Digitalna obrada zvuka

1. Čulo sluha i zvuk kao fizička pojava

Zvuk je pojava koju čovek opaža čulom sluha te često ne mora da je objašnjava koristeći neke druge, njemu jasne pojmove i zbivanja. Za njega je to jedno od osnovnih osećaja pomoću kojih ostvaruje percepciju sveta oko sebe. Ipak, zvuk nije tajanstvena pojava koja postoji nezavisno od materije.

Zvuk najčešće nastaje sudarom dvaju objekata. Prilikom sudara objekti koji su elastični (u stvarnom svetu ne postoji objekat koji je potpuno neelastičan) vibriraju po površini. Tom prilikom pritisak na okolnu materiju menja se naizmenično. Svaki delić vazduha vibrira i svojom vibracijom prenosi energiju na susedne delove, koji nastavljaju vibriranje. Sve ovo podseća na talase koji nastaju na površini vode kada bacimo kamenčić. Zbog toga fizičari definišu zvuk kao talas koji se prostire kroz okolnu sredinu.01

Ispitivanjem ovih vibracija možemo uočiti neka svojstva zvuka (talasa):

1. brzina zvuka (zavisi od sredine kroz koju se kreće);

2. frekvencija (učestalost zvučnog talasa);

3. jačina zvuka (zavisi od amplitude);

4. boja zvuka (zavisi od materijala od kojeg potiču vibracije).

Zvuci se dele u dve osnovne grupe:

1. tonovi (nastaju pravilnim vibracijama, tj. vibracijama koje se ponavljaju u ravnomernim vremenskim jedinicama);

2. šumovi (nastaju nepravilnim vibracijama).

Ljudski organ za obradu zvuka (pored mozga, naravno) je uho. Po funkciji deli se na 3 dela: spoljašnje uho, srednje uho i unutrašnje uho. U ovom radu nećemo se detaljnije baviti delovima ovog čula, samo ćemo spomenuti njihovu funkciju, budući da je to služilo naučnicima kao primer zvučnih aparata.

Spoljašnje uho služi za prikupljanje zvuka i njihovo usmeravanje ka unutrašnjosti uha. Glavni deo srednjeg uha je bubna opna, koja prima vibracije i preko sitnih kostiju prenosi ih do unutrašnjeg uha. Dalje se u unutrašnjem uhu ove mehaničke vibracije pretvaraju u električne koje mozak može da obradi.

02

2. Problem predstavljanja zvuka u računarskim sistemima. Digitalizacija.

Kao što možemo da zaključimo iz prethodnog dela, zvuk je u stvari fizički talas. Da bi računari mogli da rade sa zvukom, neophodno je da nađemo način da sačuvamo informacije o ovom talasu u obliku koji je računaru razumljiv. Računarski sistemi rade sa podacima koji se predstavljaju nulama i jedinicama (digitalno), dok je zvuk analogna vrsta podataka. Analogni signal nema tačno određenu vrednost; vrednost analognog signala možemo odrediti samo do određene preciznosti. Digitalne vrednosti su suštinski drugačije, jer su njihove vrednosti zapravo članovi nekog diskretnog skupa dozvoljenih vrednosti. Digitalizacija se vrši iz 2 dela:

1. merenje vrednosti;

2. zaokruživanje na diskretnu vrednost.

 

03

Ova dva koraka odvijaju se jedan za drugim, a zaokruživanje se vrši odmah nakon merenja. Smatra se da u prvoj fazi, teoretski, izmerena vrednost ima apsolutnu preciznost. Budući da je za memorisanje ovakve preciznosti potrebno beskonačno mnogo skladišnog prostora, ova vrednost zaokružuje se na najbližu vrednost iz skupa dozvoljenih diskretnih vrednosti. U zavisnosti od veličine skupa dozvoljenih vrednosti, govorimo o dubini zvuka. Ovaj skup je ranije bio 8-bitni (28 elemenata skupa), a danas je uglavnom 16-bitni. Ovaj proces se ponavlja u (najčešće) jednakim vremenskim intervalima. Učestalost ovih vremenskih intervala nazivamo sampling rate ( stepen uzorkovanja). Što je veći stepen uzorkovanja, i što je veća preciznost (dubina zvuka), to je digitalizovana reprezentacija zvuka približnija analognoj verziji.

Prema Najkvistovoj (H. Nyquist) teoremi, prilikom digitalizacije dovoljno je uzimati uzorke dva puta češće od najveće frekvencije analognog zvuka da bi se očuvao kvalitet zapisa. Imajući u vidu da ljudsko uho registruje zvuke do 20kHz, neophodno je da frekvencija uzoraka bude 40kHz. Danas postoje razni standardi za frekvencije uzoraka. Najčešće se koriste frekvencije od 44.1 kHz, 48 kHz, ili za igrice, uglavnom 11 kHz ili 22 kHz (zbog boljih performansi).

