ZAPIS ANALOGOWY I CYFROWY DŹWIĘKU

Człowiek zawsze chciał uwiecznić swoje działania, wrażenia, przeżycia. Stąd już rysunki na skalne sprzed tysięcy lat, pomniki bohaterów wykute w kamieniu, wspaniałe obrazy namalowane na murach świątyń, na desce czy płótnie. Gdy człowiek wynalazł pismo mógł zapisywać ulotne słowa i opisywać swoje nie zawsze chwalebne czyny. W miarę rozwoju cywilizacji technika zapisu słowa i obrazu ulegała doskonaleniu. Jedynie czego nie dało się zapisać to dźwięku. Najwspanialsze utwory muzyczne ginęły natychmiast, jeżeli nie były bezpośrednio przekazane następcom.

Już w średniowieczu próbowano zapisywać muzykę za pomocą znaków przypominających znane nam dzisiaj nuty. W XVI w. we Włoszech udoskonalono system nutowy tak, że używamy go do dziś. Ale samej muzyki nikt nie umiał zapisać, chociaż już w XIII w sądzono że można go jakoś utrwalić. Dopiero w XIX wieku, wieku „pary i elektryczności”, zaczęto przesyłać głos na odległość za pomocą telefonu. Stało się inspiracją do badań nad sposobem jego utrwalenia.

W 1857 r., Leon Scott buduje aparat zwany przez niego fonoautografem. W urządzeniu tym fale dźwiękowe działały na membranę do której przymocowany był rylec, dokonujący zapisu na powierzchni ręcznie obracanego walca. Urządzenie to udoskonalano, ale było używane wyłącznie do badań nad fizyczną naturą dźwięku i nie służyło jeszcze do jego odtwarzania. Skott próbował wprawdzie przy jego pomocy nagrywać głosy domowników, ale uznano to za zabawę niegodną uczonego.

 W grudniu 1877 roku Thomas Alva Edison złożył wniosek patentowy na wynaleziony przez siebie aparat do odtwarzania dźwięku zapisanego na wirującym walcu. Zasadniczą częścią tego aparatu był miedziany walec osadzony na osi i owinięty dosyć grubą folią cynową. Stalowe ostrze połączone z metalową membraną po wpływem fal dźwiękowych wygniatało w folii śrubowy rowek o zmiennej głębokości (zapis wgłębny). Do odtwarzania służyła odrębna pergaminowa membrana umieszczona po przeciwległej stronie walca. W celu wzmocnienia dźwięku na membranę nakładano kartonową tubę. Przy odtwarzaniu walec był obracany z szybkością 1 obrotu na minutę. Skok rowka wynosił ok. 3 mm. Fonograf był wielokrotnie ulepszany, ale nie spełnił pokładanych w nim nadziei. Jakość odtwarzanego dźwięku była niska, same zaś walce były kosztowne z powodu trudności z ich powielaniem. Prace nad rozwojem fonografu zostały przerwane w 1912 roku. Ostatnie modele tego urządzenia posiadały sprężynowy napęd ze stabilizatorem obrotów. Odtwarzanie następowało z woskowego walca na którym można było zapisać 2 minuty muzyki lub 4 minuty mowy. Membrana odtwarzająca posiadała szafirową igłę.

Trudności z rozpowszechnianiem fonografu stworzyły sprzyjający klimat do poszukiwania innych rozwiązań. W czerwcu 1878 Emil Berliner złożył wniosek patentowy na aparat do odtwarzania dźwięku z wirującej płyty, a 10 lat później demonstruje działający model w filadelfijskim Instytucie Franklina.
Po wielu próbach Berliner opracował prostą i skuteczną metodę kopiowania płyt. Na wypolerowaną płytę cynkową, pokrytą warstwą wosku nanosił zapis ostrą igłą. Igła zdrapywała wosk i obnażała cynkowy podkład. Płytę trawiono i usuwano wosk. Wytrawiony rowek miał około 0.2 mm głębokości. Z oryginału wykonywał kopię galwanoplastyczną, która dopiero służyła do odtwarzania.

