehnološke opremljenosti. Odgovarajućim tehničkim sredstvima unutar audio sistema može se vršiti kontrola intenzitetskih i vremenskih odnosa signala, odnosno pozicioniranje izvora u zvučnoj slici između levog i desnog zvučnika. Kako i koliko će to biti iskorišćeno prestaje da bude tehničko pitanje i postaje tema produkcije snimaka i deo je zanata snimanja i dizajna zvuka.


138

Izobličenje prostorne stereo slike Pri reprodukciji dobro napravljenog stereo snimka može se precizno prostorno razlučiti gde se šta nalazi u zvučnoj slici, po širini i po dubini. Međutim, da bi sve to moglo da se percepira potrebno je da se slušalac nalazi u pravilnoj poziciji u odnosu na zvučnike, da akustičko okruženje u kome se nalaze zvučnici i slušalac ima adekvatan akustički odziv i da audio sistem u delu za prenos, snimanje i reprodukciju nema tehničkih nedostataka i nesavršenosti. Destrukciju iluzije prostora može da izazove čitav niz uzroka. Osim nedostataka u radu onoga ko dizajnira zvučnu sliku, što znači subjektivnih faktora, destrukcija prostora može da nastane usled: - anomalija u procesu prenosa ili zapisivanja stereo signala, - nedostataka izlaznog akustičkog okruženja, - nedovoljnog kvaliteta delova sistema za stereo reprodukciju zvuka. - reprodukcija pomoću slušalica. Razne nesavršenosti u prenosu i zapisivanju signala mogu bitno da oštete prostorne dimenzije stereo zvučne slike. U tom pogledu posebno je kritično preslušavanje između kanala. Tom pojavom se remete originalni međusobni intenzitetni i vremenski odnosi signala levog i desnog kanala, postavljeni pri dizajnu zvučne slike. Analogna tehnologija je bremenita problemom preslušavanja u nekim fazama prenosa signala, kao i njegovog zapisivanja. Posebno kritični bili su jednostavni analogni snimači, kao što su kasetofoni i kućni gramofoni kod kojih preslušavanje između kanala na višim frekvencijama nije bilo zanemarljivo. Jedna od bitnih prednosti digitalne tehnologije nad analognom upravo je mogućnost očuvanja preciznosti stereo slike, jer u digitalnom domenu nema preslušavanja između signalnih kanala. Neadekvatno izlazno akustičko okruženje može da, u manjoj ili većoj meri, svojim impulsnim odzivom pokvari prostornu iluziju. Svaka jaka refleksija koja stiže iz nekog pravca do slušaoca svojim pravcem nailaska i kašnjenjem unosi pogrešne informacije u proces percepcije. Šire objašnjenje ovog problema je iz domena akustičke obrade prostorija i deo je teme o akustičkom dizajnu prostorija. Nedovoljan kvalitet uređaja za reprodukciju, što u praksi pre svega znači zvučnika, znači da se u signale preslikavaju njihovi impulsni odzivi koji mogu biti daleko od idealnog. S obzirom da se percepcija prostora zasniva na relativnim nivoima i kašnjenjima, nesavršenost impulsnih odziva, na primer zvučnika, može uticati na preciznost ovih vrednosti i na način njihove percepcije. Posebna vrsta destrukcije stereo zvučne slike javlja se kada se za reprodukciju koriste slušalice. Čitava koncepcija stereo formata zasnovana je na fenomenima opisanim kroz dva eksperimenta, odnosno na reprodukciji pomoću prostorno razdvojenih zvučnika i glavi slušaoca u prostoru ispred njih. Takav standard u proizvodnji audio materijala je svojevremeno usvojen i primenjuje se i danas. Za nastanak iluzije potrebno je da signali iz oba zvučnika dospevaju i u levo i u desno uvo slušaoca. Ako se dva stereo signala dovedu na slušalice, eliminiše se taj preduslov i najveći deo prostornih informacija se gubi. Kompletna zvučna slika se tada uglavnom svodi samo na krajnje levu i krajnju desnu poziciju. Naravno, postoji niz okolnosti kada se korišćenje slušalica za stereo reprodukciju ne može izbeći. Treba samo znati da se pri tome gubi najveći deo prostornih informacija koje signali sadrže. Bezbroj je snimaka koji već u svom nastanku nisu dobili adekvatne prostorne informacije. Postizanje kvaliteta prostornih dimenzija stereo slike zahteva zanatsko umeće i kvalitetna studijska tehnološka sredstva. Na tržištu muzičkih snimaka samo mali


139

broj dostiže taj puni kvalitet. Veliki procenat snimaka nisu ni napravljeni sa preciznim prostornim dimenzijama. Razlog tome je neznanje, nedostatak snimateljskog umeća, nedovoljan kvalitet opreme za snimanje i dizajn zvučne slike, itd. Zato stereo format reprodukcije zvuka predstavlja samo mogućnost koja se, od slučaja do slučaja, može u manjoj ili većoj meri iskoristiti. Ovde se mora napomenuti i da najšire tržište muzičkih snimaka, odnosno konzumenti takvih proizvoda, posebno u nekim muzičkim žanrovima, uglavnom ne traže finese u zvučnoj slici pa se tada veći trud u tom domenu i ne isplati.

Tokom razvoja audio uređaja za kućnu upotrebu na tržištu su se pojavljivali relativno jednostavni analogni sklopovi koji su imali zadatak da delimično iskompenzuju gubitak koji nastaje kada se stereo snimak reprodukuje pomoću slušalica. Ono što nestaje korišćenjem slušalica je preslušavanje, jer signali iz kanala treba da dospevaju u oba uva, filtrirani prenosnom funkcijom glave. Osnovu tih uređaja činila je jedna linija za kašnjenje koja povezuje levi i desni kanal, kojom je uviđeno preslušavanje između kanala. U oba kanala nalazili szu se i frekvencijski korektori koji aproksimiraju oblik prenosne funkcije glave. Naravno, u realizaciji ovih sklopova postoje dva ozbiljna problema: preciznost simulacije relevantnih parametara kašnjenja i difrakcije na glavi u analognoj tehnologiji i razlike između ostvarenih karakteristika i individualnih karakteristika glave slušaoca (što je problem koji prati i upotrebu veštčke glave). Zato je primena analognih sklopova za korekciju stereo signala pri reprodukciji pomoću slušalica odavno napuštena. Umesto toga, savremena tehnologija omogućila je razvoj procesora koji koriste banke filtara prenosne funkcije glave za kompleksne simulacije prostornih informacija pri korišćenju slušalica za reprodukciju zvuka. Međutim, ovakav pristup je još uvek relativno skup za svakodnevnu, pogotovo kućnu primenu.

6.7

Metode za formiranje dvokanalnih stereo signala

Za formiranje stereo zvučne slike potrebno je na odgovarajući način generisati dva signala, za levi i desni kanal. Teorijska osnova za moguće postupke su dva prikazana eksperimenta. Stereo signali moraju da se međusobno razlikuju vremenski ili intenzitetno da bi se ostvarila željena prostorna informacija u zvučnoj slici. Formiranje odgovarajuće stereo zvučne slike svodi se na primenu različitih postupaka za stvaranje adekvatnih razlike između levog i desnog signala. Kroz ekslerimente je pokazano da je za iluziju pomeranja zvučnog izvora izvan fizičkog obima zvučnika i njegovo pozicioniranje negde duž zvučne baze potrebno ostvariti odgovarajuće intenzitetne ili vremenske razlike signala tog izvora u levom i desnom kanalu. Zbog toga se sve praktične metode formiranja stereo slike mogu podeliti na dve kategorije: na one koje se zasnivaju na intenzitetnim razlikama i one koje se zasnivaju na vremenskim razlikama, mada ćulo sluha dozvoljava i kombinovanja ta dva efekta. Važno je da zbirni efekat ne prelazi normalne gabarite koji odgovaraju krajnjem polozaju izvora na stereo bazi. Kada se stereo signali razlikuju samo po intenzitetu to se naziva intenzitetna stereofonija. Zbog načina označavanja kanala ona se često naziva ″XY stereofonija″ (videti tekst u okviru). Ako se signali u kanalima razlikuju samo po kašnjenju, to se, opet zbog oznaka kanala, naziva ″AB stereofonija″. Danas se u tehničkom smislu primenjuju tri osnovne metode za formiranje stereo signala. To su:


140

- panorama regulator, - koincidentni mikrofonski par (stereo mikrofon) i - rastavljeni mikrofonski par. U praksi snimanja zvuka primenjuju se i različite kombinacije ovih metoda. One se zasnivaju na činjenici da čulo sluha može da do izvesne mere sabira efekte ostvarene razlikom nivoa i vremenskim razlikama.

Specifična pojava je da se u različitim sistemima generisanja L i D stereo signala koriste različite oznake. Na primer: X i Y u intenzitetnoj stereofoniji (X je levi kanal) i A i B u vremenskoj stereofoniji (A je levi kanal). U nekim protokolima za razmenu signala u digitalnom obliku takođe se koriste oznake A i B, gde je A levi kanal. U okviru audio instalacija fizički kanali, odnosno provodnici, uobičajeno se definišu oznakama 1 i 2, što znači prvi i drugi kanal. Pri tome se podrazumeva da je kanal 1 rezervisan za levi stereo kanal. Ovakav pristup u označavanju sasvim je logičan, s obzirom da se kroz fizičke kanale mogu slati stereo signali bilo koje vrste.

Panorama regulator Panorama regulator predstavlja metodu za formiranje stereo signala koja omogućava da se pomoću odgovarajućeg električnog kola, a na osnovu samo jednog ulaznog signala, na primer iz jednog mikrofona, generišu levi i desni stereo signal. Kolo panorama regulatora se principijelno može opisati sa dva potenciometra spregnuta na istoj osovini, a povezana tako da se promene otpornosti vrše u suprotnim smerovima, kao što je prikazano na slici 6.13.

Slika 6.13 - Principijelna šema rada panorama regulatora.

Kada se oba klizača potenciometara nalaze na sredini, signali u oba izlazna kanala biće jednaki. Tada će u stereo slici zvučni izvor, čiji se signal dovodi na regulator, biti tačno na sredini zvučne baze. Kada se klizači potenciometara pokrenu na jednu ili drugu stranu, jedan izlazni signal će se povećavati, a drugi istovremeno smanjivati. Bez obzira na koju stranu se klizači pomeraju, na izlazima nastaju dva signala međusobno komplementarnih nivoa. Kao rezultat, dobijaju se intenzitetne razlike izlaznih signala levog i desnog kanala, a zvučni izvor se pomera iz centra stereo baze prema jednom


141

kraju. Prema tome, panorama regulatorom se dobija intenzitetna stereofonija. Na osnovu opisa jasno je da je panorama regulator jedan obrtni regulator kod koga trenutna pozicija dugmeta odgovara poziciji zvučnog izvora na stereo bazi.

U snimateljskom žargonu panorama regulator se skraćeno naziva ″panorama″, ″panpot″ (skraćeno od ″panorama potenciometar″) ili kratko ″pan″. Na blok šemama i jednopolnim šemama ovaj regulator se najčešće predstavlja simbolima koji su prikazani na donjoj slici, mada se u fabričkoj dokumentaciji za audio uređaje mogu naći i druge varijante simbola.

Za rad panorama regulatora, odnosno za rešavanje detalja njegovog električnog kola ako je realizovan u analognom domenu, postavlja se jedan važan zahtev. Pri promenama položaja regulatora, odnosno pri kretanju izvora duž stereo baze, na mestu slušaoca intenzitet zvuka mora ostati konstantan. Ako bi se pri tome intenzitet menjao, slušalac bi imao utisak da se zvučni izvor, uz pomeranje levo-desno, istovremeno udaljava, ako se intenzitet smanjuje, ili približava ako se intenzitet povećava. Zadatak panorama regulatora je da isključivo ostvari kretanje virtuelnog izvora levo-desno, pa bi svaki drugi efekat bio parazitska pojava (videti tekst u okviru). Zadovoljavanje uslova konstantnog nivoa zvuka na mestu slušanja ima za posledicu da realno kolo panorama regulatora u hardverskoj realizaciji mora biti složenije od principijelne šeme sa slike 6.13. To se može rešiti usložnjavanjem pasivne mreže oko potenciometarskog regulatora, naponski kontrolisanim regulatorskim kolima, posebno izrađenim potenciometrima sa adekvatnim zakonom promene otpornosti, itd. Na slici 6.14 prikazana je šema jedne moguće realizacije panorama regulatora kakva se koristi u nekim analognim audio miksetama.

Slika 6.14 - Jedna moguća hardverska realizacija panorama regulatora u analognoj tehnologiji

Iz opisanog principa rada jasno je da panorama regulator pruža mogućnost da se jedan signal, na primer iz mikrofona, raspodeli na oba stereo kanala i tako zvučni izvor pozicionira na odgovarajuće mesto u okviru stereo baze. Kada god se formiranju zvučne slike pristupa sa pojedinačnim signalima, što je slučaj pri korišćenju pojedinačnih mikrofona i pri korišćenju signala iz električnih instrumenata, primena panorama regulatora je istovremeno jedini način da se formira složena stereo slika. To je uobičajeni postupak u sistemima za ozvučavanje scenskih događaja i pri višekanalnom snimanju u studiju.


142

U formiranju složenije zvučne slike sa više zvučnih izvora svaki od njih se može pozicionirati na neko svoje mesto na potezu između levog i desnog zvučnika pomoću svog panorama regulatora. Raspodeljivanje zvučnih izvora u prostoru vrši se prema usvojenim estetskim i muzičkim kriterijumima. Detalji o tome mogu se naći u brojnim priručnicima za snimatelje zvuka. Da bi intenzitet zvuka na mestu slušaoca bio konstantan, bez obzira na položaj panorama regulatora, mora biti ispunjen uslov da je zbir intenziteta zvuka koga stvaraju levi i desni zvučnik na mestu slušaoca konstantan:

J L + J D = const Razvijajući dalje ovaj izraz sledi da zbir kvadrata zvučnih pritisaka levog i desnog kanala na mestu slušaoca mora biti takođe konstantan, bez obzira na položaj panorama regulatora:

p L2 + p D2 = const Kako je zvučni pritisak na mestu slušanja srazmeran veličini audio signala, to znači da i zbir kvadrata amplituda signala levog i desnog kanala mora da bude konstantan:

v L2 + v D2 = const Samo ako je uslov iskazan gornjim izrazom zadovoljen, slušalac pri pomeranju panorama regulatora neće imati parazitski efekat promene intenziteteta zvuka. Ovaj uslov je principijelno prikazan i grafički na slici. U centralnom položaju panorama regulatora nivo oba signala treba da budu 3 dB niži od svog maksimuma da bi se zadovoljio traženi uslov.

Koincidentni mikrofonski par Drugi način dobijanja stereo signala intenzitetne stereofonije zasniva se na primeni dva usmerena mikrofona postavljena na odgovarajući način u prostoru. Oni se nazivaju koincidentni mikrofonski par. Ova dva mikrofona treba da budu postavljena


143

teoretski u istu tačku prostora, ali pošto je to fizički nemoguće, pozicija jedan iznad drugog najbliža je tome. U realnosti to izgleda kao na slici 6.15.

Slika 6.15 - Izgled koncidentnog mikrofonskog para.

Za formiranje koincidentnog mikrofonskog para najčešće se koriste mikrofoni kardioidne usmerenosti, ali sam princip rada ne zavisi od njenog oblika, već je samo bitno da mikrofoni imaju izvesnu usmerenost. Tako su moguće i druge standardne opcije dijagrama usmerenosti. Mikrofoni se postavljaju tako da im ose budu međusobno postavljene pod izvesnim uglom. U praksi se najčešće usvaja da je to od 90 do 120 stepeni. Ugao između dve ose mikrofona podešava se prema zahtevima snimanja. Njegova veličina nije presudna za princip rada i funkciju koincidentnog mikrofonskog para. Na slici 6.16 prikazani su dijagram i analitički izraz kardioidne usmerenosti, kakva se najčešće primenjuje. Vidi se da ovakav mikrofon ima maksimalan odziv na pobudu koja dolazi u pravcu njegove ose (definisana uglom θ = 0o). Odziv na pobudu zvukovima koji nailaze iz pravaca van ose je manja, a sa zadnje strane (180o) ovakav mikrofon ima nulu odziva. 0 330

30

300

60

Slika 6.16 - Oblik kardioidne usmerenosti i njen definicioni analitički izraz. Njen definicioni izraz je: 270

90

Γ(θ ) = 240

1 + cosθ 2

120

210

150 180

Kardioidne usmerenosti dva mikrofona iz koincidentnog para u prostoru izgledaju kao na slici 6.17. Ako je rastojanje među mikrofonima zanemarljivo, što se u praksi može smatrati da je zadovoljeno, signali na njihovim izlazima pri zvučnoj pobudi su u fazi i međusobno se razlikuju samo po nivoima. Razlika u nivoima je određena slabljenjima koje ostvaruje primenjeni oblik usmerenosti mikrofona. Prema tome, ako zvuk nailazi na koincidentni par iz nekog proizvoljnog pravca (podrazumeva se da dolazi sa prednje strane, dakle unutar ugla koje stvaraju ose mikrofona) on uvek pobuđuje oba mikrofona. Dobijeni signali se razlikuju u intenzitetu,


144

što je posledica usmerenosti. Kolika će biti razlika signala zavisi od ugla pod kojim dolazi zvuk. Prema tome, ugao nailaska zvuka na mikrofonski par preslikava se u veličinu međusobnog odnosa nivoa signala levog i desnog kanala. Kada zvuk nailazi u osi mikrofonskog para, koja je definisana u njihovoj ravni simetrije (označena na slici), signali u oba kanala biće jednaki.

Slika 6.17 - Šema uz objašnjenje rada koincidentnog mikrofonskog para: razlika u dijagramima usmerenosti levog i desnog mikrofona ∆ definiše razliku signala u kanalima.

Na veličinu intenzitetske razlike može se uticati podešavanjem ugla između mikrofona. Što je taj ugao veći, veće su i razlike između levog i desnog signala pri istom otklonu zvučnog izvora od ose mikrofonskog para. Na taj način, promena ugla između mikrofona koincidentnog para utiče na zavisnost između ugla nailaska zvuka i pozicije virtuelnog izvora na zvučnoj bazi. Kada razlika ∆ sa slike dostigne red veličine 25-30 dB, položaj zvučnog izvora se iz prostora ispred mikrofonskog para preslikava u krajnji položaj na stereo bazi gde se nalazi zvučnik. Ako se dva mikrofona koincidentng para postave u zajedničko kućište, onda se za takvu konstrukciju koristi naziv ″stereo mikrofon″. To je uređaj u kome unutar zajedničkog kućišta postoje dva senzora kardioidne usmerenosti postavljena pod izvesnim uglom. Izgled jednog studijskog stereo mikrofona prikazan je na slici 6.18. U okviru iste slike pokazan je primer drugog modela stereo mikrofona kod koga je uklonjena zaštitna mrežica. Zahvaljujući tome vidi se fizički odnos dve kapisle u prostoru. Stereo mikrofoni se uobičajeno prave tako da se gornja kapisla može rotirati oko uzdužne ose. Time se omogućava podešavanje ugla između njih. Na slici se mogu videti detalji oznake na kućištu koje pomažu pri postavljanju željenog ugla između levog i desnog mikrofona.


145

Slika 6.20 - Izgled jednog stereo mikrofona i presek (uklonjena zaštitna mrežica) na kome se vidi međusobni položaj mikrofonskih kapisli u prostoru

Pri formiranju stereo zvučne slike primena stereo mikrofona donosi mogućnost koju panorama regulator ne pruža, jer on prenosi akustičku sliku koja se nalazi u zoni ispred njega. Svako kretanje zvučnih izvora u horizontalnoj ravni, u okviru zadatog ugla koji se preslikava u stereo bazu na mestu slušanja, imaće svoj odgovarajući ekvivalent u promenama odnosa nivoa signala levog i desnog kanala. Tako se koincidentnim parom u stereo sliku takođe prenosi i realni raspored više zvučnih izvora u prostoru. Na šemama se koincidentni mikrofonski par, odnosno stereo mikrofon, predstavlja simbolom koji je prikazan na slici.

Postoje okolnosti kada je takva osobina stereo mikrofonskog para veoma značajna. Ako se snima neki muzički ansaml, panorama regulatorom može se pozicionirati svaki pojedini instrument tamo gde mu je mesto u zvučnoj slici, pa ako je potrebno sporadično pomeranje zvučnog izvora u okviru stereo baze, i to se može realizovati panorama regulatorom tokom rada na dizajnu zvučne slike. Međutim, ako je pri snimanju potrebno preneti zvučnu sliku nekog realnog ambijenta, onda je to moguće


146

samo stereo mikrofonskim parom. Na taj način se registruju prirodne pozicije svih zvučnih izvora, njihovo eventualno kretanje u prostoru, itd. Snimanje mikrofonskim parom se koristi za potrebe formiranja zvučne slike realnih ambijenata pri snimanju zvuka za film, radio drame u za drug slične potrebe. Često se i pri snimanju nekih koncerata, umesto velikog broja mikrofona ispred svakog instrumenta u kombinaciji sa njihovim panorama regulatorima, koristi jedan stereo mikrofonski par da bi se dobila informacija o realnoj zvučnoj slici u datom ambijentu. Ovakav pristup omogućava da se u izvesnoj meri u zvučnu sliku prenesu i pravci nailaska pojedinih komponenti impulsnog odziva prostora, naravno svedeni u horizontalnu ravan. Ovakvo snimanje, i pored svih dobrih osobina, ima i nedostatke koji čine da nije baš univerzalno porimenjivo. Prvo, u dobijenom stereo signalu nemoguće je korigovati međusobne odnose nivoa zvukova pojedinih izvora koji dolaze iz prostora, jer oni zavise samo od relativnog položaja mikrofonskog para u odnosu na zvučne izvore koji se snimaju. Na primer, u zvuku orkestra nemoguće je pojačati signal samo jednog instrumenta ili grupe instrumenata, ako se pokaže takva potreba. Promena je moguća samo tako što bi taj muzičar jače svirao, ili se pozicionirao bliže mikrofonima. Potreba da se omogući korigovanje odnosa vodi ka dodavanju i drugih mikrofona, što sve zajedno komplikuje sistem i eliminiše početnu jednostavnost koju daje koincidentni par. Drugo, potreba da se mikrofonski par postavi tako da izbalansirano registruje zvukove svih relevantnih izvora podrazumeva da on bude dovoljno udaljen od svih njih. To je moguće uraditi samo ako u prostoru gde se snima ambijentalna buka ne premašuje kritične vrednosti nivoa koje bi poremetile odnos signal/buka svih izvora koji se snimaju. Zbog toga je snimanje koincidentnim parom muzičkog ansambla ili drugih prostorno složenih izvora zvuka moguće samo u akustički dobro izolovanim uslovima. Rastavljeni mikrofonski par Oba do sada opisana načina formiranja stereo zvučne slike (panorama regulator i koincidentni mikrofonski par) zasnivaju se na intenzitetnoj stereofoniji. Pokazano je da se iluzija izmeštanja zvučnog izvoramože, osim kontrolom relativnog odnosa intenziteta, ostvariti i relativnim kašnjenja signala. Preslikavanje položaja zvučnog izvora u vremensko kašnjenje stereo signala može se realizovati pomoću dva mikrofona postavljena u prostoru na izvesnom rastojanju, sa međusobno paralelnim osama, kao što je prikazano na slici 6.21. Signali dobijeni iz tako postavljenih mikrofona čine levi i desni stereo kanal. Sistem dva mikrofona sa slike naziva se "rastavljeni mikrofonski par". Kada na ovako postavljene mikrofone pod izvesnim uglom u odnosu na njihove ose nailazi talasni front od nekog dovoljno udaljenog zvučnog izvora, pojavljuje se putna razlika koja je na slici označena sa ∆l. Ona se u mikrofonskim signalima manifestuje vremenskim kašnjenjem. Veličina putne razlike, odnosno kašnjenja, zavisi od međusobnog rastojanja mikrofona i ugla pod kojim nailazi talasni front. Pri konstantnom razmaku mikrofona, što je upadni ugao veći, veće je i relativno kašnjenje signala u kanalima. Tako se ovakvim prostornim odnosom mikrofona na mestu snimanja između signala formira vremensko kašnjenje kao funkcija ugla. Ranije je pokazano da je potrebna vremenska razlika između signala u stereo kanalima oko 1 ms, pa da slušalac ima utisak da se izvor nalazi potpuno na jednoj strani stereo baze (odnosno u jednom od zvučnika). U svakom konkretom slučaju postoji neko rastojanje mikrofona pri kome će se dobijati ovakav red veličine kašnjenja pri nailasku zvuka iz pravca koje se usvaja kao krajnje levi ili desni u zvučnoj slici. To znači da se podešavanjem razmaka između mikrofona može napraviti potrebna vremenska razlika


147

za zadati raspored zvučnih izvora koji se snimaju. U praksi snimanja zvuka udaljenje mikrofona može biti, u zavisnosti od okolnosti, od nekoliko desetina santimetara, pa do više od 1 m.

Slika 6.21 - Rastavljeni mikrofonski par.

Ako je zvučni izvor dovoljno daleko od mikrofona ne postoje razlike intenziteta zvuka na levom i desnom mikrofonu, jer je putna razlika suviše mala da bi se ispoljio efekat slabljenja usled širenja talasnog fronta na putanjama koje su reda veličine ∆l. Tada su nivoi signala u oba kanala jednaki i razlike se javljaju samo u njihovom relativnom kašnjenju. Međutim, ako se zvučni izvor nalazi relativno blizu mikrofonskog para, onda putna razlika koja se javlja može uzrokovati i intenzitetne razlike na mikrofonima usled efekta širenja talasnog fronta. U tom slučaju se u signalima levog i desnog kanala istovremeno javlja i vremenska i intenzitetna razlika. Eksperimenti su pokazali da čulo sluha može da razume informacije koje istovremeno donose kašnjenje i intenzitetna razlika, sabirajući njihove efekte sve dok su oni istog smisla u odnosu na smer pomeranja izvora i dok njihov zbirni efekat ostaje u okvirima maksimalnog mogućeg skretanja pozicije izvora unutar stereo baze. Pri formiranju rastavljenog mikrofonskog para ne postoji polazna pretpostavka o neophodnoj karakteristici usmerenosti mikrofona, jer osnovni efekat na kome se zasniva rad ovakvog postupka ne zavisi od toga. Zbog toga se za ovu namenu mogu koristiti i neusmereni mikrofoni, što nije slučaj kod koincidentnog para. Konstrukcija neusmerenih mikrofona ima izvesne prednosti u karakteristici na najnižim frekvencijama u odnosu na kardioidne mikrofone. Zbog boljeg oidziva na niskim frekvencijama mnogi snimatelji u praksi rado koriste rastavljeni mikrofonski par neusmerenih mikrofona. U nekim okolnostima izvesna usmerenost mikrofona primenjenih u rastavljenom paru može biti poželjna zbog potiskivanja neželjenih zvukova, odnosno ambijentalne buke koja bi na mikrofone nailazila sa njihove zadnje strane. Činjenica da čulo sluha može sabirati efekte kašnjenja i intenzitetnih razlika omogućava da se u snimateljskoj praksi koristi i kombinovana konfiguracija mikrofona koja je prikazana na slici 6.22. Naziva se ″skoro koincidentni″ par (nearly coincident). Podrazumeva se upotreba usmerenih mikrofona da bi se dobio efekat koincidentnih


148

mikrofona. Njihov rastavljeni položaj u prostoru dovodi do kombinovanja efekta intenzitetnih razlika koincidentnog para mikrofona, kao posledica njihove usmerenosti, i efekta kašnjenja koji nastaje zbog njihove prostorne razdvojenosti. U kreativnom smislu primena rastavljenog mikrofonskog para je interesantna sa aspekta registrovanja reverberacije prostorije, ali i refleksija u opštem smislu. Signali reflektovanog zvuka u levom i desnom kanalu, snimljeni u prostoriji na ovaj način, nekorelisani su ako su mikrofoni dovoljno razmaknuti, dok su u snimcima napravljenim koincidentnim parom signali reverberacije u oba kanala praktično jednaki, osim razlika koje nastaju potiskivanjem po pravcima. Zbog toga je efekat ambijenta u zvučnoj slici različit u zavisnosti od primenjene tehnike stereo mikrofonskog para pri snimanju.

Slika 6.22 - ″Skoro koincidentni″ mikrofonski par.

6.8

Mono i stereo signal

Proizvodnja svih muzičkih i drugih zvučnih materijala za tržište danas je gotovo bez izuzetka u stereo tehnici (mada se na tržištu stalno povećava udeo proizvoda u 5.1 formatu). Iako se na početku audio sistema, na mestu gde se dizajnira zvučna slika, uobičajeno formira stereo signal, postoje brojne okolnosti kada je u pojedinim tačkama sistema potrebno raspolagati sa samo jednim, takozvanim "mono" signalom (uobičajena oznaka je M). Činjenica je da veliki broj korisnika zvučnih informacija ili nema tehničkih mogućnosti, ili iz nekih drugih praktičnih razloga ne koristi sistem stereo reprodukcije zvuka, već samo mono. To je, po pravilu, slučaj u radiodifuziji zvuka koji prati televizijsku sliku. Stereo zvuk televizijskih programa kod nas je još uvek je izuzetak. Sa druge strane, i slušaoci stereo radiodifuznih programa ne raspolažu uvek sa uređajima za stereo reprodukciju, već u mnogim okolnostima slušaju mono. Ukratko, može se sa sigurnošću tvrditi da veliki procenat slušalaca snimke originalno napravljenene u stereo formatu sluša u mono tehnici reprodukcije zvuka. Zbog toga se pravljenje mono signala iz dva stereo signala javlja kao tehničko pitanje u mnogim okolnostima. Mono signal, po definiciji, treba da sadrži sve zvučne informacije koji su originalno sadržane u levom i desnom stereo kanalu zajedno. Ono što u mono signalu nedostaje, što čini razliku, jesu prostorne informacije koje on kao takav ne može da ima. Zbog toga je uveden poseban pojam "stereo" signala (oznaka S) koji po definiciji predstavlja signal informacione razlike između onoga što sadrže dva stereo signala i jedan mono signal izveden iz njih, Može se reći da su sve dodatne informacije potrebne za sliku o prostoru sadržane u stereo signalu.


149

Dobijanje mono i stereo signala može se ostvariti na dva načina: procesiranjem, odnosno matričnom konverzijom prethodno napravljenih signala levog i desnog stereo kanala ili posebnom mikrofonskom tehnikom koja direktno daje približno ovakve signale. Matrične konverzije mono i stereo signala Mono signal se, po definiciji, dobija sabiranjem signala levog i desnog kanala: M = 0,5(L + D)

(6.1)

Vidi se da će u mono signalu maksimanu vrednost imati komponente signala koje su jednake u oba stereo kanala. Formiranje mono signala se javlja i u mnogim jednostavnim okolnostima. Na primer, na nekim starijim kućnim uređajima za stereo reprodukciju zvuka postoji taster označen natpisom ″mono″ kojim se može uključiti sabiranje signala. Tada se na oba zvučnika šalje isti sabrani signal. Kompletna zvučna slika se tada nalazi u sredini zvučne baze. Stereo signal se definiše kao razlika signala levog i desnog kanala, to jest: S = 0,5(L − D)

(6.2)

Vidi se da će S signal, po definiciji, sadržati sve komponente signala koje se pojavljuju samo u jednom od stereo kanala i tako, na izvestan način, nose informacije o prostoru. Komponente koje su jednake u oba kanala pri procesiranju prema relaciji (6.2) se poništavaju. Operacija dobijanja M i S signala na osnovu L i D signala može se izvesti odgovarajućim matričnim kolom. Na sličan način može se od M i S signala ponovo formirati L i D signal, što proizilazi iz jednakosti (6.1) i (6.2): L=M+S (6.3) D=M−S MS sistem mikrofona Mono i stereo signali mogu se direktno generisati na mestu snimanja primenom odgovarajuće mikrofonske kombinacije koje se nazivaju MS mikrofoni. U literaturi su opisane njihove razne varijante. Sve se one principijelno baziraju na primeni dva mikrofona. Jedan od njih mora biti usmeren, koji daje M signal. Ovaj mikrofon se postavlja tako da mu je osa okrenuta u pravcu zvučnih izvora koji se snimaju (to je istovremeno osa MS mikrofonskog sistema). S signal se dobija mikrofonom čija je karakteristika usmerenosti dvokružna, i koji se postavlja ″popreko″, to jest tako da mu je osa okrenuta za 90o u odnosu na osu M mikrofona. Zvučni izvori koji se nalaze tačno u osi M mikrofona imaće signal jednak nuli na izlazu S mikrofona, a maksimum mono signala. Sa pomeranjem izvora izvan ose M mikrofona javljaće se slabljenje M signala, a povećavanje S signala. U literaturi su opisane različite opcije usmerenosti M mikrofona, što ne utiče na suštinu rada ovakve kombinacije. MS mikrofonska tehnika primenjivana je u ranim


150

periodima stereo radiodifuzije kao način snimanja u studijima za emitovanje programa. Potreba za MS mikrofonima bila je direktna posledica zahteva radiodifuzije. Vremenom se njihova upotreba svela na sporadične slučajeve prilikom nekih specifičnih snimanja. Stereo kompatibilnost Proces sabiranja signala levog i desnog kanala u hardverskom smislu je banalan. Međutim, sa aspekta reprodukcije zvuka to je veoma delikatan problem. Pojam stereo kompatibilnosti se odnosi na ishod sabiranja, to jest na ukupni informacioni sadržaj mono signala nakon te jednostavne operacije. Ona podrazumeva očuvanje ukupnog zvučnog sadržaja kada se saberu levi i desni stereo kanal, pa je kompatibilnost zadovoljena ako se nakon sabiranja na javljaju nikakve promene u osnovnom informacionom sadržaju zvučne slike (osim njenog skupljanja u centralnu tačku stereo baze). Ukratko, idealni prelazak sa dva stereo na jedan mono signal treba da podrazumeva jedino nestajanje prostornih informacija, dok sve druge zvučne informacije moraju biti očuvane. Kada su stereo signali napravljeni u potpunosti na bazi intenzitetnih razlika (XY stereofonija), stereo kompatibilnost je zadovoljena i u mono signalu nema negativnih pojava. Međutim, ako su stereo signali pravljeni sa vremenskim razlikama (AB stereofonija), levi i desni kanal po definiciji sadrže vremenski pomerene signale. Kada se izvrši sabiranje, zbog vremenskog pomaka, odnosno faznih razlika koje su posledica toga, doći će do složenog procesa superponiranja. Zbog toga je stereo kompatibilnost veoma ozbiljna inženjerska tema u audiotehnici. Formiranje mono signala na osnovu signala AB stereofonije, kao na primer u slučaju signala dobijenih sistemom sa slike 6.21, može se simbolički predstaviti blok šemom koja je prikazana na slici 6.23. Rezultat sabiranja dva ista signala, od kojih je jedan sa kašnjenjem, čini poznati ″komb″ filtar. U zavisnosti od toga koliki je vremenski pomak ∆t između njih, u mono signalu dolazi do superponiranja čiji rezultat po spektralnim komponentama može biti od poništavanja do sabiranja. Da bi se kvantifikovao efekat komb filtra koji nastaje pri sabiranju kanala AB stereofonije, na slici 6.24 prikazana je rezultantna frekvencijska karakteristika procesa sabiranja u okolnostima kada je relativno kašnjenje ∆t = 1,25 ms, što odgovara razlici koja je potrebna da se pri slušanju izvor iz centra stereo baze pomeri u blizinu zvučnika čiji signal prednjači.

