Produkcja i mastering utworu muzycznego – PODSTAWOWE PARAMETRY DŹWIĘKU (cz.5)
Najważniejszą cechą fizyczną dźwięku jest jego częstotliwość charakteryzująca dźwięki okresowe, np. falę sinusoidalną. Określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy [31]. Taką falę przyjęto nazywać tonem. Tony są podstawowym składnikiem dźwięku. Większość dźwięków złożonych składa się z wielu tonów (częstotliwość podstawowa oraz kolejne składowe) co z kolei wpływa barwę tego dźwięku. Barwa jest cechą wrażenia słuchowego, związaną z widmem dźwięku, umożliwiającą rozróżnienie dwóch dźwięków o takiej samej wysokości. Każdy dźwięk nie będący tonem można, za pomocą transformaty Furiera, rozłożyć na składniki podstawowe (czyli tony sinusoidalne). Szybka transformata Fouriera (ang. FFT od fast Fourier transform) to algorytm liczenia dyskretnej transformaty Fouriera; możliwe jest także wyliczenie transformaty do niej odwrotnej. Dzięki istnieniu takiego algorytmu możliwe jest cyfrowe przetwarzanie sygnałów (DSP). Stosowane są też dyskretne transformaty cosinusowe (DCT, MDCT) do kompresji (JPEG, MP3 itd.) [32].
Wykres zawartości poszczególnych tonów w całym dźwięku nazywany jest widmem tego dźwięku. Rysunek 4 ilustruje przykładowy wykres takiego widma.
Przedstawione na rys. 4 widmo fragmentu reprezentuje nagranie dość wyrównane brzmieniowo z podbitym lekko niskim dołem tj. zakresem najniższych częstotliwości. Można także zauważyć na wykresie fakt filtru grzebieniowego, który prawdopodobnie jest spowodowany zbyt głośnym jednym z instrumentów widocznym na widmie w stosunku do innych. Ponadto można zauważyć, że kanał lewy jest nieznacznie głośniejszy od prawego i warto różnicę tę wyrównać. Sam analizator jak i oglądanie widma w czasie rzeczywistym pozwala na obserwację widma w wybranych chwilach czasowych a także możliwość wyboru algorytmu pracy (w tym wypadku jest to Blackman-Harris) oraz wielkość okna na jakim wykonywana jest transformata Furiera.
Drugą ważną cechą fizyczną dźwięku jest jego amplituda. Jest to nieujemna wielkość skalarna, która mierzy siłę oscylacji. Jeżeli oscylacje mają charakter fali, to amplituda jest różnicą wysokości między szczytem i doliną fali podzieloną przez dwa [33]. Wielkość amplitudy fali ma bezpośredni wpływ na głośność, a ściślej na wrażenie głośności, jakie odbiera ucho, gdyż czułość ludzkiego słuchu zmienia się w miarę zwiększania lub zmniejszania częstotliwości dźwięku. Pojęcie głośności definiuje się jako subiektywne odczucie natężenia dźwięku będące – ze względu na charakterystykę słuchu – funkcją częstotliwości i charakteru dźwięku. Jednostką głośności jest son. Aparat słuchu człowieka jest tak zbudowany, że najlepiej słyszy mowę ludzką, czyli dźwięki z zakresu ok. 2 kHz do ok. 5 kHz (co można również zauważyć na rys. 2).
Amplitudę fali można bezpośrednio związać z jej natężeniem, które jest wielkością charakteryzującą falę akustyczną pod względem energii; jest liczbowo równa średniej wartości strumienia energii akustycznej przepływającego w czasie 1 s przez jednostkowe pole powierzchni prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali [34]. Ucho ludzkie jest w stanie rozpoznać dźwięk o najmniejszym natężeniu wynoszącym 10-12 W/m2 (Wat na metr kwardat), natomiast ból pojawia się przy natężeniu wynoszącym ok. 1 W/m2. Jednakże należy zaznaczyć, iż obie wartości są liczbami uśrednionymi ponieważ, jak już wcześniej zostało to zaznaczone, każdy człowiek słyszy inaczej, a ponadto próg słyszalności zależy od częstotliwości dźwięku.
Istotnym parametrem określającym subiektywne odczucie głośności jest poziom natężenia dźwięku (Sound Intensity Level, w skócie SIL). Jest on określany następującym wzorem:
gdzie:
Li – jest poziomem natężenia wyrażanym w decybelach [dB]
I – jest natężeniem badanej fali dźwiękowej w W/m2
Io – jest natężeniem progu słyszalności dla częstotliwości 1 kHz, tj. 10-12 W/ m2
Ponieważ logarytm z jedynki ma wartość 0 ( I = I 0 ), zatem natężenie progu słyszalności to 0 dB. Z kolei maksymalny poziom natężenia dźwięku, kiedy ucho ludzkie już nie słyszy a odczuwa ból, mieści się w granicach 120 – 130 dB. Można więc wywnioskować, iż różnica energii pomiędzy jednym progiem a drugim różni się o czynnik 1012 (bilion razy). Rysunek 5 przestawia przykładowe poziomy natężenia dźwięku występujące przy różnych źródłach dźwięku [9].
Inną wielkością, powiązaną z poziomem natężenia dźwięku, jest poziom ciśnienia dźwięku (Sound Pressure Level – SPL). Jest to stosunek zmierzonego ciśnienia P do referencyjnej wartości ciśnienia P0 równej 2*10-5 N/m2, wyrażony w decybelach. Określa go poniższy wzór.
Ponieważ skale SPL i SIL odnoszą się do wartości progu słyszalności, odczyt w decybelach dla obu skal jest uznawany za identyczny w większości uproszczonych sytuacji. W praktyce występują subtelne różnice, ponieważ amplituda ciśnienia w punkcie jest skutkiem fal pochodzących z wszystkich kierunków, podczas gdy poziom natężenie oznacza iż musi zostać określona powierzchnia na którą oddziałuje energia, oraz jej kierunek przepływu. [47]
Relację tę można zapisać przy pomocy następującego wzoru:
9. Bolesław Urbański, „Elektroakustyka w pytaniach i odpowiedziach”,WNT Warszawa, 1993.
31. http://pl.wikipedia.org/wiki/Cz%C4%99stotliwo%C5%9B%C4%87, "Częstotliwość",
autor: Rjt i inni, 21.IV.2006
32. http://pl.wikipedia.org/wiki/Szybka_Transformata_Fouriera, "Szybka transformata
Fouriera", Autor: Taw i inni, 21.IV.2006
33. http://pl.wikipedia.org/wiki/Amplituda_fali, "Amplituda fali", Autor: Superborsuk,
09.08.2006
34. Encyklopedia PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN SA, 2005
47. Pressure Amplitude: Quantitative Measurement of Sound,
http://physics.mtsu.edu/%7Ewmr/log_3.htm, 3.VI.2006
Produkcja i mastering utworu muzycznego by Marcin Lisiecki jest licencjonowany pod Creative Commons Uznanie autorstwa – Użycie niekomercyjne – Bez utworów zależnych 4.0 Międzynarodowe License.
Lisi Tygrysi
24 lutego, 2014