Płyta taka miała duże szumy własne, dlatego w późniejszym czasie użył płyty z celuloidu. Na oryginał nakładano rozgrzaną płytę i tłoczono pod prasą aż do ostygnięcia. Taka metoda wyrobu płyt ma zastosowanie i dzisiaj, materiał jest tylko inny. W 1893 roku Berliner zastosował nowy sprawniejszy model gramofonu i płytę z ebonitu. Ebonit miał już niezłe parametry, i dlatego wyprodukowano sporo takich płyt. Od 1986 roku do wyrobu płyt stosowano szelak (żywica wydzielana przez czerwie lakowe, żerujące na gałęziach drzewa lakowego w Indiach) z wypełniaczem mineralnym i sadzy lub węgla kostnego.
Pierwszy seryjnie wyprodukowany model gramofonu ukazał się na rynku w roku 1902. Model ten nie posiadał jeszcze ruchomego ramienia i membrana odtwarzająca połączona była na sztywno z tubą rezonansową. Wprowadzenie tego modelu do handlu stało się początkiem burzliwego rozwoju przemysłu fonograficznego Powstały wielkie fabryki zajmujące się wytwarzaniem tylko płyt lub gramofonów. Technologię związaną z zapisem i odtwarzaniem ciągle udoskonalano. W 1903 roku wprowadzono pierwsze płyty nagrane dwustronnie. Powiększano średnicę płyt w celu przedłużenia czasu nagrania (pierwsza płyta Berlinera miała zaledwie 6 cm. średnicy) aż do 50 cm. Poszczególne firmy stosowały różne prędkości zapisu (75-87 obr./min.) Płyty nagrywano zarówno od krawędzi jak i od środka. Francuska firma Pathe stosowała zapis wgłębny, odtwarzano je na aparatach zwanych patefonami. (nazwa ta utrzymała się do dziś). Ponieważ tak duża różnorodność rozwiązań technicznych ograniczała rozwój, producenci porozumieli się i wprowadzono międzynarodowe normy. Uchwalony standard przewidywał stosowanie zapisu porzecznego wzdłuż spirali, od krawędzi płyty. Szybkość miała wynosić 78 obr./minutę. Płyty wykonywane były z masy szelakowej o średnicach 20, 25 lub 30 cm, co wystarczało na zapis muzyki na jednej stronie od 1.5 do 3 minut. Standardy te obowiązywały aż do 1958 roku, kiedy to Międzynarodowa Konferencja Elektrotechniczna wprowadziła normy obowiązujące do dziś. Nagrania dokonywano na drodze mechaniczno-akustycznej. Ograniczało to mocno pasmo akustyczne (150 - 4000 Hz) i powodowało duże zniekształcenia spowodowane rezonansem tub przez które dokonywano zapisu. Od roku 1925 zapis mechaniczno-akustyczny został zupełnie zarzucony dzięki wynalezieniu rok wcześniej zapisu elektroakustycznego. Pozwoliło to na poprawę zapisywanego pasma (100 - 6000 Hz) i jakości nagrania. Jednak jakość odtwarzania nie zmieniła się zbytnio, bowiem gramofony zaopatrzone w membranę obcinały pasmo częstotliwości akustycznych do 200 - 3500 Hz. Ponadto ciężka głowica z igłą powoduje szybkie zużycie płyty a wysoki poziom szumów własnych płyty dodatkowo pomniejszał jakość nagrania. Dopiero pod koniec lat trzydziestych szerokie zastosowanie gramofonów elektrycznych z lekką głowicą i użycie do tłoczenia płyt mas plastycznych (acetatów) skokowo poprawiło jakość nagrań. Lekka głowica nie powodowała już tak szybkiego zużycia płyty. Masa plastyczna o jednorodnej strukturze dawała małe szumy, pozwalała na zawężenie rowka zapisu, co wydłużało czas nagrania. W 1934 roku powstaje więc płyta o średnicy 40 cm i szybkości odtwarzania 33 1/3 obrotów /minutę. W handlu płyta długogrająca pojawiła się dopiero w 1948 roku, wydana przez amerykańską firmę Columbia. Miała średnicę 25 lub 30 cm, prędkość 33 obr/min a czas nagrania wynosił 17 lub 27 minut na jednej stronie. Odtwarzane pasmo miało 50 - 10000 Hz. Rok później firma RCA Victor ustanawia nowy standard płyty o średnicy płyty 17,5 cm, szybkości 45 obr./min, i czasie nagrania 5 min, 15 sekund. Płyty te miały otwór o średnicy 1.5 cala. Oba te standardy stosowane są do dziś.

W Anglii w 1933 roku wyprodukowano pierwszą próbną partię płyt gramofonowych z zapisem dwukanałowym. Obecnie płyty nagrywa się w systemie dwukanałowej stereofonii (od 1959 roku w systemie 45^o/45^o) inny jest materiał z którego są tłoczone (winyl o drobnym ziarnie). Pasmo przenoszenia wkładki adapterowej wynosi minimum 30-15000 Hz, a w najlepszych konstrukcjach 20 - 40000 Hz. Mimo powszechnego stosowania płyt kompaktowych, produkowanych w miliardach sztuk, wprowadzania nowych formatów SACD i DVD-Audio, płyty winylowe mają wielu zwolenników, jako dobre źródło naturalnego, „analogowego” dźwięku. W niewielkich seriach są jeszcze produkowane przez niektóre wytwórnie do dziś.

Kiedy w 1983 roku Philips wprowadził cyfrowy zapis dźwięku na płycie kompaktowej, która ma średnicę tylko 12 cm i można na niej zapisać godzinę muzyki doskonałej jakości, stało się to przyczyną rewolucji w fonografii. Drogie początkowo odtwarzacze i płyty powoli upowszechniły się i każdy z nas w zasadzie może być posiadaczem dobrej jakości zestawu audio. Obecnie jesteśmy świadkami wprowadzania nowych systemów cyfrowego zapisu dźwięku, będącego ulepszeniem klasycznej płyty CD. Są to dwa, różne  systemy: SACD i DVD-Audio.