Slika 6.23 - Šema nastanka komb filtra

Kao rezultat sabiranja stereofonskih signala dobijenih rastavljenim mikrofonskim parom sabrani mono signal ima promenjen spektarlni sadržaj, odnosno dolazi do promene intenziteta i boje zvuka. Zbog toga AB stereofonija ne zadovoljava uslov kompatibilnosti.

151

10

10

0

0

nivo [dB]

nivo [dB]


-10

-20

-20

-30

-10

-30

5000

10000

frekvencija [Hz]

15000

20000

100

1000

10000

frekvencija [Hz]

Slika 6.24 - Frekvencijska karakteristika komb filtra sa kašnjenjem ∆t od 1,25 ms, prikazan u dve različite razmere duž frekvencijske ose: linearna razmera (levo) i logaritamska razmera (desno)

Nije samo rastavljeni mikrofonski par uzrok problema u domenu stereo kompatibilnosti. Postoje procesi nad signalima korišćeni u savremenoj muzici koji se uvode iz kreativnih razloga, a zasnivaju se na raznim promenama u vremenskom i frekvencijskom domenu. Oni se realizuju odgovarajućim procesorima koji, kao rezultat obrade, po nekada formiraju čak i protivfazne signale u levom i desnom kanalu. Zbog toga se dešava da nakon sabiranja dva stereo signala u jedan mono signal neki delovi tako dobijene složene muzičke zvučne slike potpuno nestanu. Ukratko. problem stereo kompatibilnosti nije samo vezan za AB stereofoniju, već je danas zbog upotrebe složene obrade u toku pripreme snimaka mnogo složeniji. Pravljenje stereo snimaka podrazumeva da se pri njihovom dizajnu vodi računa i o kompatibilnosti.

Ako se snimak sa problemom kompatibilnosti odnese u TV stanicu i emituje, gledalac programa će izgubiće deo originalne zvučne slike. Zato mnogi izvođači za plejbek nastupe u televizijskom programu prave posebne, unapred formirane mono snimke na kojima je sabiranje signala vršeno uz odgovarajuću pripremu i kontrolu.

Na teorijskom nivou problem kompatibilnosti izgleda relativno jednostavan. Međutim, u snimateljskoj praksi problemi postaju složeniji iz mnogobrojnih razloga, jer postoje razne parazitske pojave koje mogu ugroziti kompatibilnost. Osnovna takva pojava je preslušavanje signala na mestu snimanja. Ako se dva zvučna izvora nalaze jedan pored drugoga, na primer dva instrumenta u orkestru, uobičajeno je da pri snimanju svaki ima svoj mikrofon. Panorama regulatorom oni se raspoređuju na odgovarajuća mesta u stereo slici. Međutim, tom prilikom uvek postoji izvesno preslušavanje, što je ilustrovano na slici 6.25. Isti zvuk će ulaziti u oba mikrofona, ali će u udaljenijem mikrofonu, osim što je slabiji, postojati i izvesna vremenska razlika. Nakon sabiranja takva dva signala u mikseti dobija se efekat komb filtra koji opterećuje kompatibilnost, ali i zvučnu sliku uopšte. Ako se posmatra formiranje zvučne slike na koncertima, zahvaljujući ozvučenju sve komponente zvučne slike reprodukovne zvučničkim sistemima ulaziće u većoj ili manjoj meri u sve mikrofone. Time se proces ilustrovan slikom 6.25 značajno usložnjava.


152

Slika 6.25 - Preslušavanje na mestu snimanja sa više mikrofona.

Očigledno je da postoje štetne pojave koje se javljaju u ulaznom delu audio sistema i koje takođe utiču na stereo komptibilnost. U složenim okolnostima to je vrlo teško potpuno izbeći. Teorijska analiza ishoda superponiranja kada se panorama regulatorima menjaju pozicije izvora sa slike 6.25 teško je izvodljiva u opštem slučaju. Može se samo reći da je pri formiranju složene zvučne slike teško obezbediti apsolutno nezavisne ulazne signale, koji bi kao rezultat davali potpunu stereo kompatibilnost. Jedino snimanje samo jednim koincidentnim mikrofonskim parom to obezbeđuje. Svako povećavanje broja mikrofona usložnjava problem kompatibilnosti.


153

Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

J.Blauert, "Räumlishes hören", S.Hirzel Verlag, Stutgart (1974) U.Zolzer, "DAFX - Digital audio efects", John Wiley and Sons, Ltd. (2002) E.Taylor, "The maximum permissible interchannel crosstalk for imperceptable restriction of stereophonic stage width", BBC Research Department, Report BBC RD 1979/7 J.Blauert, W.Lindemann, "Auditory spaciousness: Some further psyvhoacoustic analyses", JASA, Vol. 80, No. 2. (1986) 533-542 D.Griesinger, "Equalisation and spatial equalization of dummy head recordings for loudspeaker reproduction", JAES, Vol. 37, No. 1/2 (1989) 20-29 Preporuka ITU-R BS.775-1 "Multichannel stereophpnic sound system with and without accompanying picture" (1992-1994) "100 years with stereo: The beginning", JAES, Vol. 29, No. 5 (1981) 324-327 D.Cooper, J.Bauck, "Prospects for transaural recording", JAAES, Vol. 37, No. 1/2 (1988) 3-19 G.Eickmeier, "Comments on the distinction between stereophonic and binaural sound", JAES, Vol. 39, No. 4 (1991) 261-262


153

7. AUDIO UREĐAJI I – OSNOVNI POJMOVI 7.1

Uvod

Električni deo audio sistema sastoji se od skupa međusobno povezanih uređaja ili softverskih celina. Kada je u četvrtom poglavlju prikazana osnovna arhitektura audio sistema definisane su i tri osnovne celine koje se, u opštem sličaju, u njemu mogu prepoznati. To su: - mikseta, - procesori i - snimači/reproduktori. Na slici 4.9 šematski je bila prikazana i njihova uobičajena međusobna veza u okviru sistema. Neki od delova sa prikazane šeme u određenim okolnostima, ako ih funkcija audio sistema ne zahteva, mogu biti izostavljeni. Za svaku od navedenih celina postoje uređaji, odnosno sklopovi ili softverske celine koji te funkcije obavljaju: miksete, procesori i snimači/reproduktori. Osim uređaja koji obavljaju pobrojane osnovne funkcije, u audio sistemima se u manjoj ili većoj meri koriste i drugi, vrlo raznovrsni hardverski uređaji koji se u odnosu na strukturu osnovne blok šeme mogu svrstati u kategoriju pomoćnih. Tu pre svega spadaju razni pretpojačavači i pojačavači, kao što su pojačavači snage neophodni za rad zvučnika u izlaznom akustičkom okruženju, razne specifične vrste pretpojačavača, zatim linijski pojačavači za slanje analognih signala kablovima na veće distance i konvertori za slanje signala optičkim kablovima, razdvojni pojačavači (″spliteri″) za podelu jednog signala na više korisnika, telefon-hibridi za povezivanje pretplatničke telefonske linije na audio sistem, pojačavači za slušalice, itd. Kao nezavisni hardverski uređaji u audio sistemima se pojavljuju i analogno-digitalni interfejsi (nezavnisni A/D i D/A konvertori). Spisak pomoćnih uređaja koji se koriste u raznim audio sistemima veoma je dugačak i teško ih je na jednom mestu pobrojati. U okviru celine audio sistema signal može više puta prelaziti iz analognog u digitalni oblik i nazad. Zbog toga se u pojedinim delovima prikazane opšte šeme audio sistema ne podrazumevaju uvek hardverski uređaji ili sklopovi, već neki od njih mogu biti softverski (″virtuelni″). Uobičajeno je da se potrebne funkcije nad signalima izvršavaju raznim kombinacijama hardverskih rešenja realizovanih u okviru namenskim audio uređaja i softverskih celina realizovanih u fizičkom okruženju nekog računara ili u posebno napravljenim procesorima. Procentualni udeo analognog i digitanog domena u okviru celine jednog audio sistema zavisi u svakom konkretnom slučaju od mnogo faktora: od njegove namene, koncepta, cene, vremena i mesta nabavke, i slično. Čak i u potpuno analognim sistemima signal se u njima može pojavljivati u digitalnom obliku lokalno, što se dešava


154

unutar mnogih pojedinačnih audio uređaja čija je funkcija na neki način rešena u digitalnom domenu. To su razni digitalni snimači, koji kao nezavisni uređaji zapisuju audio signal na neki od digitalnih medija, i složeniji audio procesori čiji se rad danas gotovo isključivo zasniva na DSP okruženju. Na putu signala kroz audio sistem, po pravilu se jednom ili više puta pojavljuje njegova konverzija u digitalni oblik i nazad. To povlači za sobom i sve promene koje takva transformacija donosi, pa se procesi A/D i D/A konverzije pojavljuju kao faktori koji utiču na izlazni signal iz audio sistema u istoj ravni kao što je i uticaj svih drugih uređaja. U studijskim okruženjima, posebno produkcionim studijima, danas relativno veliki delovi namenskih audio sistema koji se u njima koriste realizuju se u softverskom domenu. Pri tome se prelazak audio signala u digitalni domen može rešavati na dva moguća načina. Prvi način je korišćenje takozvane digitalne miksete na mestu centralnog uređaja sistema. Ona na svojim ulazima i izlazima ima konvertore, a njen rad se zasniva na odgovarajućoj DSP arhitekturi. Takva mikseta se pojavljuje na centralnom mestu blok šeme sa slike 4.9. Drugi način prelaska u digitalni domen je primena posebnih hardverski izdvojenih uređaja u kojima se nalaze A/D i D/A konvertori, i koji su pridruženi nekom računaru nivoa PC. Tada se sve funkcije miksete, ali i svih drugih pridruženih uređaja, procesora i snimača, realizuju softverski u istoj mašini i njenim delovima. Koji će od ova dva koncepta biti primenjen, zavisi od tehničkog nivoa i ukupne cene primenjene tehnologije Takvo stanje tehnologije učinilo je da su A/D konverzija i miksete, kao teme u audiotehnici, postale međusobno tesno povezane. U sistemima koji služe živim muzičkim izvođenjima, ozvučavanjima govora i sličnim namenama, udeo digitalnih celina je srazmerno manji. Razlog tome je, pre svega, jednostavnost i pouzdanost koja je u takvim okolnostima primarna osobina. Analogna tehnologija koja se koristi u audio sistemima u tom domenu još uvek ima primat nad digitalnim ekvivalentima.

Činjenica je da je prebacivanje nekih funkcija audio sistema iz analognog u digitalni domen razrešio mnoge imanentne probleme kojim je bremenita analogna tehnologija, ali je sa druge strane sam doneo nove sasvim specifične probleme. U vreme početka uvođenja digitalnih uređaja u audio sistema, što je bilo početkm osamdesetih godina dvadesetog veka, neki su bili sasvim neočekivani, i tek su čekali da budu objašnjeni i na neki način prevaziđeni. To je sve zajedno u to vreme stvorilo određenu atmosferu nezadovoljstva kod korisnika nove tehnologije. Trebalo je mnogo vremena da se istraživanjem i poboljšanjima osnovni nedostaci procesa konverzije minimiziraju. Eho tog nezadovoljstva digitalizacijom iz onog vremena još je po negde prisutan, iako su poboljšanja kvaliteta konverzije od tada do danas enormna. A/D i D/A konverzija u audio sistemima Digitalizacija signala je opšta tema elektrotehnike koja se pojavljuje u raznim njenim disciplinama, pa i u audiotehnici. Činjenica je da su audio sistemi uneli mnogo novih i specifinih zahteve koji se postavljaju prema digitalizovanom signalu u odnosu na ostale oblasti telekomunikacija, a koji su posledica izuzetnih svojstava ljudskog čula sluha kao krajnjeg korisnika zvučnih informacija. Specifičnosti su posledica velikog informacionog polja koje je određeno rasponom dinamičkog opsega reda veličine 100 dB i više, uz istovremeni frekvencijski opseg širok tri dekade (20 Hz - 20 kHz). Tome treba


155

dodati i činjenicu da čula sluha ima veliku osetljivost u percepciji svih vrsta izobličenja signala. Zato u prirodi diskretnih signala koji se javljaju u audio sistemima postoje mnogi aspekti koji u drugim oblastima elektrotehnike nisu bili predmet razmatranja. Interesantno je da su neke pojave u telekomunikacijama odavno teorijski postavljene (principi PCM su teorijski definisani 1937. godine) ali su bile irelevantne sa aspekta uobičajenih zahteva u digitalnim telekomnikacijama. Tek kada se pojavila potreba rada sa audio signalima, sa njihovim velikim informacionim poljima i kriterijumima kvaliteta prenosa koji se postavljaju u savremeni audio istemima, neke specifične pojave u procesu konverzije postale su značajne. Šta više, pojedini fenomeni u procesu digitalizacije signala detaljnije su analizirani tek u audiotehnici. Osnovni procesi u diskretizaciji signala Proces pretvaranja analognog audio signala u digitalni oblik sastoji se od nekoliko faza. Svaka od njih podrazumeva jednu operaciju nad signalom, ali i jedan potencijalni izvor njegove degradacije.Te faze su: - spektralno ograničavanje, - diskretizacija u vremenu (sample and hold), - kvanizer i - kodovanje. Ove faze su prikazane i šematski na slici 7.1.

analogni ulaz

ulazni filtar

digitalni izlaz

koder

fo Slika 7.1 - Blok šema procesa stvaranja diskretnog signala

Interesantan je značaj pojedinih faza u konverziji sa aspekta kvaliteta audio signala i izobličenja koje svaka od njih unosi. Teoretski posmatrano, samo kvantizacija unosi trajne promene u signalu, što kao posledicu uvodi aditivni signal greške. Ova pojava je opisana u trećem poglavlju. Međutim, konačnost rezolucije diskretnih signala je predvidiva i njihova čujnost se teorijski može otkloniti adekvatnim izborom broja kvantizacionih nivoa koji se primenjuju, odnosno broja bita sa kojim se signal koduje. Taj aspekt je samo pitanje mogućnosti tehnologije, odnosno nivoa složenosti konvertora koji se na tržištu mogu nabaviti za prihvatljivu cenu. U tom pogledu danas se u studijskoj opremi koriste konvertori koji rade i sa 24 bita, pa je tako gledano maksimalni teorijski odnos signal/šum oko 146 dB. Razlike u značaju A/D i D/A konverzije U A/D i D/A konvertorima dešavaju se simetrični procesi diskretizacije i rekonstrukcije. Ipak, uticaj ulazne A/D konverzije na degradacije signala mnogo je veći od izlazne konverzije u D/A konvertorima. Dva su momenta u tome značajna: fiksne granice informacionog polja koje unosi A/D konverzija i aliasiranje spektralnih komponenti iznad Nikvistove granične frekvencije.


156

Kvantizacijom se trajno određuju gabariti signala koji se prenose do izlaza audio sistema. Na slici 7.2, označene su fizičke ″tvrde″ granice informacionog polja koje unosi A/D konverzija i koje ″važe″ dalje u ostatku audio sistema. Kvantizacija generiše aditivni signal greške, što nema ekvivalentni proces u izlaznoj konverziji, i tako nepovratno određuje donju naponsku granicu diskretnog signala. Sa gornje strane konvertor je tvrdi limiter. Iznad maksimalnog napona kvantizera ne postoji ništa, pa konvertor vrši odsecanje svih delova signala koji prelaze tu granicu. Svaka neprilagođenost dinamike analognog signala ovim granicama unosi trajnu degradaciju koja se manifestuje harmonijskim izobličenjima.

gornji prag konvertora

Slika 7.2 – ″Tvrde″ granice informacionog polja koje unosi A/D konverzija.

nivo signala greške kvantizacije

frekvencija

fo/2

Drugo, promene koje nastaju u A/D konverziji prati jedna važna fizička odlika koja čini problematičnost tog procesa sa aspekta kvaliteta audio signala. Naime, sva izobličenja koja nastaju u nekom od procesa u A/D konvertoru dešavaju se iza ulaznog filtra, što znači bez mogućnosti ograničavanja spektra novonastalih komponenti. Zato sve komponente koje su produkt nelinearnih izobličenja, a koje bi nastale u digitalnom domenu, pa i u samom A/D konvertoru, ne mogu biti odsečene iznad Nikvistove frekvencije. Sve ovako nastale spektralne komponenten koje se na frekvencijskoj osi nalaze iznad granične frekvencije fo/2, biće preslikane u korisni audio opseg. U tom pogledu postoji razlika između pojave harmonijskih izobličenja u analognom i digitalnom domenu, bez obzira na razloge i mesto nastanka. Ova pojava je ilustrovana na slici 7.3. Kada harmonijska izobličenja nastanu u analognom domenu, novonastale komponente su u nekom harmonijskom nizu i takva pojava za uvo predstavlja relativno benignu pojavu. Potrebno je da stepen izobličenja dostigne relativno visok nivo da bi pojava harmonika postala apsolutno neprijatna. U muzičkim zvukovima harmonici predstavljaju sastavni deo svakog tona, pa su harmonijske komponente nastale izobličenjem delimično maskirane komponentama osnovnog signala. Ako je izobličenje nastalo negde pre A/D konverzije, ulazni filtar će izvršiti odsecanje komponenti koje se nalaze iznad granične frekvencije, a ako je ono nastalo posle digitalnog dela sistema odsecanje će izvršiti izlazni pretvarač ili samo uvo slušaoca.

AUDIO SISTEMI - Tema 7 osnovni signal

157 harmonijsko izoblicenje

Slika 7.3 – Spektar jednog prostoperiodičnog signala pri pojavi harmonijskog izobličenja u analognom (gore) i digitalnom domenu (dole).

frekvencija osnovni signal harmonijsko izoblicenje

frekvencija

fo /2

Kad izobličenje nastane u digitalnom domenu, sve nastale spektralne komponente preslikavanjem oko granice fo/2 se na frekvencijskoj osi odmah se pojavljuju na novim pozicijama koje više nisu u harmonijskom odnosu sa osnovnim signalom. Ovo je prikazano na slici 7.3. Subjektivni doživljaj takvog izobličenja perceptivno je mnogo neprijatniji od običnog nelinearnog izobličenja bez promena koje unosin efekat preslikavanja, kao što se to dešava u analognom domenu. Kao posledica toga, A/D konverzija sa eventualnim promenama koje unosi u praksi odgovorna je za veće perceptivne degradacije signala nego D/A konverzija. Zbog toga je u nastavku ulaznoj konverziji posvećena veća pažnja.

7.2

Karakteristične pojave u procesu konverzije

Svaka od faza sa slike 7.1 u praksi podrazumeva manju ili veću nesavršenost u odnosu na njenu teorijski definisanu funkciju. Nesavršenosti kao posledicu mogu generisati dodatni aditivni šum ili neku vrstu izobličenja. Takve pojave su u konvertoru uvek prisutne, a u realnim okolnostima ostaje samo pitanje gde su tehnološke granice ispod kojih se uticaj nesavršenost više neće čuti u izlaznom audio signalu na mestu slušanja. Načelno govoreći, čujne degradacije u signalu, odnosno promene u informacionom sadržaju diskretnih audio signala, mogu se podeliti u tri osnovne grupe. To su: - konačnost rezolucije kao imanentne osobine diskretnog signala, - tehnološki nedostaci (nesavršenosti) u sklopovima za A/D i D/A pretvaranje i - neke specifične operacije nad digitalnim signalima koje generišu parazitske promene. Ovde treba podsetiti na činjenicu da zahtevi slušalaca u pogledu informacionog sadržaja koji im se dostavlja audio sistemima nisu uvek isti. Zbog toga odnos prema navedenim


158

problemima i standardi u radu sa diskretnim signalima nisu jedinstveni, odnosno prilagođeni su različito postavljenim nivoima zahteva slušalaca. Uticaj ulaznog filtra Prvi element u nizu pretvaranja analognog audio signala u digitalni je ulazni filtar. On ima zadatak da ograniči spektar ulaznog signala, odnosno da spreči pojavu aliasiranja. Na slici 7.4 prikazan je principijelni izgled prenosne karakteristike ulaznog filtra sa označenim karakterističnim delovima. Prema polaznim teorijskim uslovima ovaj filtar treba da u propusnom opsegu ima ravnu prenosnu karakteristiku do 20 kHz, sa vrlo strogim kriterijumima za njenu zatalasanost, koja je uobičajeno reda veličine 0,1 dB ili bolje. Iznad granične frekvencije audio opsega filtar treba da vrši maksimalno potiskivanje do Nikvistove granice (fo/2). U audio sistemima se postavlja uslov da slabljenje u nepropusnom opsegu bude 100 dB i veće, što je velika vrednost. Kada je Nikvistova frekvencija relativno niska i bliska gornjoj granici čujnog područja, kao što je to na primer pri frekvenciji odmeravanja 44,1 kHz, ovaj prelaz mora da bude vrlo strm. To predstavlja ozbiljan zahtev u realizaciji filtra, jer se slabljenje od oko 100 dB u opsegu od 20 kHz do 22 kHz uglavnom mora platiti visokim redom filtra i nekim uzgrednim teškoćama u realizaciji zadatih karakteristika.

zatalasanost karakteristike u propusnom opsegu

20 kHz

fo/2

frekvencija

Slika 7.4 - Principijelna prenosna karakteristika ulaznog filtra.

Osim zahteva za obezbeđenjem dovoljno velikog slabljenja, poseban problem stvara činjenica da to slabljenje ulaznog filtra treba da bude održano do ekstremno visokih frekvencija, daleko iznad gornje granice čujnog područja. U uobičajenom procesu dizajna ulaznog filtra razmatra se ponašanje u zoni prelaska propusni-nepropusni opseg i slabljenje na samom početku nepropusnog opsega. Međutim, kod mnogih praktičnih realizacija filtara slabljenje u nepropusnom opsegu iznad neke frekvencije počinje da se smanjuje u odnosu na vrednost koja je podešena na početku nepropusnog opsega. Razlog tome su, pre svega, parazitske kapacitivnosti u hardverskoj realizaciji, ali i električne osobine realnih komponenti od kojih se sastavlja filtar. Pojava smanjenja slabljenja ulaznog filtra na frekvencijama daleko iznad granične frekvencije nije problem zbog ograničavanja korisnog signala, jer je jasno da ulazni audio signal ne može sadržati komponente na tako visokim frekvencijama. Opasnost takve pojave je da u sistem sa korisnim signalom uđu i neki parazitski signali smetnji visoke


159

frekvencije, koji su kao takvi nečujni, i da se aliasiranjem pojave u čujnom području izlaznog signala. Visokofrekvencijske smetnje mogu se javiti indukcijom u kablovima kojima se povezuju uređaji i tako dospeti na ulaz konvertora. Digitalni sklopovi, posebno računar i slični uređaji, u sebi sadrže fizičke digitalne signale čiji se spektralni sadžaj zbog talasnih oblik proteže do veoma visokih frekvencija. Oni na razne parazitske načine mogu da se preslikaju na ulaz u A/D konvertor, i ako nema ulaznog filtra koji će da izvrši potiskivanje do ekstremno visokih frekvencija, sasvim neočekivane komponente mogu se aliasiranjem pojaviti u konvertovanom signalu. Kućište računara je posebno neprirodna sredina za analogni signal zato što predstavlja okruženje u kome postoje razni digitalni signali. Posebno su značajan izvor smetnji ona mesta gde se u nešto dužim provodnicima javljaju takvi signali. Zato se u jeftinijim računarskim sistemima u signalu na izlazu njihove audio kartice često može čuti parazitski zvuk koji prati povlačenje miša, rad diskete i slične događaje. U audio sistemima sa višim tehničkim standardima teži se da analogni deo sistema bude u nezavisnom kućištu van računara, po pravilu i sa nezavisnim napajanjem. U analognim snimačima, magnetofonima i kasetofonima, koristi se takozvana predmagnetizacija. To je signal reda veličine stotinu kHz koji služi za linearizaciju u procesu snimanja, kao i za brisanje trake. Zbog slučajnih grešaka u uređajima taj signal može dospeti na njihov izlaz, i dalje u neki A/D konvertor.

Dva su značajna problema koje u proces A/D konverzije unosi ulazni filtar. Prvo, pri realizaciji ulaznih filtara koji imaju maksimalno linearnu amplitudsku karakteristiku, veliku strminu u prelaznoj oblasti i veliko potiskivanje u nepropusnom opsegu, po pravilu se postavlja problem linearnosti njegove fazne karakteristike. Ovaj problem ima određenu težinu pri najvišim zahtevima kvaliteta reprodukcije zvuka slušaocu. Drugo, u višekanalnim sistemima, a to znači čak i u običnom stereo sistemu, kao imperativ se postavlja zahtev da ulazni filtri u svim kanalima budu identični. Izvesne razlike među njima, pre svega u njhovim faznim karakteristikama, uvek postoje. One se javljaju zbog tolerancije komponenti od kojih su filtri napravljeni. Kao rezultat nejednakosti, pojavljuju se vremenske neusklađenosti signala u kanalima. To ostavlja posledice po kvalitet zvučne slike, pre svega na njene prostorne dimenzije. Oversempling kao minimizacija uticaja ulaznog filtra Konverzija signala koja se vrši u neposrednoj blizini gornje granice čujnog opsega postavlja veoma stroge zahteve za pouzdanost i tačnost karakteristike svih komponenti koje su primenjene u lancu konverzije, što se u praksi ne može lako zadovoljiti. Zbog problema koje unose ulazni filtri u audiotehnici je uvedena procedura A/D i D/A konverzije koja se naziva oversempling. Ona po defiiciji podrazumeva odmeravanje koje se obavlja na mnogo višoj frekvenciji od Nikvistove granice. U praksi je uobičajeno da se primenjuju frekvencije odmeravanja koje su celobrojni multipl standardne frekvencije odmeravanja 48 kHz, a povišenje je četiri ili više puta. Na izlazu iz sistema signal se svodi na osnovnu frekvenciju. Sa aspekta tehničkog kvaliteta konvertovanog signala takav pristup nije neophodan i teorijski, sam po sebi, u tom pogledu ne donosi ništa, ali postoje drugi niz značajnih dobitaka koji se time ostvaruju, posebno što stvara osnovu za dalja poboljšanja procesa konverzije u odnosu na teorijske osnove. Osovni princip oversemplinga je prikazan na slici 7.5. Vidi se da je osnovni dobitak takvog pristupa u mogućnosti da ulazni filtar bude mnogo blaže amplitudske prenosne karakteristike. Umesto filtra čija je karakteristika u prelaznom regionu veoma


160

strma, koristi se filtar čiji je prelazak mnogo manje strmine. Ovakav filtar može biti jednostavnije napravljen, sa linearnijom amplitudskom karakterustikom i faznom karakteristikom u propusnom opsegu, i samim tim mnogo pouzdaniji i lakši za uparivanje po kanalima. U ekstremnim okolnostima, sa dovoljno visokom frekvencijom odmeravanja, ulazni filtar se može zamenti samo sa jednim RC kolom vezanim kao niskopropusnik.

k-ka ulaznog filtra

fo/2

fo

2fo

3fo

4fo frekvencija

2fo

3fo

4fo frekvencija

k-ka ulaznog filtra

fo/2

fo

Slika 7.5 - Ilustracija oversemplinga i razlike u ulaznim filtrima: gore – osnovni postupak; dole – isti signal konvertovan sa oversemplingom.

Postoje informacije u literaturi da je u prvim danima digitalizacije audio signala pri frekvenciji konverzije 44,1 kHz najveća čujna degradacija nastajala upravo u ulaznim filtrima. To su bili aktivni filtri jedanaestog reda ili slični. Zvučni paradoksalno da je glavni problem prvog digitalnog audio sistema bio neki analogni sklop na njegovom ulazu.

Poboljšanje odnosa signal šum pri oversemplingu Osim smanjenja kritičnosti ulaznog filtra, primena oversemplinga donosi još jedno poboljšanje kvaliteta konvertovanog signala. Bez obzira što se primenjuje N puta viša frekvencija odmeravanja, jasno je da koristan audio signal ostaje nepromenjen. To daje mogućnost da se posle konverzije izvrši filtriranje digitalnim filtrom i ograničavanje spektra na uobičajenu gornju granicu 20 kHz. Postupak je šematski ilustrovan na slici 7.6. Takvo fIltriranje se praktično obavlja u okviru samog konvertorskog čipa. Nakon toga je moguće, po potrebi, signal decimacijom svesti na osnovu frekvenciju odmeravanja.

audio signal

A/D N.fo

digitalni NF filtar 20 kHz

digitalni izlaz

Slika 7.6 – Ograničavanje spektra korisnog signala pri konverziji sa oversemplingom.

Primenom N puta više frekvencije odmeravanja ista energija signala greške, određena samo procesom kvantizacije odnosno brojem bita kojim se predstavljaju odmerci, raspoređuje se na N puta širem frekvencijskom opsegu. Kada se izvrši


161

ograničavanje frekvencijskog opsega signala u digitalnom filtru nakon konverzije dolazi do odsecanja (N−1) dela energije signala greške. Nakon filtriranja samo N-ti deo njegove energije ostaje u diskretizovanom signalu. Ovaj proces je principijelno ilustrovan na slici 7.7 na primeru četvorostrukog oversemplinga.

a)

spektar signala

dinamicki opseg

spektar greške

fo /2

fo

2fo

b) spektar greške pri 4xfo

fo /2

fo

2fo

propusni opseg digitalnog filtra

c)

dinamicki opseg spektar greške nakon filtriranja

fo /2

fo

frekvencija 2fo

Slika 7.7 – Principijelni prikaz uticaja oversemplinga na relativno smanjenje energije signala greške pri istoj rezoluciji (broju bita) na primeru povišenja frekvencije odmeravanja 4 puta : a - dinamički opseg pri konverziji frekvencijom fo; b - širenje energije signala greške pri konverziji frekvencijom 4 fo; c - povećan dinamički opseg nakon odsecanja signala greške iznad fo /2.

Energija signala greške, koja je srazmerna površini šrafiranog pravougaonika, pri oversemplingu ostaje ista, samo ima N puta smanjenu amplitudu spektra snage, i razvučena je na N puta širi frekvencijski opseg. Na primer, u slučaju oversemplinga sa četiri puta višom frekvencijom, što je principijelno prikazano na slici 7.7, smanjenje energije šuma u korisnom opsegu audio signala je četiri puta. Kao rezultat, dobija se povećanje dinamičkog opsega u digitalnom domenu za 6 dB u odnosu na teorijsku vrednost definisanu izrazom (3.8).


