Zvuky můžeme také dělit na: ustálené (syčení): periodické; nepravidelné (hluky) neustálené = přechodné (tlesknutí)

Transkript

1 Vlastnosti zvuku a zvukových záznamů DEFINICE ZVUKU Zvuk je mechanické vlnění 1 v látkovém prostředí, vyvolávající zvukový vjem v lidském uchu. Akustika je věda zabývající se ději spojenými se vznikem, šířením a vnímáním zvuku. Slyšitelnost obvykle v rozsahu 16 Hz až Hz (někde se uvádí 20 Hz až Hz): < 16 Hz = infrazvuk > 16 khz = ultrazvuk Rozdělení zvuku: Zvuky nehudební = hluk Zvuky hudební = tóny Zvuky můžeme také dělit na: ustálené (syčení): periodické; nepravidelné (hluky) neustálené = přechodné (tlesknutí) Doplerův jev = vysvětluje jevy, které nastávají při vzájemném pohybu zdroje vlnění, pozorovatele a prostředí; pozorovatel registruje jinou frekvenci vlnění než vyzařovanou ze zdroje vlnění. INFRAZVUK Jeho frekvence je nižší než 16 Hz, ucho ho není schopno zaznamenat, může nám však způsobovat závratě (při vysoké intenzitě i infarkt) 2. Používají ho např. sloni nebo velryby k dorozumívání. Holubi ho používají k orientaci. Podle některých vědců ho ke komunikaci používali i dinosauři. Vzniká v mořských a přímořských oblastech, zdrojem infrazvuku může být proudění vody, uragány, zemětřesení;ale také provoz strojů, letadla, auta. Šíří se velmi dobře ve vodě, naopak překážkou je vakuum a dostatečná vzdálenost. Zajímavost: infrazvuk vydává i světelný úkaz jako je polární záře. ULTRAZVUK Ultrazvuk také lidské ucho neslyší, ale např. delfíni či netopýři vnímají zvuk až do frekvencí okolo 150 khz. Má široké využití v lékařské diagnostice, kde v některých případech nahrazuje škodlivé rentgenové záření např. prohlídky těhotných žen (ultrasonografie). Také se používá pro čištění čoček, šperků, protože vyvolává vibrace. V průmyslu se používá defektoskopie, kterou se hledají skryté vady materiálu. V námořnictví sonar (lze zkoumat mořské dno, polohu ledovce, tah ryb) a echolot (=měření hloubky vody). 1 Kmitá- li soustava hmotných bodů jako celek jedná se o kmitání; kmitají- li části soustavy následkem vlastní pružnosti různě a výchylky jednotlivých bodů jsou různé, pak se jedná o vlnění nebo chvění. Vlnění je šíření vln, které přenáší zvukovou energii. 2 Pro člověka v infrazvukovém poli jsou nebezpečné ty frekvence, které se shodují s biologickými rytmy člověka - způsobuje stavy nevolností, úzkosti, zástavu srdce, nepropustnost cév, záchvaty hrůzy, dočasné oslepnutí a při velké intenzitě i smrt.

