Zvukové snímače. Vzdálenost [m] Hladina ak. tlaku [db]

Transkript

1 Zvukové snímače Trocha základů Zvuk se šíří od svého zdroje na všechny směry, ve vzduchu rychlostí cca 340 m/s. Lidské ucho je schopno vnímat frekvence mezi 16 Hz a 20 khz, přičemž zhruba platí pravidlo, že za každých deset let věku se horní hranice snižuje asi o 1 khz. Není na všechny frekvence stejně citlivé, nejcitlivější je na oblast 2 4 khz. Další vlastností lidského sluchu je efekt maskování jednoho zvuku zvukem jiným. Přesněji, výraznější zvuky mohou zakrýt ty tišší nebo méně výrazné. Této relativní nedokonalosti lidského sluchu využívá řada digitálních systémů při kompresi dat. Lidské ucho je stejně jako ostatní smyslové organy po určité době unavitelné, proto se vřele doporučuje při práci se zvukem dělat přestávky a pokud možno nepouštět zvuk příliš nahlas, sluch to nezlepší, ale naopak dřív unaví. Trochu tiššímu zvuku se ucho přizpůsobí. Možná je lepší používat klasické reproduktory a sluchátka pro konkrétní kontrolu již hotové části, ale záleží samozřejmě také na tom, o jaké úpravy se jedná. Některé jednotky, které možná budu používat: Akustický tlak [Newton/m², Pascal, mikrobar] - vyjadřuje zvýšení nebo snížení tlaku oproti klidovému stavu 1 N/m² 1 Pa 10 µbar akustický tlak 1 Pa lze vyjádřit tedy i v db (1 Pa 94 db) Akustický výkon [Watt] - energie vyzářená zdrojem za časovou jednotku Akustická intenzita [Watt/m²] - množství zvukové energie, která projde plochou 1 m² za 1 vteřinu Hladina akustického tlaku [decibel] - pokud vyjádříme práh slyšitelnosti jako vztažnou úroveň 0 db, je možné i hladinu akustického tlaku vyjádřit v db; tato jednotka je vhodná i z toho důvodu, že 1 db odpovídá zhruba právě slyšitelné změně v úrovni hlasitosti Zdroj zvuku Akustický tlak [db] Akustický tlak [Pa] Práh slyšitelnosti 0 2,0 10^ 5 Šum ve studiu 20 2,0 10^ 4 Tikot hodin 30 6,3 10^ 4 Šepot z 10 cm 50 6,3 10^ 3 Kytara z 40 cm 60 2,0 10^ 2 Saxofon z 40 cm 90 6,3 10^ 1 Hlasitý výkřik 130 (práh bolesti) 63 Vzlet tryskáče ^3 Vzdálenost [m] Hladina ak. tlaku [db] Z tabulky poklesu hladiny akustického tlaku na vzdálenosti je vidět, že dvojnásobek určité vzdálenosti od akustického zdroje odpovídá útlumu 6 db. Citlivost mikrofonu Mikrofon pomocí akustického tlaku indukuje elektrický signál. Systém měření citlivosti mikrofonu spočívá v umístění mikrofonu v akustickém poli o konstantní úrovni akustického tlaku 1 Pascalu (10 mikrobarů), přičemž se měří výstupní napětí mikrofonu (SPL = Sound Pressure Level = úroveň akustického tlaku). Čím vyšší je citlivost mikrofonu, tím je lepší odstup užitečného signálu od šumu, protože při vyšším signálu z mikrofonu jej není zapotřebí dodatečně tolik zesilovat.