162

Nesavršenosti diskretizacije u vremenu Proces diskretizacije u vremenu takođe unosi izvesne promene u signalu. One nastaju zbog nesavršenosti kola u kome se taj proces realizuje, koje se ogledaju se u pojavi džitera u taktu odmeravanja. Na slici 7.8 principijelno je prikazana jedna uprošćena ilustracija pojave džitera i posledice koje on unosi u diskretizovan signal. Vidi se da je rezultat postojanja džitera složeno izobličenje koje unosi sopstveni aditivni signal greške. Priroda tog signala zavisi od spektra džitera. Sa slike 7.8 se može zaključiti da je veličina te greške proporcionalna nagibu talasnog oblika, jer pri istom džiteru veća strmina talasnog oblika daje veću vrednost greške.

džiter

vreme

Slika 7.8 – Uprošćena Ilustracija slučaja kada u impulsima za takt postoji džiter: gore – džiter prilikom odmeravanja; dole – diskretizovan signal.

vreme

Ako je vremensko pomeranje usled pojave džitera po svojoj prirodi slučajna veličina, onda je signal greške koja nastaje takođe stohastički. Za ovaj slučaj na slici 7.9 prikazan je njegov uticaj na smanjenje dimaničkog opsega za neke oblike kvantizacije (16, 18 i 20 bita). Ranija konstatacija da je greška direktno srazmerna nagibu talasnog oblika na slici je kvantifikovana povećavanjem uticaja džitera sa porastom frekvencije. Vidi se takođe i da se tolerancija na veličinu džitera u sistemu smanjuje sa


163

povećavanjem dužine reči kojom se predstavlja odmerak. Pri odmeravanju sa 20 bita već i pri džiteru čija je veličina reda veličine 0,1 ns javlja se degradacija u odnosu na teorijski dinamički opseg jer na najvišim frekvencijama signal greške usled džitera veći je od signala kvantizacione greške. 130 prag šuma 20 bita

120

110 prag šuma 18 bita

100

prag šuma 16 bita

90

80 10

100

1k frekvencija (Hz)

10k 20k

Slika 7.9 – Uticaj signala greške koja nastaje džiterom na prag šuma konverzije.

Ako u mehanizmu nastanka džitera postoji neka sistemska pravinost, onda novonastali signal greške nema odlike šuma. Postoje realne okolnosti kada je džiter periodičan, na primer kao rezultat utocaja mrežnog napona za napajanje, i tada greška ima diskretnu spektralnu strukturu. Generalno se mora definisati kriterijum minimizacije džitera tako da se nastali signal greške ne primećuje u izlaznom signalu. Svaki šum u signalu takta generiše džiter Zbog toga signal takta u A/D konvertorima mora imati odnos signal/šum istor reda kao i u audio signalu, što unosi tehnički problem u sistemima koji rade sa velikim brojem bita. Šum u signalu takta se preslikava u aditivni šum u audio signalu, pa se pojavljuje tehnički problem kada se signala takta mora dovoditi iz neke tačke van konvertora kroz duže provodnik. Po nekada se za vođenje signala takta mora koristiti simetrična veza, a korekcija pravilnosti takta se vrši preko višestrukih fazno kontrolisanih petlji. Iz istih razloga konvertor mora biti napajan iz izvora potpuno čistog jednosmernog napona, jer se i varijacije tog napona mogu preslikavati u džiter. Poremećaji u karakteristici kvantizera Idealnu karakteristika kvantizera, prikazanu ranije na slici 3.14, u praksi nije moguće realizovati potpuno dosledno. U realnim konvertorima uvek postoje manja ili veća odstupanja u odnosu na idealan stepenasti oblik. Upraksi su moguće različite vrste odstupanja, koje mogu biti: - offset, - greška u pojačanju,


164

- greška u linearnosti i - greška u monotonosti Na slici 7.10 prikazane su prenosne karakteristike za ove karakteristične slučajeve grešaka. Vidi se da se, za razliku od analognih uređaja kod kojih se nelinearnosti u prenosnoj karakteristici javljaju na način koji je određen fizičkim procesima u pojačavačkim kolima, u konvertorima greške mogu javljati na gotovo proizvoljne načine. Karakterističan je primer greške monotonosti, koja se može javljati na samo jednom kvantnom nivou. Eksperimenti koji su vršeni simulacijom pokazali su da je moguća auditivna percepcija defekata u samo jednom kvantnom nivou karakteristike, posebno ako se ona nalazi u zoni oko nule analognog napona. Vrednost signala stalno prolazi preko tog kvantnog nivoa sa greškom pa je učestanost preslikavanja defekta karakteristike na signal velika.

ULAZ

ULAZ

ULAZ

ULAZ

Slika 7.10 - Deformacije karakteristike kvantizera: gore levo – offset; gore desno – greška pojačanja; dole levo – nelinearnost, dole desno – greška monotonosti.


165

Pojava nelinearnih izobličenja, koja podrazumeva nastanak novih komponenti u signalu u vidu harmonika ili u vidu intermodulacionih komponenti muzičari i ostali neinženjerski korisnici audio istema uobičajeno nazivaju ″prizvuk″. Naziv upravo objašnjava da se u signalu čuju novonastale komponente kojih pre toga nije bilo.

Diter Ranije je pokazano da signali uskog spektra imaju signal greške koji je korelisan sa samim signalom. Za slučaj sinusnih signala spektar greške kvantizacije je diskretan. Posledica toga je takozvani granulacioni šum, koji čini da je signal greške perceptivno lako uočljiv i neprijatan. Ova pojava se otklanja uvođenjem jednog dodatnog signala koji ima odlike šuma, i koji se pre konverzije sabira sa audio signalom, kao što je prikazano na slici 7.11. Taj signal se naziva diter, a procedura se naziva diterovanje. Ako je amplituda ditera približno jednaka polovini kvantnog nivoa i ima adekvatne statističke osobine, u procesu kvantizacije dolazi praktično do potpune dekorelacije signala greške i osnovnog signala, a energija signala greške se raspršava po svim frekvencijama.

audio signal

+

digitalni izlaz

Slika 7.11 – Princip uvođenja ditera u A/D konvertoru

diter

IZLAZ

IZLAZ

Slika 7.12 – Konverzija malog sinusoidalnog signala bez i sa diterom.

Princip delovanja ditera je šematski objašnjen na slici 7.12. Prikazan je slučaj preslikavanja na prenosnoj karakteristici kvantizera za slučaj sinusoidalnog signala čija je amplituda reda veličine jedne polovine kvantnog nivoa. Nakon kvantovanja ovakav signal poprima pravougaoni talasni oblik, a u spektralnom domenu umesto jedne diskretne komponente koju ima ulazni signal, diskretizovan signal ima harmonijski niz, pri čemu svi prisutni harmonici predstavljaju signal greške. Nakon dodavanja ulaznom signalu ditera predstavljenog šumom čija je amplituda jednaka ½ kvantnog nivoa, kvantovani signal postaje složeniji, a njegov spektar nije više običan harmonijski niz. Ako diter zadovoljava neke zadate statističke preduslove, onda signal greške postaje stohastički, sa


166

uniformnim kontinualnim spektrom u čitavom frekvencijskom opsegu. Ova razlika je principijelno ilustrovana na slici 7.13. Vidi se da se ista energije signala greške raspršila na čitav frekvencijski opseg, čime je dobijeno da aditivni doživljaj greške bude benigni. spektar osnovnog signala

spektar signala greške

frekvencija

fo /2

spektar osnovnog signala

Slika 7.13 – Spektar sinusnog signala male amplitude bez ditera (gore) i sa diterom (dole)

spektar signala greške

frekvencija

fo /2

Diter svojim prisustvom deluje na način koji praktično eliminiše stepenastu stukturu prenosne karakteristike. Ako je amplituda ditera tačno jednaka ½ kvantnog nivoa, prosečna prenosna karakteristika konvertora se približno linearizuje. Ovo je prikazano na slici 7.14.

Slika 7.14 – Promene prenosne karakteristike u prisustvu ditera. Sa nedovoljnom amplitudom ditera prenosna prosečna prenosna karakteristika za osnovi signal se linearizuje, ali nedovoljno. Sa dovoljnim diterom prosečna prenosna karakteristika je približno linearna


7.3

167

Audio mikseta

Mikseta je centralni uređaj u svakom audio sistemu zato što se bilo koji audio sistem uvek zasniva na jednoj mikseti i pratećim uređajima povezanim na nju. Svi izvori signala, mikrofoni i generatori elektronskih signala, povezuju se na ulaze miksete. U mikseti se obavljaju osnovne funkcije podešavanja, kontrole i komutacije signala, ali i niz drugih operacija, koje se u audio sistemu obavljaju nad audio signalom, ostvaruju se unutar miksete. Najzad, glavni izlaz iz audio sistema sa koga signal ide ka slušaocu takođe izlazi i miksete. U jednostavnim audio sistemima mikseta je i jedini uređaj u njegovom električnom delu. Uređaj koji se naziva audio mikseta (postoji i njen ekvivalent u video domenu koji se naziva video mikseta) ima i druge nazive koji se paralelno koriste u inženjerskoj praksi. Ako je mikseta većih gabarita i složenosti, u radiodifuznim kućama je obično nazivaju režijski sto, ili kratko ″sto″. Ovaj naziv verovatno potiče zbog toga što ima fizičku formu stola, a bliža odredba ″režijski″ zato što se režija zvuka realizuje pomoću tog uređaja. Postoji još jedan termin koji se široko koristi da označi miksetu: konzola. Mada reč konzola ima i sasvim druga značenja (postoji u arhitekturi, odnosno građevinarstvu, kao element konstrukcije zgrade), ovaj izraz je našao svoje mesto u audiotehnici. U anglosaksonskoj literaturi često se koristi ovaj izraz, pogotovo za miksete u produkcionim studijima.

Iako u principu imaju istu osnovnu funkciju, audio miksete se međusobno razlikuju po konceptu, odnosno po detaljnijoj nameni. Za razliku od svih drugih audio uređaja, miksete se prave u veoma širokom rasponu unutrašnjeg koncepta, složenosti i, naravno, cene. Mogu se kretati od najjednostvnijih malih prenosnih uređaja sa nekoliko ulaza do veoma velikih i složnih modela koji se koriste za najviši nivo muzičke produkcije ili produkcije zvuka za filmove, sa širokom gamom različitih oblika između te dve krajnosti. Raspon između najmanjih i najvećih mikseta koje se mogu naći na tržištu, odnosno koje se koriste u praksi, zaista je ogroman. Najveći modeli se, uglavnom, ne prave serijski, već za unapred definisane potrebe i korisnika. Na slici 7.15 prikazan su dva ekstremna modela mikseta. Osnovna funkcija miksete Najvažnija funkcija miksete, koja postoji bez obzira na analognu ili digitalnu realizaciju ili složenost modela, jeste sabiranje više ulaznih signala u jedan izlazni signal. Ova funkcija je šematski opisana na slici 7.16. Osim sabiranja, mikseta mora imati mogućnost nezavisnog podešavanja svih ulaznih signala pojedinačno, kao i sabranog izlaznog signala. Podešavanje ulaznih signala ima za cilj postizanje njihovog međusobnog balansa u zvučnoj slici. Podešavanje izlaznog signala vrši se radi prolagođavanja potrebama slušaoca, ili eventualno iz kreativnih razloga. Najjednostavnije miksete mogu imati samo 2-3 ulaza i jedan izlaz. Povećavanje složenosti miksete u prvom redu znači povećavanje broja ulaza, odnosno broja signala koje može da prihvati. Najsloženije miksete su verovatno one koje se koriste za koncertna, dakle živa izvođenja i u filmskoj industriji. Broj ulaznih signala koji se sabiraju


168

u takvim slučajevima može biti veoma veliki. Poznati su modeli mikseta u koje može istovremeno da ulazi preko 100 nezavisnih signala. Za takvim miksetama mora da radi nekoliko ljudi istovremeno da bi opslužili kontrole na svim ulazima istovremeno.

Slika 7.15 - Dva modela miksete: levo - veoma mali model za terenska snimanja, sa samo tri ulaza i jednim izlazom, desno - jedan veći model miksete za studijsku primenu. AUDIO MIKSETA

ULAZI

+

IZLAZ Slika 7.16 - Šematski prikaz osnovne funkcija audio miksete.

U najprostijoj verziji miksete izlaz je samo jedan, kao što to prikazuje slika 7.16, ali ih može biti i više. Osim toga, u zavisnosti od namene, u kvadratu sa slike može da se nađe relativno složena struktura sabiranja signala iz koje se izvodi nekoliko međusobno različitih izlaznih signala. U složenijim audio sistemima od miksete se zahteva proširivanje njene osnovne funkcije sabiranja signala. To proširivanje uglavnom se ostvaruje u dva osnovna pravca: dodaju se određene funkcije komutacije, odnosno distribucije signala, i dodaju se osnovni postupci obrade signala. Pod obradom signala u mikseti se u prvom redu podrazumevaju manje ili više složena filtarska kola za frekvencijske korekcije. Naziv osnovna obrada potiče od toga što se za zahtevnije postupke na signalu koriste eksterni procesori koji se pojavljuju kao posebni uređaji povezani sa miksetom. U njih se iz miksete prosleđuju signali radi obrade, i zatim vraćaju nazad u miksetu. Kako razvoj tehnologije čini da su elektronski sklopovi sve jeftiniji i fizički kompaktniji, danas se u najveće modele mikseta kao sastavni deo sve češće ugrađuju sklopovi koji obavljaju ono što inače rade jednostavniji eksterni uređaji za procesiranje.


169

Realizacija sabiračkog kola u analognom domenu Osnovno kolo sabirača prikazano je na slici 7.17. Izvodi se na poznati način sa operacionim pojačavačem. Broj ulaznih signala koji se sabiraju može varirati u širokim granicama. Karakteristično je da se centralna tačka sabiračkog kola, u kojoj se stiču svi ulazni otpronici i otpornik povratne sporege, nalazi na nultom potencijalu zbog prirode ulaza operacionog pojačavača. Ovo je činjenica koja ima značaj za hardversku realizaciju miksete. Bez obzira na veličinu i složenost miksete, njen centralni deo čini jedan ili više ovakvih sabirača. Specifičnost je u tome što komponente analognog sabiračkog kola prikazane na šemi sa slike 7.18 nisu fizički koncentrisane u okviru miksete, kako je uobičajeno za elektronske sklopove, već su na specifičan način distribuirane u njoj. Način kako je u mikseti razvijeno kolo sabirača prikazano je blok šemom na slici 7.19.

ULAZ 1 ULAZ 2 IZLAZ

ULAZ 3

Slika 7.17 - Osnovna šema sabiračkog kola.

ULAZ N

ULAZ 1

ULAZ 2

ULAZNI MODUL 1

ULAZNI MODUL 2 IZLAZNI MODUL

ULAZ 3

ULAZ N

IZLAZ

ULAZNI MODUL 3

ULAZNI MODUL N

Slika 7.18 - Osnovna blok šema audio miksete.

Razvijena struktura sabiračkog koncepta audio miksete prikazana je na slici 7.18. Svaki od signala koji dolazi na neki od ulaza sabiračkog kola mora da pretrpi izvesne


170

korekcije i podešavanja koji mogu proizilaziti iz kreativnih razloga koje nameće dizajn zvučne slike, zbog fizičkog prilagođavanja i međusobnog ujednačavanja svih ulaznih signala, zbog kontrole nad svakim ulaznim signalom pojedinačno i drugih sličnih potreba. Sve te operacije nad signalom u miksetama odvijaju se u skopu koji se nalazi između ulaznog priključka i ulaznog otpornika sabiračkog kola. Ovaj sklop se naziva ulazni modul, kao što je to prikazano na slici 7.18. Sadržaj ulaznih modula po složenosti može biti u veoma širokim granicama, što zavisi od namene i funkcionalnih potreba audio sistema. Ulaznih modula u jednoj mikseti ima koliko i ulaza njenog sabiračkog kola. Ulazne otpornike sabirača sa šeme prikazane na slici 7.17 fizički predstavljaju izlazne otpornosti ulaznih modula, kao što je to naznačeno na slici 7.18. U audio miksetama ulazi, odnosno ulazni moduli, nazivaju se kanali. Uobičajeno je da se broj kanala (broj N sa slike 7.18) formira sa modulom 8. Otuda se miksete pojavljuju kao osmokanalne, šesnaestokanalne, dvadesetčetvorokanalne, itd. To istovremeno znači da kolo sabirača miksete ima 8, 16, 24 ulazna modula. U manjim mikseta koje, po definiciji, imaju manje ulaza takođe se koristi isti koncept, ali se uzima modul 4 (na primer u miksetama koje su namenjene radio stanicama).

Centralna tačka sabirača u kojoj se stiču svi otpornici i ulaz operacionog pojačavača predstavlja u logičkom smislu centralnu tačku miksete. U fizičkom smislu to je jedan provodnik koji se naziva sabirnica. Na njega je povezan i ostatak sabiračkog kola, odnosno ulaz operacionog pojačavača sa otpornikom povratne sprege Posmatrajući sa aspekta fizičke realizacije miksete može se reći da se sabiranje ulaznih signala vrši tako što se svi signali sa izlaza ulaznih modula dovode na jedan zajednički provodnik, odnosno sabirnicu, za koju se takođe povezuje i ulaz izlaznog modula. Kao i mnogi drugi pojmovi u audiotehnici, i sabirnica ima i druga imena koja se korste u svakodnevnom govoru. Iz anglosaksonske literature je kod nas, kao žargonski izraz, preuzet termin ″bas″. Ova reč je, naravno, dospela iz računarske terminologije. U inženjerskom žargonu često se za sabirnicu koristi i reč ″šina″. Naime, u starim modelima mikseta realizovanim u cevnoj tehnologiji sabirnica je stvarno bila metalna šina, pa je očigledno to jedan opisni pojam. Danas je sabirnica u miksetama uglavnom predstavljena provodnikom u fleksibilnom višežilnom pljosnatom kablu, poput onih kojima se u računarima spajaju diskovi. Na njima se nalaze odgovarajući konektori koji se povezuju na konektore ulaznih modula i izlaznog modula. Istim višežilnim kablom se na sve modlule dovodi napajanje.

Kao i na ulazima sabirača, i nad izlaznim signalom se uobičajeno moraju obaviti izvesne operacije da bi bio prihvatljiv za nastavak svog puta kroz audio sistem ili za slanje slušaocu. To su, pre svega, kontrola veličine signala pomoću nekog modulometra i podešavanje nivoa. Ove operacije se obavljaju u sklopu koji se naziva izlazni modul. U sastavu izlaznog modula je i ostatak sabiračkog kola, kao što je to naznačeno na slici 7.19. Povećavanje složenosti miksete i broja njenih ulaznih kanala, odnosno njenih kreativnih mogućnosti, ne dovodi u pitanje osnovnu strukturu sa slike 7.19. Menja se samo složenost ulaznih i izlaznih modula i, eventualno, broj sabirnica u mikseti. U stereo sistemima mora da postoje dve sabirinice - za levi i desni kanal. Principi zbog kojih se povećava broj sabirnica posebno su objašnjeni kasnije.


7.4

171

Ulazni modul miksete

Ulazni moduli po unutrašnjoj složenosti predstavljaju najsložeženiji deo svake miksete jer se najveći deo obrade signala obavlja u njima, a u analognim realizacijama mikseta oni su i po svojoj fizičkoj veličini najveći. Sve opcije obrade i manipulacije sa signalom koje nudi mikseta nalaze se gotovo u potpunosti u ulaznim modulima. Izlazni mduli su u najvećem broju mikseta skromniji po unutrašnjoj složenosti. U ulaznim modulima mikseta ostvaruju se sledeće funkcije: - osnovno prilagođenje nivoa ulaznog signala, - osnovna obrada signala, - regulacija nivoa signala, - podela ulaznog signala na kanale izlaznog formata (stereo i surround), - daljinski start reproduktora, (opciono - u miksetama za radio stanice), - kontrola ulaznog signala modulometrom i slušanjem (opciono). Principijelna blok šema jednog ulaznog modula u kome se ostvaruju navedene funkcije prikazna je na slici 7.19.

LIN OBRADA SIGNALA MIC

L PAN

D

Slika 7.19 - Principijelna blok šema ulaznog modula stereo miksete.

Svaki modul, sem u slučaju nekih specijalizivanih mikseta, ima mogućnost da se na njegov ulaz, po izboru, dovodi signal linijskog ili mikrofonskog nivoa. Tako se na ulazu pojavljuju dva odvojena priključka označena uobičajenim, široko prihvaćenim skraćenicama ″MIC″ (mikrofonski ulaz) i ″LIN″ (linijski ulaz). Prihvatanje signala mikrofonskog nivoa podrazumeva da na samom ulazu mora postojati poseban predpojačavač koji će ovaj signal niskog nivoa pojačati do reda veličine koji imaju linijski signali. Na početku ulaznog modula nalazi se preklopnik za izbor signala. S obzirom da i kod linijskih signala postoje razlike u nivoima, postoji potreba da se na samom početku ulaznog modula izvrši grubo prilagođavanje nivoa. Time se ostvaruje osnovno usaglašavanje sigala koji iz različitih izvora dolaze na različite ulaze miksete. Nakon ulaznog dela, signal u ulaznom modulu prolazi kroz deo za osnovnu obradu. U praksi se pod tim podrazumeva sklop filtara za amplitudske korekcije. U zavisnosti od složenosti miksete i njene namene, to kolo može biti manje ili više komplikovano. Najjednostavnija varijanta podrazumeva samo kontrolu niskih i visokih frekvencija, poput regulatora uobičajenih na kućnim uređajima za reprodukciju zvuka. Na drugom kraju skale složenosti nalaze se vrlo sofisticirani filtarski sistemi sastavljeni od većeg broja filtara kod kojih se mogu menjati razni parametri i pomoću kojih se može fino oblikovati spektar signala. Pri tome se uvek ostavlja mogućnost da se ova obrada signala isključi, odnosno da se kolo za obradu premosti. Koncepcija osnovne obrade signala u ulaznom modulu dominantno zavisi od njene namene. Na primer, miksete za primenu u radiodifuziji, gde se kao ulazni signali javljaju samo signali iz raznih reproduktora i iz mikrofona spikera, imaju u tom pogledu


172

specifične zahteve, jer signali koji se dovode iz reproduktora ne zahtevaju nikakvu dodatnu obradu. U njihovim ulaznim modulima ovaj deo se može sasvim izostaviti. Sa druge strane, u velikim miksetama za živa koncertna izvođenja neophodno je omogućiti raznovrsne intervencije na signalu. Koncept filtara u delu za osnovnu obradu direktno određuje kreativne mogućnosti pri radu sa audio sistemom. Zbog toga se vrednovanje kvaliteta mikseta za namene kao što je studijska produkcija i slično vrši, između ostalog, i na osnovu kvaliteta i osobina ovih kola. Iza osnovne obrade nalazi se glavni regulator nivoa signala koji se naziva regler. To je, po pravilu, klizni regulator postavljen na način koji omogućava jednostavnu i preciznu manipulaciju. Izgled reglera se jasno vidi na fotografiji jedne prenosne miksete prikazane na slici 7.20. Oni zauzimaju mesto na mikseti uz samu ivicu, koje je najdostupnije osobi koja manipuliše sa njom. Nihov položaj se vidi i na slici 7.15. Dugmad reglera je uobičajeno oblikovana na način koji olakšava pokretanje jednim prstom. Sa obe strane proreza ovog regulatora baždareno je slabljenje signala u decibelima.

Slika 7.21 - Izgled jedne prenosne miksete na kojoj se u njenom donjem delu vide regleri.

Regleri imaju u stručnom žargonu i druge nazive. Zbog svog oblika često se nazivaju ″šiberi″. Iz anglosaksonske literature je kod nas preuzet termin ″fader″ (engleski fader, odnosno uređaj kojim se vrši stišavanje). S tim terminom su formirani neki izvedeni pojmovi, kao na primer termin ″fader start″.

Regleri ulaznih modula predstavljaju osnovne regulatore na mikseti, jer se njima određuje kojim nivoom će signal iz kanala ući u kolo sabirača, odnosno u ukupnu zvučnu sliku. Za razliku od prvog regulatora u ulaznom modulu, kojim se vrši tehničko podešavanje ulaznog signala i njegovo usaglašavanje sa ostalim nivoima, sa reglerima se vrši kreativna intervencija na nivoima signala. Klizni potenciometar reglera je dužeg hoda od standardnih kliznih potenciometara kakvi se sreću na ostalim audio uređajima. Jedan standard definiše njihovu radnu dužinu na 10 cm. Kod njih je posebno značajan kvalitet otpornog sloja, što se meri mogućim brojem pokretanja klizača napred-nazad,


173

pre nego što se pojavi karakteristično šuštanje kontakta. U najkvalitetnijim reglerima koji se mogu naći na tržištu garantovani broj pokretanja je reda veličine miliona. Danas je u složenijim miksetama uobičajeno da se funkcija reglera vrši sa naponski kontrolisanim pojačavačem (VCA – voltage control amplifier). Fizičkim reglerima koji postoje na mikseti tada se vrši podešavanje kontrolnih napona ovih regulatora i kroz njih ne ide audio signal. U ulaznim modulima se opciono mogu pojaviti i neki dodatni elementi. U većim miksetama u svakom modulu se nalazi modulometar za merenje signala. Zbog veličine instrumenta takva mogućnost se javlja samo u modelima čija veličina to dozvoljava. Takođe postoji mogućnost da se signal iz ulaznog modula prosledi na izlaz za monitorske zvučnike, eventualno na neki poseban zvučnik za tu namenu, čime se uz modulometar uvodi mogućnost i subjektivne kontrole pojedinačnih ulaznih signala. Neke miksete imaju na sebi mali zvučnik koji služi samo za tu namenu. Ovo ne treba mešati sa glavnim monitorskim zvučnicima kojim se vrši kontrola izlaznog signala miksete. Na kraju ulaznog modula nalazi se regulator kojim se vrši raspodeljivanje signala po kanalima višekanalnog formata reprodukcije. U stereo miksetama se tu nalazi panorama regulator. U miksetama za složenije izlazne formate ovaj deo je složeniji i podrazumeva odgovarajuće matrično kolo. Komutacija signala u ulaznom modulu U zavisnosti od veličine i namene miksete mogu se ulazni moduli usložnjavati ne samo komplikovanjem njegovih elektronskih sklopova, već i sa aspekta komutacije signala. Tako u okviru ulaznih modula postoje izvesni standardizovani koncepti prosleđivanja signala iz njega u ostale elemente audio sistema i nazad u isti ili neki drugi ulazni modul. Dva su standardna koncepta kojim se realizuje izlazak signala iz ulaznog modula: takozvani ″sendovi″ i ″insert tačke″ (oba termina su žargonska, ali ne žalost u toj oblasti ne postoje standardizovani izrazi). Send - Uobičajeno je da postoji mogućnost uzimanje signala iz nekih karakterističnih tačaka ulaznog modula i njegovo slanje van modula preko posebnih priključaka, odnosno konektora. Takve tačke se u žargonu nazivaju ″sendovi″. Njihova funkcija je jasna sa blok šeme prikazane na slici 7.21. SEND 1

SEND 2 SEND 3

LIN OBRADA SIGNALA MIC

L PAN

Slika 7.21 - Mesto ″sendova″ u okviru strukture ulaznog modula miksete.

D

Uobičajeno je da se takva mogućnost koristi da bi se, na primer, signal poslao u neki procesor radi složenije obrade i posle vratio nazad u miksetu preko nekog drugog ulaznog modula kao novi ulazni signal. Moguće je, takođe, da se signal sa takvog izlaza šalje na ulaz nekog višekanalnog snimača. Ova mogućnost se koristi pri koncertnim izvođenjima radi kasnije postprodukcije (takozvani ″živi snimci″). Sa slike 7.21. vidi se da se slanje signala može ostvariti sa nekoliko karakterističnih tačaka ulaznog modula: pre intervencija osnovne obrade (″send 1″ na šemi), pre reglera (″send 2″) ili posle reglera (″send 3″). Pri uzimanju signala pre reglera


174

njegove promene ne utiču na signal koji se šalje, što je značano pri višekanalnom snimanju. Insert - Druga vrsta prosleđivanja signala u okviru ulaznog modula u žargonu se naziva ″insert tačka″. Pod tim se podrazumeva da se signal u nekoj karakterističnoj tački modula provodi kroz poseban konektor izveden na priključnoj ploči miksete. U normalnim okolnostima taj konektor predstavlja kratak spoj i ne utiče na tok signala kroz ulazni modul. Međutim, ako se u ovaj konektor priključi odgovarajući kablovski konektor, dolazi do rastavljanja kontakta i signal se preko jednog od njih prosleđuje van miksete, a preko drugog se prima nazad u istu tačku ulaznog modula. Princip inser tačaka prikazan je na slici 7.22. I insert tačke se mogu izvoditi sa raznih karakterističnih mesta u ulaznom modulu. Na slici su prikazana dva moguća priključka (insert 1 i insert 2). insert 2

insert 1

LIN

L EQ

MIC

PAN

Slika 7.22 - Insert tačke u ulaznom modulu miksete.

D

Osnovna funkcija insert tačaka je da omogući uključivanje u ulazni modul dodatnih spoljašnjih procesora. Time se neograničeno povećaju mogućnosti obrade ulaznog signala, daleko preko nivoa elementarnih funkcija koje su ugrađene u ulaznom modulu. Broj insert tačaka određuje i broj eksternih procesora koji se mogu primeniti za obradu u jednom ulaznom modulu. S obzirom da su postupci dodatne obrade signala stvar umetničkog delovanja, shvatanje potreba u tom domenu stalno se menja. Zato insert tačke omogućavaju fleksibilnost u korišćenju miksete. Fader start U nekim miksetama regler kao glavni regulator nivoa signala ima u svom sklopu i jedan mikroprekidač na koji deluje krizač kada je u krajnjem donjem položaju (maksimalno slabljenje, odnosno nula signala). Čim se klizač reglera pomeri unapred (što se u žargonu naziva ″dizanje reglera″) prekidač menja svoje stanje. Kontakti ovog prekidača izvedeni su na poseban konektor ulaznog modula. Namena ovog prekidača je da se promena stanja reglera izvede kao informacija van miksete, što je dalje iskorišćeno za startovanje raznih reproduktora u okruženju misete. Podrazumeva se da prekidač na regleru kontroliše rad reproduktora čiji se signal dovodi na njegov ulazni modul. Ugradnjom fader starta ulazni modul dobija dodatnu funkciju startovanja reprodukcije sa reproduktora. Veza prekidača fader starta sa reglera može u praksi biti izvedena na nekoliko načina. Moguće je da kontakti prekidača budu direktno izvedeni na odgovarajući izlazni konektor, pa za startovanje reproduktora stoji na raspolaganju trenutak zatvaranja ili otvaranja prekidača. Moguće je takođe na izlaz izvesti logički signal, pri čemu se start ostvaruje dovođenjem na izlaz logičke jedinice (+5 V) posredstvom komande fader starta.


175

U praksi fader start je značajan u miksetama koje su namenjene radio i TV stanicama. Ova funkcija omogućava startovanje numere sa reproduktora samo jednim potezom reglera, bez potrebe da se to istovremeno vrši drugom rukom. Podrazumeva se da je taj reproduktor prethodno namešten na odgovarajuću numeru koja se želi reprodukovati i postavljen na ″pauzu″. Dizanje reglera preko prekidača vrši otpuštanje pauze i startovanje reprodukcije. Svi reroduktori koji su po svom konceptu namenjeni radiodifuznim stanicama imaju posebne ulaze za takav daljinski start. Čak su svojevremeno i klasični gramofoni imali tu mogućnost. Opcija fader starta čini jednu od osnovnih razlika između reproduktora za kućnu upotrebu i onih koji su namenjeni radiodifuznim studijima. Funkcija fader starta se koristi i u pozorištima jer se i tamo javlja potreba za startovanjem reprodukcije u zadatim trenucima predstave.

7.5

Izlazni modul miksete Izlazni modul miksete treba da omogući tri osnovne funkcije: - regulaciju izlaznog nivoa, - električno prilagođenje izlaza i formiranje adekvatnog izlaznog signala, - kontrolu izlaznog signala modulometrima i slušanjem (monitoring).

Principijelna blok šema izlaznog modula prikazana je na slici 7.23. Na njegovom ulazu je pojačavač sabiračkog kola sa slike 7.17. Iza njega se nalazi glavni regler, koji se uobičajeno naziva ″master″, i kojim se vrši kontrola izlaznog signala miksete. Iza master reglera nalazi se kolo za prilagođenje izlaza, koje najčešće omogućava simetričan izlazni signal normiranog nivoa.

ULAZ

MASTER REGLER IZLAZ

Slika 7.23 - Principijelna blok šema izlaznog modula miksete.