2 ZDROJ ZVUKU Zdrojem zvukového vlnění, stručněji zdrojem zvuku, může být každé chvějící se těleso. Podmínkou pro šíření zvuku je pružné prostředí. Ze zdroje zvuku se šíří zvukové vlnění do okolního prostředí (jedna částice v prostředí se rozkmitá, ta pak postupně rozkmitává ostatní díky pružným silám - > šíří se rozruch). V kapalinách a plynech se šíří jako postupné vlnění podélné, v pevných látkách jako postupné vlnění podélné i příčné. V nepružném prostředí (vlna, korek, plsť apod.) se zvuk šíří špatně. Takové látky používáme jako zvukové izolátory, dokonalou zvukovou izolací je např. vakuum. Zdroj nemusí být těleso kmitající vlastními kmity, ale může to být těleso kmitající kmity vynucenými (zařízení pro generování nebo reprodukci zvuku). RYCHLOST ZVUKU = rychlost, jakou se zvukové vlny šíří prostředím; není konstantní, závisí na prostředí a jeho vlastnostech a teplotě; nezávisí naopak na tlaku vzduchu, frekvenci a intenzitě zvuku. Zvuk se nejrychleji šíří v kovem, pak v kapalinách a nejpomaleji ve vzduchu. Ve vzduchu je rychlost při teplotě 0 C asi 332 m/s, v mořské vodě asi 1500 m/s, v oceli mezi m/s a např. ve dřevě je to 4000 m/s. Měření rychlosti zvuku: v kapalinách - odrazem zvukového vlnění od dna nádrže v pevných látkách - tyč ze zkoumané látky se upevní uprostřed, na ní se vytvoří stojaté vlnění a tyč kmitá;rychlost se pak spočítá pomocí vlnové délky a frekvence v plynech - rezonanční metoda TÓN Tón je hudební zvuk, vzniká při pravidelném (periodickém) kmitání. Při poslechu vzniká v uchu vjem zvuku určité výšky, proto se využívá v hudbě. Tón má svou výšku, barvu, intenzitu (hlasitost). Zdrojem tónu pohou být např. lidské hlasivky nebo hudební nástroje. Tóny můžeme rozdělit na: Základní (jednoduchý) tón = je to zvuk, jehož zvukovou intenzitu lze v závislosti na čase popsat sinusoidou Složený tón (nebo jen tón) = lineární kombinací základních tónů HLUK Hluk je nehudební zvuk. Nepravidelné vlnění vznikající jako složitější nepravidelné kmitání těles nebo krátké nepravidelné rozruchy. Je to např. šum, třesk, praskot, rány, křik, ale také některé zvuky v hudbě např. bicí. Intenzita hluku více než 75 db škodí a hluk nad 100 db je vnímán jako bolest. Nad 140 db dochází při jednorázovém působení i ke sluchovému poškození, protržení bubínku. Např.: ticho, bezvětří má 20 db; běžný hovor má 60 db; jedoucí vlak má 90dB. ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI ZVUKU Zvuk má čtyři základní vlastnosti zvuku: Výška zvuku: dána jeho frekvencí, čím vyšší frekvence, tím vyšší výška; jednotka výšky herz (Hz), určuje se výhradně u tónů.

3 Barva zvuku: Je určena nejen počtem vyšších harmonických tónů obsažených ve složeném tónu, ale také jejich amplitudami. Zvuky se při stejné výšce mohou lišit zabarvením, podle barvy zvuku sluchem rozpoznáváme hudební nástroje a hlasy lidí Hlasitost zvuku: subjektivní hodnocení sluchového vjemu, jednotka hlasitosti fon (Ph), pro objektivní hodnocení zvuku byla zavedena intenzita zvuku. Práh slyšitelnosti = nejmenší intenzita zvuku, kterou lidské ucho ještě vnímá (0 db) Práh bolestivosti = intenzita, jejíž překročení vyvolává pro ucho pocit bolesti (130 db) Intenzita zvuku: zvuková energie dopadající na jednotku plochy za jednotku času, jednotka intenzity bel (B) ZVUKOVÉ ZÁZNAMY - DĚLENÍ Zvuk můžeme samozřejmě různými způsoby zaznamenat. Formáty rozdělujeme do dvou skupin: 1. Formáty, které zabezpečují umělé vytvoření zvuku (MIDI) 2. Formáty, ve kterých je uložený digitalizovaný zvuk - ty můžeme ještě rozdělit podle toho, zda použijeme kompresi či nikoliv (bez komprese). Komprese, nebo také komprimace, slouží ke zmenšení objemu dat pomocí různých algoritmů a pravidel. Komprimované zvukové formáty tedy rozdělujeme na bezztrátové a ztrátové. Poznámka: Digitalizace: Analogový záznam (z mikrofonu) se digitalizuje. Převod zvuku do digitální podoby zajišťují elektronické součástky zvané A/D převodníky, v počítači je součástí zvukové karty: 1. Do zvukové karty vstupuje analogový elektromagnetický signál. 