2 Elektrický šum mikrofonu Tento údaj, většinou označovaný jako ekvivalent SPL, označuje úroveň zvuku, který by musel dokonalý bezšumový mikrofon snímat, aby měl na výstupu stejnou úroveň, jako má uvažovaný mikrofon v klidu dokonale zatlumené místnosti. Jednodušeji, jedná se o šum, který mikrofon sám o sobě indukuje vinou jeho konstrukce a elektrických součástek. Odstup signálu od šumu Je to rozdíl zpracovaného akustického tlaku a elektrického šumu. Z toho vyplývá, že s poklesem akustického tlaku (tišší zvuky) se odstup zhoršuje, proto je dobré ty nejtišší zvuky točit na nejcitlivější mikrofony, které jsou k dispozici. Při měření šumových vlastností se často setkáváme s různými metodami, které kompenzují rozdíly v citlivosti ucha při různých frekvencích. Maximální akustický tlak U tohoto parametru mohou některé velmi citlivé levné mikrofony naopak zaostávat, tzn. že hlasitější zvuky mohou snímat zkresleně. Maximální akustický tlak, který může mikrofon zpracovat se udává jako hodnota v decibelech při určitém velmi malém zkreslení, většinou 0,5% nebo 1%. Je to vlastně hranice akustického tlaku, od které mikrofon začíná snímaný signál znatelně zkreslovat. Ke značnému zkreslení rovněž dochází při vzduchových nárazech na membránu (vyslovovaná p nebo b, ), proto nikdy nefoukejte do mikrofonu za účelem vyzkoušení jeho funkčnosti či za účelem jiným! Mikrofonní membrána je stavěna na změny akustického tlaku, a to pouze po uvedenou úroveň, nikoliv na prudký vítr z těsné vzdálenosti. Celkový dynamický rozsah Vypočítáme jej jako rozdíl max. akustického tlaku a elektrického šumu. Jde vlastně o odstup maximálního (relativně nezkresleného) signálu od šumu u daného mikronu. Příklad s vysvětlením Některé údaje o mikrofonu RØDE NT3: - Max. Sound Pressure: >140dB SPL (for 1% THD) - Equivalent noise: <16dB SPL ( A weighted per IEC268-15) - Signal/Noise Ratio: >77dB - Dynamic range: >123dB Z těchto informací lze vyčíst, že mikrofon může zpracovat akustický tlak o maximální úrovni 140dB, a to při maximálním zkreslení 1%. Výrobce rovněž garantuje, že vlastní šum mikrofonu bude dosahovat úrovně menší než je 16dB. Tento parametr má poznámku, že byl měřen s tzv. A kompenzací, která přihlíží k nerovnoměrné citlivosti lidského ucha na jednotlivé frekvence tato metoda přináší pochopitelně mnohem hezčí výsledky, protože ucho je na příliš vysoké (oblast šumu) nebo příliš nízké (oblast brumu) frekvence méně citlivé, jak již bylo zmíněno. IEC je pouze měřící standard. U parametru S/N Ratio (SNR, odstup signálu od šumu) chybí jedna podstatná informace - je důležitá tlakové úroveň při které odstup měříme, protože snímaný signál je v přímé úměře ku odstupu. Většinou se však měří při 1 Pa, což odpovídá 94dB SPL, takže si výrobce tento údaj dovolil odpustit. Pro kontrolu můžeme odečíst šum mikrofonu a výsledek je zhruba správný, tedy minimálně 78dB, tj. těsně nad garantovanou hranicí. Dynamický rozsah lze taktéž vypočíst, je to vlastně max. SPL mínus Equivalent noise (elektrický šum mikrofonu). Z toho vyplývá, že tyto dvě informace jsou nejdůležitější lze z nich alespoň přibližně vypočítat ostatní.

3 Frekvenční a směrová charakteristika Kromě dalších údajů (impedance, váha, napájení, typ konektoru, ) můžeme na vidět na specifikačním letáku dva typy grafů. Jeden ukazuje odezvu mikrofonu na frekvence v celém spektru, které je schopen sejmout (Frequency Response), druhý nám říká, jak mikrofon reaguje na zvuky z různých směrů (Polar Chart). Názornější bude opět ukázka s vysvětlením: Na vodorovné ose je logaritmická stupnice zastupující frekvenci a svisle se pak nanáší poměrná odezva mikrofonu. Tento mikrofon je např. mírně citlivější v oblasti kolem 700 Hz. Nutno však podotknout, že z tohoto grafu nevyčteme mnoho, dokonce ani Zvukař, který zná dobře charakter jednotlivých frekvenčních zón, by neudělal žádný závěr o mikrofonu z jeho grafu. Dva mikrofony s velmi podobným frekvenčním průběhem mohou mít docela jiný zvuk, proto je nejlepší před koupí vždy poslechnout, vyzkoušet. Křivka odezvy se často rozdvojuje pro znázornění různých okolností, které na ni mají vliv. Na uvedeném obrázku je vidět, že protivětrný návlek značně ubírá mikrofonu na výškách. Na některých grafech bývá obdobně znázorněn dvojí průběh basů v závislosti na vzdálenosti mluvčího či instrumentalisty od mikrofonu, kdy s větší blízkostí narůstá tzv. Proximity Effect - přesycování v oblasti nižších frekvencí. Narozdíl od Frequency response, který znázorňoval frekvenční charakteristiku, Polar Chart ukazuje směrovou charakteristiku. Ta je měřena s mikrofonem na otočném talíři, přičemž zdroj zvuku o určité frekvenci jde stále z jednoho bodu. Většinou se měří pro více frekvencí (např. pro čtyři viz obrázek), protože mikrofony reagují na různé frekvence z různých směrů rozdílně. Čím vzdálenější je křivka od středu, tím větší je citlivost na frekvenci v daném směru. Pro přehlednost má každá frekvence