MONITORSKI IZLAZ

Izlazni signal se u okviru izlaznog modula kontroliše na oba standardna načina: slušanjem i modulometrom. To znači da u okviru ovog modula mora postojati odgovarajući merni instrument, VU metar ili PPM, u zavisnosti od namene miksete. Na primer, miksete koje služe za emitovanje radiodifuznog programa moraju imati pik metar zbog sprečavanja premodulacije predajnika. Ako je mikseta namenjena ozvučavanju onda se u izlaznom modulu standardno postavlja VU metar. U izlaznom modulu takođe treba da postoji poseban izlaz odakle se signal vodi na pojačavač i zvučnik. U toj grani potrebno je da se nalazi i regulator za kontrolu jačine slušanja, koji na principijelnoj blok šemi sa slike 7.23 nije označen. Izlaz za kontrolu slušanjem uobičajeno se naziva monitorski izlaz. Monitorskih izlaza može na jednoj mikseti da bude više od jednog, što omogućava istovremeno povezivanje različitih monitorskih zvučnika sa pripadajućim pojačavačima (glavni monitorski zvučnici, zvučnici za bliski monitoring, itd).


176

U radio stanicama često se kontrola slušanjem vrši tako što se koristi radio prijemnik, pa se sluša emitovani signal iz predajnika. I taj signal, dobijen prijemnikom, uvodi se preko posebno predviđenog priključka u izlazni modul miksete i pojavljuje se kao opcija za reprodukciju preko monitorskih zvučnika

Zbog usložnjavanja sistema kontrole signala, sa mogućnostima izbora ″šta se sluša″ i ″preko čega se sluša″, u velikim studijskim miksetama često su te funkcije izvedene u posebnom modulu. On se u kućištu miksete postavlja neposredno pored izlaznog modula i naziva se ″kontrolni modul″. U njega ulaze svi signali kojima se daje mogućnost kontrole slušanjem preko monitorskih zvučnika, kao i distribucija u nezavisne zvučničke sisteme. Uobičajeno je da na mikseti postoji priključak i za slušalice, što omogućava monitoring signala takvim načinom reprodukcije.

7.6

Usložnjavanje arhitekture mikseta

Da bi se postigle određene funkcije miksete usložnjavanje njene arhitekture uglavnom vodi povećavanju broja sabirnica. U tom pogledu najjednostavniji oblik usložnjavanja se javlja kod dvokanalne stereo miksete, gde postoje dve sabirnice: za levi i desni kanal stereo formata. U tom slučaju ulazni moduli na svom izlazu imaju panorama regulator kojim se formiraju dva nezavisna signala levog i desnog kanala. Oni se dalje sabiraju na nezavisnim sabirnicama, kao što je prikazano na slici 7.24. Jasno je da to podrazumeva i dva nezavisna izlazna modula. L

ULAZ 1

D

ULAZNI MODUL

ULAZ 2 ULAZNI MODUL IZLAZNI MODUL L

ULAZ 3

IZLAZ L

ULAZNI MODUL

IZLAZ D IZLAZNI MODUL D

ULAZ N ULAZNI MODUL

Slika 7.24 - Blok šema stereo miksete.


177

U dvokanalnim stereo miksetama, koje svakako danas predstavljaju standard (mono miksete se uglavnom izrađuju samo za posebne namene), dva izlazna modula su u fizičkom smislu često obedinjena u jedinstvenu fizičku celinu. Njihovi master regleri su postavljeni neposredno jedan pored drugog da bi se mogli zajedno pokretati, što se može videti na slici 7.21. U nekim vrstama mikseta, kao što su one za radiodifuziju, dva reglera su po nekada mehanički izvedena u istom kućištu i sa zajedničkim dugmetom, jer se podrazumeva da se promene u oba kanala uvek izvode simultano. Takvom izmenom se dodatno pojednostavljuje regulacija signala. Postoje okolnosti kada je neke od ulaznih signala, zbog njihove prirode i mesta u okviru zvučne slike, pogodno grupisati odnosno sabrati pre finalnog sabiranja svih signala u jedinstven izlazni signal. Tako predsabiranje se omogućava posebnom arhitekturom miksete koja uvodi takozvane ″grupe″. Princip grupa je prikazan na slici 7.25. Vidi se da svaka grupa zahteva svoju sabirnicu i svoj grupni izlazni modul. Na kraju se izlazni signali grupnih modula sabiraju glavnom izlaznom sabirnicom, odnosno glavnim izlaznim modulom. 1 2 3 4

ULAZ 1

ULAZ 2

ULAZ 3

ULAZNI MODUL 1

IZLAZNI MODUL GRUPE 1

ULAZNI MODUL 2


ULAZNI MODUL 3

GLAVNI IZLAZ GLAVNI IZLAZNI MODUL


IZLAZNI MODUL GRUPE 4 ULAZ N

ULAZNI MODUL N

Slika 7.25 - Blok šema uz objašnjenje funkcije grupa.

Korišćenje grupa je veoma pogodno u nekim okolnostima, kao što se ozvučavanje živih izvođenja muzike i slično. U miksetama koje su namenjene za takve specifične primene grupe omogućavaju da se, na primer, signali srodnih zvučnih izvora dovedu na posebnu sabirnicu grupe (na primer signali iz mikrofona svih gudača, iz grupe mikforona na bubnjevima itd.). Tako se u celini zvučne slike ove grupe zvučnih izvora zajednički podešavaju po nivou samo jednim reglerom u izlaznom modulu odgovarajuće grupe. Na kraju se svi grupni signali sabiraju u glavnom izlaznom modulu i tako formira izlazni signal miksete. Arhitektura miksete sa grupama ima i svoj sistem označavanja koji se koristi za skraćeno deklarisanje njenog koncepta. Mikseta sa slike 7.25 bi se u tom sistemu označila kao N/4/1, što znači da ima N ulaza, 4 grupe i jedan izlaz. S obzirom da su miksete danas uobičajeno sa stereo izlazima, poslednji broj je uobičajeno 2. Na primer,


178

mikseta za oznakom 24/8/2 ima 24 ulaza, 8 grupa i stereo izlaz. Ovaj sistem označavanja je danas uobičajen u prospektnoj dokumentaciji.

7.7

Vrste mikseta

Svaka konkretna namena audio sistema ima posebne detaljnije zahteve u pogledu njegove konfiguracije i funkcionalnih osobina, što se neposredno odražava i na koncept miksete kao njegovog centralnog uređaja. Zbog toga se danas na tržištu može naći više standardnih kategorija mikseta prilagođenih raznim specifičnim funkcijama. Osnovne kategorije u toj podeli su: - emisione miksete (za radio i TV stanice), - produkcione miksete (za primenu u produkcionim muzičkim studijima), - koncertne miksete (za ozvučavanje muzičkih ″živih″ izvođenja), - pozorišne miksete (za dizajn zvuka u dramskim predstavama), - miksete za monitoring na bini, - automatske miksete (za jednostavne primene i rad bez operatera), - male prenosne miksete (za terenski rad), itd. Navedena podela je zasnovana na njihovom koncepcijskim razlikama. U tom smislu, osnovne razlike su u konceptu i sadržaju ulaznih i izlaznih modula, u broju izlaza, broju grupa, nekim specifičnim detaljima kao što je fader start, itd. U svakoj od navedenih kategorija dalje postoji širok dijapazon razlika prema složenosti u okviru zadatog koncepta i, naravno, u ceni. Mehaničko izvođenje mikseta Specifičnosti raznih namena uslovljavaju i moguće razlike u mehaničkom izvođenju mikseta. One se po svom izgledu razlikuju od svih ostalih audio uređaja zbog toga što imaju najveći broj raznih regulatora kojim operater mora da na jednostavan način pristupi rukom i vrši promene. U najvećim modelima mikseta, kakve se koriste u produkcionim ili filmskim studijima, broj raznih regulatora može biti reda veličine hiljada. Jedan takav model produkcione miksete vidi se na slici 7.26. Ova osobina je uslovila da se miksete standardno izrađuju kao što je model sa slike. One imaju veliku radnu površinu, postavljenu pod izvesnim malim uglom u odnosu na horizontalu, na kojoj su po nekom konceptu raspoređeni svi elementi koji moraju biti dostupni. Standardni način raspređivanja elemenata miksete podrazumeva podelu u kojoj su ulazni moduli postavljaju s leva na desno, a izlazni moduli se nalaze na krajnjoj desnoj strani, kao što je to prikazano na slici 7.21. Izuzetak su veoma velike miksete kod kojih su izlazni moduli, monitorski modul i slični elementi postavljeni na sredini, kao u slučaju miksete sa slike 7.27. Ulazni moduli se mehanički izrađuju tako da su uski, u širini koja je potrebna da se na njih postave regulatori u jednorednom nizu. Regulatori koji se nalaze u ulaznom delu ulaznog modula miksete postavljaju se najudaljenije od operatora, a najbliži je regler. Kućišta u kojima se postavljaju moduli standardno se izrađuju u nekoliko veličina, a broj modula koji se u njih postavlja je stvar izbora. Ostatak praznog prostora, ako se


179

kućište ne popuni u potpunosti modulima, zatvara se praznim pločama, kao u slučaju miksete sa slike 7.27.

Slika 7.26 - Jedan model veće produkcione miksete smeštene u režiji studija. Vidi se izlazni modul na centralnoj poziciji.

Slika 7.27 - Jedan model emisione miksete na kojoj se vidi koncept postavljanja ulaznih modula s leva na desno, a grupnih i i izlaznih modula na krajnjoj desnoj strani.

Svaka mikseta ima jedan uzdignuti deo koji se naziva ″most″ (″bridž″). Njegova prednja ploča je pod uglom koji olakšava vidljivost, i na njega se uobičajeno postavljaju modulometri. Na mikseti sa slike 7.26 svaki ulazni kanal ima svoj instrument, a ona sa slike 7.27 ima jedan PPM (levo) i tri VU metra (desno). Mikseta sa slike 7.27 je emisiona,


180

pa se na njenom bridžu nalazi i tajmer (dva digitalna displeja u desnom uglu) kojim se meri trajanje programa i pojedinačno trajanje numere ili govora spikera.


1

8. AUDIO UREĐAJI II – SNIMAČI, PROCESORI I OSTALI HARDVER 8.1

Uvod

Centralni deo audio sistema, na slici 4.1 označen kao sistem audio uređaja, formira se povezivanjem niza međusobno nezavisnih uređaja u jednu funkcionalnu celinu. Sistem počinje sa mikrofonima ili nekim drugim izvorima signala, odnosno izvorima zvučnih informacija koji se povezuju na odgovarajuće predpojačavače i dalje na ostatak sistema, a završava zvučnikom povezanim na izlaz odgovarajućeg pojačavača snage. Na centralnom mestu u tom sistemu nalazi se mikseta. Sve potrebne funkcije koje mikseta ne može da izvrši obavljaju se u namenski napravljenim uređajima prilagođenim konkretnim funkcijama, i koji se na odgovarajući način povezuju za nju. Mogući načini povezivanja ovih uređaja sa miksetom objašnjeni su u prethodnom poglavlju. Dve su osnovne grupe uređaja koji se pored miksete uobičajeno koriste u audio sistemima. Prva ima funkciju zapisivanja, odnosno memorisanja (što se kolokvijalno naziva ″snimanje″) i kasnijeg očitavanja (to jest, reporodukcije). Ove vrste uređaja nazivaju se snimači i reproduktori. Sem u specifičnim namenama uređaja koji su namenjeni reprodukciji tržišnih audio snimaka i kao takvi predstavljaju robu široke potrošnje, funkcije snimanja i reprodukcije su uvek integrisane u jedan uređaj koji se naziva snimač, a mogućnost reprodukcije se podrazumeva. Drugu grupu čine uređaji koji omogućavaju uvođenje raznih promena u sadržaji signala, odnosno procesiranje i nazivaju se audio procesori. I jedna i druga grupa uređaja pojavljuje se u mnogobrojnim varijetetima, kako u pogledu načina rada, tako i u pogledu složenosti i cene. Uz ove dve osnovne grupe uređaja koriste se i brojni pomoćni uređaji neophodni da bi se realizovala međusobna veza svih komponenti u audio sistamu i ostvarila njegova očekivana funkcija. Neke podvrste ovih pomoćnih uređaja pobrojane su u poglavlju 4. Interesantno je da na tržištu kao proizvodi postoje i specifični uređaji koji su napravljeni integracijom više različitih uređaja. Kao osnova uzima se mikseta, pa se u njeno kućište dodaju i drugi uređaji. Takav proizvod namenjen je korisnicima sa nižim funkcionalnim zahtevima. Tako su ranije, pre uvođenja PC računarske tehnologije, za potrebe niskobudžetnih kućnih studija izrađivane miksete u kojima je integrisan neki audio snimač, pa čak i po neki procesor. Za potrebe niskozahtevnih sistema za ozvučavanje obično se integrišu mikseta i pojačavači snage. Osnovna ideja takve integracije je da se ″malim″ korisnicima pojednostavi nabavka, povezivanje i korišćenje audio sistema.


2

Zapisivanje audio signala Zapisivanje audio signala, odnosno snimanje, predstavlja proces u kome se pod dejstvom signala vrši ekvivalentna promena neke fizičke karakteristike u za to pogodnom materijalu. Te fizičke promene u praksi mogu biti raznolike, a najšire se primenjuju promene magnetskog stanja materijala i mehaničke promene u površini materijala pod uticajem vremenske promene signala. Ekskluzivno za zapisivanje signala na filmskoj traci koristi se promena u eksponiranosti (zacrnjenje) u filmskoj emulziji. Odgovarajućim postupkom moguće je vršiti očitavanje unetih promena stanja materijala i na osnovu toga rekonstruisati upisani audio signal. Takav proces se označava kao reprodukcija. Materijal u kome se vrši upisivanje naziva se memorijski medij ili medij za snimanje. Prema vrstama medija i fizičkim promenama koje se u njima unose izvedena je i tehnička podela postupaka snimanja, pa se koriste magnetski i mehanički zapisi signala. Pretvaranje signala u odgovarajuću promenu u materijalu vrši se pomoću posebnih pretvarača, odnosno konvertora. U načelu se razlikuju pretvarači za snimanje i pretvarači za reprodukciju, mada u nekim sistemima, kao na primer pri magnetskom snimanju sa nižim kriterijumima kvaliteta, isti pretvarač može vršiti obe funkcije. U proizvodnji audio snimaka za tržište snimak se pravi odgovarajućim industrijskim proizvodnim procesom, a ne upisivanjem signala pomoću pretvarača. Različiti fizički oblici zapisa audio signala nazivaju se formati. Formati zapisivanja koji se danas koriste mogu se u funkcionalnom smislu podeliti na dve osnovne grupe: na formate namenjene masovnoj proizvodnji i tržištu audio snimaka i na formate koji se koriste za zapisivanje unutar jednog audio sistema. Formati zapisa za tržište nastaju sa Berlinerovim pronalaskom ravne ploče za snimanje analognog signala. Osnovni zahtev koji treba da ispunjava medij za tršište snimaka je da se može industrijski masovno proizvoditi na relativno jednostavan, brz i jeftin način. Te preduslove zadovoljavaju LP ploča u analognom domenu i CD u digitalnom. Danas je LP ploča nestala iz masovne potrošnje i egzistira samo u domenu specifičnih vrsta muzike (rejv, tehno, i slično), gde se zadržala zbog izvesnih prednosti koje pruža u manipulaciji uređajima za reprodukciju i samim medijem na kome je zapisan signal. Izvestan značaj u domenu tržišta ima i analogna audio kaseta, poznata i kao kompakt kaseta. Danas je CD preuzeo to mesto koje, zbog takvih zahteva tržišta, zadržava i pored pojave novih medija koji omogućavaju zapisivanje digitalnih signala višeg kvaliteta. Upravo zbog zahteva koji se postavljaju u domenu proizvodnje, formati za tržište imaju veoma različite tehnološke postupke zapisivanja i reprodukovanja. Naime, potreba tržišta nametnula je zahtev da osnovni uređaj za reprodukciju bude što jednostavniji i jeftiniji, jer i sam predstavlja robu široke potrošnje, odnosno masovni proizvod za tržište. Da bi se zadovolji takvi uslovi koje nameće masovno tržište, postupak zapisivanja u mediju, bolje rečeno proces proizvodnje, relativno je složen i zahteva skupu i sofisticiranu opremu. Formati za zapisivanje signala unutar jednog zatvorenog audio sistema, kao što je na primer studio, moraju zadovoljavati uslov da se na jednostavan način proizvoljno mnogo puta u istom materijalu medija signal može upisivati, brisati i ponovo upisivati. Pri tome, isti uređaj obavlja oba procesa, i upisivanje i očitavanje. Ta funkcija brisanja, koja omogućava korišćenje istog memorijskog materijala veliki broj puta, osnovna je karakteristika koja je učinila da se u tom domenu isključivo koriste razni magnetski postupci, odnosno magnetski materijali kao mediji za zapisivanje. Među njima danas se već izdiferencirao kao dominantan metod zapisivanja audio signala na računarske diskove. Tehnologija SCSI diskova omogućila je jednostavnu manipulaciju sa njima izvan kućišta računara. Pogotovo u domenu profesionalnog rada, disk je zahvaljujući veoma


3 povoljnom odnosu cene, kapaciteta i pouzdanosti već postao standardni medij za zapisivanje, prenošenje, pa čak i za arhiviranje signala. Procesiranje audio signala Audio procesori su uređaji koji služe za određene, unapred definisane forme obrade signala. U audio sistemima postoji stalna potreba da se originalni signal koriguje, modifikuje, ili čak značajno menja. Sa sigurnošću se može reći da sve što se može čuti u savremenoj audio produkciji, pogotovo muzičkoj, podrazumeva da je signal prošao bar kroz jedan procesor. Pri tome, samo mali broj takvih obrada imaju tehničku utemeljenost, i to je uglavnom u okolnostima kada signal treba da se prilagodi realnim uslovima, odnosno nekim tehničkim ograničenjima ili da se izvrše njegove manje korekcije (na primer: amplitudske korekcije radi linearizacije pri prolasku signala kroz neke delove sistema i slično). Sve ostale primene procesora, odnosno posebne obrade signala u sistemu, uvode se isključivo zbog estetskih razloga, odnosno zbog estetskih korekcija u zvučnoj slici.

ulaz

AUDIO PROCESOR

izlaz

vizuelna i akusticka predstava signala

Slika 8.1 – Principijelna ilustracija načina korišćenja audio procesora.

kontrola parametara procesora

Ovakvo specifično mesto obrade signala ilustruje slika 8.1. Slika šematski pokazuje princip primene procesora u radu sa audio sistemima. Osoba koja upravlja audio sistemom vrši kontrolu signala koji izlazi iz procesora. Kontrola može biti auditivna, to jest akustička, koja se vrši slušanjem reprodukovanog signala, ili vizuelna pomoću spektralne analize ili nekih drugih instrumenata za objektivnu kontrolu. Podešavanje parametara rada procesora vrši se isključivo na osnovu subjektivnih stavova, dok se ne dobije prihvatljiv rezultat. Prema tome, primena procesora je subjektivna kategorija, a kvalitet njihovog rada ocenjuje se preko estetskih stavova slušalaca. Slična situacija je u oblasti video tehnologije gde se pri produkciji programa uvode razna procesiranja signala slike da bi se omogućile estetske intervencije u proizvodnji programa, a ocena urađenog je isključivo u domenu estetike slike. Mogućnosti digitalne obrade signala unele su mnoge promene u tehnologiju audio procesora, jer je omogućeno da se izvršavaju korekcije signala koje su u analognom domenu bile vrlo složene ili nemoguće. Karakterističan primer za to je promena intonacije (pitch shifting). Ovim procesom postiže se da odsvirani ili otpevani delovi mogu


4 biti proizvoljno pomerani po frekvencijckoj osi i tako dovedeni u intonaciju sa ostalim zvukovima, ako je nešto pogrešno odpevano ili odsvirano. Postoji stalna potreba da se zvučna slika, a time i audio signal, prilagode realnim uslovima u kojima se slušalac nalazi. Takva potreba nmeće upotrebu nekih procesora. Najočigledniji primer za to je simfonijska muzika koja se sluša u tihoj koncertnoj sali, gde se javlja velika dinamika prirodnog signala sa maksimumima nivoa zvuka koji u vrhovima dostižu preko 110 dB. Ako se takav signal prenese udaljenom slušaocu u običnoj sobi, gde postoji ambijentalna buka i razna ograničenja u pogledu maksimalno mogućih nivoa zvuka, najtiši deo sadržaja zvučne slike bi se pri normalnim nivoima slušanja izgubio u buci ambijenta. Da bi se to rešilo, mora se izvršiti izvesna kompresija dinamičkog opsega originalnog signala. Takav primer predstavlja slučaj tehničke nužnosti primene procesora, u ovom slučaju nekakvog uređaja za kompresiju signala.

Procesori se u hardverskoj realizaciji audio sistema povezuju sa odgovarajućim izlaznim tačkama miksete. To mogu biti insert tačke, grupni izlazi, itd, što zavisi od zahtevane konfiguracije sistema. U studijskim sistemima te veze najčešće nisu fiksne, već se povezivanje procesora vrši po potrebi. Pitanje je umetničkih potreba i finansijskih mogućnosti koliko će ″efekt rek″ biti napunjen procesorima. Bogatstvo procesorima u studiju povećava kreativne mogućnosti dizajna zvučne slike. U kontekstu subjektivnosti upotrebe procesora interesantan je podatak da su neke vrste danas standardno korišćenjih audio procesora pronađene sasvim slučajno. Dešavalo se da se u toku nekih laboratorijskih eksperimenata sa različitim elektronskim kolima slučajno zapazi da reprodukovan audio signal nakon propuštanja kroz njega zvuči interesantno. Uz male adaptacije tako bi nastao procesor kao proizvod koji je dalje odlazio muzičarima i producentima na kreativnu upotrebu pri snimanjima, odnosno produkciji.

8.2

Osnovni oblici zapisivanja audio signala

Zapisivanje audio signala u svojoj suštini podrazumeva preslikavanje njegovog naponskog (ili strujnog) talasnog oblika, koji se menja u vremenu, u talasni oblik stanja odabrane fizičke veličine koje se u materijalu medija menja duž jedne njegove dimenzije. Ovakva priroda postupka snimanja principijelno je ilustrovana na slici 8.2. U snimku nastaje talasni oblik predstavljen promenama vrednosti fizičke veličine na slici označene simbolično sa s, a umesto vremena parametar je dužina. Perioda signala, koja je po svojoj dimenziji vreme, preslikava se u veličinu koja se naziva upisana talasna dužina. Da bi se ostvarilo pretvaranje definisano slikom 8.2 neophodno je da postoji relativno kretanje između pretvarača koji vrši upisivanje, odnosno fizičke promene u materijalu, i medija u kome se signal upisuje. To relativno kretanje unosi brzinu kao parametar koji utiče na proces snimanja. Apsolutna vrednost upisane talasne dužine određuje i potrebni veličinu medija za zapisivanje, pa zbog toga je ukupno trajanje signala koji se može upisati durektno proporcionalno količini medija koja stoji na raspolaganju.


5

s

v t(s)

postupak snimanja

x(m) upisana talasna dužina

perioda

Slika 8.2 – Preslikavanje električnog signala u zapis na memorijskom mediju.

Ako se definiše brzina relativnog kretanja v, onda je upisana talasna dužina:

λ=

v f

(8.1)

gde je f frekvencija signala. Očigledno je da se najmanja upisana talasna dužina javlja na gornjoj graničnoj frekvenciji signala. Zbog toga brzina relativnog kretanja treba da bude dovoljno velika da na najvišoj frekvenciji signala upisana talasna dužina bude veća od granice prihvatljivosti za dati medij i za primenjeni postupak uipsivanja i očitavanja. Ovakva fizička priroda audio zapisa čini da je brzina relativnog kretanja pretvarača i medija parametar čija se konstantnost podrazumeva. Jasno je da u praksi uvek postoji neka tolerancija u preciznosti podešenosti ove brzine. Kod digitalnog zapisa tolerancija u preciznosti ostvarene brzine nije kritična, jer se uvek može bafer memorijom urediti preciznost izlaznog signala. Šta više, mnogi reproduktori digitalnog zapisa danas rade sa očitavanjem koje se menja i prilagođava raznim realnim okolnostima. Međutim, kod analognog zapisa odtržavanje konstantnosti brzine v nema alternativu. Načini zapisivanja audio signala mogu se klasifikovati na više načina. Fizički oblik medija na koji se signala beleži uvodi podelu na trake i diskove. Osnovna podela se može izvršiti prema fizičkim promenama koje se vrše u mediju, pa se prepoznaje magnetski i mehanički zapis. Istovremeno, podela signala na analogne i digitalne nameće istu takvu podelu postupaka i medija za snimanje. Razlike među njima proizilaze iz fizičkih razlika analognih i digitalnih električnih signala i kriterijuma koje one nameću. Beleženje digitalnih signala uvodi još jednu moguću podelu: na čvrste poluprovodničke memorije (solid state) i memorije sa pokretnim delovima (trake, diskovi). S obzirom da se za količine informacija koje se pojavljuju u audio sistemima čvrste memorije na sadašnjem tehnološkom nivou razvoja ne mogu koristiti za nekomprimovane signale i signale velikog trajanja, svi široko korišćeni oblici zapisivanja, odnosno snimači i reproduktori, imaju zajedničko da se zasnivaju na nekim pokretnim delovima koji obezbeđuju relativno kretanje pretvarača i medija. U takvim okolnostima svaki zapis na površini medija ima osnovnu strukturu koja je prikazana na slici 8.3. Zapis kao fizička promena u strukturi medija nastaje relativnim kretanjem pretvarača u odnosu na njegovu površinu. Upisana promena u mediju naziva se trag, i u okviru njegovih gabarita formira se promena u smislu kako je objašnjeno na slici 8.1. Trag ima neku konačnu širinu i dubinu, definisane na materijalu medija, i ove dve dimenzije određuju fizički obim promene u strukturi medija. Upisani signal se u mediju menja samo po dužini traga, a ne i po širini. Na slici je označena upisana talasna dužina signala. Može se pokazati da je intenzitet upisanog signala u snimku direktno proporcionalan površini poprečnog preseka medija zahvaćenog zapisom, što je određeno širinom i dubinom traga. Ta proporcionalnost je zavisna od postupka snimanja, odnosno vrste zapisa prema nabrojanim podelama. Dubina traga je veličina koja je određena prirodom fizičkog procesa zapisivanja i njeno menjanje uglavnom nije


6 proizvoljno moguće. Zbog toga se širina traga pojavljuje kao parametar koji se podešava pri dizajnu snimača, odnosno formata zapisa, da bi se ostvario zadati tehnički kvalitet snimka. Istovremeno postoji potreba da širina traga bude što manja da bi se na zadatu površinu medija upisao što duži signal, pa je izbor dimenzija traga u kod svakog formata stvar kompromisa između kvaliteta signala i dužine zapisa.

trag

kretanje pretvaraca

Slika 8.3 – Šematski prikaz uz definiciju traga (senčenjem je simbolički označena razlika u intenzitetu upisanog signala).

upisana talasna dužina površina medija

Relativno kretanje površine medija i pretvarača Za upisivanje signala na neki memorijski medij neophodno je da postoji relativno kretanje pretvarača u odnosu na površinu medija. Brzina njihovog relativnog kretanja je relevantan parametar za određivanje količine informacija koje se mogu zapisati u jedinici vremena. Relativno kretanje pretvarača i medija teorijski se može postići na dva načina: kretanjem medija ispred nepomičnog pretvarača ili istovremenim kretanjem i medija i pretvarača radi dobijanja veće relativne brzine. Kod nekih vrsta snimanja sa nepomičnim pretvaračem mogući su njegovi povremeni pokreti koji se dešavaju nekom malom brzinom ili skokovito, a radi adekvatnog iskorišćenja površine medija. Kretanje medija ispred nepomičnog pretvarača može biti ostvareno na dva načina: linearno ili kružno. Na slici 8.4 šematski je prikazan slučaj linearnog kretanja. U takvim okolnostima koristi se medij u obliku trake koja se odmotava sa jednog nosećeg kotura i namotava na drugi. Uređaj koji koristi trake naziva se magnetofon, pa se pridev ″magnetofonski″ koristi da označi takvu traku (magnetofonska traka), pretvarače (magnetofonska glava), itd. Ukupno moguće trajanje zapisa signala u kontinuitetu funkcija je dužine trake koja može stati na jedan kotur. Na traku se upisuje istovremeno jedan ili više signala, svaki na svoj nezavistan trag. Oni se raspoređuju po širini trake sa malim razmacima između njih, kao što se vidi na slici.


7 namotavanje

odmotavanje

nepomicni pretvarac

Slika 8.4 – Ilustracija zapisivanja na traku kao medij sa linearnim kretanjem i položaj tragova na njoj.

tragovi traka

Traka kao medij za linearno zapisivanje danas podrazumeva samo magnetski zapis, jer samo magnetski materijali dopuštaju mehaničku savitljivost neophodnu za formu trake koja se namotava. Traka se u praksi pojavljuje u dva fizička oblika: na otvorenom koturu (open reel) ili zatvorena u odgovarajućoj kaseti koja štiti koturove sa trakom. U veoma dugom periodu razvoja audiotehnike kroz istoriju traka je sve doskora bila osnovni memorijski medij za beleženje audio signala, sve dok se nije pojavio signal u digitalnom obliku i diskovi kao medij za njihovo beleženje. Bez obzira na način pakovanja, trake se pojavljuju u standardizovanim širinama koje su izvedene iz inča kao jedinice mere (uobičajena oznaka za inč je ″). Standardna širina trake koja se koristi na analognim magnetofonima je 1/4 inča, što je jednako 6,25 mm. U analognim kasetama se koristi upola uža traka (1/8″). Šire trake se izvode kao celobrojni multipli standardne širine, i koriste se na magnetofonima koji snimaju više signala odjednom, takozvani višekanalni magnetofoni, i u analognom i u digitalnom domenu. Tako se koriste trake širine 1/2″, 1″ i 2″. Trake šire od dva inča se ne koriste. Kod sistema sa kružnim kretanjem memorijski medij ima oblik diska, kao što je prikazano na slici 8.5. Na takvoj površini tragovi koji se zapisuju mogu imati dva moguća oblika. To može biti samo jedan jedinstven trag u obliku spirale, koji počinje na jednom kraju diska (centralnom ili perifernom krugu), i završava na suprotnom. Samo jedan trag spiralnog oblika omogućava fizički kontinuitet zapisa, pa se jedino takav oblik može na jednostavan način primeniti za beleženje analognih signala. Pri snimanju i reprodukciji digitalnih signala po prirodi stvari su dozvoljeni vremenski dikontinuiteti zapisa, jer se oni lako amortizuju nekom bafer memorijom koja amortizuje prekide u povorci bita. Zahvaljujući tome, zapis digitalnog signala na disku može biti sa tragovima u vidu diskretnih koncentričnih krugova, bez međusobne povezanosti. Pretvarač se tada kreće skokovito prelazeći sukscesivno sa traga na trag. Postoje okolnosti kada je količina informacija koja se zapisuje u jedinici vremena veoma velika. Takav slučaj je sa digitalnim audio signalom, ali i sa video signalom (videti okvir). Da bi se upisao takav signala potrebna je velika relativna brzina kretanja pretvarača u odnosu na površinu medija da bi upisana talasna dužina i na najvišim frekvencijama bila fizički prihvatljiva. U takvim okolnostima linearno snimanje na traci, kao što je predstavljeno na slici 8.4, teško se može praktično realizovati, jer vođenje trake i koturova na kojima je ona namotana velikim brzinama postaje ozbiljan mehanički problem zbog inercije masa i sile zatezanja trake koja se pri tome javlja. Nije zanemarljiva ni činjenica da velike brzine kretanja trake utiču ograničavajuće na smanjenje ukupnog vremena snimka koji može stati na jedan kotur razumnih dimenzija.


8 Prema tome, postizanje velikih relativnih brzina je teško postići samo kretanjem medija zbog raznih ograničenja. tragovi

rotaciona površina medija

kretanje pretvaraca

Slika 8.5 – Ilustracija zapisivanja na rotacioni medij sa označenim oblikom tragova.

Digitalni audio signal kada se pojavi u nekom fizičkom obliku ima visoku graničnu frekvenciju. Ako se pretpostavlja da je signal odmeravan sa samo 16 bita frekvencijom 48 kHz i da zajedno idu dva stereo kanal, bitski protok takvog signala je: 2 x 16 x 48.000 = 1,536 Mbita/s Sa redundantnim bitima koji se ubacuju zbog zaštitnog kodovanja, kanalskog kodovanja i drugih razloga, bitski protok običnog stereo signala je uvek veći od 2 Mbita/s. Jasno je da korišćenje veće rezolucije i viših vrekvencija odmeravanja pri konverziji povećavaju bitski protok. Ako se pretpostavi da je moguće smestiti po dva bita u jednu periodu upisanog signala u mediju, gornja granična frekvencija upisanog signala mora biti veća 1 MHz. To je povišenje granične frekvencije od preko 50 puta u odnosu na analogni audio signal čija je granična frekvencija 20 kHz. Zbog toga je potreba da se zapše digitalni audio signal zahtevalo potpuno novi pristup, bez mogućnosti da se modifikuju do tada postojeći analogni snimači. Sličan problem je zapisivanje video signala, čija je gornja granična frekvencija 5 MHz u komercijalnom okruženju, odnosno 7-8 MHz u studijskim aplikacijama. Posto je zapisivanje video signala tehnički rešeno pre pojave digitalizacije u audiotehnici, prvi audi snimci su pravljeni na magnetoskopima, to jest video snimačima.