2. Zvuková karta provede tzv. vzorkování signálu. V určitých časových intervalech odečítá hodnotu záznamu jako číslo. Obvyklá vzorkovací frekvence pro ukládání hudby na CD je 44,1 khz, což znamená, že odečet hodnoty signálu se provádí každých 1/44100 = 0, sekund. 3. Zvuková karta provede tzv. kvantování = zaokrouhlování odečtené hodnoty. Tato hodnota se převede do dvojkové soustavy (1 vzorek do 8, 16 nebo 24 bitů) a uloží. Rekonstrukce: Zvuk uložený na pevném disku počítače je tedy v digitální podobě - posloupnost 1 a 0. V případě, že chceme uložený zvukový záznam přehrát, zvuková karta musí provést i opačný převod, protože zvuk vyluzují reproduktory, což je zařízení analogové. Provádí rekonstrukci zvukového signálu (zvuk není uplně totožný s originálem, drobně se odlišuje). Ripování: Digitalizovaný zvuk uložený na CD nosiči je primárně určený pro CD přehrávače. CD mechaniky v PC dokáží zvuk z CD přehrát, ale nelze jej zkopírovat na disk tak, aby se přehrál bez CD. Chceme- li digitální zvukový záznam uložit a přehrávat z disku, musíme jej převést do některého počítači

4 podporovaného zvukového formátu. Tento proces se nazývá ripování = proces ukládání zvukových dat z CD nosiče do počítač ve formátu WAV nebo AIFF. Komprese: Po převodu zvukového záznamu z CD nosiče na HD počítače (ripováním) se tento záznam uloží v podobě nezkomprimovaného zvukového souboru ve formátu WAV (Windows) nebo AIFF (Mac). Takové soubory však zabírají hodně místa - to vyřeší komprese. BEZ KOMPRESE WAV (Waveform Audio Format): základní formát pro ukládání zvuku. Velikost souboru je omezena na 4GB. V tomto formátu jsou uloženy skladby na CD, lze s nimi pracovat i na počítači. Vzorkovací frekvence 44,1 kh, bitová hloubka 16 bit (dnes už i 24). Do WAV formátu lze zaznamenat digitální zvukovou stopu v jakékoliv kvalitě (vzorkovací frekvence, bitová hloubka) a to jak mono, tak i stereo. Nabízí nejlepší možnou kvalitu ale velkou kapacitní náročnost. Jedna minuta v cd kvalitě (16bit/44kHz) je rovna zhruba 10 MB. AIFF: Formát vyvinutý firmou Apple pro záznam profesionálního zvuku. Ještě existuje formát AIFC - liší se pouze tím, že umožňuje kompresi. - Aby zvukový soubor nezabíral na disku hodně místa, může být specialozovanými nástroji (kodeky) překódován do úspornější podoby s využitím známých kompresních algoritmů. Pro co největší kompresní poměr se obvykle používá kombinace ztrátové i bezeztrátové komprese. - Při kompresi obvykle můžeme nastavovat míru komprese pomocí veličiny zvané bitrate (bitový tok). Udává, kolik bitů zpracuje počítač při přehrávání zkomprimovaného souboru za 1 sekundu (nebo také do kolika bitů se uloží informace o jedné sekundě zvukového záznamu). Jednotkou je bps (bit per second) bit za sekundu. Bitrate může být: konstantní (CBR) při přehrávání zpracovává počítač celý soubor stejnou rychlostí variabilní (VBR) při přehrávání se mohou některé části souboru (např. opakovaný jednoduchý zvuk, ticho...) zpracovávat rychleji, jiné pomaleji. Tato metoda komprese je náročnější na výpočty, přináší však lepší kompresní poměr. BEZEZTRÁTOVÁ KOMPRESE - komprese není tak účinná, avšak komprimovaný soubor lze vrátit zpět do původního stavu opačným postupem - dekompresí. FLAC (Free Lossless Audio Codec): Je to otevřený zvukový bezztrátový formát. Stejný princip jako komprimační formáty RAR/Zip. Velikost nového souboru je asi 60% z původního. Vysoká kvalita. AAC Lossless: Rozšíření standardu komprese zvuku MPEG- 4 Part 3, je přirovnáván k formátu FLAC. Soubory mají příponu.m4a. Není založen na AAC. WMA 9 Lossless: bezeztrátový formát pro Windows Media, je verzí WMA, která umožňuje bezztrátovou kompresi. Až 6 kanálů. Komprese 1,7:1 3:1.