 

04

Da bismo mogli da koristimo zvuk na računarima, neophodno je da računarski sistem bude sposoban da izvrši sledeće 3 operacije:

1. pretvaranje analognog zvučnog signala u električni signal;

2. digitalizacija analognog signala, njegova obrada, kao i pretvaranje digitalnih informacija o zvuku u električni oblik;

3. pretvaranje električnih signala u zvuk.

Za svaku od ovih operacija zadužena je po jedna komponenta računarskog sistema. Na narednim stranama opisaćemo svaku od njih.

3. Pretvaranje analognog zvučnog signala u električni signal (uređaji za snimanje zvuka)

Tomas Edison (Thomas Alva Edison) je prva osoba kojoj je pošlo za rukom da snimi i reprodukuje zvuk. Deset godina kasnije, 1887. godine, Emil Berliner (Emile Berliner) konstruisao je prvi gramofon. Gramofon je prvi uređaj koji je ušao u masovnu upotrebu i od koga počinje masovno korišćenje uređaja za snimanje zvuka. Ovo su bili analogni uređaji koji su radili na mehaničkom principu. Zvuk je sniman pomoću igle koja je urezivala informacije na površinu diska što se okretao. Da bi se zvuk kasnije reprodukovao, igla je trebalo da se kreće po istoj putanji po kojoj se kretala prilikom snimanja.

05

Danas postoji veliki broj raznovrsnih uređaja za snimanje zvuka. Za sve njih zajednička je membrana. Membrana je osetljiva na vibracije iz spoljašnje sredine. Zvuk prenosi energiju na membranu, zbog čega membrana počinje da vibrira. Membrana ove vibracije prenosi na neke druge komponente mikrofona, koji dalje ove vibracije koriste za stvaranje električnih signala.

Postoje razne tehnologije koje ove vibracije pretvaraju u električni signal. Ovde ćemo opisati samo dinamičke i kondenzatorske mikrofone.

 

Pored membrane, glavni deo dinamičkog mikrofona čine magnet i navojnica. Navojnica je spojena sa membranom, tako da se vibracije membrane prenose na navojnicu. Navojnica menja položaj u odnosu na magnet, što dovodi do stvaranja indukovane struje u navojnici. Ova struja zapravo čini električni signal koji se dalje šalje na obradu.

Dinamički mikrofoni su veoma jednostavnog dizajna, imaju malo pokretljivih komponenata. Uglavnom su veoma izdržljivi i otporni na grubo rukovanje. Bolje snimaju jače tonove. Još jedna pogodnost ove vrste mikrofona jeste to što ne zahtevaju pojačivač ni bateriju da bi funkcionisali. Sve ove osobine čine ih idealnim za opšte namene.

06

Kondenzator, naravno, čini centralni deo kondenzatorskog mikrofona. Jedna ploča kondenzatora je veoma tanka i ima ulogu membrane. Ova ploča vibrira pri nailasku zvučnih talasa, što uzrokuje promenu razdaljine između dveju ploča. Tom prilikom kapacitet kondenzatora se menja, na osnovu čega se stvara električni signal.

Da bi kondenzatorski mikrofon radio, neophodno je da na kondenzatoru postoji napon. Zbog toga ovaj tip mikrofona u sebi ima ugrađenu bateriju ili eventualno spoljašnji izvor. U odnosu na dinamičke mikrofone, ovi mikrofoni su osetljiviji na slabije tonove, kao i na promenu tonova. Nisu otporni na zvuke velikih jačina.

07

Još jedna bitna odlika mikrofona jeste usmerenost snimanja. Prema usmerenosti snimanja mikrofone delimo na sledeće kategorije:

1. omnidirekcionalne – snimaju zvuk iz svih pravaca;

2. unidirekcionalne – snimaju zvuk iz samo jednog pravca;

3. bidirekcionalne – snimaju zvuk iz dva suprotna pravca.

Poslednja odlika mirofona o kojoj govorimo jeste impedansa, tj. otpornost mikrofona. Što je otpornost manja, to je mikrofon bolji. Ovo ima uticaj kod mikrofona koji imaju duži kabl, jer mikrofoni sa manjom otpornošću teže gube signal.

4. Zvučne kartice

Prvi računari bili su uglavnom projektovani za računske operacije. Kao takvi, njima nije bio potreban zvuk, osim eventualnog zvona koje je kazivalo da nešto nije u redu sa računarom. Kasnije su programeri koristili zvona različitih visina da bi proizveli jednostavne zvuke i muziku, uglavnom za igrice. Srećom, performanse kompjutera značajno se popravljaju tokom osamdesetih godina prošlog veka, što dovodi do naprednije upotrebe zvuka. Prva zvučna kartica proizvedena je u kompaniji Creative Technology, a nazvana je Sound Blaster. Ova kartica bila je sposobna da reprodukuje zvuk 8-bitnog kvaliteta na frekvenciji od 11 kHz.

