Táto stránka vznikla ako Stredoškolská odborná činnosť žiakov SPŠE Piešťany.
Obsahuje teóriu a cvičenia k predmetu elektronika. Nerobíme si nároky na úplnosť a dokonalosť.
Ako zachrániť zvuk histórieAko zachrániť zvuk histórie(edícia námetov pre stredoškolskú odbornú činnosť) Ing. Roland Kánik, CSc. - Stredná priemyselná škola elektrotechnická PiešťanyV našom príspevku sa pokúsime pootvoriť dvere do priestoru nevšednej reštaurátorskej aktivity - do odboru reštaurovania starých zvukových nahrávok uchovaných na gramoplatniach, či na magnetofónových pásoch a to aplikáciou moderných digitálnych technológií.
Obmedzený rozsah príspevku neumožňuje hlbší ponor do problematiky pre svoju teoretickú náročnosť. Z tohto dôvodu predpokladáme u čitateľa elementárnu znalosť teórie fyziky zvuku. Je možné, že niektoré pasáže nemusia byť úplne zrozumiteľné. Preto v závere uvádzaný zoznam literatúry hĺbavejších záujemcov o tento obor môže naviesť na stopu vlastných pokusov o reštaurovanie, bez finančne náročnej technológie. Ak sa nám to podarí, splníme jednu z ambícií nášho príspevku, tj. zachrániť veľké množstvo zvukových nahrávok, ktorými disponujú muzeijné inštitúcie,školské knižnice a rôzne zvukové archívy, pre ich neoceniteľnú informačnú, umeleckú či didaktickú hodnotu.
V tejto súvislosti treba pripomenúť vážnu problémovú situáciu: kým nosiče zvuku sa dochovali v prevažne zachovalom stave, zariadenia umožňujúce ich reprodukciu ”vyhynuli”. Ako vyriešiť tento problém ? Pokúsiť sa reštaurovať aj reprodukčné zariadenia ? Ak by sme sa mali venovať aj tejto problematike a pozorný čitateľ si určite všimol, že ide o spojitý problém, museli by sme popísať celkom odlišný súbor postupov. Východisko teda vidíme v tom, že sa nadšenému reštaurátorovi zvuku predsa len podarí získať dobový reprodukčný prístroj, ako zdroj signálu pre jeho ďalšie zosnímanie a reštaurovanie. V tomto zmysle je náš príspevok dosť konkrétny, pretože podobnú anabázu sme aj my absolvovali a celý proces v záujme zrozumiteľnosti sprístupňujeme popisom konkrétneho riešenia, ktorého realizácia v podmienkach múzeijnej reštaurátorskej praxe by mohla nájsť uplatnenie.
Náš experiment spočíval v reštaurovaní zvuku zo starých krehkých, často hanlivo označovaných ”šelakových”, gramofónových platní (obrázok. 1).
obrázok 1
Nebudeme rozvádzať všetky pohnútky, ktoré nás k týmto experimentom priviedli, stačí uviesť jednu: existuje obrovské množstvo skvostnej hudby a nenapodobiteľnej interpretácie, ktorá sa už svojej reedície na CD nosič prevdepodobne nedočká. Na obrázku 2 je zobrazená bloková schéma reťazca aplikovaného na celý proces reštaurovania.
obrázok 2
Šelaková doska bola reprodukovaná na dobovom gramoprístroji s perovým pohonom taniera. Aby sme mohli zvukový signál vystupujúci z hrdla zvukovky premeniť do elektrickej podoby na ďalšie spracovanie, je kontaktne pripojená kapsula elektrétového mikrofónu. Jeho poslaním je premeniť akustický tlak na elektrický signál. Na obrázku 3 je zobrazené kontaktné pripojenie mikrofónu na zvukovku.
obrázok 3
Obrázok 4 zobrazuje detail pružného uloženia mikrofónu. Tento detail je dôležitý nielen z toho dôvodu, že eliminuje nežiadúce ruchy vyvolané mechanickými vibráciami prístroja. Kontaktné pripojenie prináša pre reštaurátora ďalší užitočný efekt: reálny obsah nahrávok je zosnímaný s charakteristickým zvukom dobovej reprodukcie, čo zvyšuje autenticitu snímku.
