Současné formáty pro záznam zvuku

Definice stylu: Nadpis obsahu: Mezera Za: 12 b. Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informatiky a kvantitativních metod Současné formáty pro záznam zvuku Bakalářská práce Autor: Daniel Falout Informační technologie, Manažer projektů IS Vedoucí práce: Ing. Bohuslav Růžička, CSc. Praha 2016

Prohlášení Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou použitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací. V Praze, dne 25.4.2016 Daniel Falout

Poděkování Rád bych tímto poděkoval mému vedoucímu práce panu ing. Bohuslavu Růžičkovi, CSc. za odborné vedení, za cenné rady a vstřícnost při konzultacích, které mi byly velkým přínosem a důležité pro dokončení mé práce.

Anotace Cílem mé bakalářské práce bylo popsat používané technologie pro záznam zvuku a uvést přehled současných zvukových formátů, včetně příkladů použití. V úvodní části jsem popsal, jak zvuk vzniká, jaké jsou jeho zdroje a vlastnosti. Dále jsem se věnoval průběhu záznamu zvuku a používaným technologiím. Podrobně jsem definoval rozdíl mezi ztrátovou a bezeztrátovou kompresí, díky čemuž jsem mohl popsat jednotlivé formáty a jejich využití. Klíčová slova zvuk, formát, komprese, frekvence, digitalizace, signál, modulace Annotation The aim of my thesis was to describe the technology used to record sound and give an overview of current audio formats, including application examples. In the first part, I discussed how sound actually arises, what are its sources and properties. I also dealt with the process of sound recording and the technology used. I outlined in detail the difference between lossy and lossless compression, due to which I was able to describe various formats and their usage. Key words sound, format, compression, frequency, digitalization, signal, modulation

OBSAH 1. ZVUK... 8 1.1 Zdroj zvuku... 8 1.2 Vznik zvuku... 9 1.3 Tón a hluk, základní fyzikální veličiny... 10 1.4 jak člověk vnímá zvuk... 10 1.4.1 Frekvenční rozsah... 11 1.4.2 Dynamický rozsah... 11 1.4.3 Rozlišování frekvence... 11 1.4.4 Frekvenční maskování... 12 1.4.5 Časové maskování... 12 1.5 Zvukové vlnění, akustický tlak... 12 1.6 Efektivní akustická rychlost a efektivní akustický tlak... 14 1.7 Vlastnosti zvuku... 15 1.7.1 Výška zvuku (tónu)... 15 1.7.2 Barva zvuku... 15 1.7.3 Hlasitost a intenzita zvuku... 16 1.8 Dopplerův jev... 17 1.9 Ochrana před hlukem... 18 2. ZÁZNAM ZVUKU... 19 2.1 Mechanický záznam zvuku... 19 2.2 magnetický zánam zvuku... 21 2.3 optický záznam zvuku... 24 2.4 HI-FI technologie... 25 3. DIGITALIZACE ANALOGOVÉHO SIGNÁLU... 26 3.1 výhody digitálního záznamu... 26 5

3.2 digitalizace analogového signálu... 26 3.2.1 Vzorkování signálu... 26 3.2.2 Kvantování signálu... 29 3.2.3 Kódování signálu... 29 3.3 Digitální záznam zvuku... 30 3.3.1 Historie CD a jeho technická data... 30 3.3.2 Audio CD... 31 3.3.3 Technologie MIDI... 32 4 KOMPRESE DAT... 33 4.1 důvody komprese... 33 4.2 kompresní poměr... 34 4.3 vliv hudebního žánru na kompresi... 34 5. ZVUKOVÉ FORMÁTY BEZEZTRÁTOVÉ... 36 5.1 Apple Lossless... 36 5.2 Formát flac... 36 5.3 Formát APE... 37 5.4 formát wma... 37 5.5 Formát WAV... 38 6. ZVUKOVÉ FORMÁTY ZTRÁTOVÉ... 39 6.1 formát AaC... 39 6.2 Formát dolby digital... 39 6.3 kodeky amr... 41 6.3.1 Kodek AMR-WB... 41 6.3.2 Kodek AMR-WB+... 42 6.4 Formát ATRAC... 42 6.5 formáty skupiny G... 42 6.5.1 Formát G.711... 42 6

6.5.2 G.711.0... 43 6.5.3 G.711.1... 43 6.5.4 g.729... 44 6.6 formát mp3... 44 6.7 Formát MP3Pro... 45 6.8 formát mod... 45 6.9 formát musepack... 46 6.10 formát OPUS... 46 6.11 formát Speex... 47 6.11.1 Voice Activity Detection... 47 6.11.2 Discontinuous Transmission... 47 6.11.3 Perceptual enhancement... 47 6.12 Formát Vorbis... 47 7. MODULACE SIGNÁLU... 49 7.1 amplitudová modulace... 49 7.2 Frekvenční modulace... 50 7.3 fázová modulace... 50 7.4 modulační a přenosová rychlost... 50 ZÁVĚR... 52 SEZNAM ZDROJŮ... 54 Knižní zdroje... 54 Internetové zdroje... 56 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK... 61 SEZNAM POUŽITÝCH TABULEK... 62 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ... 62 7

1. ZVUK Zvukový signál je vlnění vzduchu (případně pevného nebo kapalného prostředí) přijímané lidským uchem 1. Z fyzikálního hlediska je zvuk mechanické vlnění v látkovém prostředí. Toto mechanické vlnění je schopno vyvolat tzv. sluchový vjem, který je u člověka značně individuální. Individualita se projevuje ve vnímání prahových frekvencí, které se uvádí v literaturách v rozsahu 16 Hz až 16 000 Hz (někde až 20 000 Hz). Frekvence za těmito hranicemi je pro člověka neslyšitelná (nevyvolává sluchový vjem), nicméně se také označuje jako zvuk. Pod hranicí 16 Hz se jedná o infrazvuk, který ale vnímají někteří živočichové, například sloni, a nad hranicí 20 000 Hz se hovoří o ultrazvuku, který vnímají například netopýři, delfíni, psi nebo hlodavci. Ději, které jsou spjaty se vznikem, šířením a také vnímáním zvuku, se zabývá akustika. 2 1.1 ZDROJ ZVUKU Za zdroj zvuku lze považovat zdroj zvukového vlnění. Hmotné prostředí, ve kterém se zvuk šíří, se nazývá jeho vodič. Nejčastějším vodičem je vzduch. Zprostředkovává spojení od zdroje zvuku směrem k jeho přijímači neboli detektoru. 3 V praxi se nejčastěji jedná o lidské ucho, ale může to být také mikrofon, nebo obecně jakýkoli jiný snímač (přijímač). Zvuk se nešíří pouze vzduchem, ale také i kapalinami jako je například voda, a také pevnými látkami, jako je například stěna domu. Nejdokonalejší zvuková izolace je vakuum 4, tedy vzduchoprázdno, protože v takovém prostředí se nemá zvuk jak šířit, nemá tam co kmitat. Zdrojem zvuku může tedy být jakékoliv těleso, které se chvěje. To samo o sobě však nerozhoduje o jeho šíření v okolí. Záleží také na tom, jaké je dané těleso tzv. zářičem. Tedy je-li dobrým, či špatným zářičem zvuku. Tato vlastnost závisí na geometrickém tvaru zářiče a směru jeho kmitání. Příkladem je struna napnutá mezi dvěma pevnými body. Její chvění je 1 MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku V. České Budějovice: KOPP, 2001. Str. 60. 2 Technimanie Science Center. Akustika metodiky a pracovní listy. In techmania.cz [online]. Dostupné z WWW: http://techmania.cz/wp-content/uploads/2015/07/techmania_metodika_akustika_cz.pdf 3 Asociace akustiky č.s. Akustický slovník. In asociaceakustiky.cz [online]. Dostupné z WWW: http://www.asociaceakustiky.cz/akusticky-slovnik 4 Zvuk [online], poslední aktualizace 10. 2. 2016 v 16:43. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/zvuk 8

oboustranné, vždy na jedné straně vznikne přetlak (ve směru pohybu struny) a na druhé straně podtlak. Chvění tedy může mít opačnou fázi. Tomuto jevu se říká interference a interferencí se vlnění ruší, i když v určitých případech ho může i zesilovat. 5 Dalším zdrojem zvuku jsou tzv. ozvučnice. Jedná se o tělesa, která nekmitají svévolně, ale jsou ke kmitání přinuceny. Používají se u reproduktorů, sluchátek a u obecně vzato měničů zvuku. Tato tělesa generují nebo reprodukují zvuk. 6 Akustický signál se snímá mikrofonem a převádí se na elektrický signál. Z elektrického signálu vytváříme zvukový signál pomocí reproduktoru nebo piezoměniče 7. 1.2 VZNIK ZVUKU Zvuk může vznikat různými způsoby. Mezi nejčastější patří: a) Prouděním zvuku okolo ostré hrany například hra na žesťové nástroje. S tímto efektem se ale můžeme setkat i ve větším měřítku, například když fouká silný vítr kolem vysokého komína. b) Rychlým pohybem například bič nebo střela. Tyto zvuky jsou krátkodobé a projeví se zpravidla velmi intenzivně. c) Prudkou změnou tlaku exploze, výbuch nebo třeba otevření limonády. I zde se jedná zpravidla o velmi krátké, ale velmi intenzivní zvuky. d) Drnkáním, smýkáním tyto zdroje využívají strunné hudební nástroje, může pocházet i od spalovacích motorů, nevyvážených elektromotorů apod. 8 5 Otevřená škola. Dj za 10 dní pracovní sešit. In otevrena-skola.cz [online]. Dostupné z WWW: www.otevrena-skola.cz/cms/get/file.php?id=446 6 Otevřená škola. Dj za 10 dní pracovní sešit. In otevrena-skola.cz [online]. Dostupné z WWW: www.otevrena-skola.cz/cms/get/file.php?id=446 7 MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku V. České Budějovice: KOPP, 2001. Str. 61. 8 Zvuk [online], poslední aktualizace 10. 2. 2016 v 16:43. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/zvuk#vznik_zvuku 9

1.3 TÓN A HLUK, ZÁKLADNÍ FYZIKÁLNÍ VELIČINY Zvuky se dělí na dvě skupiny: tóny a hluky. 9 Tóny neboli zvuky hudební, vznikají při pravidelném a v čase periodicky probíhajícím pohybu tzv. kmitání. Pro člověka při jejich poslechu vzniká zpravidla příjemný vjem tónu určité výšky, a proto se tónů využívá především v hudbě. Zdrojem mohou být pochopitelně hudební nástroje, ale třeba i lidské hlasivky. 10 Hluky neboli zvuky nehudební, vznikají nepravidelným vlněním a složitým kmitáním. Může se také jednat o krátké rozruchy nepravidelných příčin. To může být vyvoláno střetnutím dvou či více těles, elektrickým výbojem nebo třeba střelou. Zajímavé je, že i hluky jsou dnes často využívány i v hudbě, například u bicích nástrojů, a jsou součástí moderních syntetizátorů. 11 Každý zvuk se vyznačuje svojí fyzikální intenzitou, jejíž veličina se nazývá hladina intenzity zvuku. Udává se v db (decibelech). Jedná se o bezrozměrnou jednotku, která vyjadřuje poměr podílu dvou akustických tlaků. Pokud hladinu akustického tlaku označíme L p, pak: 10.log 20.log [db; Pa, Pa], p o = 2. 10-5 [Pa] Tomu odpovídá další veličina, kterou je tzv. hlasitost. Další fyzikální veličinou, jak již bylo uvedeno, je frekvence, které odpovídá výška tónu. Poslední základní veličinou je barva (zabarvení) tónu, která je dána průběhem kmitání. Můžeme ještě také hovořit o délce zvuku, která je závislá na jeho trvání. 1.4 JAK ČLOVĚK VNÍMÁ ZVUK Vnímání zvuku je velice složitý proces. Zjednodušeně řečeno, zvukové vlny rozechvějí ušní bubínek, který toto chvění přenese přes kovadlinku a třmínek na ušní nerv. Vnímání zvuku je u každého člověka zcela individuální. Je to dáno fyziologickými vlastnostmi každého člověka jako jedince a také procesem stárnutí. S rostoucím věkem horní hranice slyšitelných tónů výrazně klesá a může vést až k úplné hluchotě. 9 Reichl, Jaroslav, Všetička,Martin. Základní dělení zvuku. In Encyklopedie fyziky. [online]. Copyright 2006 2016. Dostupné z WWW: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/186-zakladni-deleni-zvuku 10 Otevřená škola. Dj za 10 dní pracovní sešit. In otevrena-skola.cz [online]. Dostupné z WWW: www.otevrena-skola.cz/cms/get/file.php?id=446 11 Otevřená škola. Dj za 10 dní pracovní sešit. In otevrena-skola.cz [online]. Dostupné z WWW: www.otevrena-skola.cz/cms/get/file.php?id=446 10

Vnímáme především vlastnosti zvuku, které jsou 12 : a) Frekvenční rozsah b) Dynamický rozsah c) Rozlišovací frekvence d) Frekvenční maskování e) Časové maskování 1.4.1 Frekvenční rozsah Jak už bylo uvedeno, rozsah zvukových frekvencí, které člověk vnímá, je obvykle mezi 16 Hz a 16 khz, někteří slyší až 20 khz. Významným rozsahem je však oblast mezi dvěma až čtyřmi khz, která je důležitá pro srozumitelnou řeč. 13 Na tyto frekvence je také lidské ucho nejcitlivější a nejlépe ho vnímá. Frekvenci 1 khz vnímá člověk vůbec nejcitlivěji. I zde se pochopitelně jedná průměrnou hodnotu, která se v praxi u každého jednice může lišit. 1.4.2 Dynamický rozsah Dynamickým rozsahem rozumíme vnímání rozdílu mezi nejhlasitějším a nejtišším zvukem. Jeho střed je v oblasti kolem 120 db. Směrem k okrajům pásma se výrazně citlivost zmenšuje. 14 I tento vjem je také významně závislý na věku člověka a s přibývajícím věkem vnímání zvláště tichých zvuků velmi klesá. 1.4.3 Rozlišování frekvence Člověk je schopen rozeznávat frekvenci, čili výšku tónu. Opět lze konstatovat, že uprostřed slyšitelného frekvenčního pásma je citlivost lidského ucha daleko větší, než na jeho okrajích. Každý ale vnímá frekvenci jinak a s tím souvisí lidově řečeno hudební sluch. Člověk, který navenek zpívá falešně, zpívá vlastně vůči svému vnitřnímu já čistě právě vzhledem k jeho například posunuté frekvenční vnímavosti vzhledem k tomu, že člověk se slyší jednak ušima, ale zároveň se jeho řeč přenáší tělem a zvláště kostmi. Vnímá svůj vlastní 12 Akustika [online], poslední aktualizace 7. 3. 2016. [cit. 25. 4. 2016], WikiSkripta. Dostupné z WWW: http://www.wikiskripta.eu/index.php/akustika 13 Zvuk [online], poslední aktualizace 10. 2. 2016 v 16:43. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/zvuk 14 Zvuk [online], poslední aktualizace 10. 2. 2016 v 16:43. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/zvuk 11

hlas jinak, než ho slyší jeho okolí. Člověk se na zvukové nahrávce svého záznamu obvykle nepozná. 1.4.4 Frekvenční maskování Frekvenční maskování je ovlivnění schopnostíi člověka odlišit dva tóny, které jsou frekvenčně blízké. Pokud vnímá dva tóny, může se stát, že dojde k potlačení jednoho tónu druhým, takže slyší pouze jeden tón. Tato neschopnost člověka vnímat oba tóny najednou je označována jako frekvenční maskování. Je závislé na frekvenční vzdálenosti obou tónů a úrovni maskujícího signálu. Vnímání tónů s blízkou frekvencí je tedy ovlivněno šířkou tzv. kritického pásma. Pro běžného člověka se uvádí tato frekvenční hodnota pro nízké frekvence kolem 100 Hz a u vyšších frekvencí dosahuje až hranice 4 khz. Tohoto maskování se ale využívá při kompresi zvuku (zvukových dat). 1.4.5 Časové maskování Z hlediska časového algoritmu může po hlasitém tónu následovat tón tichý, ale se stejnou frekvencí. Jeho vnímání je zpravidla potlačeno. Stejné potlačení může nastat, když tichý tón předchází tónu maskovacímu. 1.5 ZVUKOVÉ VLNĚNÍ, AKUSTICKÝ TLAK Při opakovaném a periodickém stlačování a rozpínání hmotného prostředí vzniká zvuková vlna. V tomto prostředí postupuje rychlostí, která závisí na momentálních fyzikálních podmínkách. Jedná se například o vlhkost, tlak nebo teplotu. V různých prostředích se vlny šíří různou rychlostí, ale v každém případě dochází k jejich postupnému zeslabování. Rychlost zvuku lze pro šíření ve vzduchu vypočítat dle vzorce 15 : 331,82 0,61 kde v je rychlost zvuku a t je teplota, která se udává ve o C. 15 Reichl, Jaroslav, Všetička,Martin. Rychlost zvuku. In Encyklopedie fyziky. [online]. Copyright 2006 2016. Dostupné z WWW: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/189-rychlost-zvuku 12

teplotách 16. V tabulce 1 jsou uvedeny příklady rychlosti vlnění v různých materiálech a při různých Prostředí Rychlost zvuku (m/s) Prostředí Rychlost zvuku (m/s) vzduch 0 o C 332 beton 1700 vzduch 20 o C 344 led 0 o C 3200 vodík 1270 guma 1440 voda 13 o C 1441 dřevo 4000 voda 20 o C 1484 ocel 5000 Tabulka 1 Šíření zvuku v některých materiálech a teplotách Zvuk se šíří tzv. podélným vlněním, kdy jednotlivé částice kmitají uspořádaně kolem svých středních poloh. Pokud dojde k vychýlení ze střední polohy, dojde k akustické (vlnové) výchylce. Tuto výchylku matematicky zapisujeme jako:.sin.sin 2 frekvence. kde a max je amplituda kmitavého pohybu a f je frekvence, veličina ω = 2πft je úhlová Akustická rychlost (okamžitá rychlost) se vypočítá jako:.cos.cos 2 kde v max je maximální hodnota okamžité rychlosti. Ta nabývá kladných i záporných hodnot v intervalu < - v max, v max >. Rychlost je posunuta oproti výchylce o čtvrt periody, tedy ve fázi o π/2. Pokud kmitající bod má maximální výchylku, má nulovou rychlost a naopak. Tuto rychlost nelze zaměňovat s rychlostí šíření vlny v prostředí. Jedná se o rychlost kmitání bodu kolem své rovnovážné polohy. Prouděním vzduchu vzniká kmitáním molekul daného prostředí. V místě jejich střetů se vyvolávají malé tlakové změny, které jsou nazývány akustickým tlakem. Jsou ve fázi 16 Akustika [online], poslední aktualizace 7. 3. 2016. [cit. 25. 4. 2016], WikiSkripta. Dostupné z WWW: http://www.wikiskripta.eu/index.php/akustika 13

s akustickou rychlostí a jsou dány součtem klidového a akustického tlaku. Matematicky můžeme vyjádřit maximální hodnotu tlakové změny:.. kde p je hustota prostředí. 1.6 EFEKTIVNÍ AKUSTICKÁ RYCHLOST A EFEKTIVNÍ AKUSTICKÝ TLAK V praxi nemusíme vždy pro výpočty používat okamžitých hodnot, ale můžeme počítat s hodnotami efektivními. To ale pouze v případě, že jejich průběh je harmonický (sinusový) 17. 2 0,707. Obdobně pro akustický tlak: 2 0,707. Pokud je kmitání neharmonické, a to je prakticky vždy (v případech fyziologické akustiky), nelze tyto vztahy použít a je potřeba vycházet z definic středních hodnot pro periodický signál s periodou T: 1 vztahem: V případě rovinné akustické vlny jsou akustická rychlost a akustický tlak provázány 17 Akustika [online], poslední aktualizace 7. 3. 2016. [cit. 25. 4. 2016], WikiSkripta. Dostupné z WWW: http://www.wikiskripta.eu/index.php/akustika 14

1.7 VLASTNOSTI ZVUKU 1.7.1 Výška zvuku (tónu) Výška tónu je dána frekvencí. Čím je frekvence vyšší, tím je i zvuk vyšší. Jednoduché tóny se sinusovým průběhem mají tzv. absolutní výšku tónu, která se nedá určovat sluchem. Pro člověka je důležitější relativní výška tónu, kterou umí subjektivně posoudit. 18 V této souvislosti určuje hudební akustika jako základní tón s frekvencí 440 Hz 19. Technická praxe využívá jako základní tón s frekvencí 1000 Hz. Popsané se týká zvuků sinusových. Jedná-li se o zvuk nesinusový, tedy složený, určuje se jeho kmitočet velmi obtížně. Obvykle se určuje tón, který má frekvenci nejnižší. 1.7.2 Barva zvuku Dva zvuky se stejnou frekvencí mohou však mít různou barvu. Pokud zahrajeme na klavír a na housle stejný tón (se stejnou frekvencí), zní každý jinak. To je právě způsobeno barvou zvuku. Jedná se o vyšší harmonické tóny, které jsou přidané k základnímu tónu. Sluchem také rozeznáváme nejen hudební nástroje, ale i hlasy lidí apod. Pokud jsou periodické frekvence celistvými násobky frekvence základního tónu, hovoříme o vyšších harmonických kmitech (alikvotní tóny). Podle jejich násobku jde o druhou harmonickou, třetí harmonickou atd. Čím je harmonická frekvence vyšší, tím drsněji tón zní. Tím se liší např. žesťové nástroje od nástrojů dřevěných dechových. 20 V dnešní době jsou to často elektronické nástroje, které vytvářejí doprovodné zvuky. Ty nejsou v harmonickém poměru k frekvenci základních tónů. 18 Reichl, Jaroslav, Všetička,Martin. Výška zvuku. In Encyklopedie fyziky. [online]. Copyright 2006 2016. Dostupné z WWW: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/194-vyska-zvuku 19 Frekvence 440 Hz byla vzata v hudbě za základní tón, označený písmenem C. 20 Zvuk [online], poslední aktualizace 10. 2. 2016 v 16:43. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/zvuk#barva_zvuku 15

1.7.3 Hlasitost a intenzita zvuku Jedná se o subjektivní veličinu. Přímo závisí na akustickém tlaku. Tím působí vlnění na sluch člověka a zvířat. Někteří živočichové jsou schopni vnímat i přímo vlnění kolem sebe a tudíž vnímat zvuk. V praxi se měří tzv. hladina akustického tlaku. Označuje se L p. Slyšitelný rozsah vjemů je vyšší, než sedm dekadických řádů neboli hodnot této fyzikální veličiny. Používá se pro ni proto logaritmického matematického vyjádření: 20 log kde p o je vztažná jednotka akustického tlaku. Bývá označována prahem slyšení nebo jako prahovy akusticky tlak 21. Matematicky je vyjádřena vztahem: 2.10 20 Jednotkou hlasitosti je jeden db (decibel). U lidského sluchu se rozlišuje práh slyšitelnosti, kdy začíná vznikat sluchový vjem, až po práh bolesti, kdy je pro člověka zvuk nepříjemný a může dojít i k trvalému poškození sluchových orgánů. Hlasitost zvuku se tedy pohybuje u člověka v rozmezí 120 db až 125 db a toto rozmezí se nazývá dynamika lidského sluchu. Dopad zvukové energie na jednotku plochy za jednotku času se nazývá intenzita zvuku, nebo také též akustický výkon na jednotku plochy. Platí vztah:. 21 Kolektiv autorů: Matematické,fzikální a chemické tabulky pro střední školy. 16

Z tohoto je odvozen vztah: 10 log Kde I o je smluvní vztažná hodnota intenzity: 10 1.8 DOPPLERŮV JEV V praxi se setkáváme s jevem, kdy nastane relativní pohyb pozorovatele a zdroje zvuku. Jedná se o změnu frekvence a zároveň o změnu vlnové délky, protože vlnová délka je převrácená hodnota frekvence vysílaného signálu oproti přijímanému. Změna vlnové délky je způsobena vzájemnou rychlostí mezi přijímačem a vysílačem, která může být kladná i záporná (tedy směrem k přijímači nebo od něho). Je-li zdroj vysílaného zvuku s frekvencí f o v pohybu směrem k přijímači (posluchači), pak stojící přijímač jej přijímá o frekvenci f 22 :, Obdobně opačně, pokud se zdroj pohybuje směrem od přijímače:, kde v je rychlost vlnění v dané látce a v s,r je relativní radiální rychlost zdroje vůči přijímači. Kladná hodnota signalizuje vzájemné přibližování a záporná hodnota vzájemné vzdalování. 23 22 Dopplerův jev [online], poslední aktualizace 19. 2. 2016 v 19:07.. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/doppler%c5%afv_jev 17

vztah: V praxi může nastat situace, že se nepohybuje zdroj, ale přijímač. Pak platí matematický 1 kde v o je rychlost přijímače. Blíží-li se přijímač, je hodnota kladná a naopak pro vzdalující se přijímač je hodnota záporná. Tento jev můžeme pozorovat, když stojíme a kolem jede auto se zapnutou sirénou. I když siréna vydává stále stejnou frekvenci, nám se jeví, že se mění. Tón sirény blížícího se vozu se jeví jako vyšší a po projetí se vzdalováním zdroje se jeví jako nižší. Dopplerova jevu využívají některé přístroje, např. radary pro měření rychlosti vozidel nebo v lékařství je používá sonograf. 1.9 OCHRANA PŘED HLUKEM Již bylo řečeno, že vysoká intenzita zvuku může vést k poškození sluchu. Proto práce v hlučném prostředí je pro člověka nebezpečná a může ovlivnit i jeho pracovní výkon a hlavně pozornost. To je nebezpečné také u přehrávačů se sluchátky, kdy příliš nahlas puštěná sluchátka mohou také poškodit sluch. Člověk nemá schopnost adaptace nadměrného hluku. U některých profesí jsou proto předepsány ochranné pomůcky, které pohlcují zvukové vlny. Vhodnými látkami je plst, vakuové prostředí, koberec apod. Lidé, kteří jsou denně vystavováni vysokým intenzitám zvuku, postupně ztrácí sluchovou citlivost. Ochrana sluchu je důležitá, protože případné poškození sluchu je jev nevratný. Proto se ochrany používá v pracovním i nepracovním životě. 23 Reichl, Jaroslav, Všetička,Martin. Pohybující se zdroj. In Encyklopedie fyziky. [online]. Copyright 2006 2016. Dostupné z WWW: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/191-pohybujici-se-zdroj 18

2. ZÁZNAM ZVUKU Již od pradávna byla snaha zvuk nejen vnímat, ale také ho zaznamenat a znovu přehrát pro opětovné vnímání. Po prvních úspěších v záznamu zvuku a s rozvojem technologických možností rostla také příslovečná chuť umístit co nejdelší záznam na co nejmenší místo. K rozvoji technologií pro záznam zvuku také přispěl vynález filmu, protože od zavedení zvukového filmu byla tendence podpořit obrazové dění kvalitním zvukovým doprovodem. Záznam zvuku lze rozdělit na: Mechanický Magnetický Digitální Optický 2.1 MECHANICKÝ ZÁZNAM ZVUKU Počátky bádání nad záznamem zvuku lze datovat již do poloviny 19. století. Nebyl to jen záznam, ale také zpětná reprodukce a uchování zvuku a lidského hlasu. Až Thomas Edison patentoval roku 1878 první skutečně funkční přístroj fonograf. Fonograf se rychle rozšířil po Evropě a dokonce i po Americe. V podstatě se jednalo o voskový váleček, na kterém byla vyryta zvuková stopa. Samotný zvukový výkon byl zesilován plechovou troubou. Jeho dominance skončila v roce 1910. Nevýhodou fonografu byla měkkost válečku, a proto byl na začátku 20. století nahrazen celuloidovým válečkem, který se už nedal tak snadno poničit. Princip záznamu však byl stejný. Jednalo se o akustický záznam, kdy se mluvilo nebo zpívalo do trouby, která byla spojena s rycí jehlou. Do otáčejícího se válečku bylo tak přenášeno chvění jehly v podobě různě hluboké rýhy. Velkou nevýhodou byla nemožnost záznamy jednoduše rozmnožovat. 24 Dalším průkopníkem byl Emil Berlinger, který v roce 1889 vynalezl gramofon v podstatě v dnešní podobě. I když princip záznamu zvuku byl obdobný jako u fonografu, zápis se prováděl na plochou desku. Výhodou ploché gramofonové desky byl oboustranný a tím i delší záznam. Nevýhodou bylo, že v domácím prostředí se nedalo na gramofonu 24 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 19

nahrávat, takže i po roce 1910 se fonograf stále užíval. Výhodou gramofonové desky pak bylo poměrně jednoduché rozmnožování pomocí lisování, což snížilo cenu a vedlo k masovému rozšíření gramofonů. Výrobu desek lze popsat jednoduše tak, že prvotní záznam byl vyryt do zápisové desky, která byla po ukončení záznamu potažena speciální látkou. Do ní se obtiskly vyryté drážky a následnými procesy se přenesl obtisk do odolného kovu. Vznikl tzv. negativ nebo též matrice, s jejíž pomocí se lisovaly šelakové desky. 25 První gramofonové desky byly vyráběny z šelaku, protože plasty ještě nebyly objeveny. Ty se používaly až do konce 50. let, kdy byl objeven vinyl a začaly se vyrábět již známé vinylové desky. Za zmínku ještě stojí rychlost otáčení desek. Původně se ustálila na 78 otáčkách za minutu. To platilo pro šelakové desky. Vinylové desky se rozdělily na dvě rychlosti, 45 otáček pro tzv. singly 26 a 33 otáček pro tzv. elpíčka 27. Je ale pravda, že pro mluvené slovo se používala i rychlost 16 otáček za minutu. Fonografický záznam i záznam na deskách měl však řadu nevýhod. Hlavně úzké frekvenční pásmo záznamu, kdy nízké frekvence nebylo v podstatě vůbec možno zaznamenat. Ve dvacátých letech 20. století byl po vynálezu mikrofonu, elektronky a principu zesilovače, také vynalezen princip elektrického záznamu zvuku. Cesta zvuku přes mikrofon, předchůdce mixážního pultu, zesilovač a reproduktor dala podnět nové éře záznamu, ale i reprodukci zvuku. Sice princip původního záznamu zvuku zůstal stejný rytím, ale jehla byla již rozkmitána elektricky, nikoli mechanicky. V té době byl velkým mezníkem masivní rozmach rádia a tím i šíření slova a hudby. Zároveň s tím rostl prodej hudebních nosičů. Začala vznikat rozhlasová studia s jednoduchými mixážními pulty a záznamovými zařízeními. I když je pravdou, že mix zvuku (například více zpěváků) se prováděl tak, že snímání probíhalo mnohdy jedním mikrofonem a pouhým odstupem nebo přiblížením k mikrofonu se výsledný zvuk zpěváka mixoval s orchestrem. Záznam byl jednokanálový a vše se nahrávalo živě, takže jakékoliv dodatečné korekce nebyly možné. Mikrofony se používaly nejčastěji páskové, které měly oproti kondenzátorovým výhodu širšího frekvenčního spektra a celkově i lepší zvukovou kvalitu. 28 25 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 26 Byly menší v průměru a na každé straně byla nahrána jedna skladba. 27 Byly v průměru větší a na každé straně bylo zhruba 20 minut záznamu, proto byly označeny LP (z anglického Long Play) a odtud počeštěného názvu. 28 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 20

Výrobu desek lze popsat jednoduše tak, že prvotní záznam byl vyryt do zápisové desky, která byla po ukončení záznamu potažena speciální látkou. Do ní se obtiskly vyryté drážky a následnými procesy se přenesl obtisk do odolného kovu. Vznikl tzv. negativ nebo též matrice, která se lisovala do desek. V té době existovala tzv. záznamová studia, kde si mohl obyčejný člověk prostřednictvím pronájmu za určitý poplatek nahrát svoji písničku. To byla v období třicátých až padesátých let jediná možnost záznamu. Tato studia však byla vybavena jen velmi skromně a záznam byl vyryt do speciální desky, kterou si zákazník rovnou odnesl domů. 2.2 MAGNETICKÝ ZÁNAM ZVUKU Němečtí inženýři v polovině třicátých let ve firmě IG Farben vynalezli první použitelnou magnetickou pásku, respektive pásku, na kterou bylo možno pomocí magnetizmu (magnetického pole) zaznamenat zvukovou stopu. Existovaly i magnetofony používající jako záznamové médium tenký ocelový drát, vyvinuty byly v Německu ve 40. letech a dokonce se vyráběly začátkem 50. let u nás (drátofon Meopta Paratus). 29 Firma AEG pak následně vyrobila první magnetofon, ale vypuknutí války přerušilo další vývoj (přitom se jednalo o původně chráněnou značku firmy TELEFUNKEN). Magnetofon se používal pouze v třetí říši a po její prohře ukořistili magnetofon Američané. Zde je začala ve velkém vyrábět firma Ampex, která se posléze stala jedním z velkých výrobců i studiových magnetofonů na celém světě. 30 Způsob magnetického záznamu na pásce měl řadu výhod. Bylo poprvé možno záznam opakovat na stejný pásek, tzn. původní záznam vymazat. Poprvé také byla možnost střihu, pochopitelně pomocí nůžek a speciální lepicí pásky. Tím bylo možné již nahrané záznamy měnit. Nezanedbatelnou byla oproti šelakovým deskám i výrazně delší doba záznamu, která záležela na délce pásku, respektive průměru kotoučů, na kterých byla navinuta. Kvalita zápisu byla významně ovlivněna rychlostí posuvu pásku a to tak, že čím byla rychlost posuvu pásku větší, tím byl záznam kvalitnější. 29 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 30 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 21

První pásky byly ocelové, ale postupem času byly nahrazeny pásky s feromagnetickou vrstvou, kterou tvořila magneticky tvrdá látka 31. Kvalita záznamu se následně zlepšila vynálezem tzv. předmagnetizace 32. Od konce 40. let magnetický pásek zcela nahradil desky ve studiích, ale ty se používaly i nadále jako cílový produkt pro zákazníky. Kvalita záznamu se také výrazně zlepšila výrobou tehdy technicky dokonalých kondenzátorových mikrofonů pod označením U47, které se rychle rozšířily po celém světě, a které vyráběla po válce v 50. letech firma Neumann. 33 Stále se jednalo o jednokanálový záznam, dnes označovaný jako mono. Již od 30. let se experimentovalo také se stereofonním 34 záznamem, tedy s dvoukanálovým a následně i vícekanálovým. Pan Les Paul byl průkopníkem vícestopého pásu a magnetofonu, díky němuž se v padesátých letech rozšířil stereozáznam. Principem stereozáznamu je snímání například orchestru minimálně ze dvou míst dvěma mikrofony (dnes z více míst více mikrofony). Pro každý mikrofon musí být na pásku jedna magnetická stopa, proto vícestopý pásek, na který zaznamenává vícestopá hlava. Reprodukce pak musí probíhat také ze dvou reproduktorů, a pokud posluchač sedí ve středu mezi reproduktory (ve vrcholu pomyslného trojúhelníku), pak má stejný vjem, jakoby seděl v hledišti před orchestrem. Prostřednictvím stereozáznamu se také vytvoří dokonalá iluze přesunu herce z jedné strany jeviště na druhou, přejetí vozidla apod. Také bylo možno na jednu stopu nahrát hlas a dodatečně na druhou stopu hudbu, což bylo základem pro rozhlasové hry, protože přenos pomocí rádiových vln byl ještě monofonní. Takže obě stopy se přehrály jako jeden signál. Tím došlo k významné modernizaci zvukových studií, protože bylo možno jednak dodatečně nahrávat další záznamy, ale také lépe porovnávat hlasitost jednotlivých stop. V Americe se v 50. letech používal standardně třístopý záznam, který byl výhodný například pro stereo nahrávku orchestru a jednoho kanálu pro hlas zpěváka. Do roku 1964 se v Evropě používal záznam dvoustopý. Od konce šedesátých let byl ve studiích běžný osmi kanálový záznam a od sedmdesátých let se používalo 24 až 32 stop. To již pro běžné nahrávky studií a požadavků zákazníků zcela postačovalo. Také samotná studia zaznamenala výrazné změny. Mixážní pulty již byly modernější a umožňovaly i tzv. korekce zvuku, především regulaci hloubek (nízkých kmitočtů) a výšek (vysokých kmitočtů) a to u každého kanálu zvlášť. Dále pak ekvalizaci, neboli řízení 31 Jedná se o vliv vnějšího magnetického pole na danou látku. 32 Na pásek těsně před záznamem působí pomocné magnetické pole, ovlivňující charakter magnetizační křivky. 33 http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 34 Stereo (stereos - řecky prostorový) označuje technologii k prostorovému zobrazení. 22

kmitočtových pásem jednotlivých kanálů ve větším měřítku, panoramatického efektu (převádění zvukového záznamu z jedné stopy do druhé) a jednoduchých efektů, jako například dozvuku, který se však prováděl dozvukovou komorou nebo později páskovým efektem. Mezi nástrojovými mikrofony proslul typ BM57, který je dodnes považován za standard tehdejšího studia, ale i typ Shure Unidyne III, ze kterého se BM57 odvodil. Studia se začaly využívat k masivnímu nahrávání a šíření nahrávek jednotlivých skupin, zpěváků, ale i mluveného slova. 35 Magnetofony se začaly v 50. letech také hojně prodávat pro domácí využití. V tehdejší Československé republice je vyráběla firma Tesla. Vývoj magnetofonů probíhal od elektronkového monofonního přístroje až k moderním stereofonním přístrojům s využitím nejmodernějších polovodičových součástek a LED diod. S volným prodejem mikrofonů bylo také možno i v domácnosti pořídit poměrně kvalitní záznam. Magnetofonové pásky kralovaly skoro až do konce 90. let, kdy byly klasické kotouče definitivně nahrazeny magnetofonovou kazetou, která již dokázala relativně kvalitně zaznamenat nahrávku. První kazetové magnetofony se objevily již v 70. letech, walkman v roce 1978. Měla také výhodu v tom, že na konci pásku kazety se kazeta prostě jen obrátila a záznam bylo možno přehrávat dál. Jednalo se tedy o pásky (stejně jako magnetofonové) čtyřstopé, pro každý směr dvě stopy stereo záznamu. Modernější kazetové přehrávače byly tzv. reverzní 36. První kazetu představila firma Philips v roce 1963, s vynálezem technologie DOLBY 37 se kazety staly kvalitním záznamovým médiem. Přístroje se díky polovodičovým součástkám velmi zmenšily a vznikly dnes již zapomenuté walkmany, tedy kapesní kazetové přehrávače. Některé typy byly kombinovány i s rádiem. 38 Nevýhodou pásku však bylo, že záznam byl zaznamenán v časové chronologii a i když kazety se daly vyjímat v kterékoli části záznamu (u pásků kotoučového magnetofonu to bylo obtížné, nikoli nemožné, ale část pásku zůstala i na navíjecí cívce a pásek se mohl zacuchat), bylo potřeba při hledání konkrétní části záznamu kotouče i kazety přetáčet, což v praxi bylo velmi zdlouhavé. Z tohoto důvodu stále měly na trhu místo i desky. A dlouho se ještě používaly v tanečních klubech. 35 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 36 Přístroj sám změnil na konci pásku kazety směr pohybu pásku, a tudíž nebylo nutné kazetu otáčet. 37 DOLBY SYSTÉM se dlouhá léta používal i v kinech a byl uváděn v titulcích. Jedná se o odšumění záznamu. 38 http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 23

2.3 OPTICKÝ ZÁZNAM ZVUKU S rozvojem filmu vznikla nutnost i zvukového doprovodu. Aby byla zajištěna dokonalá synchronizace obrazu a doprovodného zvuku, zaznamenávaly se zvukové stopy přímo na filmový pás. Záznam byl proveden exponováním zvukové stopy pomocí světla, které mělo stálou intenzitu. Světlo procházelo štěrbinou, které bylo zakrýváno stínítkem masky. Maska měla vhodný tvar, aby osvětlená část štěrbiny odpovídala okamžité hodnotě akustického tlaku, který odpovídal zaznamenávanému zvuku. Současně s pohybem masky se pohybuje zrcátko. Na něho dopadá soustředěné světlo pomocí čočky. Jako světelného zdroje je využita žárovka. Takže světlo ve výsledku prochází maskou, odráží se od pohybujícího se zrcátka. Prochází dále štěrbinou a čočkou je soustředěno na přesné místo filmového pásu. Poškrábání nebo třeba i prachové částice mohou způsobit zvláště v tichých pasážích nepříjemný šum. Proto se okraje štěrbiny automaticky zakrývají křidélky protišumové clony. Automatické ovládání je řízeno střední hodnotou zaznamenávaného zvukového signálu. Čím větší je intenzita signálu, tím více dopadá na filmový pás světla. Pro snímání zvuku z filmového pásu se využívá procházející světlo, které přes štěrbinu dopadá na světlo citlivý prvek, nejčastěji fotodiodu 39 nebo fototranzistor 40, dříve na speciální elektronku. Tím je vytvořen elektrický signál, který je po zesílení v zesilovači veden do reproduktorových soustav. 41 Důležitá je mechanika posuvu. Zatím co obraz je promítán po políčcích, je zvuk třeba snímat z kontinuálně běžícího pásu. Proto je mezi optikou a zvukovým snímačem větší vzdálenost a vytvořená smyčka filmového pásu slouží ke zklidnění posuvu. Rychlost přehrávání filmu je určována zvukovou stopou, protože na změny zvuku jsme citlivější než na změny rychlosti přehrávání obrazu. Proto pás prochází přes tlumící kladky, přítlačné kladky a kladku setrvačníku, které tlumí během promítání kmitavý pohyb v promítacím stroji. 39 Polovodičová součástka. Čím více světla dopadá na fotodiodu, tím větší napětí je generováno na jejích vývodech. 40 Fototranzistor je polovodičová součástka. Místo báze je však světlo citlivý vstup, který ovládá odpor (přechod) mezi kolektorem a emitorem. 41 Reichl, Jaroslav, Všetička,Martin. Princip optického záznamu zvuku. In Encyklopedie fyziky. [online]. Copyright 2006 2016. Dostupné z WWW: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/1346-principoptickeho-zaznamu-zvuku 24

V současné době jsou filmové pásy vybaveny některým z moderních zvukových záznamů (nejčastěji digitálním zvukem), které umožňují ve vhodně vybaveném kině poskytnout divákovi prostorový zvukový doprovod filmu 42. 2.4 HI-FI TECHNOLOGIE S modernizací, a hlavně s rozvojem především polovodičových součástek, rostla pověstná chuť také po stále lepším a lepším záznamu i reprodukci. S tím vším souvisí zrození fenoménu zvaného HI-FI (z anglického hight fidelity neboli věrný záznam). Jedná se o jednotlivá zařízení, která dokáží velice věrně a bez zkreslení reprodukovat zaznamenaný akustický signál. Datuje se od šedesátých let, ale u nás byl standardizován až v roce 1973. Posluchači tak měli možnost poprvé vnímat svoje oblíbené interprety z kvalitních zesilovacích a reprodukčních souprav, i když tato zařízení byla velmi nákladná. Masivní rozšíření HI-FI techniky přišlo až v sedmdesátých letech, kdy se cena této techniky snížila a byla přijatelná pro širokou veřejnost. Příkladem výroby HI-FI techniky může být Japonsko, ale tehdy i západní Německo. Pochopitelně s rostoucím požadavkem na přesnou kvalitu reprodukce, rostl i požadavek na velmi kvalitní záznam. Proto se jednotlivá studia znovu rekonstruovala a od konce 70. let došlo i k experimentům s digitálním vícestopým záznamem. A tak se v roce 1982 poprvé na trh uvedl kompaktní disk (CD), lidově zvané cédéčko. Označení CD je přejato z anglického compact disc. Jde o optický disk určený k ukládání digitálních dat. 42 Encyklopedie fyziky: Optický záznam zvuku. In: Encyklopedie fyziky [online]. 2016 [cit. 2016-04-28]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/1344-opticky-zaznam-zvuku 25

3. DIGITALIZACE ANALOGOVÉHO SIGNÁLU 3.1 VÝHODY DIGITÁLNÍHO ZÁZNAMU Analogový záznam a jeho kvalita se používáním a rozmnožováním (kopírováním) i opakovaným přehráváním stále snižuje a časem se takový záznam stane nepoužitelný. I čas sám o sobě může mít degradační účinky. Pásky a gramofonové desky jsou také velmi náchylné k mechanickému poškození, které má zásadní vliv na kvalitu reprodukce. Hlavní výhodou digitálního záznamu je tedy to, že ho můžeme stále přehrávat i několik let, protože běžným používáním ani kopírováním se nijak neničí. Další výhodou je možnost přehrávání pomocí telefonů, přehrávačů a jiných přístrojů prakticky kdekoliv, nejen doma, jako tomu bylo například u gramofonu a gramofonových desek. Nespornou výhodou je i to, že digitální záznam umožňuje v dnešní době velkou kapacitu záznamu. Takže můžeme poslouchat třeba hudbu na cestách i několik hodin z jednoho média. A to velmi kvalitně. Například výrobci do vozidel montují kvalitní rádia s MP3 přehrávači a kvalitní reproduktorovou soustavou. 3.2 DIGITALIZACE ANALOGOVÉHO SIGNÁLU Spojitý signál je nutné převést na digitální signál, který využívá pouze dvou hodnot, logické nul y logické jedničky. Čili toto časové třídění kanálů s digitální modulací předpokládá tři postupné kroky: Vzorkování Kvantování Kódování 43 3.2.1 Vzorkování signálu V závislosti na použití, požadované rychlosti vzorkování a přesnosti převodu (počtu míst) jsou používány různé metody převodu 44. 43 BEZDĚK, Miroslav. Elektronika III. České Budějovice: KOPP, 2004. Str. 238 26

Na počátku procesu máme spojitý analogový signál, viz Obrázek 1. Analogový signál 45, je znázorněn červeně. V určitém časovém sledu odebereme vzorek z tohoto signálu, tzn. jeho okamžitou hodnotu. Získáme tak body, kterým budou přiděleny jednotlivé úrovně, viz Obrázek 2. Vzorkování signálu. Rychlost, s jakou vzorkování provádíme, se nazývá vzorkovací frekvence. Podmínka, která uvádí minimální hodnotu vzorkovací frekvence, se nazývá Nyquistova podmínka (Budeli dodržena minimální hodnota vzorkovací frekvence při vzorkování signálu, nevznikne zkreslení typu aliasing, které by způsobilo závažné a neodstranitelné strukturované rušení ve výsledném signálu.). Při dodržení této minimální frekvence při vzorkování analogového signálu nedojde k jevu zvanému aliasing 46, který by znamenal velké rušení v konečném signálu. Obrázek 1. Analogový signál 44 HÄBERLE, Heinz O. Průmyslová elektronika a informační technologie. Vyd. 1. Překlad Jiří Handlíř. Praha: Europa-Sobotáles, 2003. ISBN 8086706044. Str. 326. 45 Obrázky 1 až 4 překresleny z: https://cs.wikipedia.org/wiki/musical_instrument_digital_interface 46 Jedná se o jev, který může vzniknout při převodu spojitého signálu na nespojitý. 27

Pro výpočet vzorkovací frekvence platí: Obrázek 2. Vzorkování signálu 2, kde f vz je vzorkovací frekvence, pomocí níž se vzorkování provádí, T vz je perioda a f max je hodnota nejvyšší frekvence. Ta je odvozena od horní hranice slyšitelného pásma. Proto praxe využívá následující vzorkovací frekvence: 1) 32 khz pro použití v telekomunikačních přístrojích a v levnějších komerčních přístrojích. Využívá se pro zvukové signály, které mají menší frekvenci, než 16 (respektive 15) khz. 2) 44,1 khz touto frekvencí se vzorkuje signál při zpracování kvalitního záznamu pro kompaktní disky a některá studiová zařízení. Zde je soulad s Nyquistovou podmínkou, protože lidské ucho vnímá frekvenci zvuku do 20 khz. Jedná se o nejrozšířenější vzorkovací frekvenci. Vyšší frekvence se používají jen kvůli kvalitě zaznamenaného signálu. 3) 48 khz se využívá u moderních zařízení ve studiích. 4) 96 khz se využívá pro některé prvotní záznamy a pro efektové procesory. Stále se však jedná o analogové hodnoty, protože vzorek může nabýt prakticky jakýchkoliv úrovní. Protože jich může být nekonečně mnoho, nelze je převádět do digitálních dat. Platí zásada, že čím více vzorků odebereme, tím bude digitální záznam přesnější, ale bude více náročný na výslednou velikost uloženého souboru. 28

3.2.2 Kvantování signálu Kvantováním signálu provádíme přiřazení bodů jednotlivých vzorků ke konkrétním hodnotám předem daných úrovní. Ty jsou již vyjádřeny určitým binárním kódem, který odpovídá příslušné úrovni, viz Obrázek 3. Kvantování signálu. Obrázek 3. Kvantování signálu Plné černé vodorovné čáry zobrazují jednotlivé úrovně a jejich přiřezaní k binárním kódům. Čárkované černé vodorovné čáry zobrazují rozhodující úroveň pro přiřazení vzorku jedné či druhé úrovni. Modré svislé čáry pak pro daný čas zobrazují přiřazenou úroveň a tím i binární kód. Analogové hodnoty tak zaokrouhlením přiřadíme již konkrétním binárním hodnotám. 3.2.3 Kódování signálu Kódováním signálu získáme již konečný digitální signál. Jednoduché přiřazené binární kódy se nahradí vhodnějším kódem pro další zpracování výstupního digitálního signálu, viz Obrázek 4. Digitální signál. 29

Obrázek 4. Digitální signál Důvodem kódování je to, že pro činnost počítačů i jiných přístrojů je nevhodné příliš časté střídání logické nuly s logickou jedničkou. Kvantovaný signál se tedy překóduje se zachováním svého smyslu, ale je následně jednodušší pro další zpracování. 3.3 DIGITÁLNÍ ZÁZNAM ZVUKU Oproti analogovému záznamu zvuku přinesl řadu výhod: Výrazné zlepšení kvality zvuku Větší dynamický rozsah nahrávky Vyšší odstup šumu Rychlé vyhledávání konkrétní části záznamu Výrazné zjednodušení i dodatečné editace záznamu (střih, kopírování, apod.) 3.3.1 Historie CD a jeho technická data Vznik CD se datuje do roku 1979 47, kdy jej firmy SONY a PHLIPS vyvinuly a uvedly na trh jako způsob uchování věrného záznamu zvuku, především hudby. Původně byly určeny pro délku záznamu 60 minut, což odpovídalo zhruba oběma stranám dlouhohrající desky. Zajímavostí je, že firma SONY trvala na délce záznamu 74 minut, aby se na CD vešla celá Devátá symfonie od Beethovena. V současné době jsou dnes používaná CD s délkou záznamu 80 minut. K dispozici jsou však varianty s délkou záznamu 90 a 99 minut. Tyto disky však 47 Záznam a reprodukce zvuku [online], poslední aktualizace 1. 4. 2016 v 21:05. [cit. 25. 4. 2016], Wikipedie. Dostupné z WWW: https://cs.wikipedia.org/wiki/z%c3%a1znam_a_reprodukce_zvuku 30

nemusí být čitelné na všech přístrojích a proto se užívají zřídka pro záznam hudby. Někteří výrobci v manuálech dokonce upozorňují na zákaz používat nadstandardně dlouhé záznamy těchto CD z důvodu poškození přístroje. První album, které bylo ve formě CD, bylo The Visitors nahrané skupinou ABBA. Nahrávka byla pořízena 17. srpna 1982. Od té doby postupným snižováním cen, především CD přehrávačů pro veřejnost, došlo k úplnému vytlačení LP desek z trhu. Oblíbené byly také discmany, které nahradily walkmany. Tím prakticky skončilo období, kdy se aktivně používal analogový záznam zvuku. CD s průměrem 12 cm se také brzy stal úložištěm i ostatních dat pro PC. Původně měl kapacitu 565 MB s délkou záznamu 74 minut, ale dnes se používají CD s kapacitou 700 MB s délkou záznamu 80 minut. Někdy, například pro reklamní účely, se používají CD s menším průměrem (8 cm), které mají kapacitu 184 210 MB a délkou záznamu 21-24 minut. Data jsou uložená na CD ve spirále, na rozdíl od gramofonových desek ale od středu po okraj. Navíc u desek byla po celý čas přehrávání konstantní rychlost otáček desky a rychlost posuvu drážky proti snímací jehle se postupně zmenšovala, jak se rameno pohybovalo směrem ke středu. U CD je relativní rychlost mezi záznamovou stopou CD a snímací laserovou hlavou stále stejná a mění se postupně rychlost otáčení CD. Laser se pro čtení dat používá vlnovou délku 785 nm a vzdálenost středů vedle sebe jdoucích stop je 1,6 µm. Délka spirály dosahuje i 6 km a data v ní jsou uložena stále se stejnou hustotou a jsou zaznamenána pouze na spodní straně disku, což je další rozdíl oproti klasické desce. Ta měla rýhu z obou stran. Disk má typicky tloušťku 1,2 mm a zápis dat se provádí na poloměru 23 až 58 mm. Pro úplnost ještě zmínka o DVD, které je přímým pokračovatelem CD. Je od CD pohledem prakticky nerozeznatelné, ale umožňuje uložit i obraz, protože má vyšší kapacitu záznamu. 3.3.2 Audio CD Jak již bylo řečeno, jedná se o nejstarší záznam zvuku prostřednictvím CD. Pro vzorkovací kmitočet se používá frekvence 44 100 Hz se stereofonním záznamem bez komprese s pulzní kódovou modulací. 31

Pro výpočet, kolik zabere jedna minuta záznamu bajtů, lze použít vztah: 44100 x 16 x 2 x 60 : 8 = 10 584 000 bajtů Navíc jsou data zabezpečena protichybovým kódováním FEC (z anglického Forward Error Correction). Díky tomuto kódování může přehrávač opravit řadu chyb, které mohou vzniknout například částečným poškozením CD. Systém je označován CDDA (Compact Disc digital Audio). Kód UPC (Universal Product Code) slouží k jednoznačné identifikaci alba a kód ISRC (International Standard Recording Code) slouží jako identifikátor hudebních skladeb. Skládá se z dvanácti znaků. V tabulce 2 Význam zkratek jsou uvedeny zkratky pro záznam, střih i výsledný záznam, které bývají na CD (jako audio nosiče) uvedeny. ZKRATKA Původní záznam Způsob střihu Výsledný záznam AAD analogový analogový ADD analogový digitální Vždy digitální DDD digitální digitální 3.3.3 Technologie MIDI Tabulka 2 Význam zkratek Digitální záznam přinesl také technologii MIDI 48 (Musical Instrument Digital Interface). V hudebním průmyslu slouží jako elektronický komunikační protokol, který je mezinárodně uznávaný. Dovoluje v reálném čase komunikaci hudebních nástrojů, počítačů a dalších přístrojů prostřednictvím definovaného sériového rozhraní. Dále je pomocí MIDI možno ovládat i jevištní techniku, jako jsou světla (jas, barva), popřípadě obrazová data a na jejich základě kaleidoskopické obrazce. Vše začalo v roce 1981 prvním propagátorem MIDI firmou ATARI, která tímto rozhraním vybavila svoje počítače. Přenos dat je sériový, který je podobný sběrnici RS 232, s rychlostí 31 250 bit/s. Využívá proudovou smyčku o velikosti proudu 5 ma a také galvanicky oddělený vstup. 48 Kadlec, Luke. Historie záznamu zvuku. In test-nastroju.webnode.cz [online]. Luke Kadlec 2011 [cit. 25. 4. 2016], Dostupné z WWW: http://test-nastroju.webnode.cz/nahravani/historie-zaznamu-zvuku/ 32

4 KOMPRESE DAT 4.1 DŮVODY KOMPRESE Komprese dat, někdy též komprimace dat, je zpracování dat pro počítačovou techniku. Cílem komprese je zmenšení objemu dat, vyjádřeno počítačově, aby měly méně bajtů. A to při zachování informací, které byly v datech obsaženy. Úkolem je tedy zmenšit datový tok při přenosu nebo zmenšit zdrojovou potřebu při ukládání dat. Výsledkem je zmenšení velikosti datových souborů. To je výhodné např. při jejich archivaci. Komprese je také důležitá při přenosu dat pomocí sítě se zmenšenou rychlostí, respektive zkrácení doby nutné pro její přenos. Využívá se také kvůli omezené datové propustnosti u mobilních telefonů, kdy se data hovoru komprimují, aby je bylo možno přenášet pomocí GSM sítě. Kódování je zvláštní postup, kterým se ze souboru dat odstraňují nadbytečné informace. Tyto na první pohled nadbytečné (redundantní) informace jsou součástí počítačových dat, aby bylo možno eliminovat chyby vznikající jejich přenosem. Jedná se například o paritu, kontrolní součet, kontrolní číslici apod. Jsou i složitější a také nákladnější redundance v podobě samo opravných kódů, které dovolují opravovat jednu nebo i více chyb v určitém počtu bitů jedné informace. Zvláštními postupy kódováním, které je dané zvoleným kompresním algoritmem se ze souboru odstraňují redundantní (nadbytečné) informace, zvyšuje se entropie dat. Komprese dat lze rozdělit do dvou základních kategorií: Ztrátová komprese při kompresi jsou některé informace nenávratně ztraceny a nelze je zpět zrekonstruovat. Používá se tam, kde je možné ztrátu některých informací tolerovat a kde nevýhoda určitého zkreslení je bohatě vyvážena velmi významným zmenšením souboru. Používá se pro kompresi zvuku a obrazu (videa), při jejichž vnímání si člověk chybějících údajů nevšimne nebo si je dokáže domyslet (do určité míry). Bezeztrátová komprese obvykle není tak účinná jako ztrátová komprese dat. Velkou výhodou je, že komprimovaný soubor lze opačným postupem rekonstruovat do původní podoby. To je nutná podmínka při přenášení počítačových dat, výsledků 33