Äänen käsittely.

Esitys aiheesta: "Äänen käsittely."— Esityksen transkriptio:

1 Äänen käsittely

2 Prosessi Ääniaalto Mikrofoni Kaiutin Dekoodaus Pakkaus ja tallennus
Analoginen signaali Mikrofoni A/D Pakkaus ja tallennus Dekoodaus D/A Analoginen signaali Kaiutin Motivaatio: Mökki/Lepakkoesimerkki/kaljaa Koulussa ei riittävästi käyty läpi Koiran kuuloalue/koirapilli Ääniaalto

3 Dioja: 22 kpl Sisällys Ääni Desibeli ja oktaavi Puhe ja kuulo
Mikrofoni Analoginen ääni Digitointi PCM Bittisyvyys Resoluutio/Bittisyvyys Pakkaaminen Kaiutin Dioja: 22 kpl

4 Ääni Värähtelyä väliaineessa Ketjureaktio Aaltoliike
Nopeus ilmassa n.342 m/s Molekyylien värähtelyä väliaineessa (Väliaine voi olla mikä vaan) Ketjureaktio —> Molekyylit tönii toisiaan Avaruudessa ei ääntä —> Elokuvissa kun kuulee räjähdysäänet jne —> paskaa Ääniaalto

5 Aaltoliike ja ääni Taajuus (Hz) Amplitudi Dopplerin ilmiö Ääniaalto
Ääniaaltojen taajuus, eli samassa vaiheessa olevien huippujen (amplitudien) etäisyys suhteessa aikaan vaikuttaa kuultuun äänenkorkeuteen Yksikkö Herzi ilmaisee kuinka monta värähdysjaksoa tapahtuu sekunnissa. Eli yhden hertsin taajuus tarkoittaa yhtä värähdysjaksoa sekuntia kohden Mitä lähempänä huiput sitä korkeampi taajuus ja sitä korkeampana ääni kuullaan Dopplerin ilmiö: Ohittava auto esimerkki ensin kuullaan matalana ja mitä lähemmäs tulee sitä korkeampana kuuluu koska lähestyvä kohde ns. painaa ääniaaltoja kasaan ja näin syntyy korkeampi taajuus Ääniaalto

6 Desibeli Logaritminen yksikkö 10-kantainen Desibel —> 1/10 Bel
Taulukko: 0,0002 pascalia 2000 Hz:n taajuudella (viittellisiä arvoja) - Bel vertailee tehosuureiden suhdetta. Esim paine Pascal jne. Logaritmisuus johtuu ihmisen kuuloaistista. Tämä tarkoittaa, että äänenpaineen kymmenkertaistuminen (yhdestä) tuntuu yhtä voimakkaalta kuin nousu sadasta tuhanteen. Arkielämän äänissä 0 dB rajaksi on asetettu ihmisen kuulokynnys. Vaihtelee ihmisestä riippuen Äänen voimakkuuden aistiminen riippuu paineen lisäksi myös taajuudesta Digitaalisessa maailmassa käytetään kahden signaalin väliseen vertailuun.  Esim. Vahvistimen vaikutuksen vertailuun. Ääniaalto

7 Oktaavi Sävelkorkeus musiikissa
Oktaavin päässä olevat sävelet aistitaan suunnilleen samankaltaisina Oktaavin nousu —> n. 2-kertainen taajuus A4 taajuudella 440 Hz A5 n.880z Ei niinkään tekemistä fysiikan kanssa 2-kantainen logaritmi Ääniaalto

8 Puhe Kulku: Puheääni Ilmavirta keuhkoista Äänihuulet kurkunpäässä
Perusääni Nielun yms. Resonanssi taajuudet vahvistuvat Puheääni miehellä: n. 120 Hz Naisella: n Hz Muodostuu perusääni jossa mukana harmonisia ylä-ääniä Ääniaalto

9 Kuulo Korvanlehdet Välikorvassa tärykalvo Kuuloluut välikorvassa
Sisäkorva: simpukka Kuulohermoon Aivokuoren kuuloalueelle Ääniaalto

10 Kuulo Preesensalue: 16 Hz – 20 kHz Ultraäänet Alapuolella infraäänet
Sairaalasovellutukset Alapuolella infraäänet Ultraäänet soveltuvat korkean taajuutensa puolesta lääketieteeseen kartoittamaan kudosten rajapinnoista lähteviä kaikuja Infraääniä syntyy esim. ydinräjähdyksissä ja tulivuorenpurkauksissa Ääniaalto