Rešenje ovoga problema je nađeno u postupku snimanja kod koga se kreću i površina medija i pretvarač. Tehničko rešenje tog postupka prikazano je na slici 8.6. Po obodu posebnog bubnja koji se okreće velikom brzinom raspoređeni su pretvarači. Osa obrtanja bubnja je postavljena pod nagibom u odnosuna osu trake, kao što je označeno. Traka u svom linearnom kretanju obmotava jedan deo obima bubnja. Da bi se realizovao kontinuitet zapisa na bubnju mora biti bar dva pretvarača postavljeni sa suprotnih strana.


9 Tako je u svakom trenutku jedan od njih u kontaktu sa površinom trake. Ovakav postupak se naziva snimanje sa rotacionom glavom, a koristi se i termin ″helikoidalni″ zapis zbog oblika kretanja pretvarača u prostoru u odnosu na površinu trake i njeno kretanje. Smisao ovakvog postupka je u tome da se traka kreće relativno malom brzinom, a da se istovremeno ostvaruje velika relativna bzina kretanja pretvarača u odnosu na povšinu trake.

kretanje medija

Slika 8.6 – Šematski prikaz helikoidalnog zapisa na traci kod koga se kreću i traka i pretvarač.

Kao rezultat ovakvog zapisivanja nastaje trag koji se sastoji od diskretnih segmenata postavljenih ukoso u odnosu na osu trake. Struktura tragova takvog zapisa prikazana je na slici 8.7. Ugao koji zaklapa trag sa osom trake zavisi od linearne brzine trake i brzine obrtanja bubnja sa pretvaračima. Kontinuitet signala se ostvaruje sukscesivnim nizanjem sadržaja susednih tragova. Da bi se olakšalo spajanje segmenata signala sa susednih tragova moguće je upisivanje sa preklopom signala, tako da je signal na samom početku segmenta ponavljanje signala sa kraja prethodnog. Ovakva vrsta zapisa standrdno se koristi i za beleženje analognog video signala. tragovi

traka

Slika 8.7 – Struktura helikoidalnog zapisa na traci.

Kod nekih formata snimanja koji su zasnovani na postupku sa rotacionim glavama postoje dodatni tragovi koji se beleže linearno duž obe ivice trake, poput onih koji su prikazani na slici 8.4. Njihova namena može biti različita. Na primer, za snimanje nekih pratećih informacija čija je gornja granična frekvencija dovoljno niska.


10

Analogni formati snimanja Analogni formati zapisivanja audio signala danas se sve manje koriste iz raznih razloga. Svakako najzanačajniji razlog je mnogo povoljniji odnos cena/kvalitet kod uređaja za snimanje u digitalnim formatima. Analogni formati koji se danas još koriste mogu se u fizičkom smislu podeliti na dve velike grupe. To su magnetski i mehanički. Analogni magnetski zapis u audio sistemima kao medij koristi fizičku formu trake, a zapis se vrši magnećenjem tankog sloja magnetskog materijala koji je nanet sa jedne njene strane. Zbog takvog sastava uobičajeno se naziva ″magnetska traka″. Magnetska traka se u praksi javlja u dva oblika ″ambalaže″: kao otvorena traka na koturu ili kao traka zatvorena u kasetu. Kao kasetni format danas se koristi samo jedan standard, takozvana kompakt kaseta, još uvek široko koripćena na masovnom tržištu i u kućnim uređajima za reprodukciju. Kroz istoriju razvoja audiotehnike bilo je i drugih specifičnih oblika kaseta za analogno snimanje, ali su oni ranije napušteni. Mehanički analogni zapis se danas javlja samo u jednom obliku, koji je označen kao ″LP ploča″ (gramofonska ploča). Mehanički analogni audio zapis se proizvodi na složen način u industrijskom procesu. Zapis se formira mehaničkim promenama duž jedne spiraje na površini diska napravljenog od posebnog sintetičkog materijala koji se kolokvijalno naziva ″vinil″. Za reprodukciju ovog formata koriste se namenski reproduktori, nazvani gramofoni. Mehanički analogni zapis je skoro jedan vek bio osnovni oblik medija na masovnom tržištu audio snimaka, ali se danas koristi samo u ekskluzivnim muzičkim namenama. Činjenica je da se zapisi za tržište u analognim formatima sve manje proizvode. U razvijenim zemljama analogne kasete su postale retkost, jer su potpuno potisnute CD formatom. Kod nas je takođe primetan trend intenzivnog povlačenja kaseta u odnosu na CD kao digitalni medij masovnog tržišta (videti tekst u okviru). Svaki naštampani tiraž muzičkih snimaka kod nas još uvek se pojavljuje i na audio kasetama i na CD. Podaci jednog domaćeg proizvođača pokazuju da je pre pet godina odnos kaseta i CD bio 5:1 u korist kasete, a danas (2004. godina) to je već 1:1. Prema tome, može se očekivati skori nestanak analognih audio kaseta i sa domaćeg tržišta audio softvera.

Digitalni formati snimanja U digitalnom domenu zapisivanje signala se takođe može vršiti na dva fizička načina: magnetski i mehanički. Zbog specifičnog načina očitavanja pomoću laserskog snopa, digitalni mehanički zapisi se uobičajeno nazivaju ″optički zapis″, iako je sam zapis najčešće predstavljen nekim mehaničkim promenama u materijalu medija. U tehnologiji snimanja danas dominira magnetski zapis, koji se pojavljuje u formi računarskog hard diska, kasete sa trakom ili, sad već pomalo potisnute, otvorene magnetofonske trake. Činjenica je da snimanje na disk polako postaje dominantno u studijskim uslovima zbog raznih pogodnosti koje pruža današnja računarska tehnologija. Paralelno tome, mehanički (optički) zapis dominira na masovnom tržištu audio softvera zbog jednostavnosti masovne proizvodnje i niske cene. Uređaji za snimanje digitalnog audio signala na disk kao medij koristi se danas u dva pojavna oblika: kao poseban uređaj, takozvani ″hard disk rekorder″, ili kao disk koji se nalazi u sklopu sistema sagrađenog oko nekog personalnog računara. Snimač sa diskom u formi posebnog uređaja ima tu prednost što se kao takav može uključiti i u


11 potpuno analogni audio sistem. On je opremljen A/D i D/A konvertorima i predstavlja zaokruženu funkcionalnu celinu snimača. Drugi oblik je snimanje na disk u okviru manje ili više standardne računarske konfiguracije u kojoj personalni računar predstavlja jezgro audio sistema. Danas postoje standardizovane hardverske i softverske konfiguracije ovakvih sistema za snimanje. U njima uglavnom dominiraju računari tipa Mekintoš. Zbog fleksibilnosti, prenošenja i arhiviranja snimaka uobičajeno je da se koriste SCSI varijante spoljašnjih diskova sa odgovarajućim kontrolerima. Zapisivanje digitalnih audio signala na traku vršiti se na dva ranije opisana postupka: sa stacionarnim pretvaračima (glavama) i sa rotacionim glavama. Istorijski posmatrano, prvi uređaj za zapisivanje audio signala u digitalnom obliku, krajem sedamdesetih godina dvadesetog veka, koristio je tada dostupan video snimač (videti tekst u okviru) koji radi sa rotacionim glavama. Početkom osamdesetih pojavio se posebno dizajniran format snimanja sa rotacionim glavama za audio aplikacije, označen kao R-DAT (Rotary-head Digital Audio Tape). Kasnije je uređaj za takvo snimanje nazivan skraćeno DAT. Ovaj standard dopušta snimanje dva kanala frekvencijama odmeravanja maksimalno do 48 kHz. Traka za ovaj standard je smeštena u namenski dizajniranu malu kasetu dimenzija 73 x 54 x 10,5 mm. DAT je dugo bio osnovni standard za master snimke koji su izlazili iz studija i dalje išli u proizvodnju CD ili za neke druge namene. Nakon DAT-a pojavili su se i formati koji su omogućili paralelno snimanje osam audio kanala sa istim frekvencijama odmeravanja kao DAT. Uređaji za ovakvo snimanje su izvedeni iz jednostavnijih video snimača/reproduktora koji rade sa rotacionim glavama, kao što su VHS ili Hi8 standard. Oni koriste standardne video kasete, pa tako postoji format koji za snimanje pod komercijalnim nazivom ADAT, koristi standardnu VHS kasetu, i format označen kao DTRS, koji koristi video kasetu standarda Hi8. Ovakvi uređaji su brzo postali rasprostranjeni u studijskom radu kao osnovne mašine za višekanalno snimanje, jer su ti uređaji omogućavali međusobno sprezanje i sinhroni rad. Time se dobijao sistem koi je omogućavao višekanalni rad sa brojem kanala izvedenih iz modula 8. Prvi snimač digitalnog audio signala, koji se pojavio krajem sedamdesetih godina dvadesetog veka, podrazumevao je poseban procesorski uređaj u kome je vršena konverzija i ″pakovanje″ digitalnog stereo signala u aktivne linije kompozitnog video signala. Procesor je povezivan sa standardnim kasetnim video snimačem studijskog kvaliteta, u to vreme formata U-matic, na kome je signal sniman. Ovaj metod snimanja dikirao je i izbor frekvencije odmeravanja, jer se pri 44,1 kHz ostvaruje smeštaj tačno tri odmerka u jednoj aktivnoj video liniji. U popularnoj literaturi koja obrađuje audio teme iz oblasti studijske tehnike još uvek se povremeno pominje tada poznati uređaji tipa PCM-F1 i PCM-1610 firme Sony, i njihovi varijeteti. Za brojna muzička izdanja na formatu CD iz tog vremena ovakvi snimači su korišćeni kao jedina postojeća master mašina u studijima. Ovi uređaji su doživeli nekoliko verzija i različita poboljšanja, ali je tokom osamdesetih godina funkciju snimača za master snimak koji izlazi kao proizvod iz studija i sa koga se proizvodi CD polako preuzeo R-DAT. Snimači sa procesorima poput Sonijevog PCM-F1 danas su muzejski eksponati.

Za profesionalne namene u jednom istorijskom periodu postojao je na tržištu i snimač sa rotacionim glavama kod koga traka nije u kaseti, već na otvorenim koturovima. Podrazumevala se dovoljna veština osobe koja sa trakom manipuliše i postavlja je na mehanički sistem mašine i na rotacionu glavu. Digitalni snimači/reproduktori sa stacionarnim glavama doskora su predstavljali najviši nivo snimača koji omogućavaju višekanalni digitalni zapis na magnetofonskoj


12 traci. Zbog svoje cene mogli su se videti samo u veoma dobro opremljenim, visokobudžetnim studijima. Težnja da se napravi snimač kod koga se traka kreće linearno a pretvarači su nepomični proizilazi iz potrebe da se na jednostavan način omoguće funkcije koje je imao analogni magnetofon i prevaziđu imanentna ograničenja koje ima snimanje jednog složenog višekanalnog snimka beleženog rotacionim glavama. To su: nezavisna kontrola snimanja i reprodukcije svakog pojedinačnog kanala (što je jednostavno ako svaki kanal ima svoj nezavistan trag), editovanje snimka sečenjem trake (što je bio standardni način editovanja pri radu sa analognim magnetofonima), itd. Najrasprostranjeniji standard snimanja sa stacionarnim glavama bio je DASH (Digital Audio with Stationary Heads) koji omogućava rad sa frekvencijama odmeravanja do 48 kHz. Ovaj format se pojavljivao na tržištu u nekoliko verzija. Osnovna verzija omogućava zapisivanje 24 kanala na traku širine 1/2″, a format DASH II omogućava zapisivanje 48 kanala. Zajednička osobina svih formata za magnetsko zapisivanje audio signala na traci bilo je ograničenje u maksimalnoj vrednosti frekvencije odmeravanja, odnosno u bitskoj brzini koja se mogla usnimiti. Najviša frekvencija odmeravanja na ovakvim uređajima je 48 kHz. Tek računarski diskovi kao mediji otvorili su mogućnost beleženja signala konvertovanim višim frekvencijama. Mehanički, to jest optički način snimanja pojavljuje se u raznim verzijama formata označenim kao CD (kompakt disk). Ovakav zapis u verziji za tržište proizvodi se u procesu presovanja pomoću kalupa, jer takav postupak omogućava jeftinu i brzu proizvodnju velikih serija. Naporeo sa tim, postoji i sistem zapisa koji se moze praviti jedinično u posebnim rezačima. Takva tehnologija koristi drugačije materijale, pa se CD za narezivanje izrađuje sa specijalnom strukturom koja je složenija od fabrički proizvedenog. Rezači za CD se pojavljuju kao nezavisni uređaji ili kao sklopovi koji se ugrađuju u PC računare. U novije vreme DVD kao medij koristi se, osim za video signal, i za zapisivanje audio signala. Uvođenje ovog formata u audio oblast posledica je njegovog značajno veće kapaciteta od CD, ali i činjenice da postoje rezači za ovaj format kao jednostavni, individualni uređaji. DVD se kao medij koristi u raznim formatima zapisivanja audio signala, mada je definisan i poseban format prilagođen ovom mediju, takozvani DVD Audio (DVD-A). Posebnu klasu digitalnih snimača/reproduktora čine uređaji koji prave zapis u nekom komprimovanom obliku, odnosno primenom nekog algoritma za smanjenje količine informacija pre upućivanja na medij. Komprimovani audio signal se ne može koristiti u okolnostima visokih zahteva kvaliteta, ali postoje brojne aplikacije kada signal u izvesnoj meri degradiran kompresijom ima svoju primenu. U tom domenu u široj upotrebi je bio takozvani ″mini disk″ (skraćeno: MD). U mnogim radio stanicama se koristio za džinglove i reklame, sve dok PC računar nije preovladao kao uređaj za snimanje i reprodukciju, a tehnologija rezanja CD-a postala široko dostupna. Danas su snimači i reproduktori u MP-3 formatu postali roba široke potrošnje, kao uređaji za individualnu reprodukciju muzike, diktafoni i slično. Audio zapis na filmu Zvučna slika koja prati film reprodukuje se pomoću odgovarajućeg zapisa audio signala na samoj filmskoj traci. U tom pogledu filmska traka je specifičan medij koji se izdvaja od ostalih jer se proizvodi i koristi u specifičnim okruženjima koja se ne dodiruju sa ostalim oblicima audio sistema, i nikada izvan profesionalnog bioskopskog okruženja. Zvučni zapis se na filmskoj traci može upisati na dva načina: kao magnetski zapis na magnetskim slojevima posebno nanetim na filmsku traku, i kao optički zapis direktno na filmskoj emulziji.


13 Magnetski zapis na traci podrazumeva opremljenost filmskih projektora odgovarajućim sistemoma za očitavanje, koji se sastoji od magnetskih glava za reprodukciju, zajedno sa pratećim predpojačavačima. Ovakva oprema se sreće uglavnom samo u najbolje opremljenim bioskopima, pa je primena magnetskog zapisa u distribuciji filmova ograničena. Položaj magnetskih tragova na filmskoj traci prikazan je na slici 8.8. Sa obe strane perforacije na traci naneti su uski magnetski tragovi na kojima se usnimavaju signali kao i na svakom analognom snimaču. Magnetski zapis podrazumeva i povećavanje složenosti proizvodnje filmova jer se, osim laboratorijske obrade filmske trake, zahteva i dodatno usnimavanje audio signala. Zbog toga se optički zapis signala na filmskoj traci smatra najšire prihvaćenim standardom, jer se i audio zapis proizvodi u istom tehnološkom postupku kao i slika. Osim toga, svi bioskopi u svetu, čak i oni sa najstarijom i najelementarnijom opremom imaju mogućnosti za reprodukciju nekog njegovog oblika. To je istorijsko nasleđe razvoja filma i bioskopa. Filmska traka kao optički medij za zapisivanje signala unosi dve vrste ograničenja: konačnu rezoluciju zbog zrnaste strukture filmske emulzije i konačnu veličinu raspoložive površine za audio tragove. Moguća gustina zapisa je određena veličinom slobodne zone na traci, pored filmskih slika, i fiksnom brzinom kretanja trake (24 sličice u sekundi). Zbog toga se u novije vreme pojavio format zapisivanja filmskog zvuka kod koga se svi audio signali nalazi na posebnom CD, sa koga se sinhronizovano sa kretanjem filmske trake u projektoru očitava audio zapis. magnetski tragovi

SLIKA

Slika 8.8 – FIlmska traka sa označenim položajem magnetskih tragova.

Na filmu se u okviru raspoloživog kapaciteta koriste analogni i digitalni višekanalni optički zapisi u nekoliko standarda, sve do formata reprodukcije 5.1. Pozicija mogućih tragova na filmskoj traci prikazana je na slici 8.9. Međutim, specifičnost standarda višekanalnih filmskih zapisa je u neophodnoj kompatibilnosti koja treba da omogući reprodukciju zvuka i u bioskopima koji nisu tehnološki opremljeni za potpuni format 5.1. Zato svi standardi filmskog zapisa moraju imati kompatibilnost ″na dole″, što znači da će u svakom bioskopu biti reprodukovano u formatu, odnosno sa brojem kanala, koji u njemu postoji instalisan. Osnovni zapis na filmu čine dva analogna traga, jedan do drugog, koji se nalaze duž jedne od ivica trake. Svaka bioskopska oprema, i ona najjednostavnija, može da reprodukuje ovu vrstu zapisa, makara kao jedan ukupni mono signal. U osnovi, to je zapis dva signala, levi i desni kanal. Neki sistemi kodovanja, koji su pobrojani u šetoj


14 temi, omogućavaju da se odgovarajućim matričnim postupcima u ta dva zapisana signala, odnosno traga, ubeleže još jedan centralni kanal i jedan suround kanal. U sledećoj nivou složenosti formata na filmskoj traci se pojavljuje digitalni zapis koji se upisuje u delovima između perforacije, kao što se vidi na levom delu slike 8.9. U formatu kada audio zapis filma na pratećem CD, po ivicama trake se optički upisuje vremenski kod za sinhronizaciju kretanja filmskog projektora i CD reproduktora. Ovaj trag je prikazan u sredini slike 8.9. Najzad, postoji i hibridni standard kod koga se dva traga digitalnog zapisa nalaze uz perforaciju, po jedan sa obe strane trake, kao što je prikazano na levoj strani slike 8.9.

Slika 8.9 – Izgled tragova audio zapisa na filmskoj traci: dva analogna traga uz ivicu trake, digitalni zapis između perforacije (desno),

8.3

Principi magnetskog zapisa audio signala

Zapisivanje na magnetskom mediju zasniva se na osobini feromagnetskih materijala da se spoljašnjim poljem može izazvati stanje njihove lokalne namagnetisanosti i da se to stanje trajno zadrži u njima. Pojam ″trajno″ ovde znači sve dok neko novo spoljašnje magnetsko polje ne unese promene u to magnetsko stanje. Iz toga proizilazi velika osetljivost magnetskog zapisa na uticaj jakih spoljašnjih magnetskih polja. Zbog toga se mediji sa magnetskim zapisom moraju pažljivo čuvati od svakog magnetskog polja (videti tekst u okviru). U preproukama za arhivsko čuvanje analognih magetofonskih traka analizirana je čak i mogućnost da dugogidišnje jednosmerno magnetsko dejstvo zemljinog magnetizma, dok magnetofonska traka stoji negde u arhivi, može delovati degradirajuće na najslabije delove upisanog signala.

Materijali za magnetske medije Magnetski medij koji služi za beleženje signala sastoji se od tankog sloja magnetskog materijala postavljenog na neku adekvatnu nemagnetsku podlogu koja služi kao nosač. Taj magnetski sloj je u procesu snimanja aktivna masa koja menja svoja magnetska stanja. Podloge ima funkciju davanja željenog oblika medija, a osnovni preduslov koji ona mora zadovoljavati je mehanička stabilnost forme medija u celini. Svaka eventualna fizička deformacija medija znači izobličenje upisane tačlasne dužine, u smislu kako je to pokazano na slici 8.2.


15 Jedna od važnih prednosti magentskog zapisa u odnosu na ostale je u činjenici da magnetski medij može imati vrlo raznolike fizičke oblike. To može biti plastični film, i on se pojavljuje u obliku traka i disketa, ili se javlja kao premaz na delovima nekih predmeta (na primer: magnetski sloj na kreditnim karticama) i u sličnim fizičkim oblicima. Drugi oblik podloge je metalna ili keramička ploča, i ta vrsta se javlja u hard diskovima. Klasični oblik medija ima magnetski sloj sa posebnom unutrašnjom sturukturom. U nekom pogodnom vezivnom materijalu nalazi se veliki broj veoma malih igličastih čestica feromagnetskog materijala. Pojedinačne dimenzije tih elementarnih magneta su reda veličine mikrona. Proces magnećenja medija podrazumeva preslikavanje vrednosti signala u lokalnu remanentnu indukciju tih elementarnih magneta. Zapisivanje signala na magnetski medij Na slici 8.10 šematski je prikazan princip magnetskog zapisivanja signala. Osnovu postupka čini poseban sklop koji se naziva magnetska glava. To je jedan magnetski torus od mekog gvožđa ili drugih magnetskih materijala visoke permeabilnosti. Na torusu se nalazi namotaj provodnika. Kada kroz taj namotaj protiče struja signala, u materijalu torusa se formira magnetsko kolo. Na jednom mestu u torusu postoji mehanički procep, kao prekid u njegovom magnetskom materijalu. U praktičnim realizacijama procepa zbog ukupne mehaničke čvrstoće konstrukcije to nije vazduh, već je on ispunjen nekim nemagnetskim materijalom kao što je, na primer, staklo. U starijoj literaturi procep se naziva ″međugvožđe″. brzina kretanja

procep

magnetski medij Slika 8.10 – Šematski princip magnetskog zapisivanja signala.

magnetski torus namotaj

i Procep predstavlja veliku otpornost u magnetskom kolu formiranom unutar torusa. Zbog toga, kada se na mesto procepa spolja prisloni neki magnetski materijal, linije polja će skrenuti i ići kroz prislonjeni materijal, kao što je označeno na slici 8.10. U procesu magnetskog snimanja signala prislonjeni materijal je magnetski medij na kome se vrši upisivanje signala. Tako prislonjeni deo magnetskog medija na tom svom mestu u trenutku kontakta postaje deo magnetskog kola. Nakon udaljavanja od mesta procepa, u mediju ostaje lokalno stanje namagnetisanosti koje odgovara stanju signala u trenutku kada je on bio u kontaktu sa procepom. Kriva histerezisa feromagnetskog materijala na mediju, prikazana na slici 8.11, definiše remanentnu indukciju Br koja na njemu ostaje nakon pricesa snimanja. Pri


16 zapisivanju analognog signala prenosna karakteristika koja definiše odnos Br kao odziva i struje i kroz namotaj kao pobude

Br = f(i) nije linearna zbog prirode histerezisa. U analognim snimačima linearizacija ove prenosne karakterustike vrši primenom takozvana visokofrekventne predmagnetizacije. To znači da se na namotaj glave za snimanje pored audio signala istovremeno dovodi još jedna struja relativno visoke frekvencije. Njeno prisustvo deluje na način koji je sličan ranije opisanom diteru u A/D konvertoru, a efekat je linearizacija prenosne karakteristike. Frekvencija ove komponente uobičajeno je reda veličine 70-100 kHz. B Br

H

Slika 8.11 – Kriva histerezisa medija sa označenom remanentnom indukcijom koja ostaje nakon beleženja signala.

Stanje u magnetskom kolu zavisi od kvaliteta kontakta medija sa materijalom torusa, odnosno sa procepom. Svaka najmanja promena fizičkih odnosa menja stanje u kolu, što je izvor specifične nelinearnosti. Da bi se obezbedila linearnost u magnetskom kolu se ume’e još jedan procep. Ovo je prikazano na slici 8.12. brzina kretanja

i

glavni procep pomocni procep

Slika 8.12 –Principijelni izgled glave sa zadnjim procepom za linearizaciju.


17 U slučaju zapisivanja digitalnog signala princip je nešto drugačiji. Kroz namotaj glave stalno teče struja konstantne jačine. Zapisivanje se ostvaruje tako što ona menja samo polaritet u funkciji promene bitskog stanja, kao što je principijelno prikazano na slici 8.13. Prema tome, na zapisanom tragu ostaju promene polariteta magnećenja na mestima promene bitskog stanja. Kanalsko kodovanje koje se uvodi pre zapisivanja na magnetski medij kao jedan od zadataka ima i kontrolu broja prelaza bitskog stanja u jedinici vremena. Dodavanjem izvesnog broja bita osnovnom signalu u okviru kanalskog koda može se postići da i pored povećanja ukupnog broja bita broj prelaza između stanja bude manji nego u originalnom signalu, a time i gustina upisanih prelaza na mediju.

Slika 8.13 – Prikaz praktične realizacije magnetske glave za analogno snimanje i njen odnos prema površini medija. .

*********

1 1 1 1 1 0 0 01 1 0 0 0 1 1 1 1 i

Slika 8.14 – Princip zapisivanja digitalnog signala na magnetski medij: gore – povorka bita, u sredini – struja kroz namotaj glave za snimanje, dole – stanje magnećenja na zapisanom tragu

0

SS

N N SS

NN

********


18

B

H

********

8.4

Osnovni prinicipi zapisa formata CD

Slika 8.13 – Kriva histerezisa medija sa označenim kretanjem prilikom brisanja medija.


19


20

refleksioni sloj diska

OPTICKI SENZOR

POLUPROPUSNO OGLEDALO

LASER


21

Slika 8. -


8.3

22

Audio procesori

Utvrđivanje podele, odnosno sistematizacije po vrstama audio procesora nije jednostavan zadatak zbog toga što se za umetničke namene stalno na tržištu pojavljuju novi uređaji koji pomeraju granice mogućnosti u zvučnom izrazu. Zbog toga postoji veliki broj različitih procesora koji se danas koriste. Oni se uslovno mogu podeliti na dve velike grupe: na ″klasične″ procesore koji postoje svojoj analognoj realizaciji i odavno se koriste u audio sistemima, i ostali procesori koji su nastali zahvaljujući mogućnostima digitalne obrade signala, a imaju za cilj stvaranje novih estetskih dimenzija u zvučnoj slici, specifične zahteve prostornih dimenzija zvučne slike i slično. U kategoriju klasičnih procesora se mogu prepoznati četiri vrste uređaja: - amplitudski procesori, - vremenski procesori i - spektralni procesori. Amplitudski procesori Amplitudski procesori su uređaji koji imaju mogućnost podešavanja prenosne karakteristike u prostoru (nivo ulaznog signala - nivo izlaznog signala). Činjenica da se podešavanje vrši u domenu nivoa signala znači da se kontroliše preslikavanje efektivne vrednosti sa ulaza na izlaz uređaja, sa svim poseldicama koje ta činjenica donosi. Po načinima kako se može menjati ova karakteristika razlikuju se tri osnovne vrste procesora danas korišćenih u audio sistemima. To su: - kompresori, - limiteri i - ekspanderi. Svi ovi uređaji služe za korekcije prenosne karakteristike nivoa signala, a međusobno se razlikuju po opsegu moguće promene osnovne forme te karakteristike. Često isti procesor može da obavlja sve navedene funkcije (kompresiju, ekspandovanje i limitiranje signala). U vreme kada su se u studijskom radu dominantno koristili nalogni snimači obavezan sastavni deo sklopa uređaja za snimanje bio je neki od potiskivača šuma. Ova funkcija je ugrađena i danas u sve kasetofone koju obavlja jedan dodatni sklop u njima, a ne kao poseban uređaj. Principi rada amplitudskih procesora mogu se objasniti na dijagramu u dvodimenzionalnom prostoru (nivo ulaznog signala - nivo izlaznog signala), kao što je prikazanao na slici 8.22. Osnovna funkcija koju ovi procesori mogu da ostvare je promena nagiba prenosne karakteristike za nivo signala. Upravo ta promena predstavlja menjanje amplitudskih svojstava signala. Na slici 8.22.a pokazana je karakteristika ekspandera. Vidi se da za signale koji premašuju nivo unapred zadat pragom ekspanzije dolazi do ″razvlačenja″ dinamike u izlaznom signalu. Ako se, na primer, opseg promene ulaznog signala od 5 dB preslikava u opseg izlaznog signala 10 dB, onda se kaže da je odnos ekspanzije 2:1. Očigledno je da ekspander vrši povećanje dinamike audio signala i kao takav ima specifične namene u sistemima. Na slici 8.22.b prikazana je karakteristika kompresora. Iznad postavljenog praga kompresije procesor vrši smanjenje dinamike signala. Za razliku od ekspandera, u ovom


23 slučaju se veći dinamički opseg na ulazu svodi na manji opseg na izlazu. Ako je, na primer, pri promeni ulaznog signala 10 dB promena nivoa izlaznog signala 5 dB, onda je opseg kompresije je 1:2.

prag kompresora

prag ekspandera

nivo ulaznog signala

a)


b)

prag limitera prag gejta



c)

d)

Slika 8.22 - Karakteristika amplitudskih procesora: a - ekspander, b - kompresor, c - limiter, d - noise gate.

U domenu prenosne karakteristike realizuje se i funkcija limitera. Ako se od nekog zadatog praga ostvari zaravnjenje karakteristike, kao na slici 8.22.c, jasno je da se time u potpunosti ograničava svaka porast izlaznog signala preko postavljene granice. Slučaj kada se zaustavljanje izlaznog signala realizuje potpunim zaravnjenjem karakteristike, kao na slici, naziva se ″tvrdi″ limiter. Jasno je da limitovanje signala predstavlja svojevrsno izobličenje, ali postoje mesta u audio sistemima gde su takvi uređaji neohodni. Najšire primenjivana pozicija limitera je na ulazu u predajnike da bi se zaštitili njegovi izlazni aktivni elementi. Interesantno je da i A/D konvertor po svom načinu rada


24 predstavlja upravo takav, tvrdi limiter. Prelaz limitera iz linearnog dela u ograničenje moguće je izvesti i postepeno, čime se u izvesnoj meri smanjuje izobličenja signala. Na kraju, na slici 8.22.d prikazana je karakteristika uređaja ″nose gate″. Vidi se da ovaj uređaj uključuje i isključuje prolaz signala u zavisnosti od njegove efektivne vrednosti. O upotrebi ″nose gate″ šire objašnjenje je dato u poglavlju 5.5. Ovde je važno napomenuti da se pokazane funkcije ovih procesora definišu u prostoru nivoa signala, odnosno efektivne vrednosti na ulazu i izlazu, a ne u domenu trenutnih vrednosti signala. U tom smislu, ova vrsta procesora ima konačno vreme reagovanja na promene u nivou signalu. Postoji definisano vreme aktiviranja (atack time) i vreme otpuštanja (release time), i ova dva parametra se mogu nezavisno podešavati. Konačnost vremena aktiviranja kompresora i ekspandera podrazumeva da su mogući kratkotrajni pojedinačni impulsi u ulaznom signalu koji premašuju namešteni prag, ali koji neće promeniti stanje prenosne karakteristike. Istovremeno, smanjenje ulaznog signala ispod praga prebacivanja, ako je kraće od zadatog vremena otpuštanja, neće promeniti stanje karakteristike. Uobičajeno je da amplitudski procesori imaju mogućnost slobodnog formiranja prenosne karakteristike i kombinovanje tri osnovne funkcije sa slike 8.22. Takvi procesori se nazivaju kompanderi. Na slici 8.23 prikazana je jedna moguća karakteristika kompandera iz koje se vidi njegov princip kombinovanog rada. Sliku treba shvatiti kao šematski prikaz mogućnosti ovakvog procesora. Promene se mogu uvoditi u položaju pragova kompresije, ekspanzije i limitovanja, kao i odnosa kompresije i ekspanzije.

Slika 8.23- Šematski prikaz karakteristike kombinovanog amplitudskog uređaja (kompandera)

nivo ulaznog signala Danas postoje softverski moduli koji obavljaju kompandersko procesiranje audio signala. Za razliku od analognih uređaja iste namene, oni omogućavaju veoma slobodne forme zadavanja prenosne karakteristike. Na slici 8.24 prikazan je prozor iz jednog takvog programa u kome se podešavaju parametri rada kompandera. Na dijagramu se promenama prelomnih tačaka (pomoću miša) može crtati proizvoljan oblik prenosne karakteristike ulazni nivo - izlazni nivo. Namene kompandera u audio sistemima mogu biti različite. Ovi procesori omogućavaju da se signal velikog dinamičkog raspona upakuje u manji opseg nivoa audio signala tako što bi se istovremeno najslabiji signali srazmerno pojačali. Zbog toga se primenjuju za razne umetničke intervencije. U inženjerskim aplikacijama koriste se, na


25 primer, za smanjenje dinamičkog opsega govora da bi bio razumljiviji u ambijentu u kome postoji visok nivo ambijentalne buke, za smanjenje dinamičkog originalnog opsega simfonijske muzike u raspon koji je prihvatljiv za radiodifuzni prenos ili za krajnjeg korisnika kome ambijentalna buka ne dozvoljava da čuje najtiše delove muzike, itd. Zahvaljujući napretku tehnologije danas se i u ulaznim modulima nekih velikih mikseta mogu naći ugrađeni kompanderi, ili bar limiteri.