4 vyhrazený svůj typ čáry. Na obrázku je např. vidět, že zezadu (180 ) mikrofon slyší mnohem lépe frekvence kolem 14 khz než 1 khz, nebo že z boku jsou jednotlivé frekvence snímány relativně rovnoměrně. Ovšem je to opět pouhá teorie, vše se musí vyzkoušet, navíc v praxi se na těchto vlastnostech podepíše místnost či prostředí ve kterém pracujeme (pokud nenahráváme v mrtvé komoře). Podle tvaru křivky rozlišujeme několik základních směrových charakteristik (dále je SCh). Uvedený graf je typický pro (hyper)kardioidní SCh (cardioid), dále se často setkáme s kulovou neboli všesměrovou (omni-directional) SCh, jejíž graf má víceméně kulovitý tvar, nebo s osmičkovou (figure-eight, bi-directional) SCh s grafem ve tvaru cifry 8. Hyperkardioidní mikrofon bude výborně snímat zvuk, který bude přicházet zepředu nebo mírně zboku, ale nebude zaznamenávat příliš dozvuk, který přichází z druhé strany. Pro snímání více rovnocenných zdrojů zvuku (rozhovor více lidí u kruhového stolu apod.) nebo věrné zachycení akustiky prostředí je vhodnější kulová SCh. Analogicky, mikrofon s osmičkovou SCh je dobré umístit mezi dva zdroje zvuku směřující vzájemně proti sobě (např. dva vokalisté ve studiu). Typy mikrofonů z hlediska konstrukce Zde uvedu pár základních typů mikrofonů podle způsobu převodu akustické energie na elektrický signál: Dynamické mikrofony Jsou konstrukcí podobné reproduktorům, signál vzniká elektromagnetickou indukcí (zajímavou zkušeností je v případě nouze užít sluchátka jako velmi špatný dynamický stereo mikrofon). Jejich nevýhodou je především slabý signál, který vyžaduje větší zesílení vstupního předzesilovače, čímž rapidně vzrůstá šum. Jisté šumové úlevy přinášejí větší membrány, ale ty jsou línější co do vyšších frekvencí a hlučnější při manipulaci s mikrofonem (Handling Noise). Proto je zde velikost membrány otázkou (ovšem podstatnou otázkou) kompromisu. Dynamické mikrofony jsou určeny zejména pro snímání hlasitějších zvuků z menších vzdáleností. Přesto mají řadu výhod: jsou relativně nenákladné na výrobu, jsou mechanický odolné, mohou snášet extrémně vysoké úrovně tlaku a nevyžadují žádné napájení, protože neobsahují žádné elektronické obvody. Kondenzátorové (kapacitní) mikrofony Jsou konstrukčně složitější, což se promítá v jejich ceně. Princip je založen na faktu, že pokud změníme vzdálenost mezi dvěma deskami kondenzátoru (jedna z nich je zde právě membrána s velmi tenkou kovovou vrstvou), změní se mezi nimi i napětí, které lze měřit. Tento mikrofonní systém je nejcitlivější, obvykle s vyrovnanou kmitočtovou charakteristikou na velmi širokém spektru a má i nízký šum. Má však i nevýhody: vyžaduje tzv. fantomové napětí (Fantom Power), některé modely jsou dost křehké, jsou citlivé na vlhko, které způsobuje vybíjení náboje na deskách kondenzátoru, jehož důsledkem je potom znatelně nižší citlivost (pozor, může vadit i dech zpěváka). Jde o nejkvalitnější a nejdražší konstrukci používanou především ve studiích. Elektretové mikrofony Mají nejlepší poměr výkon/cena, ale lépe jsou na tom s cenou nežli s výkonem. Nejlevnější elektretové mikrofonní kapsle se dají sehnat již za 13 Kč, což je opravdu téměř zadarmo. Tento systém vyžaduje o něco těžší membránu, jejíž vahou opět ztrácí na výškách. Přesto jsou jím stále osazovány některé kazetové magnetofony nebo kamery, protože dávají relativně kvalitní signál.

5 Zvuk ve filmu Na závěr bych chtěl doporučit pro záznam digitální technologii (DV na kameře nebo MD - minidisc rekordér), protože odpadá spoustu problému se šumem, synchronizací a s časem vůbec, zvlášť při natáčení filmu, kdy musíme věnovat nemalou pozornost řadě dalších věcí. Nicméně, zvuk u filmu bych rozhodně nepodceňoval, často je to právě ona stěžejní věc, která natáčenému kousku udělá ten správný výraz, pocit. Při natáčení dialogů nebo ostatních věcí doporučuji vyzkoušet jak zvuk syrový, tak dubbing. Osobně se častěji přikláním k té přírodní variantě, protože atmosféra skutečného prostředí, ve kterém se natáčelo, jde napodobit obvykle velmi těžko. Jsou však situace, kdy se dubbing hodí více (záleží na záměru autora), ovšem je to technika, kde přes sebevětší námahu dostaneme ač kvalitnější, tak méně přirozený výsledek. Případné dotazy můžete směřovat na můj univerzitní pieman@mail.muni.cz Pavel Křivák, Brno 25. června 2003