obrázok 4
Mikrofón plní dôležitú funkciu prevodníka medzi dobovým reprodukčným prístrojom a celým ďalším reťazcom, tak ako je uvedený na blokovej schéme. Z toho dôvodu je výber mikrofónu mimoriadne citlivá téma:
Ponuka typov mikrofónov je pomerne bohatá - tak pestro sú ale aj diferencované ich funkčné vlastnosti. Preto voľba vhodného typu pre naše účely nie je nevýznamná. K dôležitým technickým parametrom patrí:
druh mikrofónu: uhlíkový, dynamický, elektrétový, kondenzátorový
impedancia: uvádza sa v ohmoch (napr. 800 W)
kmitočtová charakteristika: určuje citlivosť mikrofónu vo vzťahu k snímanej frekvencii - hľadáme čo najvyrovnanejší priebeh v čo najširšom frekvenčnom rozsahu (napr. 80 - 18 000 Hz v tolerančnom poli ± 1 db)
smerová charakteristika: určuje smer snímania, voči ktorému je mikrofón citlivý (guľová, osmičková, kardoidná, hyperkardioidná)
maximálna prípustná úroveň akustického tlaku (určuje úroveň tlaku zvuku, ktorý mikrofón znesie bez deštrukcie jemných konštrukčných prvokv mikrofónu)
Pre naše účely vylúčime uhlíkové typy mikrofónov, vzhľadom na ich nízku citlivosť a obmedzený frekvenčný rozsah. Znášajú síce drsné zaobchádzanie, sú odolné voči otrasom a vlhkosti, nevyhovujú však z konštrukčného princípu - pri zlej zrozumitelnosti sa na mikrofón poklepkávalo, či do mikrofónu fúkalo, aby sa uvolnili šupinky uhlíka (aby sa ”načechrali”) a mikrofón mohol opäť reagovať na zmeny tlaku vzduchu. Tento hlúpy zlozvyk sa preniesol aj do doby konštrukčne dokonalejších typov mikrofónov, čo napr. u kondenzátorových mikrofónov môže mať priam deštrukčné následky. Jednoducho: na tento typ mikrofónov v našich aplikáciach zabudnime. Našu pozornosť zameriame na dva typy: dynamické mikrofóny využívajú elektromagnetickú indukciu. Z konštrukčného hladiska sa delia na cievkové a páskové. Cievkové sú robustné, majú prevažne guľovú charakeristiku (drobný handicap pre naše aplikácie), neutrálne prenosové vlastnosti a sú pomerne lacné. Páskové mikrofóny majú väčšinou osmičkovú charakteristiku, na kmitočty vyššie ako 10 kHz sú menej citlivé, majú jasný a čistý zvukový charakter. kondenzátorové mikrofóny využívajú pohyb metalizovanej membrány, ktorá sa pohybuje pred pevnou elektródou. Zmenou tlaku sa mení ich vzájomná vzdialenosť, čím sa mení kapacita takto vzniknutého kondenzátora. Aby kondenzátor udržal náboj, musí byť napájaný externým napätím (phantom napájaním), čo komplikuje prepojenie audioreťazca. Citlivosťou a frekvenčným rozsahom patria ku kvalitatívnej špičke a preto sú využívané najmä v profesionálnej štúdiovej praxi.
Špecifickým klonom kondenzátorových mikrofónov sú tzv. elektrétové mikrofóny, ktoré nepotrebujú externé napätie. To umožnilo ich miniaturizáciu (lavalier). Trpia jednou necnosťou - časom môže kondenzátor stratiť elektrický náboj. Avšak v porovnaní s inými kondenzátorovými mikrofónmi sú veľmi lacné.
Impedancia mikrofónov je ďalší dôležitý údaj. Významným spôsobom ovplyvňuje prenosové vlastnosti mikrofónu. Rozlišujeme medzi vysoko- a nízkoimpedančnými mikrofónmi. Vysokoimpedančný mikrofón by mal byť pripojený čo najkratším vedením, pretože dĺžkou kábla rastie jeho kapacita, ktorá sa neblaho podpisuje na prenose nízkych kmitočtov. Oproti tomu nízkoimpedančné mikrofóny nie sú tak citlivé na dĺžku prípojného kábla.