Slika 8.24 - Primer jednog prozora iz softverskog paketa koji omogućava funkciju kompandera. Vide se osnovni parametri rada.

Vremenski procesori Vremenski procesori su uređaji koji obrađuju signal u vremenskom domenu. Najznačajniji među njima su: - uređaji za veštačku reverberaciju (reverberatori) i - linije za kašnjenje. Uređaji za veštačku reverberaciju su verovatno najznačajniji audio procesori uopšte, jer je njihova primena najraširenija i praktično je obavezna u svim muzičkim aplikacijama audio sistema. Njihov zadatak je da simuliraju impulsni odziv različitih prostorija i da ga dodaju u audio signal kao da je zvuk koga taj signal predstavlja prošao kroz simuliranu prostoriju. Neophodnost primene uređaja za veštačku reverberaciju je prevashodno u domenu estetike zvučne slike. Pri neposrednom slušanju zvučnog izvora u nekom prirodnom ambijentu signal prolazi kroz ulazno akustičko okruženje koje ima neki svoj specifični impulsni odziv. Taj odziv svojom strukturom omogućava čulu sluha da auditivno registruje prostor, odnosno neke njegove osnovne osobine. Kada se mikrofon pri snimanju postavi neposredno ispred zvučnog izvora da bi se dobio maksimalno mogući odnos direktnog i reflektovanog zvuka, sve komponente impulsnog odziva u signalu su značajno potisnute, pa su u takvom signalu i sve informacije o prostoru takođe


26 potisnute. Istovremeno, pri studijskom snimanju zvuka prostorija studija nije ambijent koji se želi preneti slušaocu. Za krajnjeg korisnika zvučnih informacija potrebno je da zvučna slika donosi utisak o zamišljenoj prostoriji u kojoj bi takav zvučni izvor trebao da se nalazi. Za klasičnu muziku to je uvek ambijent neke koncertne sale, a za ostale vrste muzike zvučna slika prostora je pitanje kreativnog stava osobe koja pravi snimak. U takvim okolnostima impulsni odziv kakav bi trebao da se pojavi u signalu mora se veštački napraviti. To se naziva veštačka reverberacija i realizuje se uređajima, odnosno procesorima za veštačku reverberaciju, kraće nazivanim reverberatori. Danas na tržištu postoji čitav niz procesora koje imaju takvu funkciju. Razlike među njima su u složenosti i sposobnost da manje ili više verno simuliraju impulsni odziv prostorija, uz mogućnost menjanja strukture odziva u svim njegovim detaljima (prve reflksije, početni vremenski džep, vreme reverberacije). Pravljenje impulsnog odziva prostorije vrlo je zahtevno, s obzirom da je zvučno polje u prostoriji trodimenzionalno i da postoje razni uticaji talasnih pojava. Osnovni problem simulacije takvog odziva i njegove integracije u audio signal je u činjenici da se to mora odvijati u realnom vremenu. Postoje različiti algoritmi kojim se postiže veštačka reverberacije, ali se uglavnom svode na specifične kombinacije digitalnih filtara kojim se postiže različito kašnjenje komponenti u odzivu. Što je procesor reverberacije složeniji, njegova simulacija impulsnog odziva prostorije je bliža realnom. U primeni je široka skala uređaja i softverskih paketa za veštačku reverberacije, od najjednostavnijih do najsloženijih. Danas se na tržištu mogu naći i procesori koji se nazivaju konvolutori, koji u realnom vremenu vrše konvoluciju ulaznog audio signala i impulsnog odziva realne prostorije koji je ranije snimljen i memorisan. Kroz istoriju razvoja audio uređaja, ali i danas, koristi se niz uređaja za veštačku reverberaciju koji ne rade na principima digitalne obrade signala. Do skora su najkvalitetniji reverberatori bile ″reverberacione ploče″, još ranije se formiranje komponenti refleksija u signalu realizovalo reverberatorima sa magnetofonskom trakom, a u najjednostavnijim uređajima, poput pojačavača za električne gitare, veštačka reverberacija se formirala posebnim sklopom sa oprugama. Jedan od najkvalitetnijih reverberatora u domenu analogne tehnologije je bila reverberaciona ploča. U njoj se ulazni signal vodi na poseban mehanički pobuđivač koji pobuđuje na vibracije specijalno obrađenu tanku ploču, bolje rečeno foliju, koja u vertikanom položaju visi elastično ovešana u drvenoj kutiji. Proces reverberacije je proces oscilacija u toj posebno pripremljenoj ploči kao dvodimezionalnom mehaničkom sistemu. Odziv ploče se registruje senzorima i tako dobija izlazni signal reverberacije. Ploča je izrađivana od posebnog materijala da bi mogla dugo zadržati oscilovanje. U mnogim studijima i danas se koristi ovaj uređaj.

Linije za kašnjenje se najšire koriste u sistemima za ozvučavanje, i u svom osnovnom obliku se ređe sreću u studijskoj primeni. U sistemima za ozvučavanje su veoma važne za usaglašavane vidne i slušne ose, odnosno za poklapanje pravca u kome se vidi zvučni izvor i iz koga se čuje njegov zvuk. Taj problem je ilustrovan na slici 8.25. Postoje okolnosti u kojima je zvučnik sistema za ozvučavanje znatno bliži slušaocu od prirodnog izvora zvuka koji se ozvučava (rzv je manje od rdir). Jasno je da u takvoj situaciji slušalac jasno prepoznaje da zvuk dolazi iz zvučnika, a ne iz prirodnog izvora koga gleda, pa se osa pod kojom vidi izvor zvuka i osa iz koje dolazi zvuk ne poklapaju. U dizajnu sistema za ozvučavanje to se smatra nedostatkom.


27

∆t rzv rdir Slika 8.25 - Ilustracija uz objašnjenje primene linije za kašnjenje za usaglašavanje vidne i slušne ose pri ozvučavanju.

Da bi se takva pojava eliminisala, potrebno je da se signal koji se vodi na zvučnik prethodno zakasni u meri koja je potrebna da zvučni talas iz zvučnika stigne do uva slušaoca nakon stizanja direktnog zvuka iz izvora. Na slici 8.25 označeno je umetanje linije za kašnjenje u tok signala prema zvučniku. Čak i kada je direktan zvuk iz izvora zbog većeg rastojanja znatno nižeg nivoa, uvo se vezuje za njega jer dolazi prvi i slušalac stiče utisak da čuje zvuk iz izvora, a ne iz bližeg zvučnika. Ta pojava se naziva ″zakon prvog talasnog fronta″ jer se uvo vezuje za pravac komponente koja stigne prva. Postoje i druge vrste procesora čiji se rad suštinski zasniva na procesima u vremenskom domenu i uglavnom su namenjeni raznim umetničkim doradama signala. U toj kategoriji se nalaze sprave označene u muzičarskim krugovima kao ″korus″, ″flendžer″, ″harmonizer″, ″vah-vah″, itd. Uglavnom se zasnivaju na principima u kojima se na neki način uvodi kašnjenje signala, pa se zatim zakasneli signal sabira sa direktnim signalom, uz razne dorade. Primena ovakvih procesora isključivo je vezana za umetničku namenu. Spektralni procesori U kategoriju spektralnih procesora spadaju razni specijalizovani filtri. Oni imaju zadatak da koriguju frekvencijsku karakteristiku sistema u celini ili pojedinih njegovih delova. Uobičajeno se nazivaju ″ekvalizeri″ (prema JUS njihov naziv je ″amplitidski korektori″). Vremenom se u audiotehnici izdiferenciralo nekoliko standardnih vrsta ekvalizera. Jednu veliku klasu spektralnih procesora čine grafički ekvalizeri. Oni služe za fino podešavanje oblika frekvencijske karakteristike. Sastoje se od serije filtara propusnika/nepropusnika opsega kojima je ceo audio frekvencijski opseg podeljen na određene podopsege. Uobičajeno su to filtri čija je širina oktava ili 1/3 oktave, sa centralnim frekvencijama prema nizu standardnih frekvencija. Njhove karakteristike su podešene tako da se susedni filtri nadovezuju na frekvencijskoj osi (presek karakteristika je na -3 dB). Regulišući njihovo pojačanje isti filtri u grafičkom ekvalizeru mogu biti propusnici opsega, što znači da unose neko dodatno pojačanje signala u svom propusnom opsegu, ili nepropusnoci opsega, što znači da unose slabljenje u istom opsegu. Principijelni izgled karakteristika grafičkog ekvalizera sa oktavnim filtrima prikazan je na slici 8.27. Označeni su krajnje mogućnosti promene pojačanja filtara. Zbog takve unutrašnje strukture svi grafički ekvalizeri se i u hardverskom smislu uobičajeno izvode na isti način: sa prednjom pločom na kojoj su regulatori pojačanja po opsezima poređani jedan do drugoga sa porastom frekvencije s leva na desno. Na slici 8.28 prikazana je prednja ploča jednog grafičkog ekvalizera. Naziv ″grafički″ potiče od


28 činjenice da se frekvencijska karakteristika ″crta″ pozicijom klizača potenciometara. Njihova hardverska realizacija je, po pravilu, takva da se skupom linijskih potenciometara kojima se vrši podešavanje formira grafička predstava karakteristike. U svakom filtarskom opsegu može se vršiti podizanje ili spuštanje pojačanja i tako se grafički formira tok frekvencijske karakteristike procesora. B +12 +6 0 +6 +12

f fg

ulaz

fg

fg

NF

filtar opsega

filtar opsega

G, fg

G,B,fg

G,B,fg

VF

izlaz

G, fg

Slika 8.26 – Princip rada tipičnih filtara koji se koriste u audio sistemima.

Slika 8.27 - Oblik karakteristika filtara jednog oktavnog grafičkog ekvalizera sa označenim opsezima maksimalnih promena pojačanja.

Grafički ekvalizeri se koriste na mestima u audio sistemima gde je potrebno kompenzovati određene nedostatke frekvencijske karakteristike. U tom pogledu je najzahtevnije izlazno akustičko okruženje zajedno sa zvučnikom, gde se javljaju najveći poremećaji u frekvencijskoj linearnosti. Uticaj rezonantnih frekvencija prostorije, frekvencijska zavisnost disipacije u vazduhu i frekvencijska nelinearnost vrednosti koeficijenata apsorpcije materijala na zidovima čine da odziv u prostorijama, po pravilu, ima manje ili veće frekvencijske nelinearnosti. Zbog toga su u sistemima za ozvučavanje


29 grafički ekvalizeri neizostavan uređaj. Naravno da se grafički ekvalizeri mogu koristiti i sa kreativnim ciljevima pri formiranju zvučne slike.

Slika 8.28 - Izgled prednje ploče jednog 1/3 oktavnog grafičnog ekvalizera sa frekvencijskom karakteristikom njegovih filtara. Ucrtane su karakteristike pri maksimalnim pojačanjima i slabljenjima.

Druga standardna vrsta frekvencijskih procesora naziva se parametarski ekvalizer. To podrazumeva uređaj u kome se nalazi izvestan broj mešusobno razdvojenih filtara kod kojih se svi relevantni parametri mogu spolja nezavisno menjati (centralna frekvencija, širina propusnog opsega, pojačanje). Namena ovako koncipiranog uređaja je veoma široka, jer se svi filtri u njemu mogu potpuno nezavisno prilagođavati različitim namenama. Parametarski ekvalizer se u praksi koristi za korekciju izolovanih pojava u frekvencijskoj karakteristici, bez obzira na uzroke. Parametarski ekvalizer ima i kreativnu primenu u studijima, ali se koristi i u sistemima za ozvučavanje za frekvencijski selektivnu korekciju pojačanja sistema radi eliminacije oscilovanja (″mikrofonija″). Osim grafičkih i parametarskih ekvalizera, kod kojih se mogu u manjoj ili većoj meri menjati karakteristike, u audio sistemima se povremeno koriste i posebne vrste fiksnih filtara. Tako se, na primer, koristi ekvalizer telefonske linije u okolnostima kada se audio signal mora prenositi fizičkim telefonskim linijama. To je filtar koji je podešen prema karakteristikama linija na koje se priključuje. Tom prilikom moguće je, po potrebi, uvesti i izvesno relativno izdizanje viših frekvencija zbog, na primer, povećanja razumljivosti govora. Moguće su i druge varijante fiksnih ekvalizera, u zavisnosti od konkretne primene. Procesori posebnih namena


30 Pored tri osnovne vrste procesora postoje i uređaji posebnih namena koji bi se mogli podeliti na sledeće kategorije: - potiskivači šuma u analognim uređajima, - procesori izlaznog audio signala za radio i TV stanice, - kombinovani procesori za specifine namene (za električne gitare i slično)

Potiskivači šuma su sklopovi koji služe za potiskivanje šuma magnetskog medija pri zapisivanju signala na magnetofonima. Jednostavne verzije takvog procesora nalaze se danas u svakom kasetofonu. Razlika između potiskivača šuma i ostalih procesora je u tome što su ovi uvek vezani za neki medij: za prenos ili za beleženje signala. Za razliku od osnovnih vrsta procesora, gde signal u njima doživi neku trajnu transformaciju, potiskivači šuma imaju zadatak da očuvaju signal i kompenzuju moguće deformacije u kritičnim tačkama. Ovi procesori se uvek sastoje iz dva dela: deo koji se nalazi na ulazu u medij (na primer: pre snimanja na magnetofonsku traku) i deo koji se nalazi na izlazu (u delu za reprodukciju). Ta dva dela nisu procesori koji mogu nezavisno da rade već čine komplementarni par. Sa ulaskom digitalnih snimača u upotrebu polje primene potiskivača šuma se sužava i polako gube svoj smisao. Izlazni procesori za radio i TV stanice imaju zadatak da amplitudskim i frekvencijskim promenama u signalu koji se emituje signal na mestu slušanja, što znači kada se reprodukuje radioprijemnikom u nečijoj sobi, učine atraktivnijim, subjektivno glasnijim i razumljivijim. U ovoj klasi procesora postoji veliko šarenilo koncepcija i složenosti. Uobičajene su opcije u radu koje postupak obrade prilagođavaju sadržaju programa (govorni program, muzika, reklame). Najzad, posebnu kategoriju čine raznoliki procesori čiji je zadatak da promenama u signalu povećaju umetničke izražajne mogućnosti električnih muzičkih instrumenata. Zbog toga se, pored nekih već klasičnih oblika procesora (među muzičarima su poznati pod nazivima ″vah-vah″, ″flendžer″, ″korus″, ″distorzija″, itd), stalno pojavljuju nove vrste koje donose nove mogućnosti u promenama kvaliteta zvuka. Dovoljno je reći da savremena muzika gotovo da ne poznaje upotrebu električnih gitara bez bar jednog ovakvog procesora (videti tekst u okviru).

7.9

Fizička realizacija audio uređaja

Svi audio uređaji osim miksete, a to znači procesori i većina snimača/reproduktora, fizički se smeštaju u posebne ormare u okviru kojih se rešava njihovo mehaničko pričvršćivanje, povezivanje na mrežno napajanje i dovođenje, odnosno odvođenje signala. Vremenom je utvrđen standard za dimenzije audio uređaja koji utvrđuje širinu njihove kutije na 19 inča (skrađena oznaka je 19"). To znači da se svi audio uređaji mogu međusobno razlikovati samo po visini, a širina im je uvek ista, određena ovim standardom. Na slici 8.29 prikazan je tipičan izgled kutije jednog uređaja (prikazan je jedan audio procesor). Radi dalje standardizacije i pojednostavljenja montaže audio sistema utvrđen je i standard za moguće visine kutije uređaja. Tako je definisana jednica visine kutije koja se uobičajeno označava skraćenicom HE ili U. Zbog toga se može se reći da je moguća visina audio uređaja kvantovana, pa njihove kutije mogu biti visoke 1HE, 2HE, 3HE. Retki su uređaji, uglavnom u oblasti video tehnologije, koji zahtevaju kutiju visine 4HE ili više. Radi ilustracije, uređaj sa slike 8.29 ima kutiju visine 2HE.


31

Postoji posebna vrsta procesora namenjena za upotrebu uz električne gitare. Njihova fizička realizacija je obično prilagođena toj činjenici, pa se pojavljuju u formi pedala ili kutija sa nožnim prekidačima da bi se sve kontrole vršile nogom. Na slici je prikazan jedan komplet procesora (pedala) koje na koncertu koristi gitarista grupe ″Public enemy″. Procesori stoje na podu ispred gitariste.

Slika 8.29 - Standardni izgled uređaja širine 19 inča. Ovakav pristup sa standardizovanom širinom i kvantovanom visinom kutija uređaja značajno olakšavaju planiranje i projektovanje tehnoloških sistema u studijima. Zahvaljujući tome unapred je moguće planirati prostor u ormarima za smeštaj opreme. Vremenom je razvijen i različiti mehanički pribor kojim se olakšava montaža uređaja u ormanima za smeštaj opreme, a i sami ormari širine 19″ predstavljaju danas standardni proizvod.

AUDIO SISTEMI- Tema 10

1

10. POVEZIVANJE I NAPAJANJE AUDIO UREĐAJA 10.1 Uvod Svaki audio sistem se sastoji od izvesnog broja uređaja koji su međusobno povezani provodnicima. To znači da se na svakom spoju dva uređaja u audio sistemu pojavljuje kolo kakvo je prikazano na slici 10.1. Uređaj koji u tom spoju predstavlja izvor signala predstavljen je u tom kolu generatorom elektromotorne sile i izlaznom otpornošću, a uređaj koji ima funkciju prijemnika signala predstavljen je svojom ulaznom otpornošću.

e

Rg

Rp

vul

Slika 10.1 - Osnovna šema veze dva uređaja u audio sistemu.

Audio signal koji se prenosi dalje pojavljuje se kao napon na ulaznoj otpornosti. Razni uticaji koji postoje u realnosti čine da to jednostavno kolo treba posmatrati kao na slici 8.2, jer postoje nezanemarljivi faktori koji utiču na ulazni signal. Oni su rezultat delovanja dodatnih elekričnih parametara koji se ne vide na šemi sa slike 8.1 i spoljašnjih uticaja na stanje u kolu. Dva audio uređaja se međusobno spajaju kablom u kome se nalaze spojni provodnici nezanemarljivih električnih karakteristika. Takav par provodnika ima svoju otpornost, induktivnost i međusobnu kapacitivnost čije vrednosti zavise od fizičke konstrukcije kabla, materijala od kojih je napravljen i njegove ukupne dužine. Ta dužina zavisi od fizičkog rastojanja uređaja u prostoru i u najvećem broju slučajeva se kreće u rasponu od nekoliko desetina santimetara (veza uređaja koji stoje jedan pored drugoga) do reda stotina metara. Tako električni parametri kabla kojim su uređaji vezani postaju pasivni dodaci kola sa slike 8.1. Na elementarno kolo sa slike 8.1 deluju i razni spoljašnji uticaji, kao što je to naznačeno na slici 8.2. Na provodnike u kablu deluju spoljašnja električna i magnetska polja koja nastaju raznim uticajima u okruženju, a koja u svim provodnicima indukuju generatore elektromotorne sile smetnji. U praksi su ti uticaji najčešće posledica blizine elektroenergetskih kablova, pa se u provodnicima kojim su vezani audio uređaji pojavljuje signali iz mrežnog napona. Izvesni uticaji na kolo veze dva audio uređaja javljaju se i iz domena elektroenergetskog napajanja. Postoji preslikavanje mrežnog napona, odnosno njegovog talasnog oblika, na neke tačke u kolu sa slike 8.1, pre svega na vrednost potencijala mase, odnosno tačke 0 V. Putevi takvog preslikavanja su relativno specifični i zavise od načina povezivanja. Zbog toga se u kolu sa slike 8.1 pojavljuju i novi generatori


2

elektomotorne sile koji unose signal iz elektroenergetske mreže iz koje se uređaji napajaju.

uticaj spoljašnjeg elektricnog i magnetnog polja IZVOR SIGNALA

e

Rg

PRIJEMNIK SIGNALA uticaj elektricnih velicina u kablu

Rp

SPOJNI KABL uticaj napona napajanja na potencijal referentnih tacaka (0 V) i uticaj smetnji iz mreže Slika 8.2 - Šema realne veze dva uređaja u audio sistemu sa označenim spoljašnjim uticajima.

Uticaj kablova u audio sistemima, generalno posmatrano, nije zanemarljiva, ali postoje okolnosti kada uloga kablova skoro da postaje najznačajnija tema. Takav slučaj je u okolnostima kada rastojanja između pojedinih uređaja u sistemu iz nekih razloga mora biti relaivno velika. Problem velikih rastojanja se javlja u audio sistemima za ozvučavanje koncerata, u pozorišnim salama, i uopšte, u salama svih vrsta gde se primenjuje ozvučavanje. Na koncertima koji se održavaju u halama ili na otvorenom prostoru, između bine i mesta odakle se upravlja sistemom za ozvučavanje trasa kojom prolaze kablovi može biti i do dužine 100 m, pa i duža. Naime, u građevinskim objektima gde se nalaze sale, kablovske instalacije za mikrofone između bine i audio režije, koja je po pravilu u zadnjem delu sale, ne mogu ići najkraćim putem već prolaze složenim obilaznim trasama, kakve su u datim okolnostima na raspolaganju. Zbog toga ukupne dužine audio instalacija mogu biti znatno veće od neposrednog rastojanja bine i režije. Čak i u prostorijama normalnih dimenzija, kakvi su na primer studijski prostori, fizička rastojanja koja savladavaju provodnici mogu biti relativno velika jer oni ne mogu ići najkraćim putem, već moraju da poštuju zakone estetike i uobičajeno se vode po ivicama prostorije. U koncertnim aplikacijama audio sistema ili pri prenosima reportažnim kolima veza između mikrofona i miksete ostvaruje se preko takozvanih ″motalica″. To su višeparični kablovi namotani na poseban bubanj sa koga se pri povezivanju odmotava potrebna dužina. bog toga signal iz mikrofona uvek prolazi kroz čitavu dužinu namotanog kabla, bez obzira na stvarno rastojanje koje se njime savladava. Uobičajena dužina kablova na motalici je 80-100 m, pa se svi signali sa bine provode kroz toliku dužnu kablova. Ukratko, postoje brojne okolnosti u audiotehnici kada rastojanja između uređaja koji se povezuju, pre svega mikforona i ostatika sistema, nisu zanemarljiva, odnosno kada signal prolazi kroz relativno velike dužine kablova.

Smetnje u elektroenergetskoj mreži mogu se javljati na dva načina: kao posledica raznih spoljašnjih polja koja iz okoline deluju na sve provodnike, pa i na one u elektroenergetskim instalacijama, a mogu poticati i od raznih uređaja koji preko svog


3

priključka za napajanje vraćaju smetnje u energetsku mrežu. Bez obzira na njihovo poreklo, postoje putevi kojima kroz stepene za napajanje audio uređaja ove smetnje mogu uticati na režim rada pojačavačkih kola, i tako dospevati u audio signal. Prema tome, u praksi se osnovno kolo veze dva audio uređaja sa slike 8.1 proširuje sa: - parazitskim pasivnim elementima koje unose provodnici kabla, - parazitskim generatorima elektromotornih sila koji nastaju uticajima spoljašnjih polja na provodnike kabla i - parazitskim generatorima elektromotornih sila koja se javljaju kao posledica raznih uticaja iz stepena za napajanje uređaja, odnosno električne mreže. U tom smislu, ove tri grupe uticaja su označene na slici 8.2. Zbog toga povezivanje i napajanje audio uređaja predstavlja jedinstvenu inženjersku temu jer se njihovi uticaji na kvalitet signala u praksi prepliću kroz kolo veze svaka dva međusobno povezana uređaja.

8.2

Uticaj električnih parametara spojnih kablova

Spojni kablovi u audiotehnici u najopštijem slučaju nisu vodovi u telekomunikacionom smislu te reči, jer u njima nema manifestacije prostiranja talasa. Na najvišoj audio frekvenciji 20 kHz talasna dužina signala u žičanom provodniku je:

λ=

v 300.000.000 (m / s ) = = 15.000 m f 20.000 (1 / s )

(8.1)

Prema tome, uobičajene dužine provodnika kraće su za tri reda veličine, pa i više, od najkraće talasne dužine signala u njima. Otuda u audio kablovima važi uslov da je:

λ >> l

(8.2)

Zbog toga kablove kojima se spajaju audio uređaji ne treba modelovati kao vodove, već ih treba posmatrati kao obične provodnike sa njihovim koncentrisanim električnim parametrima. Prosta računica pokazuje da se na frekvenciji 20 kHz pri dužini kabla od oko 42 metra na njegovom kraju javlja fazna razlika usled kašnjenja koja je oko 1o. Na nižim frekvencijama je to srazmerno manje. Takvo male promene su za audio aplikacije zanemarljive.

Veza dva uređaja spojnim kablom može se predstaviti detaljnijom razradom šeme sa slike 8.1. Tako se dobija ekvivalentna šema prikazana na slici 8.3. Na šemi su označeni električni parametri kabla: otpornost provodnika Rk, induktivnost provodnika u kablu Lk i kapacitivnosti između provodnika Ck.


4

IZVOR SIGNALA

e

PRIJEMNIK SIGNALA

Rg

Rk

Ck

Lk

Rp

Slika 8.3 - Ekvivalentna šema veze dva uređaja sa označenim električnim parametrima kabla.

Realna vrednost parametara Rk je takva da je ona uvek mnogo manja od ulazne otpornosti prijemnika signala Rp. Zbog toga se ona u posmatranom kolu u opštem slučaju može zanemariti. Izuzetak je samo povezivanje pojačavača sa elektrodinamičkim zvučnikom, zbog toga što se u toj vezi teži da izlazna otpornost pojačavača bude ekstremno mala, reda delova Oma, a otpornost zvučnika je reda Oma. U takvim okolnostima otpornost kabla nije zanemarljiva i o njoj se mora voditi računa. Svi aspekti povezivanja pojačavača sa zvučnikom detaljnije su opisani u nastavku. Realna vrednost indktivnosti provodnika je takva da se na audio frekvencijama u najvećem broju okolnosti takođe može zanemariti. Samo u nekim okolnostima u oblasti najviših frekvencija, to jest u neposrednoj okolini gornje granice od 20 kHz, može se eventualno primetiti uticaj induktivnosti kabla. Prema tome, kolo veze dva audio uređaja može se svesti na šemu prikazanu na slici 8.4.

e

Rg

Ck

Rp

vul

Slika 8.4 - Šema spoja dva audio uređaja nakon svih zanemarivanja.

Svi električni parametri kabla, kao podaci, iskazuju se po jedinici dužine. U prospektima kablova za audio aplikacije mogu se naći vrednosti podužne otpornosti (Oma/m), podužne kapacitivnosti (pF/m) i podužne induktivnosti (µH/m). U realnim okolnostima podužna induktivnost je izuzetno mala, manje od 1 µH/m. Prema tome, parazitski kapacitet između provodnika spojnog kabla formira RC kolo. Ono ima poznatu frekvencijsku karakteristiku niskopropusnog filtra prvog reda. Granična frekvencija tog kola (-3 dB slabljenja) određena je vrednostima ukupne otpornosti u kolu i kapaciteta kabla, pa je definisana uslovom:

ωRC=1

(8.3)

odakle je:

fg =

1 2π RC

(8.4)

Jasno je da granična frekvencija RC kola koje unosi kapacitivnost kabla mora da bude viša od 20 kHz. Međutim, danas gotovo svi elektronski uređaji koji se koriste u audio sistemima imaju frekvencijsku karakteristiku koja na 20 kHz ima slabljenje reda


5

veličine 0,1 dB. U takvom okruženju i uticaj kabla bi trebao da se približi tom redu veličine, pa zahtev za gornjom graničnom frekvencijom RC kola kabla mora biti strožiji. Ulazna otpornost uređaja je uobičajeno reda 1 kOma. Ako se želi da granična frekvencija RC kola bude 20 kHz, onda je maksimalni dopušteni kapacitet kabla pri otpornosti u kolu 1000 Oma:

Cmax =

1 1 = ≈ 8 ⋅ 10 −9 F = 8.000 pF 4 3 2π f g R 2π 2 ⋅ 10 ⋅ 10

Da bi se razumelo kolika je ova granična kapacitivnost, potrebno je dobijenu vrednost uporediti sa realnim vrednostima podužne kapacitivnosti audio kablova. Realne vrednosti kod običnih kablova su reda 100 pF/m. To znači da kapacitivnost od 8.000 pF ima kabl dužine 80 m. Kada se takav kabl upotrebi za povezivanje dva audio uređaja javlja se slabljenje 3 dB na frekvenciji 20 kHz. Treba imati u vidu da se slabljenja akumuliraju, pa se umnožavanjem ovakvih veza u okviru jednog audio sistema može dobiti veliko slabljenje i sa više kraćih kablova, čime čitav problem dobija na značaju. Zbog toga se na tržištu mogu naći kablovi za upotrebu u audiotehnici čija je podužna kapacitivnost manja od navedenih 100 pF/m.

8.3

Povezivanje pojačavača i niskoimpedansnog zvučnika

Specifičan slučaj veze dva audio uređaja je povezivanje pojačavača snage i elektrodinamičkog zvučnika. Dva su osnovna uzroka ove specifičnosti: - mala vrednost impedanse zvučnika i - reaktivna komponenta impedanse zvučnika. Šema veze izlaza pojačavača sa zvučnikom prikazana je na slici 8.5. Vrednost nominalne impedanse danas korišćenih elektrodinamičkih zvučnika relativno je niska. Njena vrednost je standardno 4 Oma ili 8 Oma. Ranije su korišćeni i zvučnici sa većim nominalnim vrednostima impedanse, na primer 16 Oma, ali je danas to praktično napušteno. Specifičnost zvučnika kao potrošača zahteva prilagođavanje kola veze, pre svega svođenje izlazne otpornosti pojačavača na dovoljno malu vrednost. ZVUCNIK POJACAVAC

e

Rg

Zz

Slika 8.5 - Šema veze izlaza pojačavača sa niskoimpedansnim zvučnikom.


6

Elektrodinamički zvučnici imaju kompleksnu impedansu koja je posledica induktivnosti namotaja u magnetskom procepu, preslikane reaktivne komponente impedanse zračenja i kompleksnog uticaja kutije u koju je zvučnik ugrađen. U tom pogledu se ova veza razlikuje od međusobne veze ostalih audio uređaja, kod kojih su izlazne i ulazne impedanse, po pravilu, čisto termogene. Impedansa zvučnika samo na rezonantnoj frekvenciji ima termogeni karakter (videti komenar u okviru). Ova frekvencija se nalazi na samoj donjoj granici radnog opsega elektrodinamičkog zvučnika, pa se ta okolnost generalno može zanemariti. Uticaj pojačavača i damping faktor Jedan od tehničkih problema u principima povezivanja zvučnika jeste činjenica da je to po svojoj konstrukciji elektrodinamički motor, kao što je prikazano presekom na slici 8.6. Kada se delovanjem signala pobudi membrana zvučnika, ona započinje kretanje. Kada pobuda prestane, stanje kretanja membrane uslovljeno je inercijalnim i elastičnim silama u konstrukciji membrane i njenog vešanja. To znači da se u radu zvučnika javljaju stanja u kojima, po prestanku pobudnog signala, kretni sistem zvučnika nastavlja sa kretanjem. Osnovni cilj u težnji ka idealnom odzivu zvučnika je da se u svakoj takvoj prilici membrana najkraćim putem vrati u svoj ravnotežni položaj. Njeno samostalno kretanje predstavlja izobličenje u impulsnom odzivu zvučnika. Nominalne vrednosti impedanse elektrodinamičkih zvučnika koji se danas koriste su 4 i 8 Oma. Međutim, vrednost impedanse zvučnika je funkcija frekvencije. Na slici je prikazan jedan tipičan oblik impedanse. Dijagram je dobijen merenjem na jednom niskofrekvencijskom zvučniku. 50

impedansa (Oma)

40

30

20

10

0 20

8 Oma

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Impedansa zvučnika približno ima nominalnu vrednost u radnom opsegu frekvencija, iznad njegove rezonance, sve do granice kada postaje dominantna induktivnost kalema, zbog koje impedansa počinje monotono da raste.

Kada se membrana zvučnika kreće po inerciji, bez pobudnog signala, to podrazumeva kretanje njegovog namotaja u magnetskom polju. Tada se u provodniku istog namotaja generiše neka elektromotorna sila. Kao posledica njenog dejstva javlja se


7

struja u kolu veze zvučnika i pojačavača, koja deluje na stanje kretanja membrane. To je štetna parazitska pojava sa aspekta rada zvučnika, jer kvari njegov ukupni impulsni odziv.

Slika 8.6 - Skica zvučnika u preseku.