5 ZTRÁTOVÁ KOMPRESE - při kompresi jsou některé informace nenávratně ztraceny a nelze je zpět rekonstruovat. Používá se v případech, kde je možné ztrátu některých informací tolerovat. Dojde sice k určitému zkreslení, ale odměnou je docela významné zmenšení souboru. MP3: je komprimovaný a ztrátový formát založený na kompresním alogoritmu MPEG. To znamená, že při převodu klasického hudebního souboru WAV do formátu MP3 dochází ke kompresi, tedy zmenšení velikosti souboru a také k odstranění zvuků, které se pohybují mimo hranice slyšitelnosti. Při zachování poměrně vysoké kvality umožňuje zmenšit velikost hudebních souborů v CD kvalitě přibližně na desetinu, u mluveného slova však dává výrazně horší výsledky. Velmi rozšířený je pro svou relativně malou datovou velikost také na internetu. WMA: byl původně určen jako náhrada za MP3 (které bylo patentované a Microsoft musel platit za jeho začlenění ve Windows). Formát WMA je určen pro přehrávání ve Windows Media Player. Ostatní přehrávače běžící pod Windows s nim problém většinou nemají, případně vyžadují doinstalování přídavného pluginu. OGG Vorbis: také kvalitní ztrátový formát, výhodou je, že je to open source. Původně náhrada za MP3. Kvalita jako WMA, i vícekanálový zvuk. Zvuk uložený ve formátu OGG zabírá na disku méně místa než stejně kvalitní zvuk ve formátu MP3. Vícekanálové formáty zvuku: AAC (Advanced Audio Coding): Následovník MP3. Je patentován skupinou MPEG. Má obrovský rozsah bitrate. Pokročilý kodek, využívá vysoce kvalitní kódování. AC3: nejvíce se používá na kódování zvukových stop na DVD. Je následníkem DolbyStereo, nemá příliš dobrý poměr kvality zvuku a komprese. Více možných konfigurací (1.0, ). DTS (Digital Theater Systems): Digitální vícekanálový formát prostorového ozvučení se ztrátovou kompresí, používaný především pro ozvučení filmů v kinech, discích DVD, nebo laserdiscích. Poskytuje lepší kvalitu než AC3, ale za extrémně vysokého bitového toku. Kompresní poměr 4:1 a 8:1. MIDI Tento formát je určen pro profesionální hudebníky a slouží ke generování zvuků různých nástrojů, pro komunikaci mezi nástroji a počítačem a v neposlední řadě pro převod notového zápisu do zvukové podoby. Soubor MIDI je souhrnem instrukcí pro zvukový syntetizátor počítače, hudebního nástroje nebo jiného zařízení, podle kterého se zvuk vytváří. Výhodou MIDI je, že potřebuje mnohem menší úložný prostor než ostatní formáty. Nehodí se na mluvené slovo. MIDI je i komunikační protokol mezi elektronickými hudebními nástroji a počítačem. Použití: skládání syntetizované hudby. MIDI je rozhraní pro spojování hudebních instrumentů, které si předávají v podstatě pouze noty/tóny, je to určitý druh komprese, přestože je aplikovatelný pouze na hudbu. MIDI je i soubor, který obsahuje stejné informace, které se po rozhraní posílají. Ke "kompresi" dochází ještě před samotným vytvořením souboru, nevytváří se tedy přímo zvukový soubor, ale pouze instrukce, jak má přehrávač zvuk vytvořit.