Smerová charakteristika je ďalšia dôležitá vlastnosť mikrofónu. Najčastejšie sa uvádza v smerovom diagrame (obrázok 5).
obrázok 5
V podobnom tvare je súčasťou technickej dokumentácie mikrofónu. Obrázok charakterizuje smerové vlastnosti kardioidného mikrofónu. To znamená(a obrázok to potvrdzuje), že mikrofón je citlivý z predného smeru v uhle približne 90° a necitlivý zo zadného smeru. Interpretácia tejto charakteristiky hovorí o tom, že mikrofón úplne vylučuje snímanie zvukov zo zadného smeru, čo v našich aplikáciach je vítanou vlastnosťou.
Ak by reprodukčné zariadenie malo na výstupe zvukový signál v elektronickej podobe, je samozrejmé, že sa ďalšia reštaurátorská práca uľahčí. Bloková schéma zobrazuje obe alternatívy a uvádza ”parametrové” požiadavky na kvalitu elektronického signálu.
Signál postupuje do úrovňového zosilovača, ktorý obsahuje aj kompresor signálu. Poslaním tohto prvku je zosilniť úrovňovo pomerne slabý signál zo zdroja na požadovanú úroveň bez frekvenčnej deštrukcie pre ďalšie spracovanie, a pomocou kompresora tento signál dynamicky vyvážiť. Kompresor zmenšuje dynamický rozsah, čo je vhodné najmä v prípadoch, keď dynamika signálu (tzn. rozdiel medzi najtichšími a najhlasnejšími pasážami) je väčšia, než je schopné nasledujúce zariadenie v reťazci spracovať. K tejto vlastnosti treba pripočítať ešte nie nepodstatný dôvod, prečo s kompresorom vážne počítať: proces úpravy dynamiky je spojený s akýmsi ”predčistením” signálu pred jeho ďalším spracovaním - čiastočne potlačuje šum a zmäkčuje skreslenie, čo v konečnom dôsledku celý proces audio restoringu a masteringu zefektívňuje 1.
Na výstupe úrovňového zosilovača dostávame signál elektrickou úrovňou a frekvenčným rozsahom uspôsobeným pre vstup zvukovej karty počítača, kde sa odohráva proces digitalizácie.
Proces digitalizácie zvuku
Všetký údaje, ktoré chceme spracovávať pomocou počítača, musíme previesť do digitálneho tvaru, teda do binárnej postupnosti jednotiek a núl. Tento proces sa nazýva digitalizácia a nevyhneme sa mu ani pri spracovaní zvukových nahrávok.
V súvislosti s prevodom zvuku do digitálneho tvaru sa v praxi používa pojem samplovanie alebo vzorkovanie.
Zvukový signál je v analógovej podobe spojitá krivka. Aby sme zvuk mohli previesť na digitálne dáta, je potrebné jeho krivku kvantizovať. Tento proces zabezpečuje tzv. AD (analóg - digitál) prevodník, ktorý je súčasťou každej zvukovej karty počítača. AD prevodník v pravidelných intervaloch zisťuje okamžitú hodnotu amplitúdy signálu privádzaného na vstup zvukovej karty. Hodnota amplitúdy sa vyjadruje v určitom rozsahu - tzv. bitové rozlíšenie 2. Interval snímania tejto hodnoty sa nazýva vzorkovacia frekvencia 3. Čím vyššia je vzorkovacia frekvencia a bitové rozlíšenie, tým presnejšie sa analógový signál kvantizuje. Z toho teda vyplýva, že samplovaním nikdy nedostaneme presnú digitálnu kópiu analógového zvuku, môžme sa mu len do istej miery priblížiť - tú mieru stanovujú práve obmedzenia vyplývajúce z bitového a vzorkovacieho rozlíšenia.