RgY0

Da bi se efekat ove parazitske elektromotorne sile minimizirao potrebno je na neki način postići da se krajevi zvučnika u takvim okolnostima kratko spajaju i tako vrši kočenje kretnog sistema. Za to je potrebno da izlazna otpornost pojačavača bude dovoljno mala, odnosno da teži nuli, kao što je označeno na slici 8.6. Dakle, na ukupno ponašanje zvučnika kao pretvarača utiče i pojačavač iz koga se napaja. Nemoguće je napraviti pojačavač kome je izlazna otpornost jednaka nuli, ali se može učiniti da njena vrednost bude veoma mala. Da bi se ovaj uticaj pojačavača kvantifikovao i u tom pogledu rangirali pojačavači, uvedena je veličina koja se naziva damping faktor (DF). Ona predstavlja pokazatelj stanja u kolu sa slike 8.6. Damping faktor je, po definiciji, odnos modula nominalne impedanse zvučnika i izlazne otpornosti pojačavača:

DF =

Zz Rg

(8.5)

S obzirom da su nominalne vrenosti impedanse zvučnika koji se danas koriste standardizovane na dve moguće fiksne vrednosti (4 i 8 Oma) i da se pojačavači dizajniraju za rad sa unapred definisanom impedasom potrošača, damping faktor je veličina koja predstavlja karakteristiku pojačavača. Njegova vrednost je dominantno određena konstrukcijom izlaznog stepena pojačavača. U literaturi se navodi da se smatra poželjnom vrednost DF veća od 100, a mnogi pojačavači imaju ovu vrednost u opsegu do 400. Postoje na tržištu i pojačavači kod kojih je ova vrednost čak do 1000 pri nominalnoj vrednosti impedanse zvučnika 8 Oma, ali se to uglavnom postiže posebnim intervencijama u povratnim spregama pojačavača. Vrednost DF je frekvencijski zavisna, i po pravilu se zbog raznih parazitskih uticaja smanjuje na najvišim frekvencijama. Uticaj električnih parametara kabla za vezu zvučnika U okolnostima kada je izlazna otpornost pojačavača ekstremno mala, i pri tome vrednost impedanse zvučnika kao njegovog opterećenja je svega nekoliko Oma, jasno je da električni parametri provodnika koji povezuju pojačavač sa zvučnikom, pre svega njihova otpornost, moraju uticati na stanje u kolu sa slike 8.5, a time i na proces kočenja


8

membrane. Uticaj provodnika za povezivanje zvučnika sa pojačavačem snage može se posmatrati sa tri aspekta. Promene u impulsnom odzivu zbog suviše male vrednosti damping faktora najbolje se mogu ilustrovati odgovarajućim promenama u frekvencijskom odzivu. Na donjoj slici je prikazan dijagram relativne promene frekvencijske karakteristike jednog zvučnika kada se veštački pokvari vrednost DF pomoću na red vezanog otpornika tako da vrednost DF postane samo 0.2. Ovo je svakako veoma drastičan sličaj degradacije DF, ali zato dobro ilustruje prirodu uticaja pojačavača na odziv zvučnika.

promena u frekvencijskoj karakteristici (dB)

5

0

-5 50

• •

•

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

Ako je parametar od interesa snaga koju iz pojačavača dobijaju zvučnici, onda se kablovi moraju posmatrati kao potrošači snage na kojima se javljaju izvesni gubici. Ako se teži što višem kvalitetu reprodukcije veza pojačavača i zvučnika se mora posmatrati kroz veličinu damping faktora. Tada pri određivanju realne vrednosti DF treba uzeti u obzir otpornost provodnika i sabrati ih sa izlaznom otpronošću pojačavača. Ako se problem posmatra sa aspekta najfinijih karakteristika zvučne slike na granici ljudske percepcije, onda se ulazi u jednu složenu oblast eventualnog uticaja reaktivnih komponenti koje u kolo veze unose kablovi. U ozbiljnijoj inženjerskoj literaturi se tvrdi da značaj toga još uvek nije naučno utemeljen (to ostaje tema o kojoj se mnogo diskutuje, pre svega u literaturi namenjenoj audiofilima).

U dizajniranju velikih sistema za ozvučavanje obavezno je sagledavanje otpornosti kablova kao dodatnih potrošača snage u kolu jer snaga koja se disipira na njima može biti nezanemarljiva. Njihova uloga se može videti na slici 8.7. Sa slike je očigledno da se snaga troši i na zagrevanje provodnika za vezu, samo je pitanje praga dopuštenih gubitaka. Snaga gubitaka na provodnicima, izražena u decibelima relativno u odnosu na ukupnu snagu, je:


9

Pk = 20 log

Rz Rk + Rz

(8.6)

U sistemima za ozvučavanje često se postavlja kao uslov da gubici na kablovima kojim se povezuju zvučnici, definisani gornjim izrazom, ne prelaze 1 dB. Odatle se može izračunati da za zvučnike nominalne impedanse 8 Oma otpornost kablova mora biti manja od 0,1 Om. Naravno da postoje okolnosti kada se mora prihvatiti i veći gubitak na kablovima od 1 dB da bi presek provodnika koji se koriste ostao u razumnim okvirima.

Rk /2 e

Rz

Slika 8.7 - Kolo zvučnika sa označenim potrošačima snage.

Rk /2 Dakle, činjenica je da se sa aspekta rada zvučnika otpornost kabla sabira sa izlaznom otpornošću pojačavača. Zbog toga kablovi imaju nezanemarljiv uticaj na vrednost DF. S obzirom na ekstremno male vrednosti izlaznih otpornosti pojačavača snage kakvi se koriste u audio sistemima, praktično svaki provodnik uticaće na smanjenje teorijske vrednosti damping faktora za korišćeni pojačavač utvrđene izrazom (8.5). Na primer, kada je deklarisana vrednost damping faktora 200, izlazna otpornost pojačavača koji napaja zvučnik impedanse 8 Oma je samo 0,04 Oma. Pri dužini od oko 10 m i provodnici veoma velikog preseka mogu imati otpornost reda veličine 0,1 Om. To znači da će u takvom slučaju realnu vrednost damping faktora određivati isključivo kabl, bez obzira na performanse pojačavača.

8.4

Povezivanje zvučničkih sistema visoke impedanse

Postoje okolnosti kada je potrebno na jedan pojačavač povezati veći broj zvučnika postavljenih na relativno velikim rastojanjima. To se javlja pri formiranju elektroakustičkih sistema za obaveštavanje po stanicama, u robnim kućama, aerodromskim zgradama i drugim sličnim objektima. Tada se za ozvučavanje koristi veći broj manjih zvučnika distribuiranih na odgovarajući način po prostoru. Korišćenje standardne veze niskoimpedansnih zvučnika imalo bi dva problema. Prvi problem je način na koji bi se kombinovala međusobna redna i paralelna veza zvučnika da bi se prema pojačavaču očuvala nominalna vrednost ukupne impedanse koja se vidi na priključcima. Pojačavači se dimenzionišu za rad sa potrošačem čija je otpornosti 4 ili 8 oma. U bilo kom slučaju vezivanja više komada zvučnika na isti pojačavač nominalna vrednost impedanse mora biti očuvana, pa se mora pribeći adekvatnoj kombinaciji redne i paralelne veze. Drugi problem u navedenim sistemima su neminovne dugačke žičane veze koje zahtevaju velike preseke provodnika, što utiče na poskupljenje sistema, na probleme fizičkog provlačenja kroz instalacione trase i na kojima bi se gubio značajan deo snage.


10

Rešenje ovoga problema nađeno je u drugačijem principu povezivanja, u kome se koriste zvučnici koji prema pojačavaču pokazuju visoku vrednost impedanse. Istovremeno, pojačavač snage se adaptira tako da na izlazu daje relativno visoke naponske nivoe izlaznog signala. Vremenom je u ovakvom sistemu povezivanja standardizovano da se pri nominalnoj (što znači maksimalnoj) snazi pojačavača na njegovom izlaz postiže izlazni napon 100 V. Zbog toga se vremenom u praksi za to ustalio naziv ″stovoltni sistem″ i ″stovoltni zvučnici″ (u Americi je usvojen standar sa naponom 70 V).

125 : 1 1000 Oma

Slika 8.8 - Objašnjenje povezivanja

10 W 8 Oma zvučnika preko transformatora impedanse

Način vezivanja zvučnika sa visokom impedansom prikazan je jednom ilustracijom na slici 8.8. Da bi, na primer, zvučnik čija je nominalna snaga 10 W pri naponu iz polačavača 100 V dobio tu snagu potrebno je da prema pojačavaču pokazuje otpornost 1000 Oma. Ako je njegova nominalna otpornost 8 Oma, potrebno je primeniti transformator za prilagođenje impedanse sa prenosnim odnosom 125:1, kao što je označeno na slici 8.8. Primenom takvog transformatora prema pojačavaču se ostvaruje prelazak sa niske impedanse zvučnika na impedansu koja odgovara nominalnoj snazi zvučnika. Da bi pojačavač na svom izlazu ostvario traženi napon njemu se na izlazu dodaje odgovarajući izlazni transformator. Prenosni odnos tog tramformatora treba da omogući da izlazni napon pri nominalnoj snazi bude 100 V. Tako se realizuje takozvano ″stovoltno″ povezivanje zvučnika na pojačavač čiji je princip prikazan šematski na slici 8.9. Visoka vrednost impedanse zvučnika, prilagođena njegovoj snazi koju treba da dobija iz pojačavača pri nominalnom naponu, uslovljava da se svi zvučnici međusobno vezuju u paralelu, bez obzira koliko ih ima. Jedini uslov je da zbir snaga svih povezanih zvučnika bude manji od maksimalne snage pojačavača (u praksi treba uzimati u obzir i izvesne gubitke koji postoje na transformatorima i kablovima, tako da taj zbir treba da bude ipak malo manji). Postoje dve bitne prednosti ovakvog načina vezivanja u okolnostima kada se na jedan pojačavač povezuje veći broj zvučnika postavljenih na većem prostoru. Prvo, ne postoj složen zahtev očuvanja nominalne vrednosti impedanse grupe zvučnika prema pojačavaču, odnosno problema formiranja složenih redno-paralelnih veza među njima. Nikakvo naknadno dodavanje zvučnika u takvom slučaju nije moguće bez reorganizacije čitavog sistema veza i pronalaženja nove kombinacije redno-paralelnih veza koja će sa dodatim zvučnikom zadovoljiti nominalnu vrednost impedans eprema pojačavaču. U sistemu sa visokom impedansom svi zvučnici se vezuju u paralelu, čime se izvođenje instalacija sistema veoma pojednostavljuje. Drugo, napajanje zvučnika sa višim naponom pri istim snagama podrazumeva manje vrednosti struje u provodnicima, a time i manju disipaciju snage u njima. Tako otpornosti provodnika postaju zanemarljive u odnosu na vrednosti preslikanih otpornosti zvučnika na transformatorima (u pokazanom primeru se vidi da zvučnik od 10 W prema pojačavaču pokazuje otpornost čak 1000 Oma). Zanemarljivost gubitaka omogućava da se primene mnogo duži kablovi za vezu, da se koriste tanji provodnici, a time i jeftiniji kablovi.


11

Slika 8.9 - Princip povezivanja zvučnika u sistemu sa visokom impedansom.

POJACAVAC SNAGE

Nedostatak ovakvog sistema leži upravo u primeni transformatora kao načina da se ostvari potreban visoki napon na izlazu pojačavača i izvrši potrebna transformacija impedasne zvučnika. Iako je danas tehnologija izrade transformatora za audio primene omogućila relativno visok nivo performansi, činjenica je da su oni u audio sistemima i dalje kritični elementi. Dva su razloga za to: izvesni gubici koji se javljaju u transformatoru i nelinearnosti prenosne karakteristike koja je uvek veća nego u ostalim komponentama audio sistema. Zbog toga se povezivanje pojačavača i zvučnika u sistemu stovoltnih veza koristi samo u okolnostima kada se ne zahteva najviši mogući kvalitet. To su upravo razni audio sistemi za obaveštavanje, gde su dugačke linije do zvučnika neminovne, a gde je dobitak koji donose navedene sve dobre osobine stovoltnog povezivanja mnogo značajniji od izvesnog gubitka u kvalitetu reprodukcije zvuka.

8.5

Asimetrična i simetrična veza uređaja

Osnovni način vezivanja uređaja, poput onoga sa slike 8.1, naziva se asimetrična veza. Princip ove veze je prikazan na slici 8.10. Jedan od dva provodnika kojim se spajaju izvor signala i prijemnik povezan je na masu, odnosno jedan kraj izvora signala i jedan kraj ulaza prijemnika povezani su sa tačkom nultog potencijala. Ulazni audio signal se tada pojavljuje kao napon između ulaza prijemnika i mase. Od dva kontakta na ulaznim i izlaznim priključicma uređaja, na jednom se javlja napon signala (takozvani ″živi kraj″) a drugi je povezan sa masom. izlaz

e

ulaz

Rg

Rp masa

masa

Slika 8.10 - Princip asimetrične veze dva uređaja.

vul


12

Ovaj način vezivanja uobičajen je u audio uređajima za kućnu upotrebu. Takođe se koristi i na raznim električnim instrumentima (električne gitare, klavijature i slično) i odgovarajućim pojačavačima za njih. Može se reći da je to način vezivanja koji se promenjuje u okolnostima kada su uređaji na bliskim rastojanjima i kablovi za vezu imaju malu dužinu. Zato se asimetrični ulazi i izlazi koriste na uređajima za koje se predpostavlja da će raditi u takvim okolnostima. + izlaz

e+ 2

e+ 2

+ ulaz

Rg

Rp

2

2

vul

Rp

Rg

2

2

− izlaz

− ulaz

Slika 8.11 - Princip simetrične veze dva uređaja.

Simetrična veza se ostvaruje tako što se u izlazu izvora signala formiraju dva protivfazna generatora elektromotorne sile, svaki sa polovinom veličine signala (e/2). Na slici 8.11 šematski je prikazan princip simetrične veze. Na simetričnom izlazu se tako pojavljuju dva audio signala, uobičajeno označavana kao ″+ izlaz″ i ″- izlaz″. Oba napona su definisana u odnosu na nulti potencijal mase koja je zajednička u čitavom audio sistemu. Zbog toga se u kablu za vezu može izostaviti provodnik koji se vezuje na masu. Između uređaja je dovoljno voditi samo dva signalna provodnika. Na ulazu prijemnika u simetričnoj vezi pojavljuju se dva protivfazna audio signala, uobičajeno označavana kao ″+ ulaz″ i ″- ulaz″. Da bi se dobio koristan signal u punoj veličini potrebno je da u prijemniku postoji kolo za desimetrizaciju, što se u praksi nazva simetrični ulaz. Principijelno on mora izgledati kao što je to nacrtano na šemi sa slike 8.11. Centralna tačka ulazne otpornosti prijemnika vezuje se za masu, tako da je ulazni napon signala jednak zbiru dva signala sa ulaza. Osnovni razog korišćenja simetrične veze dva uređaja je zaštita od smetnji koje bi mogle da se pojave u kablu. Pod uticajem spoljašnjih polja u provodnicima kabla pojavljuju se elektromotorne sile smetnji, kao što je prikazano šematski na slici 8.12. S obzirom da se dva provodnika u kablu prostorno nalaze neposredno jedan pored drugoga, može se smatrati da su elektromotorne sile smetnji koje se u njima indukuju međusobno jednake. Naponi koje će ovi generatori stvarati u ulaznom kolu prijemnika se poništavaju jer su suprotnog smera. Tako je rezultantni ulazni napon smetnje na prijemniku nula. Uspešan ishod poništavanja smetnji simetričnom vezom dominantno zavisi od podešenosti simetrije ulaznog kola prijemnika. Sa šeme je jasno da svaka nejednakost između gornjeg i donjeg dela ulazne otpornosti činiće da poništavanje napona koje stvaraju struje iz ″+″ i ″-″ grane ne bude potpuno, pa će se na ulazu prijemnika ipak pojaviti neki napon smetnje. U tom smislu kvalitet izvođenja kola simetričnog ulaza ima veliki značaj.


13

esm

+

e+ 2

e+ 2

Rg 2

ism

Rp 2

vul

Rg 2

ism

Slika 8.12 - Poništavanje smetnji indukovanih u provodnicima.

Rp 2

esm+ Simetrični ulazi i izlazi su nužni uvek kada postoji mogućnost da se uređaji povezuju kablova veće dužine. Zbog toga svi mikrofoni standardno imaju simetrične izlaze, a miksete simetrične ulaze. Bez obzira na moguće dužine kablova, svi audio uređaji za profesionalnu namenu imaju simetrične ulaze, odnosno izlaze. Protivfazni signali na simetričnom izlazu najlakše se dobijaju transformatorom sa dva sekundarna namotaja, kao što je prikazano na slici 8.13. Na isti način, pomoću transformatora sa dva primarna namotaja, može se formirati simetrični ulaz uređaja. Za simetrizaciju izlaza i ulaza uređaja takođe se koriste i aktivni sklopovi sa operacionim pojačavačima. Transformatora veza, posebno simetrični ulaz sa transformatorom, ima izvesne prednosti u odnosu na realizaciju sa aktivnim kolima, pre svega zbog činjenice da se umetanjem transformatora unosi galvansko odvajanje uređaja, ali i zbog nekih pogodnosti u odnosu na pojavu smetnji, što je objašnjeno kasnije. Sa druge strane, transformatori vrhunskog kvaliteta koji se koriste za ovu funkciju veoma su skupi, pa se transformatorska simetrizacija ulaza i izlaza primenjuje samo u najkvalitetnijim, a to znači i skupljim audio uređajima. U nekim slučajevima to predstavlja opciju koja se može posebno zahtevati pri naručivanju uređaja.

Slika 8.13 - Realizacija simetričnog izlaza uređaja pomoću izlaznog transformatora.

8.6

Zaštita uređaja od smetnji iz kablova

Na slici 8.2 je prikazano da su kablovi kojim se povezuju audio uređaji, osim uticaja sopstvenih električnih parametara koje unose u kolo, značajni i zbog činjenice da


14

se pod uticajem spoljašnjih polja u njihovim provodnicima indukuju smetnje. U svakom provodniku izloženom spoljašnjim poljima pojavljuju se ekvivalentni generatori koji u kolu veze generišu signale smetnji. Kao rezultat toga, na ulazu u prijemnik postoji mogućnost da se signal smetnje superponira u uređaju sa korisnim audio signalom i da nastavi dalje put ka izlazu audio sistema. Prirodno okruženje u kojima se koriste audio sistemi bremenito je raznim smetnjama. Jedan od najčešćih izvora smetnji su sistemi tiristorski kontrolisane rasvete. To je slučaj koji se javlja u salama gde postoji scena koja se osvetljava, kao i u TV studijima. Kontrola rada rasvetnih tela tiristorima, koja se zasniva na principima sečenja talasnog oblika mrežnog napona, povlači za sobom pojavu brojnih harmonika koji prate osnovnu mrežnu frekvenciju 50 Hz, pa spektar struje kroz kablove za napajanje rasvetnih tela zadire značajno u audio opseg. Dugački kablovi kojima se povezuju reflektori kada kroz njih idu napajanja tako izmenjenih talasnih oblika predstavljaju antene koje zrače smetnje čujnih frekvencija. Kada su u takvom okruženju i velike distance koje savladavaju mikrofonski signali kroz svoje kablove, javljaja se potreba za intenzivnom zaštitom od smetnji. Pojavni oblici signala smetnji U zavisnosti od načina na koji spoljašnja smetnja deluje na provodnike kabla moguća su dva osnovna pojavna oblika signala smetnje na ulazu u prijemnik signala. To su zajednički i diferencijalni oblik signala (common mode i differential mode). Njihova priroda je ilustrovana na slici 8.14. Diferencijalni pojavni oblik signala smetnje, ili kratko diferencijalna smetnja, podrazumeva pojavu napona smetnje između krajeva ulaznog otpora prijemnika. Kao rezultat toga, kroz ovaj otpor teče struja smetnje i na njemu se javlja ulazni napon smetnje. Zajednički pojavni oblik smetnje, ili kratko zajednička smetnja, podrazumeva da se isti napon smetnje pojavljuje između svakog od krajeva ulaznog priključka prijemnika signala i mase. Ovakva pobuda ne stvara struju kroz ukupnu ulaznu otpornost prijemnika, ali postoje konfiguracije ulaznog kola uređaja koje sa izvesnim slabljenjem i ovakvu pobudu prenose u uređaj. Zbog toga je jedan od pokazatelja kvaliteta ulaznog kola i podatak u decibelima o veličini potiskivanja diferencijalne pobude (CMRR common mode rejection ratio). Koja će vrsta smetnje dolaziti iz kabla na ulaz nekog prijemnika zavisi od načina kako je konfigurisana veza sa izvorom signala i od vrste polja koje izaziva smetnje (električno ili magnetsko).

PRIJEMNIK SIGNALA

vsm

Rp

PRIJEMNIK SIGNALA

Rp

vsm vsm

Slika 8.14 - Dva tipa signala smetnji: diferencijalni (levo) i zajednički (desno).


15

Smetnja u kolu asimetrične veze uređaja Kada se dva uređaja povežu asimetričnom vezom jednostavnim provodnicima, kao što je to prikazano na slici 8.15, onda se pri dejstvu spoljašnjeg električnog polja u svakom od njih javlja generator elektromotorne sile. U asimetričnoj vezi jedan od dva provodnika je na oba kraja vezan na masu, pa je indukovani generator u tom provodniku kratkospojen i ne utiče na struju u unutrašnjoj otpornosti prijemnika. Indukovani generator smetnje u drugom provodniku stvara stuju smetnje kroz ulaznu otpornost, pa se, kao rezultat, u prijemniku javlja napon smetnje koji je sabran sa naponom signala.

esm1 e

ism1

Rg

Rp

vul+vsm

esm2 Slika 8.15 - Jednostavna veza dva uređaja i efekat uticaja smetnji.

Osetljivost na smetnje osnovni je razlog zašto se audio uređaji ne mogu povezivati na način prikazan slikom 8.15. U okolnostima kada se zahteva veliki dinamički opseg signala i kada u okruženju postoje razna parazitska polja, ovakva veza bi neumitno bila uzrok degradacije signala. Zbog toga je u asimetričnoj vezi neophodna primena koaksijalnog kabla, kakav je prikazan na slici 8.16.

Slika 8.15 - Koaksijalni kabl sa jednim provodnikom u obliku provodnog oklopa i signalnim provodnikom u centru.

Veza uređaja koaksijanim kablom podrazumeva da se oko signalnog provodnika nalazi elektrostatički oklop koji se vezuje za masu. Na taj način je signalni kabl zaštićen od uticaja spoljašnjih električnih polja. Sam provodni sloj uzemljenog oklopa predstavlja zaštitu od uticaja električnog polja, dok je zaštita od magnetskog polja mnogo manje izražena. Za tako nešto bilo bi potrebno primeniti oklop od posebnih magnetskih materijala (na primer: ″Mimetal″, ″Supermaloj″ i slično). Ovi materijali se, inače, primenjuju za izradu zaštitnih oklopa audio transformatora i sličnih komponenti. Međutim, to je neizvodljivo zbog fizičkih svojstava tih materijala, odnosno njihove krutosti koja ne omogućava izradu savitljivog kabla. U audio sistemima se koristi više različitih vrsta kablova u kojima se mogu nalaziti oklopi različitih tehnologija izvođenja. Postoji kategorija kablova koji su nameni fiksnim instalacijama, što znači da oni ne trpe stalna savijanja tokom eksploatacije, već pri instalisanju dobiju geometrijsku formu koja ostaje konstantna. U takvim kablovima se


16

oklop često izrađuje od aluminijumske folije koja potpuno pokriva unutrašnji provodnik. Međutim, ako je kabl namenjen upotrebi uz neki pokretni uređaj, kao što je to slučaj sa mikrofonima, električnim instrumentima i slično, neophodno je da on ima sposobnost velike fleksibilnosti. U takvim kablovima se oklop obavezno izrađuje od većeg broja upredenih tankih žica (″licne″) koje formiraju mrežu oko centralnog provodnika. Takvom formom se obezbeđuje neophodna savitljivost, ali mreža provodnika kojom je formiran oklop po prirodi stvari ne pokriva 100% spoljašnje površine kabla. To u nekim okolnostima može biti uzrok nedovoljne zaštite. Zbog toga u nomenklaturi karakteristika audio kablova postoji i specificiran ″procenat zaštite″, odnosno procenat pokrivenosti površine kabla oklopom. Oklop od aluminijumske folije ima taj procenat uvek 100%, a u kablovima sa mrežastom strukturom oklopa od tankih provodnika taj procenat je manji. Moguće je birati kablove prema tom pokazatelju, a prema njihovoj konkretoj nameni i mogućoj ugroženosti smetnjama. Jasno je da je eventualni uticaj smetnji zavistan od veličine korisnog audio signala, odnosno od značaja je njihov relativni odnos. U tom smislu najosetljiviji na spoljašnje smetnje su mikrofonski signali. Izlazni naponi mikrofona su reda milivolta pa i mikrovolta. Jednostavna računica može ilustrovati značaj problema smetnji u mikrofonskim instalacijama. Ako je osetljivost mikrofona -60 dB re 1 V/1 Pa, onda je pri nivou zvuka 94 dB koji deluje na njega, što odgovara zvučnom pritisku 1 Pa, nivo izlaznog signala -60 dB re 1 V, što iznosi 1 mV. Međutim, nivo zvuka 94 dB je buka visokog nivoa, a isti mikrofon mora da registruje i mnogo tiše zvukove. Ako je, na primer, nivo zvuka koji deluje na mikrofon 34 dB, nivo mikrofonskog signala je tada 120 dB re 1 V, što iznosi samo 1 µV. Ovakva prosta računica pokazuje značaj kvaliteta zaštite od smetnji u mikrofonskim kablovima.

Zaštita od smetnje upredenom paricom Dalji korak u zaštiti od smetnje je uvođenje upredne parice kao načina da se formiraju provodnici u kablu. Principijelni izgled upredene parice je prikazan na slici 8.16. Ovakvo formirani provodnici su odavno u upotrebi u klasičnoj telefoniji, a postali su i standard sa kablove u računarskim režama (UTP). Po svojoj fizičkoj struktuti upredene parice su kompatibilne sa simetričnom vezom uređaja.

Slika 8.16 - Upredena parica.

Kada na upredenu paricu deluje spoljašnje magnetsko polje, od petlje do petlje menja se smer po elementarnim konturama provodnika, kao što je prikazano na slici 8.17. Na taj način se u kablu indukuju elektromotorne sile koje se međusobno poništavaju, odnosno


17

∫B dS = 0

(8.7)

Kao rezultat toga, upredena parica svojom konstrukcijom ostvaruje značajno potiskivanje uticaja magnetskih smetnji iz okoline. Zbog toga se u audio sistemima, sem u slučaju veoma kratkih veza, stanardno koriste ovakvi kablovi. Pogotovo kada se radi o signalima niskih nivoa, kao što je to slučaj sa mikrofonskim signalima. Naravno, poništavanje uticaja magnetskih smetnji nije apsolutno, jer geometrija upredenih parica kabla nije apsolutno identična, pa gornji izraz u praksi nije apsolutno jednak nuli. Ipak, za najveći broj aplikacija primena upredenih parica je dovoljna zaštita. U izuzetno kritičnim aplikacijama koriste se mikrofonski kablovi kod kojih su oba provodnika upredene parice izvedena od dva posebna upredena provodnika. Na taj način kabl u sebi ima ukupno četiri provodnika od kojih se po dva vezuju zajedno. Dvostrukim upredanjem postiže se najveća praktično ostvarljiva zaštita.

B +

-

Slika 8.16. - Ilustracija uz objašnjenje principa poništavanja uticaja magnetskog polja na upredenu paricu.

Zbog ozbiljnosti problema zaštite od smetnji u zahtevnim audio aplikacijama standardizovana je kombinovana zaštita. Audio kablovi obuhvataju upredenu paricu i oklop oko nje, kao što je prikazano na slici 8.17. Vezivanjem oklopa za masu, efekat potiskivanja upredanjem se kombinuje efektom elektrostatičkog oklopa.

Slika 8.17 - Upredena parica sa oklopom (takozvani mikrofonski kabl.

Vezivanje audio uređaja podrazumeva standardnu primenu uređaja sa simetričnim izlazima i ulazima i korišćenje oklopljenih upredenih parica (na tržištu najčešće označeni kao ″mikrofonski kablovi″). Međutim, i pored svega toga osnovna mera zaštite od smetnji je pažljivi izbor putanja kojim će prolaziti audio kablovi da bi se postiglo maksimalno fizičko udaljavanje audio i energetskih kablova. U salama se uobičajeno vrši podela tako da trase duž jedne strane sale pripada audio instalacijama, a duž druge reflektorskim instalacijama. Postoje okolnosti kada sve ovo nije dovoljno, odnosno ne pruža dovoljnu zaštitu. Tada se primenjuje još jedna dodatna mera, pa se svi kablovi vode kroz uzemljene čelične cevi. Takav način montaže je uobičajen u pozorištima.


18

Konektori u audiotehnici Principi povezivanja audio uređaja koji su ovde prikazani uslovili su standardizaciju posebnih vrsta konektora koji se uklapaju u te osnovne principe. U tom smislu se za povezivanje kablova sa uređajima koriste dve osnovne vrste konektora: konektori za asimetričnu i za simetričnu vezu. Osnovni oblik konektora za asimetričnu vezu uređaja je konstrukcija koja se uobičajeno naziva ″činč″ konektor, ili u anglosaksonskoj literaturi označen je i kao ″RCA″ konektor. Ovaj konektor se standardno koristi na kućnim audio uređajima i ima dobro poznatu formu. Za simetrične veze audio uređaja ustanovljen je poseban konektor označen kao ″XLR″. On ima tri kontakta, što omogućava povezivanje dva provodnika upredene parice i oklopa. Pored toga, ovaj konektor ima i poseban sistem zabravljivanja kada je spojen, čime se obezbeđuje mehanička stabilnost kontakata. Varijante izgleda ovog konektora prikazane su na slici 8.18.

Slika 8.18 - Izgled XLR konektora. S leva na desno: muški kablovski, muški panelski, ženski panelski i ženski kablovski.

8.7

Principi povezivanja na uzemljenje u audio sistemima

Pojam uzemljenja u elektrotehnici podrazumeva tačku sa nultim potencijalom koja je neophodna za rad električnih i elektronskih uređaja i sistema. Principi uzemljavanja su opšti za čitave telekomunikacije, odnosno za sve oblasti koje se bave uređajima i signalima, i nisu specifičnost samo audiotehnike. Možda uzemljenje kao takvo ima veći značaj u audio sistemima nego u drugim elektronskim sistemima zbog činjenice da se zahteva ekstremno veliki dinamički opseg i što se pri tome u nekim tačkama pojavljuju veoma mali naponi signala. U sistemu napajanja audio sistema mogu se prepoznati tri vrste uzemljenja: - sistemsko uzemljenje - zaštitno uzemljenje i - tehnološko uzemljenje Smisao ove tri vrste uzemljenja ilustrovan je na slici 8.19. Sistemsko uzemljenje je ono kojim se postiže da jedan provodnik u sistemu elektroenergetskog napajanja bude na nultom potencijalu (otuda ″faza″ i ″nula″). Odatle potiče i njegov naziv. Sistemsko uzemljenje se realizuje u trafo stanici, ili po potrebi u tački gde elektroenergetsko napajanje ulazi u zgradu. To je uvek u glavnom elektroenergetskom razvodnom ormanu objekta, a na njemu se postavlja oznaka da je sistem ″nulovan″. Nulovanjem se obezbeđuje na priključnicama po objektu da potencijal


19

nultog priključka mreže zaista bude 0 V. Prema tome, može se reći da je smisao sistemskog uzemljenja u obezbeđenju kvaliteta napajanja električnom energijom.

uticnica

uredjaj

faza nula

sistemsko uzemljenje

zaštitno uzemljenje

tehnološko uzemljenje

Slika 8.19 - Ilustracija uz objašnjenje tri vrste uzemljenja.

