顯示具有 基礎觀念 標籤的文章。 顯示所有文章
顯示具有 基礎觀念 標籤的文章。 顯示所有文章

2015年4月9日 星期四

[基礎觀念解釋] 聲音訊號和阻抗 Audio Signal Level and Impedance



by 忙裏偷閒的阿翔


YOLO! 我是阿翔,我又來了!廢話不多說,今天要跟大家聊的就是不同的訊號輸入...蛤?你說啥?


噢拜託,你當我是白癡嗎?介紹XLR和1/4 inch phone jack是想要混字數嗎?


噢不不不,你誤會了,我想說的是他們對應的訊號等級...


阿不就什麼線插什麼孔就好了嗎?


幹,有那麼簡單就好了啦!閉嘴聽我說!我先講一個故事,這是Tweakheadz前輩嘔心瀝血的創作,本人在下我只是負責用中文講一遍.......



======================================================

話說有這麼一個世界,在這裡,器材們可以說話.......這裏有麥克風先生,混音器先生,和一個擁有他們的初學者主人。


======================================================


這故事聽起來好像有點蠢啊?


噢拜託,我是在用你聽得懂的方式跟你解釋阻抗和不同訊號等級之間的關係...這就是阻抗,阻抗存在的目的就是把東西調整成一樣的level...好啦讓我們繼續!



====================================================== 

學者主人想要把他新買的XLR麥克風接到混音器上,但是這台混音器沒有XLR插孔,於是他出門買了一條XLR轉1/4 inch phone jack的線。現在他準備把這兩個東西接上了。

“住手!不准把那個醜陋的東西接到我身上,你...你這個混蛋!” 混音器先生尖叫,“你需要接到HiZ input才能讓這條爛轉接線發揮功用,而且就算是這樣,他聽起來還是會吵得跟一坨屎一樣,一坨屎!!”


“你這個白癡,我是LoZ! 你已經準備用這條線破壞我的平衡訊號了,你還要把我接到Line input上面?他根本不會知道我在那裡啊!” 麥克風先生也叫道。


“安靜!錄音室器材們,這條線的包裝上寫著‘XLR轉Line level’”初學者主人皺眉。


“拜託,這跟包裝上寫的東西有啥關係?有關的是我和親愛的混音器先生中間傳輸的電流好嗎?”


“+1, 麥克風先生說得對,我沒有LoZ XLR輸入孔,所以帶著這個愚蠢的轉接線去店裡退貨,然後買一個有Line level輸出的麥克風前極,這樣我和麥克風先生就可以K一晚上的歌了!” 混音器先生說。


當然,初學者主人沒有聽他們在說啥。他在兩個器材的尖叫中用那條線把他們連起來了...恩...怎麼沒有聲音,噢對了,把gain開到最大,再把混音器上面的音量推到最大...啊,好像有一點聲音,似乎可以聽到了,隱藏在巨大的雜音之下...


======================================================




故事就講到這裡,為什麼會有這種情況呢?這是因為,Mic input和line input代表的遠比不同種類的接頭來得多。


回到我們的主題,audio signal level和impedance。這其實完全是電子學的領域,但是身為一個錄音師,你需要知道怎麼計算volt數和歐姆嗎?不需要。但是你必須要知道這些東西代表什麼。雖然你可以讓賣器材的幫你做所有的數學公式,但你也必須要看得懂才有辦法正確的連結兩個、三個、甚至更多的器材。這邊我要介紹的是兩種audio level和他們會遇到的變化。







Mic Level




Mic level 還有分成HiZ和LoZ。HiZ是High Impedance的簡稱,LoZ當然就是Low Impedance啦!

HiZ input常常被稱為instrument input,這種麥克風通常有1/4 inch phone jack的非平衡輸出,而電吉他、電貝斯等等所謂的“樂器”也是使用這個等級的輸出。

這種麥克風常見於便宜的手持麥克風,設計給電吉他音箱共用,或是用於簡易手持錄音機和玩具等等。

因為接頭的關係,常常有人誤把這個等級的輸出接進Line level input。這樣做的結果就是訊號非常微弱,需要加很大的gain才能勉強聽到充滿雜音的訊號。這就是因為雖然接頭可以插入,但是輸出等級不同的原因。




Mic Preamp






LoZ input也就是所謂的麥克風等級。他的訊號大小比HiZ還要低,如果你直接接進Line level input甚至不會有聲音。這種等級的訊號輸出需要一個前極(mic preamp)好讓訊號可以乾淨的被放大,所以等你玩久了之後就會常常聽到有人討論前極的等級和品質可以決定一切,因為一個乾淨的前極是確保你的麥克風能收到正常聲音的首要條件。