Vzorkovacia (samplovacia) frekvencia musí byť čo najvyššia. Podľa Shannon-Kotelnikoveho teorému platí fv > 2 f max (pričom f max je najvyššia frekvencia snímaného signálu). Pre ilustráciu: štandard Compact Disc Digital Audio (bežné audio cd) využíva 16 bitové rozlíšenie a 44,1 kHz vzorkovaciu frekvenciu, čím je schopný zaznamenať 22,05 kHz ako najvyššiu frekvenciu (citlivosť ľudského ucha dosahuje rozsah max. 16 - 18 kHz).
obrázok 6: vľavo príklad nízkeho samplovacieho rozlíšenia - digitálny signál je príliš nepresný, vpravo vysoké samplovacie rozlíšenie - digitálny signál veľmi presne opisuje krivku analógového signálu.
Výhody digitálneho spracovania zvuku
Napriek tomu, že samplovaním získavame neúplný, ochudobnený zvukový obraz, digitálne spracovanie zvuku má mnoho nespochybniteľných výhod oproti analógovej editácii. K tým najdôležitejším patrí:
nedeštruktívna editácia - každá operácia, ktorú na spracovávanom zvuku vykonáme, je vratná, teda kedykoľvek sa vrátiť k stavu spred niekoľkých krokov.
vizualizácia zvuku - pri editácii sa môžme orientovať nielen podľa zvuku, ale aj podľa jeho vizuálneho zobrazenia v podobe vlnového priebehu na monitore počítača. Horizontálna os predstavuje časový priebeh, vertikálna amplitúdu
obrázok 7: zobrazenie vlnového priebehu celej skladby (2' 40) v merítku 1:8192
obrázok 8: zobrazenie vlnového priebehu úseku skladby (0,024 sec.) v merítku 1:1
nestratové rozmnožovanie - každá rozmnoženina nahrávky v digitálnom formáte je 100% kópiou originálu, teda bez straty kvality
Proces digitálneho reštaurovania zvukovej nahrávky
1. Nahratie zvuku z platne, resp. z iného analógového nosiča, do počítača - v programe na spracovanie zvuku nahráme pomocou funkcie Record snímok a uložíme na disk v štandardnom formáte *.Wav.
2. Declicking - je proces, pomocou ktorého zbavíme nahrávku nežiadúceho praskania typického pre staré gramoplatne.
obrázok 9: nahrávka s praskaním
obrázok 10: detail jedného clicku
Používajú sa dve metódy declickingu:
vystrihnutie - časový úsek, na ktorom sa „lupanec“ nachádza jednoducho vymažeme. Aj keď sa jedná o zlomok sekundy, v konečnom dôsledku môže mať vplyv na dĺžku nahrávky. Táto metóda sa používa pri pomerne čistých nahrávkach s malým počtom clickov.
obrázok 11: odstránenie clicku vystrihnutím - šedý pás vyznačuje, o akú dĺžku bola nahrávka skrátená
interpolácia - miesto s „lupancom“ sa vymaže a doplní o signál interpolovaný medzi posledným bodom amplitúdy pred clickom a prvým bodom amplitúdy za clickom. Metóda je vhodná najmä na veľmi poškodené nahrávky, v ktorých by vymazávanie clickov mohlo byť príliš deštruujúce.
obrázok 12: odstránenie clicku interpoláciou - šedý pás označuje oblasť, ktorá bola interpolovaná
obrázok 13: nahrávka po odstránení praskania
3. Noise reduction - tento proces zbavuje nahrávku zbytočného šumu. Na základe analýzy nahrávky šumu (teda ticha bez užitočného signálu) sa vytvorí tzv. šumový profil. Porovnávaním procesovaného signálu so šumovým profilom sa z nahrávky ekvalizáciou odfiltrováva šum a ponecháva užitočný signál podľa vopred určeného pomeru. Treba brať do úvahy aj fakt, že šum a užitočný signál nie sú v spektre od seba oddelené, ale vzájomne sa interferujú. Teda každým odstraňovaním šumu strácame aj časť užitočného signálu, preto je nastavenie odšumovacieho pomeru vecou citlivého kompromisu. Pri reštaurovaní starých záznamov sa najčastejšie stretneme s tzv. hnedým alebo ružovým šumom (pozri bližšie o šumových profiloch na Wikipedii.
obrázok 14: príklad šumového profilu
4. Decrackling - pri prehrávaní platní, najmä 78 ot./min., vzniká aj hluk vlastného povrchu platne a jej drážok. Odstraňuje sa obdobným spôsob ako šum pomocou špeciálnych algoritmov.