Zaštitno uzemljenje služi za opštu zaštitu od strujnog udara osoba koje rukuju uređajima. Povezivanje uređaja na ovo uzemljenje ostvaruje se preko posebnih kontakata šuko utičnice i koji se, po standardu, nalaze sa obe njene strane. Ovo uzemljenje obezbeđuje da u slučaju nekog kvara u uređaju njegova kutija, dostupna dodiru od strane korisnika, bude na dovoljno niskom potencijalu, a u idealnom slučaju na potencijalu 0 V. Tehnološko, ili tehničko uzemljenje kako se negde naziva, ima funkciju postizanja nultog potencijala u uređajima i audio sistemu u celini. Ovo uzemljenje ima najveći značaj za audio sisteme i po pravilu se izvodi nezavisno od zaštitnog uzemljenja. Razdvajanje tehnološkog uzemljenja od ostala dva je nužno u svim okolnostima kada se zahteva kvalitetna zaštita od smetnji jer se neke od opisanih mera zaštite upravo zasnivaju na vezi sa tačkom čiji je potencijal ″stvarnih″ 0 V. Otpornosti uzemljenja Da bi neko uzemljenje pouzdano obezbeđivalo tačku čiji je potencijal 0 V u svim okolnostima, neophodno je da njegova unutrašnja otpornost bude dovoljno mala. Pod pojmom otpornosti uzemljenja u audio sistemima podrazumeva se ona vrednost otpornosti koja se ″vidi″ na priključku uzemljenja za koje je sistem vezan. Pri tome u tu vrednost ulaze i otpornosti svih provodnika kojima je tačka priključka za uzemljenje sistema povezana sa sistemom metalnih elemenata, ukopanih negde u tlu, koji čini uzemljenje. Činjenica je da se za te veze koriste ekstremno debeli provodnici, ali i oni imaju neku konačnu vrednost otpornosti. Osnovni problem pri povezivanju raznih uređaja na zajedničko uzemljenje leži u činjenici da u svakim od njih može, u slučaju kvara, doći do veze između faznog provodnika iz napajanja i priključka za zaštitno uzemljenje. U tom slučaju će kroz provodnik uzemljenja poteći neka struja, kao što je prikazano na slici 8.20a. Ta struja će izazvati pad napona na otpornosti provodnika za uzemljenje, i otpornosti samog uzemljenja, što će učiniti da tačka nultog potencijala u drugim uređajima povezanim na isti vod uzemljenja ne bude više 0 V. Zbog toga je važno da ta otpornost bude što je moguće manja, odnosno da se sa aspekta priključenih uređaja postigne njena minimizacija. U prikazanom slučaju sa slike to se postiže na način koji je šematski


20

ilustrovan na slici 8.20b. Posebnim nezavisnim vezivanjem svih uređaja direktno na zemljospoj minimizira se mogućnost promene potencijala mase, i tada ona zavisi samo od kvaliteta zemljospoja i njegove otpornosti.

UREÐAJ 2

R2

UREÐAJ 2

R2

v

UREÐAJ 1

UREÐAJ 1

i

R1

R1 Ruz

Ruz

Slika 8.20 - Ilustracija pojave promene potencijala mase zbog konačne vrednosti otpora uzemljenja i zbog drugih uređaja povezanih na zajedničko uzemljenje.

U standardima koje propisuju esnafske organizacije iz oblasti audiotehnike, ali i velike radiodifuzne kuće za svoje interne potrebe, navodi se i zahtev za maksimalno dopuštenom vrednošću otpornosti uzemljenja koje se koristi za uzemljavanje složenijih audio sistema (pre svega audio režije u radio i TV stanicama). U najstrožijim uslovima zahteva se da ta vrednost bude manja od 0,5 Oma. Uticaj spoja uzemljenja na smetnje Povezivanje audio uređaja podrazumeva simetričnu vezu oklopljenom paricom, kao što je prikazano na slici 8.21. Na oba kraja oklop kabla je prirodno povezan za masu uređaja, a oba uređaja su na neki način povezana sa uzemljenjem. Sa slike se vidi da pri takvoj vezi postoji formirana zatvorena provodna kontura koja se zatvara preko uzemljenja, kao što je označeno na slici. Spoljašnje polje smetnje će u tako zatvorenoj konturi da indukuje struju. Zbog toga kroz oklop kabla, iako kroz njega ne teče struja signala, javiće se tok struje smetnje. Svaki struja kroz oklop kabla generisaće smetnje i u unutrašnjim provodnicima kabla, pa se, iako je kabl oklopljen, u njegovim provodnicima javlja smetnja upravo zahvaljujući zaštitnom okopu. Naravno da intenzitet opisane pojave zavisi od konkretnih okolnosti. Problem je veći ako se u okruženju nalaze jaki izvori smetnje, odnosno ako su spoljašnja polja jaka, a može biti neprimetan ako je ambijent u elektromagnetskom smislu ″čist″. Intenzitet ovakve smetnje je takođe funkcija površine zatvorene petlje koju čine kabl i zemlja. Veća površina te petlje značiće intenzivniju smetnju. Zbog toga su kritične okolnosti kada je provodnik fizički udeljen od površine tla, jer se tada površina petlje povećava.


21

i

Slika 8.21 - Formiranje zatvorene petlje u kolu uzemljenja.

Ako ovako generisana smetnja prelazi prag prihvatljivosti, jedini način da se ona spreči je da se oklop kabla povezuje sa masom samo na jednom njegovom kraju, to jest samo prema jednom od uređaja, kao što je prikazano na slici 8.22. Tada ne postoje zatvorene konture u kojima bi se spoljašnjim poljem generisala struja. Jasno je da je prekidanje spoja oklopa sa masom na jednoj strani moguće samo kada se koriste kablovi sa upredenom paricom i oklopom. U slučaju asimetrične veze uređaja preko koaksijalnog kabla prekidanje nije moguće, jer oklopom prolazi signal.

Slika 8.22 - Vezivanje uzemljenja pri nizanju uređaja u sistemu

Način povezivanja uređaja, sa oklopom kabla razdvojenim od mase na jednoj svojoj strani, pokazuje da eliminacija petlji u kolu uzemljenja vodi ka zvezdastom povezivanju masa. Može se reći da veze uzemljenja treba formirati kao stablo. Ovaj princip je načelno prikazan na slici 8.23. Osnovni kriterijum pri tome je da se nigde u sistemu ne pojavi međuveza uzemljenja izmešu uređaja koja bi stvorila zatvorenu konturu. U praksi je uobičajeno da mikseta bude tačka u kojoj se stiču vodovi uzemljenja ostalih uređaja povezanih u sistem. Da bi se olakšalo povezivanje u jednostavnijim slučajevima, kao što su kućni sistemi za preprodukciju muzike, periferni uređaji poput CD reproduktora imaju mrežni kabl bez provodnika za uzemljenje, da bi se predupredilo slučajno formiranje petlje preko zaštitnog uzemljenja uređaja. Pri tome se podrazumeva da će se veza sa masom ostvariti preko kablova kojim se signal iz takvog uređaja vodi na neki centralni uređaj za reprodukciju. Treba imati u vodu da u okolnostima kada su međusobne veze uređaja veoma kratke, kao što je to slučaj u studijima ili kućnim sistemima za reprodukciju, formiranje petlji preko oklopa kablova ne predstavlja ozbiljan tehnički problem. To postaje značajno uvođenjem dužih veza, na primer između priključaka na bini i tehničke režije odakle se upravlja sistemom, kod veza reportažnih kola i slično.


22

Slika 8.23 - Princip vezivanja uzemljenja audio sistema u formi stabla.

8.8

Mrežno napajanje audio uređaja

Mrežno napajanje uređaja sa aspekta zaštite audio sistema od smetnji značajno je iz dva razloga. Napajanje može biti: - put kojim u uređaje mogu dospeti smetnje audio frekvencija i - izvor parazitskog mređnog signala frekvencije 50 Hz (takozvano ″brujanje″). U oba slučaja u pitanju je prodiranje nekih signala iz mreže u uređaj, samo se između navedene dve kategorije pravi razlika u njihovom spektralnom sadržaju i načinima kojim dospevaju u koristan audio signal. Ovaj aspekt mrežnog napajanja nije specijalitet samo audio sistema, već svih telekomunikacionih uređaja. Razlika je samo u tome što su mogući uticaji u audio sistemima mnogo veći zbog nižeg spektra korisnog signala (lakše je ugroziti signale audio učestanosti nego telekomunikacione signale koji su na mnogo višim frekvencijama) zbog zahteva za velikim dinamičkim opsegom. Pojave smetnji u elektroenergetskoj mreži Na priključcima utičnice za elektroenergetsko napajanje, osim mrežnog napona, mogu se javiti i razni drugi električni signali koji predstavljaju smetnje. Sa aspekta rada običnih električnih uređaja, raznih termičkih i mehaničkih energetskih potršača, takva pojava je zanemarljiva, s obzirom da su signali smetnji krajnje zanemarljivih amplituda u odnosu na napon napajanja 220 V. Međutim, za audio uređaje veličine tih signala su dovoljne da mogu predstavljati problem. Postoje brojni električni uređaji koji se koriste u svakodnevnom životu, a koji u svom radu generišu parazitske signale i vraćaju ih u elektroenergetsku mrežu. Energija tih signala je raspršena po frekvencijama koje su znatno više od mrežne frekvencije 50 Hz. To je posebno slučaj sa raznim impulsnim smetnjama širokog spektra, koji predstavljaju i najzastupljeniji oblik. Postoji nekoliko vrsta uređaja koji su standardni izvor smetnji. Sa aspekta audio prakse to su, u prvom redu, uređaji koji nemaju mrežni transformator u svom stepenu za napajanje, već umesto njih imaju odgovarajuće tiristorske sklopove (u žargonu nazvani ″svičeri″). U tu kategoriju spadaju svi računari, ali je sve više i tiristorskih pretvarača za


23

halogene svetiljke koje rade na 12 V i koje se koriste u enterijerskoj rasveti. Drugi veliki izvor smetnji su kolektorski motori sa četkicama. Takve motore ima usisivač, fen za kosu, mlin za kafu, kuhinjski mikser i slično. Svi oni pri radu vraćaju u mrežu širok spektar impulsnih smetnji. Pored smetnji koje su u elektroenergetsku mrežu dospele kao signal vraćen poslat iz raznih uređaja priključenih na istu fazu, elektroenergetski vodovi po pravilu imaju velike dužine savladavajući rastojanja kroz zgradu. Oni su zbog toga izloženi elektromagnetskim uticajima raznih spoljašnjih polja. Sa aspekta energetskog napajanja takva pojava je zanemarljiva, ali za rad audio uređaja može biti značajan razlog za pojavu smetnji na utičnici. Putevi preslikavanja signala iz elektroenergetske mreže u audio signal U stepenu za napajanje audio uređaja postoje dva puta kojima signal audio frekvencija iz elektroenergetske mreže može preći na sekundar mrežnog transformatora i dalje u uređaj. Diferencijalni signali, kakav je i mrežni napon 50 Hz, prolaze kroz transformator induktivnom spregom primara i sekundara. Samo difierencijalna pobuda na priključcima njegovog primara stvara struju kroz ovaj namotaj. Ovaj tip preslikavanja karakterističan je za niže frekvencije jer transformator kao sklop ima osobine niskopropusnog filtra. Frekvencijska karakteristika za diferencijalni pobudni signal jednog tipičnog mrežnog transformatora prikazana je na slici 8.24. Vidi se da prenos primarsekundar slabi sa porastom frekvencije, pa samim time mrežni transformator učestvuje u smanjenju uticaja diferencijalnih smetnji viših frekvencija.

0

-10

slabljenje (dB)

-20

-30

Slika 8.24 - Frekvencijska karakteristika prosečnog mrežnog transformatora za diferencijalni oblik pobude.

-40

-50

-60

-70 10

100

1k

frekvencija (Hz)

10k

100k

Smetnje nastale vraćanjem signala iz raznih uređaja u mrežu uglavnom su po svojoj prirodi diferencijalni. Signal smetnje koji u kablovima elektroenergetske mreže nastaje dejstvom spoljašnjih polja imaju prirodu zajedničkog signala (common mode) jer oba provodnika, budući da se u prostoru nalaze jedan pored drugog, trpe istu vrstu i intenzitet pobude. Smetnje koje nailaze kao zajednički signal ne mogu prolaziti induktivnom spregom kroz transformator, jer pri takvoj pobudi nema toka struje kroz


24

njegov primarni namotaj. Ova vrsta signala prolazi na stranu sekundara posredstvom kapacitivne sprege koja u svakom transformatoru postoji između namotaja, što je šematski prikazano na slici 8.25.

Cpar Slika 8.25 - Parazitska kapacitivnost između primatra i sekundara mrežnog transformatora.

Cpar Kolo ispravljača i stabilizatora, koje u audio uređajima sledi nakon mrežnog transformatora, ima zadatak da potisne mrežnu frekvenciju da bi se dobio stabilan i čist jednosmerni napon napajanja. Međutim, u praksi takvi sklopovi zbog raznih parazitskih uticaja imaju značajno manje slabljenje na višim frekvencijama. Sa aspekta kvaliteta jednosmernog napona napajanja takva pojava nije značajna i ne razmatra se pri dizajnu ovih kola, ali smetnje koje prođu kroz transformator na putu do uređaja imaju samo kolo ispravljača i stabizatora kao prepeku. Na slici 8.26 prikazana je karakteristika slabljenja signala iz mreže prosečnog ispravljačkog kola. Vidi se da eventualne smetnje na frekvencijama reda 100 kHz koje iz mreže prođu kroz transformator, praktično prolaze kroz ispravljač bez slabljenja.

0

-10

slabljenje (dB)

-20

-30

Slika 8.26 - Principijelni izgled karakteristike slabljenja signala koje prosečan ispravljač za napajanje ostvaruje na višim frekvencijama.

-40

-50

-60

-70 10

100

1k

frekvencija (Hz)

10k

100k

U takvim okolnostima postaje značajno slabljenje signala koji parazitskim kapacitivnostima prelazi na sekundar mrežnog transformatora. Umanjenje uticaja parazitskih kapacitivnosti između primara i sekundara se postiže posebnom


25

konstrukcijom, što podrazumeva da se između primarnog i sekundarnog namotaja postavi elektrostatički oklop koji se povezuje sa masom (″Faradejev kavez″). Ova varijanta transformatora se šematski označava na način prikazan na slici 8.27. U literaturi se navodi da se adekvatnim zatvaranjem oba namotaja u uzemljene elektrostatičke oklopa kapacitivna sprega između primara i sekundara može smanjiti na vrednost reda veličine 0,001 pF, pa i manje.

Cpar Slika 8.27 - Oznaka transformatora sa elektrostatički odvojenom namotajima primara i sekundara, čime se vrednst Cpar smanjuje.

Transformatori sa elektrostatičkom izolacijom se koriste u napajanju studijskih energetskih instalacija kao poseban, dodatni uređaj i postavljaju se u napojnom vodu iz koga se napajaju svi audio uređaji. Nazivaju se rastavni transformatori i predstavljaju zaštitu audio sistema od smetnji iz mreže, ali i galvanski odvajaju napajanje uređaja od elektroenergetske instalacije. Često se na njima postavljaju posebni izvodi sa odgovarajućim preklopnikom, čime se omogućava fino podešavanja veličine napona na sekundaru. Takva opcija je pogodna na lokacijama gde mrežni napon nema dovoljnu veličinu. Jedan od problema zaštite od smetnji primenom rastavnog transfomatora je u tome što sva električna snaga potrebna za rad sistema prolazi kroz njega. To uslovljava da on kod većih sistema mora imati relativno velike dimenzije (posledica dovoljno velikog poprečnog preseka jezgra), što dalje uzrokuje veliku težinu i, naravno, značajnu cenu. Mnogi studiji nižeg nivoa nemaju rastavne transformatore, već umesto toga koriste jednostavnije uređaje, takozvane mrežne filtre, u kojima se jednim kalemom i kondenzatorom formira filtar niskopropusnik kojim se takođe u izvesnoj meri potiskuju eventualne smetnje. Preslikavanje signala 50 Hz u audio signal Postoje okolnosti u audio sistemima u kojima se, i pored potpune ispravnosti stepena za napajanje, može na izlazu pojaviti komponenta mrežne frekvencije 50 Hz. Osnovni razlog zbog koga nastaje takva pojava prikazan je na slici 8.28. U svakom uređaju postoji neki parazitski kapacitet između provodnika mrežnog priključaka, odnosno primara transformatora, i mase uređaja i njegove šasije koja je povezana sa zaštitnim uzemljenjem. Preko tih kapacitivnosti fazni provodnik je za naizmenični signal povezan sa masom. Zbog toga će kroz provodnik uzemljenja teći neka struja frekvencije 50 Hz čija veličina zavisi od impedanse parazitskih kapaciteta. Sve to pod određenim okolnostima može imati uticaja na signal, pre sevag ako su te kapacitivnosti relativno velike. Zbog nejednakosti parazitskih kapacitivnosti koja uvek postoji između dva kraja mrežnog priključka, nekada jednostavno obrtanje utikača u utičnici može da smanji brujanje. U takvim okolnostima i odvajanje kritičnog uređaja od uzemljenja može doneti poboljšanje u pogledu brujanja.


26

Slika 8.28 - Parazitske kapacitivnosti preko kojih postoji sprega mrežnog napona sa masom i kućištem uređaja.

220 V

Iste parazitske kapacitivnosti mogu stvoriti problem sa brujanjem u okolnostima kada se dva međusobno povezana uređaja u sistemu napajaju sa različitih faza. Ovaj slučaj je ilustrovan šematski na slici 8.29. Činjenica da se priključne tačke dva uređaja nalaze na različitim fazama znači da između njih postoji međufazni napon (380 V). Zbog toga se preko parazitskih kapacitivnosti i provodnika mase u kablu uspostavlja struja mrežne frekvencije 50 Hz, kao što je označeno na slici. Taj tok će proizvesti u signalnom provodniku smetnju frekvencije 50 Hz koja se sabira sa korisnim signalom.

220 V

220 V

i50Hz

Slika 8.29 - Šematski prikaz nastanka brujanja kada se međusobno povezani uređaji napajaju sa različitih faza.

Ovaj primer pokazuje nužnost da se svi međusobno povezani uređaji moraju napajati sa iste faze. To je jedan od tehničkih aksioma koji se u svakoj prilici mora ispoštovati. U okolnostima kada to iz nekih razloga nije moguće, kao na primer kada su neki delovi audio sistema relativno udaljeni i napajaju se potpuno nezavisno, pojava smetnje iz elektroenergetske mreže može se otkloniti prekidanjem provodnika uzemljenja u kablu, što proizvodi kao posledicu prekidanje toka parazitske struje 50 Hz. Jasno je da to zahteva simetričnu vezu između uređaja jer se jedino tada može razvezati provodnik uzemljenja. Prema tome, problem smetnje iz mreže se rešava istom merom kao i u ranije prikazanom slučaju sa slike 8.22.

8.9

Fantomsko napajanje

Kondenzatorski mikrofoni pro svojoj prirodi u sebi sadrže neka elektronska kola kola zahtevaju napajanje. Stariji modeli studijskih mikrofona imali su kao svoj prateći deo i poseban ispravljač. I danas se u mnogim studijima mogu videti takvi mikrofoni. Jasno je da prisustvo ispravljača, koji mora biti u neposrednoj blizini mikrofona, u značajnoj meri ograničava njegovu primenljivost. Danas postoje i mikrofoni u kojima je napajanje rešeno


27

jednom baterijom smeštenom u njihovom kućištu, ali to podrazumeva ograničeno vreme rada uslovljeno kapacitetom baterije. U audio sistemima postoji potreba da se, zbog jednostavnosti upotrebe, elektronska kola u kondenzatorskim mikrofonima napajaju bez primene posebnih ispravljača ili baterija. Jedini način da se to reši je odgovarajućim sistemom napajanja iz mikrofonskog predpojačavača, odnosno iz mikrofonskog ulaza miksete. Za te potrebe standardizovan je sistem napajanja u kome se signalni provodnici u mikrofonskom kablu koriste za napajanje. Takav način se naziva ″fantomsko napajanje″. Danas je za fantomsko napajanje standardizovan napon 48 V, i svi mikrofoni se prave da prihvataju taj ulazni napon. Principijelna šema fantomskog napajanja prikazana je na slici 8.30. Preko otpornika se ″+″ pol napajanja vodi na oba provodnika parice mikrofonska kabla, a ″−″ pol se povezuje sa masom. Kondenzatorima se signal odvaja od jednosmerne komponente. Umesto kondenzatora može se jednosmerna komponenta odvojiti ulaznim transformatorom. Na sličan način se vrši razdvajanje napajanja u mikrofonu.

+V mikrofon

+ − mikseta

Slika 8. - Principijelna šema fantomskog napajanja mikrofona.

Osnovna prednost ovog oblika napajanja je u tome što je imun na kratak spoj u signalnim prvodnicima. Do eventualnog krakog spoja između parica može doći slučajno, ali je i povezivanje dinamičkog mikrofona slučaj koji ima odlike kratkog spoja zbog činjenice da je otpornost namotaja kalema u mikrofonu veoma mala. Fantomsko napajanje danas postoji u svim miksetama. Uobičajeno je da se na mikrofonskom ulazu svakog njenog ulaznog modula nalazi preklopnik kojim se, po potrebi, uključuje fantomsko napajanje. Fantomsko napajanje imaju i svi drugi uređaji na koje se direktno priključuju mikrofoni, kao što su nezavisni mikrofonski predpojačavači, prenosni snimači koji imaju mikrofonske ulaze i slično. Istovremeno, svi elektrostatički mikrofoni, dakle elektret mikrofoni i klasični kondenzatorski mikrofoni, koji se danas mogu naći na tržištu predviđeni su za ovakav oblik napajanja. Kroz istoriju su postojali i drugi sistemi napajanja mikrofona preko signalnih provodnika. U literaturi je opisan standard koji je nazvan ″T″ napajanje. Za razliku od fantomskog napajanja, kod koga su oba signalna provodnika povezana zajedno na isti pol jednosmernog napona a oklop u kablu na drugi, u ″T″ sistemu napajanja korišćeni su dva signalna provodnika za vođenje oba polariteta jednosmernog napajanja, a zaštitni oklop kabla nije korišćen. Nedostatak ovoga sistema je što u slučaju da se na ovakav ulaz miksete, zbog neznanja da je uključeno napajanje, priključi dinamički mikrofon sa malom unutrašnjom otpornošću namotaja, dolazi praktično do kratkog spoja izvora napajanja. To može rezultovati realtivno velikom strujom kroz namotaj mikrofona koja može da ga uništiti.

AKUSTIČKI DIZAJN PROSTORIJA AKUSTIČKA OBRADA

1

Akustički dizajn prostorija obuhvata dve relativno nezavisne oblasti delovanje. To su: • akustička obrada • zvučna zaštita

Vrste zahteva pri akustičkoj obradi prostorija

nivo (dB)

prostorija može imati funkciju ulaznog akustičkog okruženja gde se zahteva neka forma impulsnog odziva za definisane tačke pozicije izvora i mikrofona, može imati funkciju izlaznog akustičkog okruženja, gde se odvija reprodukcija zvuka slušaocu pomoću zvučnika u nekom od standardnih formata, i može biti namenjena živom izvođenju muzike ili govora bez pomoći audio sistema, kada se izvor zvuka i slušalac nalaze u istom prostoru.

direktan zvuk

Početni zahtevi akustičke obrade neke prostorije mogu biti trojaki:

∆L

∆t

vreme

2

0

-1

0

100

200

vreme (ms)

300

400

500

relativna amplituda

direktan zvuk

nivo (dB)

relativna amplituda

1

1

0

vreme -1

Organizaciona podela studijskih prostora

STUDIO

izvor zvuka

REŽIJA

snimatelj

100

200

300

400

vreme (ms)

500

Psihoakustički zahtevi prema odzivu studijskih prostorija

STUDIJSKI BLOK KOMUNIKACION PROSTORI I POMOCNE PROSTORIJE

0

U psihoakustičkom smislu postoji nekoliko karakterističnih pojava, odnosno defekata, koje su značajne za kvalitet odziva. To su: - pojava jakih refleksija, - izraženost sopstvenih rezonanci, odnosno stojećih talasa i - neujednačenost vremena reverberacije po frekvencijama.

Uticaj jakih refleksija

direktan talas

ulaz (zvucnik)

kašnjenje

∆t

slabljenje

∆L

spektralne i vremenske promene

+

izlaz (uvo)

reflektovani talas

3

relativni spektar ulaznog signala (dB)

0

-10

-20 20

0

100

-1 -5

10000

0

vreme (ms)

5

10

1000

10000

-10

relativni nivo u bliskom polju zvucnika (dB)

-20 20


1

100

frekvencija (Hz)

0

-10

-20

2

1000

frekvencija (Hz)

0

relativni spektar sa refleksijom (dB)

relativna amplituda

1

100

0

1000

10000

1000

10000

frekvencija (Hz)

-10

-20

100

frekvencija (Hz)

Sopstvene rezonance prostorije

4


30

20

10

0

-10

-20

100

1000

10000

frekvencija (Hz)

Uticaj sopstvenih rezonance prostorije na rad zvučnika relativni nivo u bliskom polju zvucnika (dB)

0

-10

-20

-30

-40

-50

-60 60 70 80 90100

Ujednačenost vremena reverberacije

200

frekvencija (Hz)

300

400

500

Prizvuk od parazitskih oscilacija u prostoriji

1.0 0.9

vreme reverberacije (s)

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

maksimalno dopuštena vrednost

0.3 0.2

minimalno dopuštena vrednost

0.1 0.0 100

1000

frekvencija (Hz)

10000

5

Vrste akustičkih intervencija u prostorijama Postoje tri vrste akustičkih mera koje se uvode u prostorijama radi podešavanja njihovog impulsnog odziva: - apsorpcioni materijali i konstrukcije - difuzori - reflektori.

Porozni materijal Apsorpcioni materijali i konstrukcije Postoje tri oblika materijala i konstrukcija koje služe za apsorpciju zvuka. To su: - porozni materijali, - akustički rezonatori - mehanički rezonatori

zvucni talas

S

Sp

v

6

Koeficijent apsorpcije poroznih materijala

1

debljina materijala veca

0

0

frekvencija

frekvencija

Tepih debljine 1 cm na betonu

Gajbice za jaja 1,2

1.1

1,1

1.0

1,0

0.9

0,9

0.8

0,8

koeficijent apsorpcije


1.2

0.7 0.6 0.5 0.4

0,7 0,6 0,5 0,4

0.3

0,3

0.2

0,2

0.1

0,1

0.0

manja

63

125

250

500

1k

2k

0,0 125

4k

250

500

1k

2k

4k

frekvencija (Hz)

frekvencija (Hz)

Mineralna vuna 2,5 cm na čvrstoj podlozi 1.2 1.1 1.0

brzina oscilovanja

brzina oscilovanja

3

30 kg/m


0.9 0.8

5 kg/m

3

0.7 λ/4

0.6

zid

λ/4

zid

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

63

125

250

500

1k

2k

4k

frekvencija (Hz)

7

1.2

1.2

20 cm medjuprostor

1.0

1.0

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7 0.6

40 cm medjuprostor

0.5 0.4 0.3

0.7

0.5 0.4 0.3 0.2

0.1

0.1

125

250

500

1k

2k

4k

0.0

frekvencija (Hz)

1,2

40 cm medjuprostor

0.6

0.2

0.0

20 cm medjuprostor

1.1



1.1

125

250

1k

2k

4k

Ivični efekat

25 mm

1,1

500

frekvencija (Hz)

1,0


0,9 0,8

15 mm

0,7

zvucno polje

0,6 0,5 0,4 0,3

apsorpcioni materijal

0,2 0,1 0,0

125

250

500

1k

frekvencija (Hz)

2k

4k

Akustički rezonatori

Helmholcov rezonator

Ca

p

q

ma

p

8

q

ma

p

Ra Ca

1 2π ma C a

= ca

1 2π l V

Perforirana ploča 12,5 mm, 11% perforacije 1,2 1,1 1,0

c fo = = 2 π 2π ma C a 1

porozni materijal perforirana ploca

σ lb

0,9


fo =

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 125

250

500

1k

frekvencija (Hz)

2k

4k

9

1,2 1,1 1,0


0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

125

250

500

1k

2k

4k

frekvencija (Hz)

Mehanički rezonatori

q

m

Rm

p

Cma

mineralna vuna ploca

Šper na odstojanju od zida, medjuprostor popunjen vunom

Šper na odstojanju 24 cm sa i bez vune u međuprostoru

1.2

1.2

1.1

1.1

1.0

1.0

12 cm

0.9

0.8 0.7



0.9

24 cm

0.6 0.5

6 cm

0.4 0.3

0.8 0.7

0.5 0.4 0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

0.0

0.0

63

125

250

500

1k

frekvencija (Hz)

2k

4k

sa vunom

0.6

bez vune 63

125

250

500

1k

2k

4k

frekvencija (Hz)

10

Difuzori

Dijagram raspršavanja

11

Reflektori

12

AKUSTIČKI DIZAJN PROSTORIJA – ZVUČNA ZAŠTITA

Pojavni oblici zvuka u zgradama • vazdušni zvuk • strukturni zvuk

VAZDUŠNI ZVUK

IZVOR ZVUKA

STRUKTURNI ZVUK

1

Osnovni pojmovi koji definišu problem zvučne izolacije

Izolovanost je po definiciji:

D = L1 − L2

izolaciona moc

zvucni izvor

izolovanost zvucni izvor

L1

L2

Polazna tačka zvučne zaštite je propisivanje maksimalno dozvoljenog nivoa buke L2.

L2

Maksimalno dozvoljene nivoe buke u studijskim prostorima propisuju razne preporuke. Maksimalno dozvoljena vrednost zavisi od namene studija, vrste snimanja, mikrofonskog koncepta itd.

zvucni izvor

L1

L1

L2

Radijski studiji mogu imati nivo maksimalni buke 30 dBA. TV studiji i studiji za snimanje popularne muzike mogu imati maksimalni nivo buke 20 dBA. Dramski studiji i studiji za snimanje klasične muzike imaju maksimalno dozvoljeni nivo buke 15 dBA, pa čak i 10 dBA.

Dozvoljeni nivo buke se propisuje u dBA.

Za propisivanje nivoa buke u studijima često nije dovoljno propisati zbirni nivo buke, već se normiraju maksimalno dozvoljeni spektri buke. Tako se uvode takozvane “N krive“ kao kriterijum za propisivanje dozvoljenog nivoa buke.

2

120 N120 N115

140

120 N120

N110 N105

N110

N100

90

100

N105

N95

N100

N90

80

90

N95

N80

70

N75 N70

60

N65 N60

50

N55 N50

40

80

N40

70

N75 N70

60

N35

N25 N20

10

31,5

63

120

110

110

100

100

90

90 80

80 70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

N65 N60

50

N55 N50

40

N45 N40

30

N35 N30

20

N25

N30

20

130

120

N85 N80

N45

30

130

N90

N85 nivo zvuka po oktavama (dB)

nivo zvuka po oktavama (dB)

N115

)

100

110

(

110

10

N20

31,5

63

125 250 500 1000 2000 4000 8000 srednja frekvencija oktava (Hz)

20

20

10

10

0 -10 20

100

1000

frekvencija (Hz)

10000

125 250 500 1000 2000 4000 8000 srednja frekvencija oktava (Hz)

120

Putevi prolaska zvuka

N120

110

N115 N110

100

N105 N100

90

N95

nivo zvuka po oktavama (dB)

N90

80

N85 N80

70

N75 N70

60

N65 N60

50

N55 N50

40

N45 N40

30

N35 N30

20

10

N25 N20

31,5

63

125

250

500 1000 2000 4000 8000

srednja frekvencija oktava (Hz)

Pa ref

Pa

širenje

disipacija

Pa tr

3

τ=

Koeficijent transmisije:

Patr Pa

Izolaciona moć pregrade:

R = 10 log

širenje

Pa ref

Pa

disipacija

1

τ

[dB]

Pa tr

Zakon mase Izolaciona moć jednostruke nasivne pregrade:

Izolaciona moc R, dB

70

60

50

 ω ms   R ≈ 20 log  2ρ c  ms – površinska masa pregrade (kg/m2).

40

30

20

Izolaciona moć pregrade od armiranog betona Izolaciona moc R, dB

80

100

200

400

800

1600 3150 frekvencija, f, Hz

Izražavanje izolacione moći jednim brojem

20 cm 15 cm

70

10 cm 60

U praksi je pogodno da se umesto krive izolacione moći koristi pojednostavljen pokazatelj koji se izražava jednim brojem. To se postiže uvodeći pojam standardne krive koja služi za poređenje sa krivom izolacione moći pregrade.

50

40

30

20

100

200

400

800


4

Standardna kriva Izolaciona moc R, dB

70

Izolaciona moc R, dB

80

70

60

50

60

40 50

30 40

20 30

10 20

100

200

400

800

100

200

400

800



Nivo u drugoj sobi je:

Proračun izolovanosti

L2 = L1 − R + 10 log

S12 A2

S12 L1

A2

L2

S12 L1

L2

A2

Dvostruke pregrade Izolovanost je:

D = R − 10 log

S12 A2

S12 L1

L2

A2

5

Obilazak dvostruke pregrade

Odvajanje dvostruke pregrade

Šematski prikaz principa ″soba u sobi″

Izolacija od strukturnog zvuka • Sprečavanje ulaska u konstrukciju na mestu nastanka • Diskontinuiteti u strukturi konstrukcije zgrade

6

Ilustracija principa smanjenja pobude građevinske konstrukcije strukturnim zvukom

Plivajući pod

F1 masa elasticnost podloga

F2

plo~ice malter zid

malter zid plo~ice

parket

cementni estrih

cementni estrih ivi~na lajsna trajno elasti~ni kit

PVC folija elasti~ni sloj

cev rozeta trajno elasti~ni kit

PVC folija trajno elasti~ni kit

elasti~ni sloj

Elastični oslonci ispod mašina

F1 masa elasticnost podloga mineralna vuna

trajno elasti~ni kit

F2

7

70

Nivo zvuka udara Ln, dB

Normiranje udarnog zvuka 60

50

40

30

20

10

Vrata i prozori

100

200

400

800


Razni otvori

trajnoelasticni kit rozeta od L profila

zid kanala

mineralna vuna

8

Audio Teh Nikaa

Recommend Documents