Cyfrowy zapis dźwięku

Niebywała ekspansja komputerów osobistych w latach dziewięćdziesiątych wywołała masowe "ucyfrowienie" wszystkich przechowywanych danych. Z rynku stopniowo znikają kasety audio i wideo, płyty CD i DVD cieszą się zasłużonym powodzeniem wygodniejszych w obsłudze, zajmujących mniej miejsca i łatwiejszych w przechowywania.

Taka sytuacja bardzo cieszy wielkie koncerny z branży. Nośniki cyfrowe zapewniają lepszą jakość obrazu czy dźwięku, a przy okazji mogą być zabezpieczone w sposób, o którym nie można było nawet marzyć przy sprzęcie analogowym. Naturalnie za to wszystko płaci klient - i płaci od lat tyle samo, wbrew pierwotnym obietnicom, że nowe produkty będą droższe tylko na początku.

Cyfrowy zapis sygnałów nie jest wynalazkiem ostatniej dekady. Problem zapisu sygnałów w dyskretnej postaci nękał informatyków jeszcze przed pojawieniem się pierwszego mikrokomputera domowego. Proste karty dźwiękowe dostępne były jako opcjonalne rozszerzenie także do najwcześniejszych modeli PC.

Jeżeli skupimy się wyłącznie na zapisie i odtwarzaniu dźwięków z pominięciem możliwości syntezy, można założyć, że podstawowym elementem każdej karty dźwiękowej są przetworniki analogowo-cyfrowy i cyfrowo-analogowy. Ich pracą steruje procesor sygnałowy DSP, którego wydajność warunkuje osiągi urządzenia. Szybszy DSP oznacza obróbkę danych z większą prędkością, wolniejszy - gorsze parametry całej karty.

Nośnikiem sygnału dźwiękowego jest powietrze przenoszące drgania. W mikrofonie drgania przenoszone są na membranę (cienki plaster sztywnego materiału). Ruch membrany powoduje proporcjonalne zmiany prądu.

Pierwszym etapem przetwarzania analogowo-cyfrowego jest próbkowanie (sampling). Termin ten oznacza prowadzony z określoną częstością pomiar amplitudy sygnału. Najważniejszym parametrem etapu przetwarzania A/C jest tzw. częstotliwość próbkowania. Odnosi się ona do liczby pomiarów przeprowadzanych w ciągu sekundy i jest wyrażona w Hertzach (Hz). Istnieje prosta zależność między częstotliwością próbkowania a jakością nagrania. Można założyć, że im jest większa, tym wierniej odzwierciedlany jest sygnał wejściowy. Kluczową rolę odgrywa tu tzw. kryterium Nyquista (nazywane też prawem Shannona) mówiące o tym, że do zapisu sygnału o określonej częstotliwości koniecznie jest próbkowanie z dwukrotnie większą częstotliwością.

Ponieważ ucho ludzkie jest w stanie wychwycić dźwięki o częstotliwości do 20 kHz, minimalna częstotliwość próbkowania potrzebna do wiernego zapisu słyszalnych odgłosów to ok. 40 kHz (w przypadku płyt CD Audio to ok. 44 kHz). Zmniejszenie liczby próbek na sekundę powoduje wyraźny spadek jakości dźwięku. Do uzyskania jakości telefonicznej nagrania wystarczy próbkowanie około 8 kHz (zapisywane jest pasmo o szerokości 4 kHz). Z pojęciem próbkowania nieodłącznie wiąże się problem tzw. aliasingu. To niekorzystne zjawisko polega na pojawianiu się w próbkowanym sygnale niechcianych częstotliwości. Aby temu zapobiec, podczas wejścia sygnał jest poddawany działaniu filtrów antyaliasingowych (wytłumiających składowe o częstotliwościach wyższych niż połowa częstotliwości próbkowania).

Uzyskane w wyniku próbkowania pomiary mają ciągle charakter analogowy (ciągły). Wartość zmierzonej amplitudy musi być jednak zapisana w postaci ciągu bitów o ustalonej długości. Ten etap zapisu dźwięku nazywa się kwantyzacją. Polega on na zaokrąglaniu kolejnych wyników do najbliższej wartości przy uwzględnieniu "głębi" zapisu. Najprościej wyjaśnić to na przykładzie. Załóżmy, że wynik kolejnego pomiaru jednostronnego sygnału (wartość próbki przed kwantyzacją) to 1,4567. Ponieważ na wejściu przetwornika A/C pojawiać się mogą sygnały z przedziału 0-3, wynik leży mniej więcej w połowie "skali". Jeżeli zapis ma się odbyć z użyciem 8 bitów, mamy do wyboru jeden z możliwych 256 (28) poziomów pojedynczej próbki.

Źródła :

• Multimedia. Obróbka dźwięku i filmów. Podstawy Autorzy: Grzegorz Świerk, Łukasz Madurski

• Magia sygnału Autor: William von Mobius

4

---