5. Mastering - po vyčistení nahrávky od praskania a šumu je vhodné ešte odstrániť niektoré jej nedostatky konvenčnými filtrami:
ekvalizér - zvýšiť hlasitosť chýbajúcej alebo znížiť hlasitosť prebytočnej zložky spektra
enhancer - zostrenie a detailnejšie vykreslenie celkového zvukového obrazu
kompresor - úprava celkovej dynamiky nahrávky
normalizácia - zrovananie celkovej úrovne nahrávky na určitú hodnotu špičiek
Programové prostriedky pre audio restoring (pre operačný systém Windows)
Dart Pro 32
samostatná špeciálna aplikácia pre obnovu nahrávok
SoundForge
aplikácia na všeobecnú prácu so zvukovou nahrávkou podporujúca prídavné plugin moduly cez rozhranie DirectX
WaveLab
aplikácia na všeobecnú prácu so zvukovou nahrávkou podporujúca prídavné plugin moduly cez rozhranie DirectX a VST
Sonic Foundry Click Removal
prídavný plugin modul na rozhranie DirectX - odstraňovanie praskania
Sonic Foundry Noise Reduction
prídavný plugin modul na rozhranie DirectX - odstraňovanie šumu
Sonic Foundry Vinyl Restoration
prídavný plugin modul na rozhranie DirectX - súbor algoritmov pre celkové reštaurovanie zvukovej nahrávky
Poznámka na záver:
pri editácii treba dávať pozor, aby amplitúda neprekročila úroveň 0 db, inak bude signál skreslený (narozdiel od analógovej editácie, kde signál môže prekročiť 0 db bez skreslenia)
úpravy ako Noise Reduction alebo Declicking sú stratové algoritmy. Odstránenie šumu alebo praskania znamená aj stratu časti užitočného signálu. Nastavenie pomeru závisí od konkrétneho prípadu a je vždy kompromisné.
postup uvedený v tejto práci vystihuje len zlomok zvukárskej disciplíny označovanej ako audio restoring. Profesionálne zvládnutie tohto „remesla“ sa v zahraničí študuje ako samostatný univerzitný odbor. Naviac cena technického vybavenia profesionálnych restoring štúdii dosahuje astronomické čísla 4. Našim cieľom bolo ukázať jednoduchú a ekonomicky nenáročnú cestu ako v primeranej kvalite uchovať starú audio nahrávku pre budúcnosť.
Použitá literatúra
Forró, D.: Domácí nahrávací studio. Praha: Grada, 1996.
1 technologický proces úprav zvukovej nahrávky, ktorý nasleduje po mixáži nahrávky do jednej stereostopy. V reštaurátorskej praxi je táto fáza opísaná v časti Proces digitálneho reštaurovania zvukovej nahrávky, bod 5, tohto príspevku. (návrat do textu)
2 napr. 8 bitové rozlíšenie umožňuje celý rozsah amplitúdy kvantizovať len v škále 28 = 256; naproti tomu 16 bitové rozlíšenie kvantizuje ten istý rozsah v škále 216 = 65536 (návrat do textu)
3 okrem toho, že vzorkovacia frekvencia určuje presnosť priebehu nasamplovanej krivky, determninuje aj zloženie frekvenčného spektra digitálneho obrazu zvuku. Platí pravidlo, že najvyššia harmonická frekvencia sa rovná 1 vzorkovacej frekvencie. Napr. v praxi často používaná vzorkovacia frekvencia 44 100 Hz dokáže zaznamenať najvyššiu harmonickú frekvenciu v hodnote 22 050 Hz. (návrat do textu)
4 pre ilustráciu: profesionálny hardvérový systém pre audio restoring zn. CEDAR, skladajúci sa zo samostatných modulov Declicker, Dehisser, De Crackler a Azimuth Corrector, stojí približne € 60 000. Pri tom napríklad, špičková elektrónková tzv. hi-end zostava pre domáce použitie vychádza okolo € 10 000. (návrat do textu)
