TECHNOLOGICKÝ LIST čís. 60 poloprovozu ověřené technologie prototypu uplatněné metodiky funkčního vzorku autorizovaného software * Název: Software pro analýzu zvuku varhan Title: Software for the sound analysis of pipe organs Původce (-i): Milan Guštar, Zdeněk Otčenášek Vlastník (-ci): Akademie múzických umění v Praze, Hudební fakulta, Zvukové studio Lokalizace: 118 00 Praha 1, Malostranské nám 13 Abstrakt: Software pro analýzu zvuku varhan slouží pro objektivní akustickou dokumentaci a analýzu nezávislou na přesném umístění mikrofonů v prostoru doplněnou o zvukové záznamy pro subjektivní poslechové testy dle metody 8&1 [1]. Software je rozdělen do dvou samostatných programů, z nichž jeden (server) zajišťuje sběr digitalizovaných akustických dat a jejich odesílání po síti ethernet programu druhému (klient), který provádí záznam zvukových vzorků jednotlivých tónů varhan, jejich okamžitou automatickou analýzu, grafické zobrazení výsledků analýzy v několika formách a archivaci zaznamenaných vzorků i výsledků analýzy. Činnost softwaru je vysoce automatizovaná, v procesu dokumentace je tak minimalizována činnost obsluhy. Abstract: Software for the sound analysis of pipe organs serves for the unbiased acoustical documentation and analysis independent on the accurate placing of microphones in the space supplemented by sound recordings for subjective listening test according to the 8&1 method [1]. Software is divided into two programs. The server provides digitized acoustical data collection and transmission via ethernet to the client serving for the data recording, automatic analysis, graphical display of analysis results in several forms and the archiving of sound samples as well as the analysis results. Software operation is highly automated, operator actions in the process of acoustical documentation are minimized. 1
Popis: Viz Příloha k TL č. 60 Inovační aspekty: Pro zpracování akustické dokumentace varhan metodou 8&1 vyvinutou Výzkumným centrem hudební akustiky Zvukového studia hudební fakulty AMU v Praze bylo doposud nezbytné použít nákladné programové vybavení Výzkumného centra ovládané vysoce kvalifikovanou obsluhou. Software pro analýzu zvuku varhan tuto činnost automatizuje a umožňuje i běžným uživatelům zaznamenat a zpracovat zvukové vzorky a okamžitě v grafické formě zobrazit získané výsledky. Přínosy: Software umožňuje zaznamenat zvukové vzorky jednotlivých tónů varhan, provést jejich automatickou analýzu, zobrazit výsledky analýzy v přehledné grafické formě a uložit zaznamenané vzorky i výsledky analýzy. Výsledný graf spekter pro celý rejstřík umožňuje vizuálně posoudit vyrovnanost rejstříku a rychle identifikovat klávesy jejichž spektrální charakteristiky neodpovídají danému rejstříku. Zaznamenané zvukové vzorky i analyzovaná data jsou ukládány ve formátu vhodném pro export výsledků akustické dokumentace do centrální databáze historických varhan. Oddělení programu pro digitalizaci akustických dat od programu pro jejich zpracování a vizualizaci umožňuje jejich spuštění na dvou bezdrátově propojených počítačích, což usnadňuje instalaci systému i práci se zařízením. Licence: Využití výsledku jiným subjektem je v některých případech možné bez nabytí licence (kód P). Pro instalaci je vždy vyžadován souhlas MARC HAMU Praha. Licenční poplatek: Poskytovatel licence na výsledek požaduje licenční poplatek (kód A). Obor: Akustika a kmity BI; Umění, architektura, kulturní dědictví AL Projekt: NAKI DF12P01OVV012 Identifikační číslo RIV: Poznámky: *nehodící se škrtněte 2
