Minden a decibelekről 2. rész

A decibelek világába kalauzoló írás előző részében (1. rész) megismerkedhettünk a decibellel és a különböző hangtechnikában használt skálákkal. Nézzük most meg, mi is a dinamika tartomány és mit kell róla tudni, valamint belekóstolhatunk a referencia jelszintekbe is.


Mi a dinamika tartomány?
Alapvetően egy bármilyen skála legkisebb és legnagyobb értéke közötti tartomány, vagyis amin belül az értékek változnak. Zenei értelemben a leghalkabb és a leghangosabb hang közötti hangerő érték különbsége.

Miért is van szükség a decibel 
skálára?
A különbségek a halk és hangos hangok között olyan nagyok, hogy egy lineáris skálán nem tudnánk őket egyszerűen ábrázolni (mérni). Az emberi hallás dinamikatartománya kb. 120dB. Ez körülbelül 1,000,000,000,000 x (ezer-milliárdszor) több energiát jelent, mint a teljes csend. Ezért használjuk a logaritmikus skálát, ami pont erre lett kitalálva, ugyanis egymás mellett képes ábrázolni nagy érték-különbségeket. Látható, hogy sokkal egyszerűbben használható erre a feladatra mint a lineáris skála.

Miért jó, ha ismerjük a dinamika tartományt?
A hangok rögzítése manapság szinte kizáróan elektromos berendezésekkel történik. Minden elektromos eszköznek van egy optimális működési állapota, amire a készüléket tervezték. Ha ezen szint alatt üzemeltetjük, akkor nem használjuk ki képességeit, ha ez felett, akkor túlságosan igénybe vesszük (túlterheljük). Ez nem csak kellemetlenséget, hanem meghibásodást is okozhat. Ha pl. egy izzólámpára a tervezett 220V helyett csak 10-et kapcsolunk, alig fog világítani, nem látja el a feladatát. Ha viszont 400V-ot kapcsolunk rá, nem erősebben fog világítani, hanem egyszerűen kiég. Ugyanez az elv érvényesül a hangtechnikai eszközökre is!
Hangmérnökként az elektronikus eszközök dinamika tartományát (DR-Dynamic range) a leghalkabb és a leghangosabb hang közötti teljesítmény különbségével írjuk le. A leghalkabb hang, amikor az eszközön nem kerül hang átvezetésre, de az alkatrészeinek működése mégis termel valamennyit, amit a kimenetén hallhatunk/mérhetünk. Ezt a haszontalan hangot nevezzük zajnak. Amikor bevezetünk egy hangot (egy torzítatlan szinusz hullámformát) és annak erősségét (amplitúdóját) elkezdjük növelni nulláról indulva, egy bizonyos értéken a kimeneti jelszint növekedni kezd. Ezt az adott erősséget nevezzük az eszköz zajküszöbének (Noise floor). Ez alatt csak statikus zaj, felette viszont már hasznos jel is hallható. A leghangosabb hangnak azt tekintjük, amikor az eszköz már nem képes a beérkező túlzott mértékű energiát kezelni, nem csak torzít, hanem meg is hibásodhat. Az ekkor mérhető kimeneti energia négyzetes-közép átlagát (RMS) nevezzük a maximális kivezérlésnek (VU). Ha az ekkor a VU méterről leolvasott értékből kivonjuk a zajszinten mért értéket, megkapjuk az eszköz dinamika tartományát.

Miért fontos az ajánlott jelszintek betartása?
Minden hangtechnikai eszköznek van egy optimális működési jelszintje, amire a készüléket tervezték. Ha nagyon lemegyünk ezen szint alá, akkor az alkatrészek zaja túlságosan erősen hallatszik, ha nagyon meghaladjuk, akkor túlságosan igénybe vesszük (túlterheljük) az alkatrészeket, ami akár meghibásodáshoz is vezethet. Túlterheléskor a bevezetett szinusz jel csúcsai levágódnak, hiszen az alkatrészek már nem képesek a megnövekedett jelszintet átvinni. Minél nagyobb a terhelés, annál inkább eltorzul a jelünk, végül gyakorlatilag egy négyzethullámmá alakul. Eközben úgynevezett felharmonikusok jönnek létre, amik zenei felhasználás esetén bizonyos szintig kívánatosak lehetnek, főleg ha kordában tartjuk őket.
Digitális rendszer túlvezérlésekor szintén jelentkezik a jelvágás (és vele együtt a felharmonikusok kialakulása is), viszont a digitális jelet nem hallhatjuk, amíg nem alakítjuk át analóggá, hogy a hangszóró membránja mozogni kezdjen. Ezen átalakítás folyamán viszont nem kívánatos a torzítás, mert ez már nem "kellemes" a fülnek, ugyanis nem felharmonikusok, hanem "kattogások, pattogások, recsegés" keletkezik. Ezért digitális rendszerben mindenképpen kerülni kell minden olyan túlvezérlést, ami a digitál-analóg átalakítás során átlépné a megengedett jelszintet!

