Stereo-Mikrofonverfahren
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- Oskar Siegel
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1 Stereo-Mikrofonverfahren Zwei Mikrofone nehmen dasselbe Signal auf. Intensitätsstereofonie: z.b. XY-Anordnung: Zwei Mikrofone mit Nierencharakteristik um 90 oder 120 zueinander verdreht Hohe "Präsenz" Laufzeitstereofonie: z.b. AB-Anordnung: Zwei Mikrofone mit Kugelcharakteristik in ca. 50 cm Abstand Hohe "Räumlichkeit" Äquivalenzstereofonie: Naturgetreue Nachbildung des menschlichen Hörens z.b. mittels Kunstkopf (Kopfnachbildung mit Mikrofon-"Ohren") z.b. mittels Ohrmikrofonen ("Originalkopf") Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-26 Mikrofonierung Auswahl von Mikrofontyp Richtcharakteristik Platzierung zur Schallquelle Raummikrofone vs. Einzelmikrofone (oft beides) Problemfelder: Nahbesprechungseffekt (Anhebung tiefer Frequenzen) Interferenz zwischen Direktschall und Reflexionen Wind- und Popp-Geräusche Trittschall Sprecher nahe am Mikrofon, kein Poppschutz Sprecher unter Mikrofon, mit Poppschutz Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-27
2 Konus- und Kalottenlautsprecher Konus Kalotte Membran Membran Spule Spule Typischerweise bestehen Lautsprecherboxen aus mehreren verschiedenen Einzellautsprechern mit einer "Frequenzweiche" z.b. Hochtöner, Mitteltöner, Tieftöner Lautsprecher werden in Boxen eingebaut, um "akustischen Kurzschluss" (sofortigen Druckausgleich) zu vermeiden Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-28 Bass-Reflexbox Durch Einbau in Gehäuse geht ca. 50% der Schallenergie verloren Bei Bass-Lautsprechern lenkt man die rückwärtige Schallkompression nach vorne um, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-29
3 7. Digitale Tonverarbeitung 7.1 Akustische Grundlagen der Audiotechnik 7.2 Audio-Aufnahme- und Wiedergabetechnik 7.3 Analoge Audio-Verarbeitungsketten 7.4 Digitale Audiotechnik 7.5 Software zur Tonbearbeitung speziell: Tonbearbeitung in Java Java Sound Literatur: M. Warstat, Th. Görne: Studiotechnik, 5. Auflage, Elektor-Verlag 2002 H. Raffaseder: Audiodesign, Fachbuchverlag Leipzig 2002 Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-30 Analoge Komponenten zur Audio-Verarbeitung Mikrofon, Lautsprecher, Kopfhörer Verstärker Vorverstärker Endverstärker Equalizer Mischpult Effektgeräte Klangerzeugung (Synthesizer) Rauschverminderer (Kompander) Tonbandgeräte (Mehrspurgeräte) Mit Digitaltechnik (teilweise rein durch Software) realisierbar: Equalizer, (Digital-)Mischpult, Effektgeräte, Synthesizer, Speicherung Typische analoge Komponenten: Klangwandler, Verstärker, Kompander, (Analog-)Mischpult Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-31
4 Anschlusstechnik: Leitungen Leitungen grundsätzlich abgeschirmt unsymmetrisch (unbalanced):» Eine signalführende Leitung» Abschirmung = Erdung = Nullpotential für Signal» geeignet für kurze Leitungslängen symmetrisch (balanced):» Zwei signalführende Leitungen, erdfreie Signalführung» Signal auf der zweiten Leitung um 180 phasenverschoben» Evtl. Störeinkopplungen heben sich durch Interferenz auf In der Studio- und Bühnentechnik nur symmetrische Leitungen d.h. dreipolige Stecker +x x Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-32 Anschlusstechnik: Steckernormen Klinkenstecker, zweipolig (6,3 mm) symmetrische Beschaltung (dann nur Mono-Signal!) unsymmetrische Beschaltung (dann Stereo) XLR-Stecker symmetrische Beschaltung» vor allem für (Kondensator-)Mikrofone verbreitet unsymmetrische Beschaltung digitale Variante: AES/EBU Cinch-Stecker nur symmetrische Beschaltung selten im professionellen Einsatz S/PDIF Sony/Philips Digital Interface Digitalschnittstelle, verwendet entweder Cinchkompatible Verbinder (elektrisch) oder optische Schnittstelle Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-33
5 Kompander Typische Komponente für Analogtechnik Analoge Komponenten führen zu störendem Rauschen vor allem "Eigenrauschen" bei Magnetbandaufzeichnung Bei Tonbandaufnahmen mit grosser "Dynamik" (d.h. grossem Unterschied zwischen höchstem und niedrigstem Signalpegel) stört das Bandrauschen die leisen Passagen Abhilfe: Kompressor Expander (= Kompander) Signal wird auf kleineren Dynamikumfang "komprimiert" (leise Passagen angehoben, laute abgesenkt) und später wieder "expandiert"» Kompressor und Expander auch als separate Klangeffekte, sh. später Bekannte Produktstandards: Dolby A/B/C/SR, dbx Kompression Expansion Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-34 Mischpult Tonregieanlage: Herzstück eines Tonstudios Pegelanpassung Klangbearbeitung Signalverteilung Eingang 1... Eingang n Pegelanpassung (gain) Klangregelung (equalizer) Pegeleinstellung (fader) Pegelanpassung (gain) Klangregelung (equalizer) Pegeleinstellung (fader) Monitor Effekt Ausgang (master) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-35
6 Reale Audio-Mischpulte Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-36 Bedienungselemente eines Mischpults (Prinzip) Equalizer LINE UNBAL... M a s t e r MIC BAL GAIN... Steuerung Monitor & Effekte PAN Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-37
7 Ein virtuelles Mischpult Software: Intuem Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-38 Equalizer Ursprungsidee: Ausgleichen von Frequenzgang-Unterschieden zwischen verschieden Mikrofonen Heutzutage: Generelles Instrument zur frequenzselektiven Klangveränderung Bedienung meist als "graphic equalizer" Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-39
8 Frequenzfilter Frequenzfilter sind Schaltungen oder Algorithmen, die ein von der Frequenz abhängiges Übertragungsverhalten von Eingang zu Ausgang aufweisen. Klassische Analogtechnik: Filter aus Elektronik-Bauelementen (Widerstände, Kondensatoren, Spulen) Digitaltechnik: Filter als digitaler Signalverarbeitungsbaustein (digitale Hardware) Software-Filter Einfache Standard-Filterformen: Hochpass, Tiefpass Bandpass, Bandsperre Komplexe Spezialfilter: In aufwändigen Effektgeräten in Hardware realisiert Relativ einfach in Software zu realisieren Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-40 Hochpass Hochpass: lässt hohe Frequenzen durch, blockiert niedrige Frequenzen Elektrotechnische Realisierung Grenzfrequenz "RC-Hochpass erster Ordnung" UE U A Frequenzgang für Hochpass Eingangssignal: Sägezahnschwingung Resultat nach Hochpass: Signalverlauf Spektrum Signalverlauf Spektrum Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-41
9 Tiefpass Tiefpass: lässt tiefe Frequenzen durch, blockiert hohe Frequenzen Elektrotechnische Realisierung Grenzfrequenz "RL-Tiefpass erster Ordnung" UE Spule U A Frequenzgang für Tiefpass Eingangssignal: Sägezahnschwingung Resultat nach Tiefpass: Signalverlauf Spektrum Signalverlauf Spektrum Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-42 Bandpass, Bandsperre Bandpass: lässt Frequenzen in bestimmtem Intervall durch, blockiert andere Frequenzen Bandsperre: blockiert Frequenzen in bestimmtem Intervall durch, lässt andere Frequenzen durch Frequenzgang Bandpass Eingangssignal: Sägezahnschwingung Frequenzgang Bandsperre Bandpass: Bandsperre: Signalverlauf Spektrum Signalverlauf Spektrum Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-43
10 7. Digitale Tonverarbeitung 7.1 Akustische Grundlagen der Audiotechnik 7.2 Audio-Aufnahme- und Wiedergabetechnik 7.3 Analoge Audio-Verarbeitungsketten 7.4 Digitale Audiotechnik 7.5 Software zur Tonbearbeitung speziell: Tonbearbeitung in Java Java Sound Literatur: M. Warstat, Th. Görne: Studiotechnik, 5. Auflage, Elektor-Verlag 2002 H. Raffaseder: Audiodesign, Fachbuchverlag Leipzig 2002 Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-44 Digitale Audio-Information Analog/Digital-Wandlung durch Sampling: Abtastung des Originalsignals in fester Frequenz mit fester Auflösung» Abtastrate min. 44,1 khz, heute oft auch 96 khz» Qualitätsverbesserung für leise Signale durch Dithering (Einfügen von Rauschen um Rundungsfehler zu umgehen) Ermöglicht Weiterverarbeitung jedes beliebigen Tonsignals In Tonbearbeitungs-Software: "Audio-Clip", "Audio-Track" Digital erzeugte Audio-Information: z.b. digitales Keyboard (bzw. andere digitale Geräte wie Drumpad, Gitarre, Saxophon) MIDI-Standard ("Musical Instruments Digital Interface") Direkte Aufzeichnung der Ereignisse beim Musizieren Wiedergabe nur durch Klangsynthese möglich (Synthesizer) In Tonbearbeitungs-Software: "MIDI-Track" Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-45
11 Soundkarten Bestandteile: Digitaler Signal-Prozessor (DSP)» Digital-Analog-Converter (DAC)» Analog-Digital-Converter (ADC) Speicher (z.b. für Wellenformen bei Klangsynthese und als Puffer) Anschlüsse: Analoge und digitale Audio-Ein-/Ausgänge MIDI-Ein-/Ausgänge Raumklang- (Surround Sound-)Ausgänge Einfache Soundfunktionalität heutzutage meistens "on board" (d.h. auf dem Mainboard integriert) Geschichte: Xerox Alto Prototyp beherrscht einfache Audio-Verarbeitung (1972) Erster Audio-fähiger Kleincomputer für den Massenmarkt: Apple Macintosh (1982) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-46 Sequencer-Software Aufnahme und Erstellung (Komposition) von MIDI-Daten Mischen von MIDI-Spuren und digitalisierten Audio-Daten (virtuelles Mischpult) Digitale Effekte Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-47
12 Musical Instruments Digital Interface - MIDI 1983 von Industriekonsortium standardisiert Serielles Übertragungsprotokoll MIDI-Befehl besteht aus drei Teilen (Bytes)» Statusbyte: Was ist zu tun?» Zwei Datenbytes: Wie ist es zu tun? Beispiel:» Statusbyte: "Note On" (Taste gedrückt)» 1. Datenbyte: Welche Taste» 2. Datenbyte: Geschwindigkeit des Anschlags Weitere organisatorische Befehle» z.b. "ProgramChange" (Instrumentwechsel), Effektsteuerung MIDI-Ereignis: Befehl mit Zeitstempel Datenrate: bps In der Praxis meist unproblematisch Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-48 Elektronische Klangerzeugung Klangerzeugungsprinzipien Klangsynthese durch Überlagerung von Sinustönen Frequenzmodulation (FM) Wavetable -Verfahren» Basiert auf Aufnahmen realer Töne (Sampling) Akustische Modellierung» Versucht reale Klangerzeuger mathematisch nachzubilden Klangerzeuger in Soundkarten enthalten oder externe Geräte (Synthesizer) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-49
13 MIDI-Anschlusstechnik Traditionelle MIDI-Anschlusstechnik: 5-polige DIN-Stecker Jedes MIDI-Gerät besitzt Eingang (MIDI-IN) und Ausgang (MIDI-OUT) Viele MIDI-Geräte leiten das Eingangssignal an weitere Buchse weiter (MIDI-THRU) Erlaubt Ketten-(=Daisy-Chain-) und Stern-Topologien "Patch Bay": Schaltbarer Verteiler Moderne MIDI-Anschlusstechnik: MIDI-Geräte über USB angeschlossen ("MIDISport") MIDI-Stern: MIDI-Kette: OUT1 IN OUT1 IN THRU MIDI- Master OUT2 OUT3 MIDI- Master Verzögerungsprobleme bei zu langen Ketten! Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-50 MIDI-Schleife Daten sollen auf Computer gespeichert (aufgenommen) und vom Instrument abgespielt werden Einfache Beispiel-Konfiguration (längere Ketten möglich): IN Computer OUT IN MIDI- Instrument OUT/THRU Um Rückkopplungseffekte zu vermeiden: "LOCAL ON/OFF" (Schalter am MIDI-Instrument) Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-51
14 Wichtige MIDI-Begriffe MIDI Device: Meist externes Gerät (z.b. Keyboard, Synthesizer) kann auch internes Gerät oder Softwarelösung sein MIDI Instrument: Klang, der von einem Klangerzeuger realisiert wird Programm: Numeriert von 1 bis 128, bezeichnet Instrument Standardisierte Klänge/Instrumente: General Midi Ausserdem möglich: Spezielle Instrumente installieren (müssen aber dann bei Wiedergabe vorhanden sein) Klangbank (sound bank): Enthält Satz von MIDI-Instrumenten und eine spezielle Zuordnung von Klängen/Instrumenten zu den Programmnummern Kanal: Bis zu 16 verschiedene Instrumente in einem MIDI-Ereignisstrom ansteuerbar» Wichtig: Kanal Nr. 10 bedeutet Interpretation als Schlagzeug Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-52 Digitale Bearbeitung von Audiodaten In Sequencer-Programmen bearbeitet: Digitalisierte Analogdaten oder MIDI-Daten oder eine Mischung beider Arten Effekte: Bei MIDI-Daten:» Beeinflussung des Klangerzeugers Bei digitalisierten Audiodaten:» Digitales Äquivalent analoger Audio-Effektfilter (online)» Realzeitbedingungen machen oft Spezialhardware nötig Digitale Nachbearbeitung für digitalisierte Audiodaten : zur Erzeugung zusätzlicher Klangeffekte zur Gestaltung von Audio-Präsentationen ("digitaler Schnitt") zur Qualitätsverbesserung offline, d.h. reine Softwarelösungen möglich Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-53
15 Bearbeitung der Amplitude Verstärken, Dämpfen, "Normalizing": nachträgliche Anpassung des gesamten Signalpegels bei Verstärkung werden auch unerwünschte Effekte (z.b. Rauschen, Nebengeräusche) mitverstärkt Bearbeiten der Hüllkurve: Ein- und Ausblenden (fading) Typen von Fadern:» linear» logarithmisch» exponentiell» diverse Zwischenformen Kompensation von "DC-Offset" Signal genau auf die gewünschte Null-Linie einstellen Unerwünschten "Gleichspannungsanteil" abziehen Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-54 Bearbeitung der Dynamik (1) Kompressor: Reduktion der Dynamik (der Differenz zwischen lautester und leisester Stelle) Schwelle (threshold): Amplitudenwert, ab dem die Reduktion einsetzt Faktor(ratio): Stärke der Reduktion Einsatz(attack) und Ausklingen (release): Übergangszeiten Beispiel: unkomprimiert komprimiert Threshold -10dB Ratio 10.0 Attack 10 ms Release 100 ms Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-55
16 Bearbeitung der Dynamik (2) Multiband-Kompressor Aufteilung des Signals in Frequenzbänder Jedes Frequenzband einzeln komprimiert Geeignet zur selektiven Veränderung des Klangbilds Expander: Umkehrfunktion zum Kompressor (Dynamikerhöhung) Limiter: Schneidet Signal oberhalb der Schwelle auf festen Pegel ab Vermeidet Übersteuerung Gate: Schneidet Signal unterhalb des Schwellwertes ab Kann zur Rauschunterdückung oder zum Ausschalten von Nebengeräuschen dienen Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-56 Bearbeitung des zeitlichen Verlaufs (1) Schneiden von Audio-Material Früher wirklich mit der Schere (am Tonband)! Heute mit Cut, Copy und Paste im Audio-Editor Möglichst in Pausen schneiden Schnitte zu ähnlichem Signal sind relativ problemlos Schnitte von leisem zu lautem Signal sind relativ problemlos Schwierig sind Schnitte innerhalb eines kontinuierlichen Signals Überblenden: Bearbeiten der Hüllkurven und Zusammenmischen Kreuzblende (langsam) und Sturzblende (rasch) Schleifen (loop): Verlängern eines akustischen Ereignisses durch Wiederholen Schnittregeln an der Nahtstelle zu beachten Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-57
17 Bearbeitung des zeitlichen Verlaufs (2): Resampling Andere Wiedergabegeschwindigkeit als Samplingrate Ändert die Zeitdauer und gleichzeitig alle Tonhöhen Beispiel: Original Resampling * 0,7 Resampling * 1,4 Beispiel: Erzeugung neuer Töne Kugel auf Teller 1/16 Resampling 1/64 Resampling Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-58 Bearbeitung des zeitlichen Verlaufs (3): Timestretching Zeitkorrektur ohne hörbare Tonhöhenveränderung nur in begrenztem Umfang möglich Idee: Wiederholung kleiner periodischer Abschnitte Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-59
18 Bearbeitung des zeitlichen Verlaufs (4): Pitchshifting Tonhöhenkorrektur bei gleicher Spieldauer Zusammensetzbar aus Timestretching und Resampling Original höher tiefer Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-60 Raumorientierte Bearbeitung: Echo und Hall Echo: Signal einmal verzögert und abgeschwächt zurückgeführt Parameter: Verzögerung, Abschwächung Hall: Signal vielfach (unendlich oft) mit verschiedenen Verzögerungszeiten zurückgeführt Halleinstellungen können sehr komplex sein Echoprinzip Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-61
19 Phasenorientierte Bearbeitung Sehr kurze Verzögerungen (unter 30 ms) werden als Phasenveränderungen wahrgenommen und beeinflussen den Gesamtklang Chorus: Sehr schnelle, minimal in der Höhe veränderte Signalrückführung Lässt Klang voller erscheinen Flanging: Noch kleinere Verzögerungszeit (8 ms) Tonhöhe konstant - Überlagerung mit Originalsignal Feedback: Effektsignal wird an Eingang zurückgeführt Verwendung z.b. bei Gitarrenklängen Phasing: ähnlich zu Flanging, aber ohne Feedback synthetischer Klang Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-62 Restauration Fehler auf alten Tonträgern: Rauschfehler (Noise, Hiss) Clickfehler (Clicks) Knistern (Crackles) Denoising: "Fingerprint" (Spektrum) des Rauschens wird bestimmt dann exakt diese Frequenzen ausgefiltert Declicking: Signallücke durch Interpolation (oder zweiten Stereokanal) ersetzen Decrackling: Wiederholtes Decklicking, auch automatisch ausgeführt Ludwig-Maximilians-Universität München Prof. Hußmann Medientechnik 7-63
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