Ukázka z textu přílohy k TL č. 60 Software pro analýzu zvuku varhan Abstrakt Software pro analýzu zvuku varhan slouží pro objektivní akustickou dokumentaci a analýzu nezávislou na přesném umístění mikrofonů v prostoru doplněnou o zvukové záznamy pro subjektivní poslechové testy dle metody 8&1 [1]. Software je rozdělen do dvou samostatných programů, z nichž jeden (server) zajišťuje sběr digitalizovaných akustických dat a jejich odesílání po síti ethernet programu druhému (klient), který provádí záznam zvukových vzorků jednotlivých tónů varhan, jejich okamžitou automatickou analýzu, grafické zobrazení výsledků analýzy v několika formách a archivaci zaznamenaných vzorků i výsledků analýzy. Činnost softwaru je vysoce automatizovaná, v procesu dokumentace je tak minimalizována činnost obsluhy. Údaje pro RIV: Umístění: http://zvuk.hamu.cz/vyzkum/publikacni.php Bližší upřesnění výsledku: software Interní kód produktu: Inton software Číselná identifikace: TL.60 Technické parametry výsledku: Technické parametry viz. TECHNOLOGICKÝ LIST č. 60 (vydán r. 2014 Výzkumným centrem MARC, HAMU v Praze). Smlouva s MARC HAMU o distribuci software Inton uzavřena dne 20. 12. 2014. Ekonomické parametry výsledku: Software realizuje objektivní akustickou analýzu zvuku varhan. Umožňuje provádět analyzy i uživatelům bez akustického vzdělání. IĆ: 61384984 Stát: CZ Vlastník: Akademie múzických umění v Praze Povinnost licence: P/Z povinné někdy Povinnost odvést licenční poplatek: A povinné vždy 3
Úvod Software pro analýzu zvuku varhan je rozdělen do dvou samostatných částí. Program IntonASIOserver slouží pro digitalizaci akustických dat a jejich odesílání po síti ethernet. Efektivní komunikaci se zvukovou kartou zajišťuje protokol ASIO [5]. Program Inton (klient) slouží k záznamu zvukových vzorků jednotlivých tónů varhan, jejich okamžité automatické analýze, přehlednému grafické zobrazení výsledků analýzy v několika formách a archivaci zaznamenaných vzorků i výsledků analýzy [2,3,4]. Grafický výstup programu Inton umožňuje rychlou vizuální kontrolu vyrovnanosti spektrálních charakteristik tónů příslušejících ke stejnému rejstříku. Výsledky spektrální analýzy lze uložit v číselné i grafické formě. Zaznamenané zvukové vzorky i analyzovaná data jsou ukládány ve formátu vhodném pro export výsledků akustické dokumentace do centrální databáze historických varhan. Oddělení programu pro digitalizaci akustických dat od programu pro jejich zpracování a vizualizaci umožňuje jejich spuštění na dvou bezdrátově propojených počítačích, což usnadňuje instalaci systému i práci se zařízením. Server Instalace programu Program IntonASIOserver je naprogramován v jazyce C++ a je distribuován jako spustitelný soubor typu exe pro operační systém MS Windows. Instalace programu není potřebná, program z distribučního média postačuje umístit do vybraného adresáře. Spuštění programu Program Inton se spouští z grafického prostředí nebo z příkazové řádky příkazem IntonASIOserver.exe Ovládání programu Program se ovládá pomocí příkazů zasílaných prostřednictvím protokolu UDP z klientského počítače. Po spuštění je do diagnostického okna vypsána IP adresa serveru a stav zařízení přípojených k operačnímu systému přes rozhraní ASIO. Z menu programu lze aktivní zařízení zapínat a vypínat, případně aktivovat nastavovací okno jeho ovladače pro volby parametrů (vzorkovací frekvence, šířky slova atd.). V průběhu činnosti programu jsou do diagnostického okna vypisovány stavové informace (viz obr. 1). Zvuková data jsou odesílána připojenému klientskému počítači prostřednictvím protokolu TCP. 4