那依此類推,若把line level等級的訊號插入LoZ的input會發生什麼事呢?顯而易見的,訊號強度大過LoZ input所能承受的等級,會造成訊號過載,聲音失真。






Line Level



當器材音訊處在比HiZ還要再更大的某個volt數範圍,我們通稱它為Line level。一般而言,器材和器材之間的通訊訊號等級就是處在Line level。這個等級的聲音訊號已經不需要在使用前極放大,而可以輕鬆的被其他的器材“處理”。錄音介面、混音器、效果器、鍵盤等等都是在處理line level等級的訊號(基本上耳機孔也是這個等級)。

通常line level等級又區分為-10(dBV)和+4(dBu),依最早以前的區分方法,-10通常是非平衡訊號、比較大眾等級的器材;而+4則是平衡訊號,專業等級的器材。這種區分方式已經不是絕對,因為現在不管是什麼等級的器材,都有可能有可以切換輸出等級的功能,而重點是我們要知道如何讓兩個器材之間的訊號強度對上。

順帶一提,如果你計算一下,-10dBV大約等於-8dBu,也就是說平衡和非平衡訊號大概差了12dBu的差距,人耳對聲音的感覺大概是每10dBu增加一倍,所以-10和+4等級的訊號雖然同樣是line level,但是有可能聲音會差到一倍之多。也就是說,如果錯把+4接到了-10會發生訊號過載,而把-10接到+4則會造成訊號過弱,兩者都不是我們想要的結果。






DI Box (Direct Box)





另一個常見的錯誤是把電吉他電貝斯等等的導線直接接進混音器裡。通常一個混音器只有line和LoZ mic level的輸入,而樂器是屬於HiZ等級的訊號,因此接入mic level會過大,而進入line level又會過小。這時候我們就需要把樂器接上DI box,讓他變成LoZ等級的mic level。DI box也可以把line level的訊號處理成mic level的訊號。如果說前極是放大訊號,那麼DI box就是降低訊號,根據不同的狀況來選擇我們所需要的聲音等級,才能夠完美的傳輸聲音。







結語



下一次,你發現你必須要gain到最大聲才能聽到聲音,或是接出去的聲音很爆雜訊又多,那表示你可能要重新想想看連接器材彼此的阻抗大小和訊號強度是不是都對上了。

最後,另外一個訊號等級是speaker level,我會擇日再寫;同時,對於平衡和非平衡訊號的深入討論也會在之後的文章寫到。對於dBu、dBv、dBFS等不同單位感到好奇的話,我也會再寫一篇表頭的討論。不過現在,先確認自己的器材到底是在哪一個訊號等級上吧!



感謝Frank老師對於dBV和dBu的指正,這部分有關的內容之後還會深入的提到。感謝閱讀!

2015年3月20日 星期五

[基礎觀念解釋] 你了解什麼是sample rate和bit depth嗎?


By 終於想起來自己還有這麼一個網誌的阿翔




剛接觸錄音的時候,你是否常常聽到別人說16 bit, 44.1 kHz, 24 bit, 48kHz等等數字?在器材和軟體的規格表上看到上面這些數字?你知道這些東西是幹嘛的嗎?


你知道,要把類比的訊號轉換成數位訊號時,都必須要有他取樣的單位。拿影片來講,所謂的格率就是把現實世界發生的1秒鐘分割成24格或是29.97、30格之類的格數;拿圖片來講,數位化他會取樣成一點一點的解析度,而這個概念在數位聲音當中也是一樣的。雖然我們常常講說聲音和影像不同,聲音是實時發生的,但是為了把這個類比訊號擷取成電腦可以處理的數位訊號,我們就有了所謂的bit depth和sample rate,而他們之間錯綜複雜的關係可以用下圖來粗略解釋。






Bit Depth




這到底是什麼意思?忘記中文翻譯吧(因為我不知道)!這個名詞的簡單解釋就是:你取樣某一個聲音所需要的位元數。

這是什麼意思呢?因為在取樣音波的時候,聲音的能量能夠在任一時刻被切割成等份。如上圖所示,有點像一個階梯的樣子,在縱向來做聲音的切割。你可以把它當作解析度來理解,而每大一倍的解析度,他切割的數量就會同時加大。他每個等分數量的單位是一個sample中的一個整數數值(interger value),而拿16bit來說,他每sample的整數數值會介於-32768和32767中間,總共會有65,536 (2的16次方) 個可能存在的數值,而到了24bit,他就會有16,777,216 (2的24次方) 個可能存在的數值。整數數值範圍可以用下列公式求得:

最小= -2^(bit depth-1)
最大= 2^(bit depth-1) -1

看到這邊,剛剛燃起的求知慾是否已經降低不少?別擔心,我們還沒有結束。










Sample Rate






這到底又是什麼意思呢?再看看我們上面精美的圖表!我們可以輕易地發現時間和sample rate居然是處在同一個平面上,這就表示sample rate和時間有著極度密切的關係。Sample rate用中文簡單的解釋就是:每秒鐘對這個聲音的取樣次數。

想像這個完美的波形是一塊流動的蛋糕(?),而你切的每一刀距離都要一樣,也就是說,在蛋糕在你面前流動的時候,你必須手起刀落,用等速的時間切下每一刀,來計算這塊切下來的蛋糕到底有多大,這就是sample rate。所以24kHz等於是說每秒鐘對這個聲音切24,000次,而48kHz是每秒鐘對這個聲音切48,000次,夠簡單了吧!

那麼回到剛剛令人崩潰的bit depth,我們到底要怎麼知道每一塊蛋糕有多大呢?就是這每一刀(sample rate)加上他的高度(bit depth)啦!這樣一想是不是真的是a piece of cake啊?哈哈哈!









如何選擇需求的Sample Rate和Bit Depth






你可能有聽過,標準的CD音質是16bit, 44.1kHz,很多錄音軟體器材打開的預設值也是這個。為什麼這個是標準呢?

根據一個叫做Shannon-Hartley的定理,如果某一個類比訊號所包含的頻率都沒有超過某一特定頻率x,那麼取樣時就取以這個特定頻率x兩倍的數值,你就可以完整的重現出x以下原本的聲波。

以人耳為例,我們的聽力範圍不會超過22kHz,所以我們如果要完整的重現出我們人耳所聽到的聲音,我們就把取樣數訂在44kHz,而且我們必須肯定這個聲音並沒有包含超過22kHz以上的頻率。

記得我們說過bit depth是取樣聲音的能量嗎?聲音的能量=dB值,也就是說這邊我們在抓的是人耳能承受的聲音範圍。這個範圍是0dB SPL到130dB SPL(可能會聾的程度),而我們假設一曲音樂的音量是介於10dB SPL和100dB SPL之間,他們的差距就是90dB,再代入公式計算一下如果用16bit取樣會得到什麼:

20x log(2^(16-1))=90.3dB

讚!就是這首歌的音量差距!

這就是為什麼CD標準音質的是16bit, 44.1kHz的原因。

萬歲!現在我們已經算出人耳能分辨出的範圍和他對應的取樣數了!讚!


那為什麼有人還要用更高的取樣數??




讓我先把話講明白,1080p的畫質會比720p的好,而且這是人眼能夠分辨的,但是更高的取樣數並不會讓聲音更好聽,至少不會好聽到一倍。如果你的耳朵有受過訓練,當然細節部分你可以聽出來,但是給一般人聽呢?他們有些人甚至分不出mp3和wav檔案的差別。

從前面一堆複雜的計算可以看到,16bits, 44.1kHz在大多數的數位播放器上都是足夠的,只有專業的器材才能夠達到動態範圍超過90dB,頻率反應範圍大於22kHz,那麼使用更大的取樣數除了侵佔硬碟容量之外,還有什麼意義?

前面計算了這麼多,都是在一個完美的理論狀態下,但是聲音在錄進來之後,每做一次處理(混音、EQ、加效果等等)就會造成一些動態流失。例如說一個16bit的聲音數值1244,除以10是124,乘以2是248,但是1244除以5是249,在這邊經過兩次計算就造成了動態流失,更不要說聲音經過的處理不只一次兩次。使用更高的取樣數可能在原始狀態並不會有多大的差別,但是使用更高的取樣數容許你留下更多的細節,保障你在處理過程中不會喪失過大的動態範圍,進而影響到本來該有的音質。舉個簡單的例子,如果我們使用24bit錄音,不使用limiter或compressor,我們可以把錄音音量放小一點,留下更多的headroom好讓偶爾的peak不會爆表。因為你留了更多空間給你的錄音,他會聽起來更清楚、自然,混音起來更加有空間。

記住,有些高取樣數錄出來的聲音搞不好比一些16bit的還差,因為高取樣數並不等於更好聽的聲音,就像越貴的相機不代表畫面一定比較好看一樣。只是使用更高的取樣率可以容許處理過程中的損失發生,讓我們少一個錄不好的藉口罷了,哈哈哈!




參考資料+翻譯: