ABC realizacji dźwięku

Choroba zawodowa dźwiękowców polega na częściowej utracie słuchu. Częsta ekspozycja na głośny dźwięk pozostawia trwałe ślady, podobnie jak w przypadku muzyków grających bardziej hałaśliwe gatunki. Dlatego warto systematycznie badać słuch.

Utrata słuchu powoduje, że nie ma się świadomości efektów swojej pracy. Jeśli niedosłuch obejmuje część zakresu powstają podbarwione realizacje.

Realizatorzy powinni zdawać sobie sprawę z tego, że różny sprzęt odtwarzający dźwięk ma odmienne brzmienie. Powinni być świadomi również, że różne pomieszczenia w specyficzny sposób podbarwiają audycje.

Skoro sprzęt zmienia brzmienie i pomieszczenie także, więc każdy słuchacz będzie słyszał zupełnie inny dźwięk. Jeśli realizator spowoduje dużą zmianę brzmienia, zwłaszcza barwy, to sprzęt i pomieszczenie muszą tę zmianę osłabić, albo wzmocnić.

Zupełnie jak z przyprawianiem potrawy. Można jakąś potrawę mocno posolić, co jednak jeśli sprzęt konsumenta i akustyka jego pomieszczenia powoduje, że potrawa staje się jeszcze bardziej słona? Wtedy jest niejadalna.

Wobec tego realizator dźwięku nie może przyprawić brzmienia w sposób ostateczny. On musi pozostawić pewien margines na to, co zrobi z jego realizacją sprzęt i akustyka pomieszczenia.

Realizacja z "marginesem bezpieczeństwa" jest trudna i zawsze jest kompromisem, ale innego wyjścia nie ma. I wiedzą to wszyscy zawodowcy. Zawsze realizowało się dźwięk tak, żeby mógł się w mniejszym lub większym stopniu sprawdzić w każdych okolicznościach. I należy do tego dodać jeszcze specyficzne właściwości różnych mediów.

Dlatego nie można realizować dźwięku w ten sposób, żeby brzmiał dobrze tylko przez telewizor z płaskim ekranem, który ma głośniki wielkości paczki fajek. Nie można też realizować tak, żeby dobrze grało tylko radio pani fryzjerki w saloniku, gdzie realizator się strzyże.

Realizacja brzmiąca inaczej na innym sprzęcie w odmiennych warunkach, ale zawsze brzmiąca w miarę znoście, cechuje zawodowców. Realizacja sprawdzająca się tylko w konkretnym miejscu i konkretnym sprzęcie cechuje dyletantów i polskich realizatorów.

RIAA - wpływ na tony średnie i wysokie

Korekcja RIAA wpływa na odstęp od zakłóceń zarówno polepszając go jak i pogarszając. Poprawia stosunek sygnał-szum, ale wzmacnia zakłócenia w zakresie niskich częstotliwości. W czasie wprowadzania korekcji RIAA zakłócenia w niskich częstotliwościach nikogo nie interesowały, bo sprzęt w domach i tak ich nie odtwarzał, natomiast problem polegał na tym, że płyty szumiały i można było na nich nagrać tylko krótkie utwory.

Wprowadzenie korekcji RIAA rozwiązuje problem czasu nagrania i szumu, ale jest kompromisem i jak każdy kompromis ma wady. Oprócz pogorszenia odstępu od zakłóceń w dolnym skraju pasma są też inne konsekwencje.

Wzmacniacze używane do nacinania matryc mają moc wieluset wat na kanał, a głowice nacinające trzeba chłodzić, np. wodą, inaczej się spalą. Co powoduje, że potrzebna jest tak duża moc?

Konieczność zastosowania sztywnego zawieszenia systemu tnącego czyli mała skuteczność głowicy. Można też uzasadniać to twardością materiału, co raczej dotyczy tylko nacinania w miedzi. Jednak gdyby nie korekta RIAA moce wzmacniaczy mogłyby być znacząco mniejsze, nawet uwzględniając pozostałe czynniki. Dzieje się tak dlatego, że przy wzmocnieniu sygnału o 20 dB jego moc wzrasta 100 razy. Biorąc pod uwagę czynniki mechaniczne można przyjąć, że wystarczyłaby moc kilkadziesiąt czy może sto wat na kanał. Jednak po korekcji RIAA ta moc musi być znacznie większa.

Głowica nacinająca pracuje na granicy możliwości termicznych ale również mechanicznych. Zwiększenie głośności ponad limit, powoduje, że zniekształcenia rosną lawinowo i są tak duże, że można je bez trudu usłyszeć.

Analizując wykresy zniekształceń wnoszonych przez przetworniki np. głośniki, można zauważyć, że ich wartość utrzymuje się na pewnym dość stałym poziomie i wzrasta dla częstotliwości rezonansowych i zakresów skrajnych, w których przetwornik już nie może pracować. Najważniejsze jest to, że normalne widmo sygnału ma moc coraz mniejszą im wyższe są częstotliwości.

Jeśli chodzi o głowicę nacinającą, to ona pracuje z sygnałem, którego moc nie spada z częstotliwością, bo jest sztuczne zwiększona. Wobec tego spektrum zniekształceń dla głowicy nacinającej nie może utrzymywać się na jakimś w miarę stałym poziomie, ale ze względu na wzrost mocy sygnału dla wysokich częstotliwości one także muszą w tym zakresie nieproporcjonalnie rosnąć.

Wobec tego głowica może naciąć głośno czysto i tony niskie i średnie, ale tony wysokie będą już silnie przesterowane.

Teoretyczny wykres charakterystyki częstotliwościowej i zniekształceń idealnego przetwornika. Idealny przetwornik wysterowany do poziomu odniesienia 0 dB - linia zielona - wykaże pewien stały poziom zniekształceń - linia żółta. Jeśli sygnał będzie zmieniony w ten sposób, że od 1 kHz siła sygnału wzrośnie - linia pomarańczowa - wtedy wzrośnie również poziom zniekształceń - linia czerwona. Nie znaczy to wcale, że skoro siła sygnału wzrośnie o pewną wartość, to o taką samą wartość wzrosną zniekształcenia. Zniekształcenia wzrosną nieproporcjonalnie silniej.

Płyty nacięte niestarannie mają szorstkie brzmienie i przesterowane sybilanty. Pilnowanie głośności winyla ma więc dwa aspekty. Zbyt głośne i stereofoniczne basy nie dadzą się odtworzyć. Za duża głośność wysokich tonów spowoduje przesterowanie głowicy tnącej. Jeśli wkładka gramofonowa dla wysokich tonów wprowadza zniekształcenia rzędu 0,2% to głowica raczej o rząd wielkości większe i to przy bardzo restrykcyjnym pilnowaniu wysterowania.

W odniesieniu do wcześniejszego posta dotyczącego Loudness War - na winylach usunięcie clippingu czyli zastosowanie bardzo stromego filtra dolnoprzepustowego jest tak ważne przy nacinaniu dlatego, że dodatkowa ilość wysokich częstotliwości doprowadzi do ekstremalnego przesterowania głowicy.

Poziom zniekształceń, który można zaakceptować to jeden-dwa procent dla zniekształceń harmonicznych. Sztuka nacięcia płyty polega na tym, żeby osiągnąć maksymalny poziom głośności, ale tylko taki, żeby zniekształcenia nie przekroczyły procenta lub dwóch.

Zdarzają się płyty, które pokazują skutki niedopilnowania tych szczegółów. Najszybciej można znaleźć przykłady źle naciętych płyt pośród wydawnictw z demoludów. Istnieje co najmniej jedna polska płyta, która jest od początku do końca przesterowana na średnich i wysokich tonach. Jest masa takich, które są lekko przesterowane i objawia się to głównie syczącymi sybilantami.

Ten bogaty katalog płyt źle naciętych, bo albo master był źle przygotowany, albo technik nie pilnował poziomów wysokich tonów pokazuje wyraźnie jak duże ograniczenia ma płyta analogowa. Albo raczej jak wielu tricków i sztuczek trzeba użyć, żeby je zminimalizować.

Na zachodzie też się wpadki zdarzają, ale źle nacięte płyty zazwyczaj idą na przemiał, a wytwórnia musi wytłoczyć nakład od nowa. Dlatego płyt z ewidentnie zniekształconym zakresem średnio-wysokim raczej nie ma w handlu.

Jeśli więc ktoś zachwyca się dźwiękiem z płyty analogowej, to bardziej dlatego, że nie słucha uważnie, ale przede wszystkim z tego powodu, że nie ma możności porównania oryginalnego nośnika z płytą. Trzeba dodać, że nawet mając oryginalny nośnik, bo jest dostępny w wersji cyfrowej, trudno zauważyć zmiany i manipulacje, które wykonano przy produkcji płyty winylowej. Słuch jest pod wieloma względami narządem bardzo mało precyzyjnym, a ludzie produkujący płyty znają się, zazwyczaj doskonale, na tym co robią.

Winyl - problemy powodowane przez krzywą RIAA - basy

Zapis na płycie analogowej jest kształtowany według krzywej RIAA natomiast przedwzmacniacz gramofonowy stosuje korekcję będącą jej odwrotnością:

Skraje pasma są wzmacniane i tłumione o około 20 dB. Dlaczego taka korekcja jest potrzebna?

Na początku zapisu mechanicznego na wałkach i płytach szybkoobrotowych nagrywano przez tubę. Dźwięk był zapisywany "tak jak jest". Oznaczało to, że rozkład energii w całym paśmie był identyczny z naturalnym. Czyli bardzo dużym amplitudom niskich częstotliwości odpowiadały małe wysokich. Wysokie tony nie zapisywały się praktycznie wcale, co nie do końca było winą stosowania tuby. Poza tym problemem był krótki czas jaki można nagrać.

Jeśli weźmie się lepszy materiał na płyty, zapis drobnorowkowy i nagrywanie elektryczne sytuacja nie poprawi się zbytnio. Płyta wciąż będzie szumieć głośno, bo poziom zapisu będzie musiał być bardzo mały. Jedyne wyjście, to korekcja parametrów zapisu. Stosowanie nagrywania elektrycznego daje możliwość niemal dowolnego korygowania zapisu i odczytu.

W odniesieniu do czasu trwania, stłumienie basów o 20 dB umożliwiło znaczące wydłużenie czasu nagrania. Podbicie wysokich tonów wyraźnie poprawiło odstęp od szumu.

Wydawać by się mogło, że wszystko jest świetnie i faktycznie tak było do czasów kiedy każdy posiadacz płyt zaczął dysponować sprzętem wysokiej jakości czyli takim, który pozwala odtworzyć także niskie częstotliwości. Czyli przyjmijmy, że do roku 1970.

Odtworzenie płyty analogowej na sprzęcie wysokiej jakości nie jest miłym przeżyciem. Płyta szumi dość słabo, ale za to zakłócenia w zakresie niskich częstotliwości są bardzo dokuczliwe. Trzeba podkreślić, że pomijamy tu wszystkie inne typy zakłóceń, których na płycie analogowej jest całkiem sporo.

Poziom zakłóceń wzrasta prawie dokładnie o 20dB czyli tyle ile podbija przy odczycie bas korekcja RIAA. Najlepiej to widać przy analizie tła zakłóceń.

Grafika powyżej ilustruje problem. Wykresy pokazują poziom zakłóceń w gramofonie dla przedwzmacniacza (czarna linia), dla sprzęgła (niebieska) i płyty (czerwona). Każda z tych linii wykazuje tendencję rosnącą w miarę obniżania częstotliwości, która koresponduje z korekcją RIAA. Gdyby tej korekcji nie było odstęp od zakłóceń wypadłby znacznie lepiej i nie dokuczałyby one w czasie słuchania. Ale wtedy czas odtwarzania musiałby być bardzo krótki.

Winyl jest nośnikiem z problemami systemowymi, których się nie da obejść. Odstęp od zakłóceń dla niskich częstotliwości realnie wynosi co najwyżej około 55 dB, co niestety bardzo daje się we znaki.

Zakłócenia w niskich zakresach nie tylko dokuczliwie słychać, ale niektóre także dobrze widać. Te nienaturalnie duże skoki głośników, którym nie towarzyszy żaden dźwięk są właśnie zakłóceniami ze skraju pasma. Membrany głośników poruszają się w sposób zagadkowy tylko do momentu, kiedy się postawi kolumnę blisko gramofonu i obserwuje pofalowania powierzchni płyty i ruch membrany. I nie ma na nie żadnego sposobu. Nawet odfiltrowanie częstotliwości mniejszych niż 50 Hz nie spowoduje, że przestaną być słyszalne, bo można odfiltrować tylko ten zakres, gdzie praktycznie nie ma dźwięków muzycznych, natomiast omawiane zakłócenia obejmują przedział od infradźwięków do kilkuset Hz. Użycie filtra poddźwiękowego spowoduje, że membrany głośników się uspokoją, ale nic poza tym.

Mało osób zwraca uwagę na te zakłócenia z tego względu, że muzyka przeważnie je skutecznie zagłusza. Jednak utwory klasyczne z bardzo cichymi fragmentami są bezlitosne dla płyt analogowych.

Winyl - nośnik wymuszający stosowanie kompresji dynamiki

Płyta analogowa jest nośnikiem specyficznym ze względu na mechaniczny zapis i odczyt. Każdy rodzaj zapisu charakteryzuje się maksymalną dynamiką sygnału, jednak metoda mechaniczna ma pewną cechę unikalną. Dynamika zmniejsza się wraz ze wzrostem różnic pomiędzy kanałami czyli sygnał monofoniczny można zapisać z maksymalną możliwą głośnością, natomiast w stereo poziom zapisu musi być mniejszy.

Wynika to ze sposobu odczytu. Zapis dla dwu kanałów jest względem siebie prostopadły i odbywa się po skosie. Ten typ nazywany jest 45-45 i ilustruje go schematycznie górna część poniższego rysunku.

ograni

Sygnał monofoniczny będzie skutkował tym, że ruch ostrza głowicy nacinającej i co za tym idzie igły odbywa się w poziomie. Jeśli sygnał w kanałach będzie różny wystąpi także ruch w pionie. Wobec tego nacinając sygnał mono z maksymalną założoną głośnością, która odpowiada zdolności śledzenia wkładki wszystko będzie w porządku. Jednak po dodaniu do tego maksymalnego dla wkładki sygnału jakiegoś silniejszego czy w ogóle jakiegokolwiek sygnału stereo dodającego ruch w pionie, skończy się to tym, że igła wyskoczy z rowka.

Aby płyta analogowa odtwarzała się bez problemów trzeba spłycić stereo, albo nacinać bardzo cicho, a cichutko grających płyt raczej nikt nie chce. Niski bas musi być przyciszony i monofoniczny, wyższy bas nie może mieć zbyt dużych różnic fazowych. Dlatego jeśli się przyjrzy winylowi pod lupą widać, że zapis bardziej przypomina mono, bo zmiany głębokości rowka są niewielkie. Są takie, bo za ruch w pionie czyli stereofonię odpowiadają średnie i wysokie częstotliwości.

Nacinanie płyt winylowych jest działaniem w warunkach ekstremalnych dlatego, że zawsze działa się na granicy możliwości systemu np. wkładek gramofonowych. Produkcja płyt winylowych jest sztuką minimalizowania ograniczeń nośnika. Albo się to umie zrobić i otrzymuje rezultaty doskonałe, albo nie i produkuje potworki takie jak "singiel" Tonpressu na 33 obroty "Blue Monday" New Order.

Nie można naciąć winyla 1:1 z taśmy matki z wielu powodów. Nie można także nacinać nagrań stereofonicznych w pełnym tego słowa znaczeniu.

Ograniczenie stereofonii na płytach winylowych wykonuje się w oparciu zasadę pokazaną w dolnej części rysunku, gdzie sygnał jest przedstawiony jako suma i różnica kanałów. Suma L+P kanałów tj. mono jest ruchem igły w poziomie, różnica L-P jest składową w pionie. L lewy, P - prawy kanał.

Jeśli sygnał stereo zamieni się na sygnały sumy i różnicy, można go łatwo skorygować aby nadawał się do nacięcia. Wystarczy, że w krytycznych momentach, kiedy różnice fazowe i głośność są zbyt duże, zredukuje się głośność L-P czyli sygnał straci na stereofoniczności. Można też zmniejszyć głośność w obu kanałach czyli zapisać ciszej zarówno L+P jak i L-P.

Co do zasady dynamika kanału L+P jest większa niż L-P. Szerokość rowka, czyli amplituda, jest wartością zmienną, natomiast głębokość rowka jest wartością stałą, czyli nie może przekroczyć pewnych określonych wartości. Mastering do nacięcia na winyl polega na zmniejszeniu ilości informacji w kanale L-P do minimum, w niskim basie do zera.

Spreparowanie sygnału, by nadawał się do nacięcia jest bardzo trudne jeśli się ma do dyspozycji zwyczajne stereo, dlatego tak ważne jest przekształcenie go na składowe.

W tor sygnału sumy wpina się kompresor, jak również to samo robi się dla kanału różnicy. Sygnał nigdy nie przekroczy zadanych wartości ani w kanale L+P, ani w kanale L-P. Można to robić ręcznie obserwując siłę sygnału i różnice fazowe; ale w sygnale stereo; natomiast wprowadza się korekty przy pomocy kompresorów w sygnałach sumy i różnicy. Ręcznie oznacza dodawanie korekt na bieżąco do wcześniej ustawionych parametrów kompresji. Można proces zautomatyzować przez zastosowanie odpowiedniego oprogramowania.

Po wprowadzeniu kompresji można z powrotem zamienić sygnał suma/różnica na stereofoniczny i podać do głowicy nacinającej, albo zostawić tak jak jest i użyć głowicy mającej cewki ustawione w poziomie i w pionie, a nie jak to jest zazwyczaj, pod kątem 45 stopni.

Płyty winylowe są z konieczności mniej stereofoniczne niż zapis cyfrowy czy na taśmie magnetofonowej. Oponenci stwierdzą, że to nie może być prawdą, bo przecież stereofonia na analogach jest doskonała(sic!). Poza mniejszą separacją kanałów jest subiektywnie porównywalna do innych nośników, ale dlatego, że za efekty stereo odpowiedzialne są raczej częstotliwości średnie i wysokie, a te są niezmieniane.

Skutków kompresji nie daje się tak łatwo zauważyć z kilku powodów. Po pierwsze słuch jest narządem o bardzo małej precyzji w tym aspekcie. Po drugie poprawki i korekty sygnału są wprowadzane umiejętnie i zajmują się tym ludzie o dużej wiedzy i doświadczeniu, dysponujący specjalistycznym sprzętem. Po trzecie nagrania są miksowane i masterowane z myślą, że będą musiały nadawać się do wydania na winylu. Dlatego inżynierowie dźwięku starają się, żeby zakres niskich częstotliwości różnił się w kanałach jak najmniej i starają się basy raczej lokować pośrodku bazy stereo.

Są odstępstwa od tej reguły. W początkach stereofonii miksowano dość niesymetrycznie, jednak porzucono tą metodę, z przyczyn oczywistych. Warto zauważyć, że nawet kiedy stereofonia jest bardzo niesymetryczna, to sekcja jest po jednej stronie. Bas i perkusja będą albo z jednej, albo z drugiej strony, raczej trudno znaleźć nagrania, żeby bas i perkusja były na obu skrajach bazy.

W skrócie:

1. Nagranie nie może być "rozjechane" fazowo w basie.
2. Baza stereo dla basu musi być symetryczna.
3. EQ dla obu kanałów w basie musi być symetryczne.

Jeśli któryś z warunków nie będzie spełniony podczas miksowania i masterowania, to i tak w czasie nacinania matrycy trzeba będzie spłycić stereo i zmniejszyć głośność.