Obrázek 1: Okno programu IntonASIOserver Klient Instalace programu Program Inton pro klientský počítač je naprogramován v jazyce Python 2.7 a je distribuován jako bytecode soubory typu pyc. Pro jeho spuštění je třeba, aby počítač, na kterém se tento program bude užívat, obsahoval interpret jazyka Python 2.7 a knihovny Tkinter, mttkinter, Tix, Matplotlib, Numexpr, Pyaudio, Portaudio a SciPy. Podporovány jsou operační systémy Linux, MacOS X a MS Windows. Instalace programu není nutná, postačuje do vybraného adresáře zkopírovat všechny soubory z distribučního média. Spuštění programu Program Inton se spouští příkazem python inton.pyc Pokud je koncovka pyc v operačním systému asociována s interpretem jazyka Python, lze program spouštět též z grafického prostředí. Ovládání programu Program se ovládá pomocí standardního grafického uživatelského rozhraní (GUI). V horní části hlavního okna je umístěno menu pro přístup k vybraným funkcím programu. Přístup k dalším funkcím je soustředěn do oken, mezi kterými lze 5
přecházet pomocí záložek. Některé funkce jsou přístupné přes kontextové menu aktivované pravým tlačítkem myši. Ve spodní části hlavního okna je stavová lišta. Program lze provozovat ve dvou režimech. V režimu on-line je prostřednictvím sítě ethernet spojen se serverem, který na vyžádání posílá digitalizovaná zvuková data ke zpracování, vizualizaci a ukládání. V režimu off-line pracuje program samostatně, umožňuje přístup k uloženým datům a jejich zobrazení, zpracování a ukládání. V režimu off-line tak lze např. doplnit analýzy, které nebyly provedeny během záznamu apod. V režimu on-line je v záhlaví hlavního okna zobrazena IP adresa serveru označená Connected to. V režimu off-line je na odpovídající pozici nápis Off-line. Po spuštění programu se otevře okno programu s aktivní záložkou Instrument (viz. obr. 2). Obrázek 2: Uživatelské prostředí programu Inton záložka Instrument Do pole Identification se zadává jméno nástroje, alternativně lze nástroj vybrat z uložených (File-Select instrument Ctrl-I). Do pole Instrument description lze zapsat poznámky k měření (lokace, název nástroje, ladění, tónový rozsah, tlak na vzdušnici, výška ladění, zvláštnosti...) podobně jako do měřicího protokolu. Obsah pole je při zavření programu Inton uložen do souboru Description.txt ve složce Nástroj, kde Nástroj je název složky vytvořený ze jména nástroje v poli Identification. Tlačítko Noise slouží pro záznam a analýzu hlukového pozadí nástroje se zapnutým ventilátorem a naplněným měchem bez hraní tónu. 6
.. Obrázek 3: Zobrazení spekter FFT se zvýrazněnými maximy Obrázek 4: Zobrazení spekter ve třetinooktávových pásmech 7
Obrázek 5: Zobrazení spektrogramu Obrázek 6: Zobrazení spektrogramu s harmonickými složkami 8
Obrázek 7: Zobrazení časového průběhu zaznamenaných signálů Ve spodní oblasti okna je umístěn obraz klaviatury. Pravým tlačítkem myši lze deaktivovat a znovu aktivovat vybrané klávesy, např. v případě, kdy jsou některé klávesy vybraného rejstříku nefunkční. Rozsah kláves lze deaktivovat nebo aktivovat také stiskem pravého tlačítka a tažením přes více kláves, případně nastavením krajních hodnot v poli Range. Neaktivní klávesy jsou znázorněny šedou barvou. Deaktivaci a opětovnou aktivaci klávesy lze využít též ke smazání odpovídajícího spektra. Stiskem středního tlačítka lze klávesy označit, např. při výskytu problémů při sekvenčním záznamu, které lze pak samostatným záznamem označených tónů opravit. Výběr a označování kláves lze provádět též pomocí kontextového menu. Stiskem levého tlačítka myši nad klávesou je spuštěn jednorázový záznam. Pro ovládání sekvenčního záznamu slouží tlačítka Run, Repeat, Continue a Break. Tóny jsou zaznamenávány postupně od nejhlubšího po nejvyšší. Sekvenční záznam od nejhlubšího nastaveného tónu je spuštěn stiskem F5 (Run). V případě potřeby lze sekvenci přerušit stiskem F8 (Break přerušení sekvence po dokončení záznamu právě hraného tónu). Pokračovat lze stiskem F6 (Repeat opakování záznamu od posledního zaznamenaného tónu) nebo F7 (Continue spuštění záznamu od následujícího tónu). Záznam jednotlivých tónů lze spouštět samostatně stiskem příslušného pole na obraze klaviatury. Tak lze např. opravit jednotlivé nepodařené záznamy v dokončené sekvenci. 9
