1. Električni deo audio sistema (100 – 103)

Početak električnog dela audio sistema je izlaz mikrofona. Njegov signal predstavlja ulaznu veličinu centralnog dela audio sistema. Na kraju, posle svih operacija na audio signalu koje pretrpi u električnom delu dobija se izlazni audio signal namenjen krajnjem korisniku. Poslednja tačka električnog dela audio sistema je zvučnik kao elektroakustički pretvarač koji pomoću izlaznog audio signala generiše zvučno polje u prostoru gde se nalazi slušalac. Električni deo audio sistema se formira prema konkretnim ciljevima koji se pred njega postavljaju.

Centralni uređaj sistema je audio mikseta. To je uređaj koji predstavlja osnovni element električnog dela svakog audio sistema. U mikseti se vrši prilagođavanje signala iz raznih izvora i njihovo ujednačavanje, komutacija, osnovna obrada, kontrola i druge slične funkcije. Signal iz miksete može se u raznim fazama njegovog prolaska od njenog ulaza do izlaza uputiti na druge uređaje a zatim vratiti u miksetu. Sa slike 4.9 se vidi da postoje dve kategorije pratećih uređaja. To su procesori i snimači, odnosno reproduktori. Uobičajeno je da se svi korišćeni procesori u okviru audio sistema fizički grupišu u jednu celinu koja se u stručnom žargonu naziva ″efekt rek″ (pojam ″rek″ označava metalni ormar za smeštaj uređaja), iako se u bolje opremljenim studjima procesori nalaze smešteni u nekoliko takvih ormara. Za razliku od procesora, danas korišćeni snimači/reproduktori mogu biti veoma različiti po principima rada i fizičkim gabaritima, a u nekim slučajevima te funkcije obavljaju računari. Ako je električni deo audio sistema linearan i vremenski nepromenljiv, onda sve što se u njemu dešava može se takođe definisati impulsnim odzivom hel(t). Izlazni audio signal je konvolucija ulaznog signala i tog električnog impulsnog odziva.

vizl(t) = vul(t) ∗ hel(t) U najvećem broju slučajeva komponente čijim međusobnim povezivanjem se formira električni deo audio sistema su, svaka za sebe, linearne ili se bar teži da takve budu. Impulsni odzivi ulaznog i izlaznog akustičkog okruženja unose mnogo značajnije odstupanje od idealnog prenosa kroz audio sistem nego odziv njegovog električnog dela.

2. Razlike između neposrednog slušanja i slušanja posredstvom audio sistema (105 – 107)

U tački prostora koja predstavlja ulaz sistema zvučni izvor stvara signal s(t), a postoje dva izlaza: levo i desno uvo. Izlazni signali su pritisci na levom i desnom uvu pL(t) i pD(t). Ta dva pritiska nisu jednaka, jer glava ima konačne dimenzije u odnosu na talasnu dužinu zvuka i u izvesnoj meri remeti strukturu zvučnog polja u odnosu na okolnosti kada slušalac tu nije prisutan. Impulsni odzivi koji definišu prenos od izvora zvuka

- 1 -

do ušiju slušaoca hL(t) i hD(t) zavise od akustičkih osobina prostora (veličina i materijalizcija površina), pravaca nailaska zvuka na glavu i rastojanja izvora i slušaoca r.

Ako se prenos signala sa slike 4.11 razloži na elemente dobija se blok šema prikazana na slici 4.12. Dva ulazna signala, pL(t) i pD(t), predstavljaju pobudu za prenosni sistem levog i desnog uva, da bi na osnovu takvih informacija nastala zvučna slika u svesti slušaoca. Razlika u signalima na levom i desnom uvu omogućavaju dekodovanje prostornih informacija u čulu sluha Te razlike su uslovljene okruženjem, odnosno impulsnim odzivima hL(t) i hD(t).

Umesto dva izlaza informacija iz akustičkog okruženja dobija se samo jedan izlazni signal. Trodimenzionali procesi u zvučnom polju time su svedeni na jednodimenzionalni električni signal. Na izlazu iz audio sistema u nekom akustičkom okruženju reprodukuje se izlazni signal sizl(t) kojim se stvara zvučno polje. Slušalac se sada nalazi u nekom novom prostoru i odgovarajućem zvučnom polju. I ovde je pritisak na levom i desnom uvu određen impulsnim odzivima hL2(t) i hD2(t) koji zavise od lokalnih osobina okruženja, ali su oni različiti od odziva hL(t) i hD(t) sa slike 4.11 jer su to različiti prostori. Ono prvo je mogla biti koncertna sala, a ovo na izlazu može biti soba u stanu, što podrazumeva velike razlike u impulsnim odzvima.