11 Mikrofoni Painemuutokset jännitteen vaihteluiksi
Usein käytetty lajitteluperuste, tekniikka: Dynaaminen mikrofoni Kondensaattorimikrofoni Suuntakuviot: Pallo Hertta Kahdeksikko Ääniaalto Mikrofoni

12 Dynaaminen mikrofoni Induktio Osat Kestävä Halvempi Kalvo Kela
Magneetti Johtimet Kestävä Halvempi -Ilmanpaineen vaihtelut liikuttavat kalvoa, joka puolestaan liikuttaa magneetin kentän vaikutuksessa olevaa kelaa josta indusoituu muuttuvan magneettikentän ansioista vaihtojännitettä äänenpaineen voimakkuuksien vaihteluiden mukaisesti. -Kelaan kytkettyjen johtimien kautta signaali siirtyy vahvistimeen joka nimensä mukaan vahvistaa sen toistoa tms. jälkikäsittelyä varten. - Dynaaminen kaiutin toimii samalla periaatteella, mutta suunta on vastakkainen. - Kestävät tekniikkansa ansioista kovempaa kohtelua sekä suurempia äänenpaineita. Ääniaalto Mikrofoni

13 Kondensaattorimikrofoni
Osat: Metallilevyt/kalvo/elektrodit Esivahvistin Kalliimpi Herkempi -Kondensaattori varastoi energiaa muodostamaansa sisällään olevaan sähkökenttään -Äänenpaine saa levyn lähentymään ja loitontumaan vastakkaisesta levystä (elektrodista) joka aiheuttaa kondensaattorin kapasitanssin ja sen kautta sähkövarauksen muutoksen/signaalin -Kondensaattorimikrofonissa ei siis tapahdu induktiota, joten mikrofonille on tuotava ulkoinen(pahntom) jännite -Aiheutuva signaali on niin heikko, että tämän tyypin mikrofoni tarvitsee esivahvistimen Poimii eri taajuiset äänet herkemmin, mutta ei kestä niin kovaa äänenpainetta Ääniaalto Mikrofoni

14 Suuntakuviot Suunnat josta mikrofoni poimii ääntä
Sulkee taustamelua pois Kiertoherkkyys Pallo Hertta - Suunnat joista se ottaa herkimmin ääntä. - Esimerkiksi puhetta tallentaessa on hyvä valita suoralla suuntakuviolla oleva mikrofoni. — -- Tallenteeseen ei puheen lisäksi tallennu niin paljoa taustahälinää / kohinaa kun voisi. - Usein mikrofonin kyljessä sijaitsevana merkintänä. - Musiikin äänityksessä suuntakuvioita hyödynnetään poimimaan vain halutun soittimen äänet, suuntakuviot auttavat myös osaltaan vähentämään kiertoherkkyyttä Kahdeksikko Ääniaalto Mikrofoni

15 Analoginen ääni Jännitteen vaihteluita Laatu: Taajuusvaste
Yli-/Ali-/Kaistanpäästösuodatus Laskostuminen Alipäästösuodin Mikrofoni ei koskaan pysty toistamaan kaikkia taajuuksia yhtä voimakkaasti, johtaa äänen värittymiseen. Taajuusvaste on funktio, joka kertoo miten eritaajuisten siniaaltojen amplitudi ja vaihe muuttuvat kuljettaessa systeemin läpi Useimmiten signaalit alipäästösuodatetaan, jotta turhat ylätaajuudet saadaan pois. voidaan käyttää pienempää näytteenottotaajuutta ja ehkästään laskostumista. Säkökitaran efektipedaalissa erilaisia säätövastuksia/pontetiometrejä jolla ääntä muokataan. Särö  häiriötä analogisessa signaalissa. Mikrofoni Analoginen ääni

16 Digitointi/Näytteistys
A/D-muunnin PCM Näytteenottotaajuus Bittisyvyys Dynamiikka Audio CD: 16 bit 2^16 = Amplituditasoa 44,1 kHz n Hz Analog/Digital  Hyvin yksinkertaisesti analoginen signaali muutetaan digitaaliseen muotoon  loppupelissä ykkösiä ja nollia Pulssikoodimodulaatio  analoginen signaali näytteistetään tasaisin väliajoin ja muutetaan numeeriseksi informaatioksi Analoginen ääni Digitaalinen ääni

17 Näytteenottotaajuus ja Resoluutio
Nyqvistin teoreema Jos näytteistettävän analogisen signaalin taajuus on suurempi kuin Nyquistin taajuus/2 (eli suurempi puolet näytteenottotaajuudesta) tapahtuu laskostumista. Tämä hukkaa informaatiota ja äänenkäsittelyssä vaikuttaa siten että Nyquistin taajuutta suuremmat taajuudet eivät enää toistettaessa kuulu ja niiden sisältämä teho kuullaan alemmilla taajuuksilla ja näin äänen spektri vääristyy. Analoginen ääni Digitaalinen ääni

18 Näytteenottotaajuus, Resoluutio ja Dynamiikka
Näytteenottotaajuus (Hz) Kuinka usein signaalista otetaan näyte Resoluutio (bit) Kuinka monella tasolla signaali voidaan kuvata Dynamiikka (dB) Hiljaisimman ja voimakkaimman äänen ero 1 bit  6 dB - Dynamiikka ilmaisee kuinka suuri ero on heikoimman ja voimakkaimman eroteltavan signaalin ero desibeleinä - Voidaan päästä kovimmasta äänestä -96 dB jolloin tulee vastaan kohinapohja jonka alapuolella kaikki on vaan kohinaa koska ei voi toistaa sen hiljasempaa ääntä. Analoginen ääni Digitaalinen ääni

19 Enkoodaus/pakkaaminen
Kodekki Enkoodaus Häviötön Häviöllinen Myöhempi toistaminen/purku/dekoodaus - Pulssikoodimodulaatio tuottaa verrattaen suurikokoisen äänitiedoston, joten useissa tapauksissa tiedosto pakataan pienempään kokoon joko häviöllisesti tai häviöttömästi erilaisten kodekkien () avulla. Tätä kutsutaan enkoodaukseksi. - Koodekki: ohjelma joka implementoi käytettävää pakkausalgoritmia. Digitaalinen ääni

20 Häviöllinen/Häviötön pakkaaminen
Häviöllinen pakkaaminen Tehokas Kuulijalle turha informaatio: Tietyt äänenpaineet eri taajuusalueilla Kuulokynnys Maskautuminen Häviötön Ei säästä juurikaan tilaa Eri taajuusalueilla olevat äänenpaineet joita ihmiskorva ei pysty erottamaan/kuulemaan (ei sama kaikilla) Alle kuulokynnyksen olevat spektrikomponentit Voimakkaamman äänen lähiympäristössä olevat äänet maskautuvat joka tapauksessa pois joten ne on mahdollista poistaa Digitaalinen ääni

21 Ilmanpaineen vaihtelut
Kaiutin D/A muunnos Vrt. Mikrofoni Vahvistin Osat: Kotelo Magneetti Kela Kartio/värähtelijä/kalvo Käänteinen tapahtuma mikrofoniin verrattuna: Vaihtovirta ilmanpaineen vaihteluiksi. Vahvistin: Pienitehoinen signaali ohjaa suurempitehoista signaalia Päätevahvistin syöttää kaiuttimille tehokasta signaalia: : Aktiivikaiuttimet ei tätä tarvitse, sillä jokaisessa kaiuttimessa on oma vahvistimensa. Myös kaiuttimilla omat taajuusvasteensa IHME LAITE: VÄRÄHTELEE VAIKKA NYT kertaa sekunnissa ja onnistuu tekemään kaikki äänet kerralla. - Vaikea saada matalilla taajuuksilla voimakasta ääntä koska kalvon liikerata ei riitä voimakkaaseen äänentoistoon. KIRJOTA MUISTIIN ELEMENTTIRAKENTEISTA Analoginen ääni Ilmanpaineen vaihtelut

22 Prosessi Ääniaalto Mikrofoni Kaiutin Dekoodaus Pakkaus ja tallennus
Analoginen signaali Mikrofoni A/D Pakkaus ja tallennus Dekoodaus D/A Analoginen signaali Kaiutin Motivaatio: Mökki/Lepakkoesimerkki/kaljaa Koulussa ei riittävästi käyty läpi Koiran kuuloalue/koirapilli Ääniaalto