Postoje dva osnovna problema koje svaka zvučna kartica mora da reši. Prvi je pretvaranje analognih električnih signala u digitalne informacije, a drugi je suprotan prvom (pretvaranje digitalnog u analogni). Pored toga, svaka zvučna kartica sadrži konektor za povezivanje sa ostalim računarskim komponentama S(obično PCI ili PCI-Express, ranije ISA), kao i konektore za zvučnike i mikrofon.

U središtu svake zvučne kartice nalaze se 2 komponente:

1. ADC (analogno-ka-digitalnom konvertor);

2. DAC (digitalno-ka-analognom konvertor).

Ponekad su ove dve komponente objedinjene u komponentu koju nazivamo CODEC (coder-decoder). ADC obavlja posao opisan u drugoj oblasti ovog rada, dok DAC obavlja suprotan. Postoji brojni algoritmi koji rešavaju ovaj problem, i razne kartice koriste različite algoritme. Budući da je opis ovih algoritama složen i opširan, njima se nećemo baviti u ovom tekstu.

Bitno je da znamo da je za ove operacije neophodna procesorska snaga. Bolje zvučne kartice imaju integrisani procesor, koji smanjuje opterećenost centralne procesorske jedinice prilikom obrade zvuka. Ovaj procesor nazivamo DSP (digital signal processor). Ovaj procesor može posedovati algoritme za stvaranje specijalnih efekata (eho itd. ). Pored procesora, zvučne kartice mogu imati i sopstvenu memoriju.

Veoma važna karakteristika zvučnih kartica jesu i priključci koje one poseduju. Svaka kartica poseduje priključak za mikrofon i zvučnik. Poneke zvučne kartice imaju i više od jednog priključka ovih tipova. Poželjno je da zvučna kartica ima i višestruke priključke za 3D zvuk, zatim Sony/Philips Digital Interface, koji služi za prenos zvučnih podataka bez konverzije (digitalizacije), zatim MIDI (Musical Instrument Digital Interface) priključak, koji služi za povezivanje muzičkih instrumenata, kao i FireWire i USB konekcije, za konekciju digitalnih audio ili video rikordera na zvučnu karticu.

Prema lokaciji zvučne kartice delimo u 3 grupe:

1. Integrisane kartice – sastavni deo matične ploče. Primitivnih karakteristika. Koriste centralnu procesorsku jedinicu za obradu podataka. Danas gotovo svaka matična ploča sadrži zvučnu karticu – za svaki slučaj.

2. Standardne kartice – bolje performanse od integrisanih kartica. Jedina mana im je ta što zauzimaju više prostora, što utiče na njihovu implementaciju u prenosivim računarima.

3. Spoljašnje kartice – povezujemo ih na računar pomoću FireWire ili USB priključaka. Često imaju opcije koje nisu dostupne standardnim zvučnim karticama, poput više priključaka za zvučnike. Prednost ovih kartica je u tome što se lako prenose sa računara na računar. Takođe, jedini način za korišćenje prave zvučne kartice na određenim laptopovima koji imaju samo integrisanu zvučnu karticu jeste uz pomoć ove vrste kartica.

5. Uređaji za reprodukciju zvuka – zvučnici

Zvučnici imaju izuzetno veliki uticaj na krajnji kvalitet zvuka. Oni služe za pretvaranje energije električnog signala u energiju zvučnog talasa. Princip rada zvučnika zapravo je obrnut smer rada dinamičkih mikrofona. Zvučnici se sastoje od membrane, magneta, navojnice – koja je povezana sa membranom. Membrana je čvrsto povezana i sa ramom zvučnika. Struja koja dolazi do navojnica stvara indukovano magnetno polje. Interakcije između ovog polja i statičkog magnetnog polja je kao i kod običnih magneta, tj. suprotni polovi se privlače. Kako je struja koja protiče kroz navojnice naizmenična, njen pol i intenzitet neprestano se menjaju, što utiče na pomeranje navojnica. Na taj način nastaju vibracije koje se prenose na membranu. Membrana vibrira, i tim vibracijama menja vazdušni pritisak okolnog vazduha, što za rezultat ima stvaranje zvučnih talasa.

Da bismo postigli bolji kvalitet zvuka, obično koristimo različite zvučnike za različite frekvencije. Postoje tri osnovne grupe zvučnika:

1. Woofers (vufer iliti bas zvučnici) – za tonove niskih frekvencija;

2. Tweeters – za tonove visokih frekvencija;

3. Midrange – za tonove srednjih frekvencija.

08

Za niske frekvencije neophodni su veći zvučnici, dok je za reprodukovanje viših frekvencija pogodnije koristiti zvučnike sa manjim membranama. Ovo je i logično, jer više frekvencije zahtevaju češće vibracije, pa se to lakše ostvaruje sa manjom membranom. S druge strane, za niske frekvencije mala membrana bi isuviše brzo oscilovala ili bismo morali da je pravimo od isuviše elastičnih materijala, što bi za rezultat imalo zvuk slabog intenziteta.