Čak i da su impulsni odzivi u izlaznom akustičkom okruženju sa slike 4.13 na neki hipotetički način idealni, što znači da ne utiču na signal, postoji još jedna važna razlika između neposrednog i posrednog slušanja. Zbog sasvim praktičnih razloga o kojima će kasnije biti reči (odnos signal/šum u mikrofonskom signalu) mikrofon se u ulaznom akustičkom okruženju po pravilu postavlja u neposrednu blizinu zvučnog izvora. Mikrofonski signal je određen impulsnim odzivom hM(t) koji je funkcija njegovog rastojanja r1. Čak i kada se sve događa u istom prostoru gde je slušalac neposredno slušao isti zvučni izvor, smanjeno rastojanja značajno utiče da se ovaj odziv razlikuje od hL(t) i hD(t) sa slike 4.11. Približavanje mikrofona pri snimanju utiče da ovaj impulsni odzvi teži idealnom, jer direktan zvuk dominira u odnosu na sve refleksije, pa u mikrofonskom signalu bivaju značajno potisnute sve komponente koje zavise od okruženja. Ako je mikrofon usmeren, okrenut svojom osom ka izvoru, sve ostale komponente impulsnog odziva mogu postati praktično zanemarljive.

- 2 -

3. Ulazno akustičko okruženje i mikrofonski koncept (82 – 89)

Pokazano je da početni deo audio sistema čini ulazno akustičko okruženje. U njemu su zvučne informacije predstavljene zvučnim pritiskom kao signalom. Karakteristike pritiska su određene ne samo ulaznim signalom koga generiše zvučni izvor, već i raznim fizičkim uticajima iz neposredne okoline koji određuju karakteristike zvučnog polja. Zbog toga je ulazno akustičko okruženje faktor koji značajno utiče na audio signal. U nekoj tački ulaznog akustičkog okruženja nalazi se mikrofon koji zvučni pritisak kao signal pretvara u njegov električni ekvivalent. Pojam mikrofonskog koncepta podrazumeva načina rada sa mikrofonima da bi se u nekom zadatom okruženju, uz sva akustička, fizička i druga nametnuta ograničenja, dobio električni signal odgovajućeg kvaliteta. Osnovna veličina koja definiše rad zvučnog izvora je akustički protok q(t). On je po definiciji:

q(t) = S v(t)

gde je v(t) brzina oscilovanja molekula na površini talasnog fronta koji se udaljava od izvora, a S površina talasnog fronta koji pri tome nastaje. Vidi se da akustički protok ima dimenziju (m3/s). Zbog toga se akustički protok često naziva zapreminska brzina. Druga osobina zvučnih izvora od značaja za audio signal je njihova usmerenost. Ona se iskazuje karakteristikom usmerenosti, što je po definiciji odnos zvučnog pritiska koga izvor stvara u nekom posmatranom pravcu i pritiska koga istovremeno stvara u pravcu usvojene ose. Uobičajeno je da se kao osa zvučnog izvora usvaja pravac njegovog maksimalnog zračenja.

sl. 1. kriva kardioide razmera od 0 dB do -50 dB. Usmerenost je, po definiciji, prostorna karakteristika definisana u čitavom prostornom uglu, ali se zbog jednostavnosti grafičkog prikazivanja ona uobičajeno predstavlja dijagramima usmerenosti datim u ravni. Direktan zvuk sadrži sve informacije koje je emitovao zvučni izvor, bez promena usled spoljašnjih uticaja iz akustičkog okruženja. Cilj postavljnja mikrofona je najčešće registrovanje direktnog zvuka radi daljeg prenosa kroz audio sistem. Promene u karakteristikama direktnog zvuka nastaju kao posledica slabljenja usled širenja talasnog fronta. Pri prostiranju kroz vazduh on podleže fizičkom zakonu opadanja energije talasa sa udaljavanjem od izvora, zbog čega se sa svakim udvostručavanjem rastojanja od izvora njegov nivo smanjuje za po 6 dB (zakon ″6 dB″). Sa udaljavanjem mikrofona od izvora nivo direktnog zvuka koji deluje na njegovu membranu slabi po tom zakonu. Za slučaj tačkastog izvora zvuka ovo slabljenje je iskazano poznatim izrazom za intenzitet direktnog zvuka:

gde je Pa zvučna snaga izvora, a r rastojanje od izvora. Direktnom transformacijom ovog izraza može se preći na nivo direktnog zvuka:

gde je Lw nivo snage zvučnog izvora u dB (re 10-12 W). Konstanta na kraju desne strane izraza potiče od člana 10 log (4π).

- 3 -

U elektroakustici je pokazano da se usmerenost zvučnog izvora izražava veličinom koja se naziva faktor usmerenosti γ. Njegova vrednost je, po definiciji:

gde je ΩZeff efektivni prostorni ugao zračenja. Za neusmereni izvor γ = 1. Što je izvor usmereniji u svom zračenju to je vrednost njegovog faktora usmerenosti veća. Faktor usmerenosti ima svoj logaritamski ekvivalent koji se naziva indeks usmerenosti. Indeks usmerenosti je, po definiciji:

D =10logγ Za neusmereni izvor zvuka indeks usmerenosti je 0 dB. Efekat zračenja usmerenog zvučnog izvora u pravcu njegove ose je ekvivalentan povećanju snage zračenja za faktor γ. Intenzitet zračenja takvog izvora u smeru ose je:

gde Jo označava vrednost intenziteta u osi zračenja. Transformacijom ovoga izraza u logaritamsku formu dobija se da je nivo zvuka u pravcu ose:

Kod zvučnih izvora kakvi su govornici, pevači i muzički instrumenti podrazumeva se da se mikrofon postavlja isključivo u zoni njihove ose zračenja. U takvim okolnostima sve što se izrači u drugim pravcima je ″bačena″ energija, pa podatak o ukupnoj zvučnoj snazi koju izvor razvija nije relevantan sa aspekta snimanja zvuka. Umesto toga, zračenje izvora se kvantifikuje podatkom o nivoima zvuka koje ostvaruje u zoni oko njegove ose. Uobičajeno se za takve zvučne izvore navodi podatak o nivou zvuka L1 koga on stvara u osi na jediničnom rastojanju r = 1 m.

gde je L1 izmereni nivo zvuka u osi na rastojanju 1 m. Ovaj podatak se u nekim praktičnim okolnostima može tretirati kao ulazni signal audio sistema umesto akustičkog protoka. Audio sistem počinje sa zvučnim izvorom koji generiše zvučne informacije. Izvor se uvek nalazi u nekom ulaznom akustičkom okruženju. U istom okruženju se nalazi i mikrofon koji, delovanjem zvučnog pritiska na membranu, na svom izlazu daje audio signal u njegovoj električnoj formi. Zbog toga se na ulazni elektični audio signal preslikavaju uticaji svih fizičkih zakona koji određuju strukturu zvučnog polja. Najčešći oblik akustičkog okruženja na ulazu u audio sistem je prostorija. U prostorijama to pojednostavljenje, u opštem slučaju, znači razdvajanje zvučnog polja na tri komponente. To su: direktan zvuk, prve refleksije i ostatak reflektovanog zvuka koji sledi i koji je posledica procesa reverberacije. Ove tri komponente prikazane su šematski na slici 5.2. Glavni cilj registrovanja zvuka u ulaznom akustičkom okruženju je dobijanje signala direktnog zvuka i dovoljno potiskivanje ostalih komponenti odziva.

Nivo reflektovanog zvuka je približno konstantan u svim tačkama prostorije. Prema tome, prve refleksije menjaju spektralni sadržaj direktnog zvuka, a reverberacija maskira slabije komponente njegove energije, pa je čitav rad u ulaznom akustičkom okruženju usmeren na dobijanje direktnog zvuka koji će biti dovoljno jači od prvih refleksija i energije reflektovanog zvuka.

- 4 -

4. Prostorne dimenzije zvučne slike (113 – 130) Jedna od najznačajnijih osobina čula sluha jeste mogućnost percepcije prostornih dimenzija zvučne slike. Ova osobina se zasniva na sposobnosti čula da odredi pravac iz koga zvučni talas nailazi na glavu slušaoca, što je moguće zahvaljujući činjenici da čulo sluha radi sa dva prostorno razdvojena senzora i sa glavom kao fizičkom preprekom između njih. Takav mehanizam percepcije naziva se binauralno slušanje. Mehanizam binauralnog slušanja kod čoveka, pre svega način na koji su uši postavljene u odnosu na glavu, prilagođen je percepciji u horizontalnoj ravni. Realno je pretpostaviti da je to prirodna posledica evolucije, jer se gotovo svi zvučni izvor za koje je čovek zainteresovan nalaze na zemlji, odnosno u jednoj vrlo uskoj zoni u odnosu na horizontalnu ravan. U vertikalnoj ravni ljudske sposobnost percepcije pravca su značajno manje upravo zbog vertikalne simetrije glave. Pravac u okviru horizontalne ravni iz koga zvuk nailazi na glavu slušaoca određen je uglom koji se naziva azimut. Definicija azimuta je prikazana na slici 2.18. Sposobnost rezolucije po pravcima nije ista za sve vrednosti azimuta. Najveća je u pravcu ose lica slušaoca (azimut oko 0º), i u toj zoni prosečan slušalac može da razlikuje pomeranja izvora sa rezolucijim od oko 2º. U literaturi namenjenoj snimateljima zvuka može se naći podatak da je ta rezolucija čak 1º. Rezolucija se smanjuje sa povećanjem azimuta, i već pod uglom od oko 75º rezolucija je samo oko 7º. U zadnjoj poluravni sposobnost rezolucije po pravcima je još lošija.

Dva su glavna pravca u kojima se razvija prenos prostornih infomacija u audio sistemima. To su: - binauralni koncept i - stereo koncept. Kao linija razgraničenja ova dva pristupa može se reći da je binauralni koncept namenjen samo jednom individualnom slušaocu, a stereo je namenjen auditorijumu i omogućava percepciju prostornih informacija u nekom zadatom prostoru. Binauralni koncept se zasniva na stvaranju odgovarajućih zvučnih signala na levom i desnom uvu, što podrazumeva prenos dva signala koji se reprodukciju pomoću slušalica. Binauralni koncept je najdirektniji pokušaj prenosa prostornih informacija jer se zasniva na oponašanju fizičkih procesa koji se odigravaju na glavi slušaoca kada je on neposredno prisutan u ulaznom akustičkom okruženju i direktno prima zvučne informacije. Princip binauralnog koncepta šematski je ilustrovan na slici 6.1. Osnovu metode čini filtriranje audio signala odgovarajućim prenosnim funkcijama za azimut α kojim se želi definisati zadata pozicija izvora u zvučnoj slici. Prenosne funkcije filtra za bliže, u prikazano slučaju desno uvo HRTFαD i dalje, levo uvo HRTFαL predstavljaju funkcije fizičkih dimenzija glave i azimuta. Njhov uticaj je za čulo sliuha ključ kojim se dekoduju prostorne informacije. Za svaki željeni položaj izvora u zvučnoj slici koju prima slušaoc potrebno je njegov signal prethodno filtrirati odgovarajućim prenosnim funkcijama.

Princip binauralnog snimnja pomoću veštačke glave šematski je prikazan na slici 6.2. Ona u fizičkom smislu ″zamenjuje″ slušaoca u zvučnom polju ulaznog akustičkog okruženja. Filtriranje odgovajućim prenosnim funkcijama za oba uva dešava se u fizičkom domenu, na veštačkoj glavi kao prepreci sa svim njenim geometrijskim atributima.

- 5 -

Snimanje veštačkom glavom podrazumeva dva prenosna kanala do slušaoca, što je minimalno povećanje u odnosu na osnovni slučaj prenosa jednim signalom. Zato je u tehničkom smislu binauralni koncept veoma ekonomičan, jer sa samo dva kanala omogućava prenos čitavog akustičkog ambijenta sa svim njegovim nivoima prostornih informacija. Ako se takva dva signala zabeleže na nekom dvokanalnom snimku, onda je to naziva binauralni snimak. Stereo sistem reprodukcije podrazumeva primenu dva ili više prostorno raspoređenih zvučnika preko kojih se reprodukuju nezavisni signali. Ograničen broj zvučnika koji se postavljaju pri reprodukciji u izlaznom akustičkom okruženju jedini su realni zvučni izvori koje slušalac može u takvim okolnostim da registruje. U nekim izvorima se pravi razlika između stereo kanala koji daju informaciju o poziciji zvučnih izvora i kanala koji daju samo globalnu informaciju o prostoru, odnosno akustičkom ambijentu, i koji se, radi razlike, nazivaju surround. U standardima Međunarodne telekomunikacione unije (ITU), uvodi se razlika između stereo i binauralnog sistema, i gde je usvojeno da surround kanali nisu integralni deo stereo sistema, već njegov dodatak. Pri definisanju pozicije zvučnika polazi se od činjenice da čulo sluha ima najprecizniju rezoluciju po pravcima u horizontalnoj ravni, i to u prednjoj zoni približno definisanoj opsegom azimuta ±30º. Eksperiment koji pokazuje prvi mogući princip formiranja prostornih iluzija kod slušaoca prikazan je šematski na slici 6.5. Jedan audio signal razdvaja se i reprodukuje pomoću dva prostorno razdvojena zvučnika postavljena u skladu sa napomenama o rezoluciji čula sluha. Slušalac se pozicionira na mestu koje se nalazi na osi zvučničkog para. Duž koja spaja zvučnike naziva se zvučna baza. Kada su signali na levom i desnom zvučniku identični, i signali na levom i desnom uvu će biti identični. Čulo sluha u takvim okolnostima formira zvučnu sliku koja uključuje iluziju da je izvor zvuka tačno na sredini zvučne baze, između dva zvučnika, što je na slici označeno tačkom.

Ako se u putanju signala do jednog od zvučnika postavi oslabljivač, na slici označen pravougaonikom sa oznakom ΔL, pomoću njega se može kontrolisati nivo reprodukcije tog zvučnika. Promenama slabljenja signala menja se relativan odnos nivoa zvuka koga stvaraju zvučnici na mestu slušaoca.

- 6 -

Za slučaj pobude širokopojasnim impulsima srednja zavisnost položaja virtuelnog izvora u funkciji razlike u decibelima izgleda kao na slici 6.7. Oblik te promene utvrđivan je subjektivnim merenjima i statističkom obradom za više subjekata i više ponavljanja testova.

Drugi eksperiment koji ilustruje još jedan mogući princip formiranja prostornih iluzija zasniva se na istoj konfiguraciji sistema za reprodukciju zvuka sa dva prostorno razdvojena zvučnika, kao i u prethodnom eksperimentu. Razlika je samo u tome što se umesto oslabljivača u kolu jednog zvučnika postavlja linija za kašnjenje. Eksperiment je šematski prikazan na slici 6.8. Kada je kašnjenje Δτ jednako nuli, čulo sluha percepira virtuelni izvor tačno na sredini zvučne baze, kao u prethodnom eksperimentu za slučaj ΔL = 0.

Kada se u grani jednog zvučnika uvede kašnjenje Δτ, signal sa suprotnog zvučnika stizaće ranije do slušaoca. Kao rezultat, u zvučnoj slici koju percepira slušalac javiće se pomeranja virtuelnog izvora ka zvučniku čiji je signal neokašnjen, što je na slici 6.8 označeno isprekidanim krugom. Kada uvedeno kašnjenje Δτ dostigne neku dovoljno veliku vrednost, pozicija virtuelnog izvora će se poklopiti sa pozicijom zvučnika koji emituje neokašnjen signal. Dovoljno velika vrednost kašnjenja je u praksi reda veličine 1 ms. Prebacivanjem linije za kašnjenje u granu drugog zvučnika menjao bi se smer pomeranja virtuelnog izvora. Dijagram promene položaja virtuelnog izvora u funkciji kašenja prikazana je na slici 6.9.

Mesto gde se stvaraju audio signali i mesto gde se oni reprodukuju u opštem slučaju veoma su udaljeni i bez ikakvih kontakata. Da bi prenos prostornih informacija kroz takav audio sistem pravilno funkcionisao neophodna je standardizacija, odnosno dogovor, o svim fazama kroz koje signal prolazi. Tako je vremenom definisan osnovni koncept na kome su zasnovani svi kasnije primenjivani standardi višekanalnih formata reprodukcije zvuka. Taj koncept se zasniva na dva osnovna stava: 1. Stereo sistem za reprodukciju prostorne zvučne slike, bez obzira na broj kanala, koncentriše se samo na horizintalnu ravan, i to samo na njen prednji deo koji se vidi pod uglom od oko ±30º u odnosu na osu slušaoca. U toj oblasti prostorna rezolucija čula sluha je najveća, i u skladu je sa navikama da se čovek okreće prema izvorima zvuka.

- 7 -

2. Komponente zvučne slike koje nose informacije samo o akustičkom ambijentu ne prenose se stereo sistemom (što bi podrazumevalo mogućnost precizne definije pozicije svih zvučnih izvora u bilo kom pravcu) već se slušaocu reprodukuju posebnim zvučnicima raspoređenim u njegovom zadnjem poluprostoru. Ovaj deo sistema reprodukcije zvuka naziva se surround. Koncept podele na stereo i surround kanale dodatno je omogućio izvesna prilagođavanja realnostima Naime, u okolnostima kada postoji ograničenje u kapacitetima prenosa i zapisivanja, signali surround kanala prenose sa suženim frekvencijskim opsegom, što ne bi bilo prihvatljivo za glavne, stereo kanale, ali je subjektivno prihvatljivo za signale koji samo nose informacije iz ambijenta. U skladu sa tim, u sistemima koji imaju više od jednog surround zvučnika, bez obzira da li emituju isti ili različiti signal, to jest da li su tipa (x/1) ili (x/2), traži se da njihovi signali na mestu slušaoca budu nekorelisani radi podsticanja subjektivnog osećaja okruženosti zvukom.

- 8 -