Záložka Recording (viz. obr. 11) slouží k záznamu hudebních ukázek či jiného signálu bez analýzy. Obrázek 8: Záložka Recording Do pole Recording je třeba zadat název pod kterým budou uloženy zaznamenané zvukové soubory. Záznam se spouští stiskem F5 (Start) a ukončuje stiskem F8 (Break). Prvky pro nastavení parametrů programu jsou soustředěny na záložce Settings (viz. obr. 12). Obrázek 9: Záložka Setings 10
V sekci Measurement lze volit, které zvukové vzorky a výsledky analýzy budou ukládané a v jakých formátech (Triplet hlavní trojice měřicích mikrofonů, Special pomocný záznam 4. zvukového kanálu, Triplet stereo signál z hlavní trojice převedený do dvojkanálového stereofonního formátu pro poslech, Auditorium stereofonní signál ze sálu, Console stereofonní signál od hracího stolu, Triplet FFT analyzované FFT spektrum, Triplet partials analyzované harmonické složky). Pro jednotlivé typy zvukových vzorků lze samostatně nastavit hladinu akustického tlaku (dbspl) odpovídající maximální zaznamenatelné amplitudě dat (0 dbfs). Společně lze nastavit formát dat (16 nebo 24 bitů) a vzorkovací frekvenci. Sekce Display slouží k nastavení vlastností grafického zobrazení výsledků oktávových mřížek, pomocných značek atd. Barvy pozadí, grafického zobrazení výsledků a stavu kláves lze nastavit v sekci Colors. Sekce Path obsahuje cestu k adresáři pro ukládání výsledků v klientském počítači. V sekci Communication je třeba nastavit IP adresu a číslo TCP portu serveru a cestu k adresáři pro ukládání záložní kopie zvukových dat v počítači server. Záložka Calibration (viz. obr. 13) je přístupná pouze z menu a není určena pro běžné uživatele. Dovoluje provést kalibraci všech signálových cest od mikrofonů k A/D převodníkům. Obrázek 10: Záložka Calibration Položky Signal SPL dovolují nastavit hladinu akustického tlaku kalibračního signálu přiváděného k jednotlivým mikrofonům, typicky 94 db. Tlačítka Start spouštějí proces kalibrace, maximální akustický tlak pro plné vybuzení je zobrazován v poli Max SPL. Tlačítky Set je proces kalibrace vybraného kanálu ukončen a kalibrační hodnota je zaznamenána. Kalibrační data jsou automaticky ukládána do souboru Calibration.txt pro aktuální nástroj. Uložit na jiné místo, případně jinde uložená data načíst lze pomocí tlačítek Save Calibration a Read Calibration. 11
Obrázek 11: Menu File Menu File (viz. obr. 14) obsahuje v první skupině příkazy pro volbu nástroje (Select Instrument Ctrl-I) a rejstříku (Select Register Ctrl-R). Druhá skupina slouží pro otevření zaznamenaných dat v režimu off-line a uložení výsledků nově provedené analýzy. Ve třetí skupině jsou příkazy pro zobrazení referenčních dat a jejich porovnání s daty aktuálními. Příkaz Open Noise umožňuje načíst uložená data hlukového pozadí. Příkaz Exit slouží k ukončení činnosti programu. Obrázek 12: Menu Edit Menu Edit (viz. obr. 15) obsahuje položky pro vymazání obsahu okna, normalizaci zobrazeného spektra a přístup k záložce pro nastavení parametrů. Obrázek 13: Menu View V menu View (viz. obr. 16) lze volit zobrazení referenčních dat, spektra hlukového pozadí, případně zobrazení spektra hlukového pozadí jako podkladu hlavního okna. Obrázek 17: Menu Tools Menu Tools (viz. obr. 17) slouží k rychlému přístupu k měření hlukového pozadí, doby dozvuku a kalibraci. 12
Obrázek 14: Menu Help Menu Help (viz. obr. 18) slouží k zobrazení nápovědy a informací o programu. Literatura [1] Otčenášek, Z., Syrový, V., Urban, O. Technologický list čís. 15: Akustická dokumentace píšťalových varhan, verze 8&1 [2] Funkční vzorek zařízení pro analýzu zvuku varhan, Technologický list 49, MARC HAMU v Praze [3] Zařízení pro analýzu zvuku varhan, Technologický list 61, MARC HAMU v Praze [4] Metodika akustické dokumentace s analyzačním zařízením a softwarem, Technologický list 58, MARC HAMU v Praze [5] Steinberg: ASIO SDK 2.2 13