Nézzük néhány eszköz átlagos dinamika tartományát:
megnevezés
dinamika tartomány (DR)
dB
emberi hallás
120
szimfonikus zenekar/FM rádió
50
beszéd
40
rock zenekar
20
fonográf
40, később 30
Bakelit lemez (LP, vinyl)
55-65, külső sávok 70
Ampex szalagos magnó
60
Scotch 111 szalag
68
Új fajta professzionális szalagok
80
Dolby SR rendszerrel
110
Magnó kazetta
50-56
Dolby C rendszerrel
72
CD (16 bit)
90 (elméletileg 96)
DVD (24 bit)
144
32bit lebegőpontos (floating point)
1500
Stúdió mikrofonok
kb. 125

Ha egy átlagos otthonban lejátszunk egy felvételt egy átlagos lehallgató eszközön, akkor 40 dBA zajszinttel (egy átlagos otthon zajszintje) és 100 dBA (ami elég hangos!) hangnyomással számolva 60 dB dinamika tartományt kapunk. Mivel azonban a leghalkabb részek a felvételen így is nehezen hallhatóak a háttérzaj miatt, ezt az értéket nyugodtan csökkenthetjük 30 dB-re. Ez bőven a bakelit lemez átlagos dinamika tartományán belül van. Tehát a mai technológia (CD) bőven a szükséges dinamika tartományon kívül esik, mégis a hangerő háborúnak köszönhetően a felvételek egyre kisebb (5-6 dB) dinamika tartománnyal kerülnek ki a közönség részére.

Decibel skálák összehasonlítása
(referencia jelszintek)

És akkor most elérkeztünk az egyik legfontosabb részhez a decibelek világában. A bal oldali ábrán a különböző decibel skálák és dinamika tartományok egymáshoz igazítva láthatóak. Figyeljük meg, hogy minden skála egy központi értékhez van igazítva, ez pedig a 0 VU. Már tudjuk, hogy ez az a működési érték, amin az adott eszköz a legoptimálisabban használható, tehát törekedni kell a jel ezen a szinten tartására.

Az analóg professzionális hangtechnikai eszközök (pl. keverőpultok, kompresszorok, egyéb effektek, stb.) referencia jelszintje +4dBu, ami az újabb szabvány szerint 0 dBVU-nak felel meg. Ezt láthatjuk az ábra bal oldalán lévő két oszlopon.

Ezt az értéket kell tehát szem előtt tartani, ezért ez az ideális jelszint, azaz 0VU. A digitális rögzítési szabványok szerint ez az érték -18dBFS (EBU, Európai szabvány) (SMTPE, USA -20dBFS), ez látható az ábra jobb oldalán lévő két oszlopon.
Jelmagyarázat:
- Zöld- normál, megfelelő jelszint 
- Piros- túlvezérlés, kerülni kell! 
- Fekete- zaj, kvantálási zaj 

Miért van szükség ezekre a referencia jelszintekre?

Az egyik legtöbbet használt kompresszor
a szintek kézbentartásához
A helytelen jelszint kezelés tönkreteheti a felvételünket, mixünket. Emlékszünk még rá, hogy a különböző eszközök különböző belső jelszintekkel dolgoznak, azzal ami nekik a legjobb. Ahhoz, hogy minden eszközből a lehető legjobb eredményt tudjuk kihozni ("a legjobban szóljanak"), a megfelelő mennyiségű jelszinttel kell ellátni őket, ez pedig nem más, mint a kivezérlés mérőjükön feltüntetett 0 dBVU. Nekünk nem kell tudnunk, hogy ez pontosan mennyi voltot, vagy wattot jelent, a lényeg hogy mind a bemeneten, mind a kimeneten 0dBVU-t mérjünk. Ekkor az adott eszköz pontosan úgy dolgozik majd, mint ahogy tervezték, szépen muzsikál majd nekünk, zenénk hallgatói pedig mosolyogva bólogatnak a ritmusra.

Ez az elv igaz a DAW-ra, pluginekre és exportált wav fájlokra is.

A következő (3-ik) részben áttekintjük a felvétellel és a lehallgatással kapcsolatos alapvető tudnivalókat.


A témával kapcsolatos kérdéseket itt a kommentekben, vagy a facebook oldalon várom!

Kellemes mixelést kívánok mindenkinek!


Felhasznált irodalom:
Dinamika tartomány:
https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_range
http://www.learndigitalaudio.com/blog/dynamic-range-compression-pt-1-what-is-dynamic-range

24 bit headroom:

http://www.soundonsound.com/sos/sep10/articles/qa0910-1.htm


Jelszint kezelés (Gain staging):
http://www.soundonsound.com/sos/sep13/articles/level-headed.htm

Digital recording levels:
http://dbzeebee.blogspot.hu/2009/10/digital-recording-levels-rule-of-thumb.html