Digitale Tontechnik - Lecture Notes PDF - Summer Semester 2022

Digitale Tontechnik Modul: Digitale Bild- und Tontechnik im Bachelor-Studiengang Medieninformatik Sommersemester 2022...

Digitale Tontechnik Modul: Digitale Bild- und Tontechnik im Bachelor-Studiengang Medieninformatik Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 1  Modul: BMI 23.2 Modulinformationen Modulbezeichnung: Digitale Tontechnik Inhalte nach Modulhandbuch V2.3.1 (2018) Grundlagen digitaler Tonsignalverarbeitung Grundlagen der Verarbeitung digitaler Signale: Aufnahme, Digitalisierung, Komprimierung, Speicherung, Bearbeitung, Übertragung, Ausgabe Literatur: Görne, T.: Tontechnik. Carl Hanser Verlag (2008/2011). Weinzierl, S. (Hrsg.) : Handbuch der Audiotechnik. Über Sommersemester 2022 SpringerLink verfügbar (2008). Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, 2 2 Markus von Berg, MSc.  Inhalt Grundlagen der Tontechnik und Akustik Verständnis der Tonsignalverarbeitung akustisch - elektronisch - digital Kenntnisvermittlung über Filter und Dynamikbearbeitung Aufzeigen verschiedener „Fallstricke“ in der Audiosignalverarbeitung Kennenlernen von DAWs Verständnis über die Bedeutung der Tontechnik im Medienbereich Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, 3 Markus von Berg, MSc.  Grundlagen Elektro- Sprecher oder Analog-Digital Quelle akustischer Mikrofon Instrument Wandler Wandler Digitale Signal- Audiosignalweg verarbeitung Elektro- Digital-Analog Senke Ohr akustischer Lautsprecher Wandler Wandler Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Semesterplan Nr. Termin Thema 1 27. Mai Schall und Schwingungen 2 03. Jun Digitale Audiosignalverarbeitung 3 10. Jun (Digitale) Audiobearbeitung und -effekte 4 17. Jun Einführung in Reaper 5 24. Jun Wahrnehmung von Schall 6 01. Jul Datenreduktion, -speicherung und -übertragung Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Eingangsquiz - Pingo https://pingo.coactum.de/184506 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Grundlagen Schall und Schwingung Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc 7  Was ist Schall? Welche Schallgrößen nehmen wir wahr? Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc  Schall und Schwingung Schall: Mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium In Luft bereitet sich die Schallwelle longitudinal aus und lässt sich u. a. durch folgende Schallfeldgrößen beschreiben Schallschnelle v : Geschwindigkeitsschwankung der Luftmoleküle [m/s] Schalldruck p : Druckschwankung in der Luft [Pa] Das menschliche Ohr reagiert nur auf Druckunterschiede Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Schall und Schwingung Schalldruck lässt sich durch Druck in Pa oder N/m2 beschreiben = Wechselgröße (genauer: Wechselschalldruck), die die Druckdifferenz zum statischen Druck von 1013,25 hPa (101.325 Pa) angibt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Luft ist temperaturabhängig mit ∘ m 𝑐Luft ≈ (331,5 + 0,6𝜗/ C) s Bei Raumtemperatur (20 °C) ca. 343 m/s Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 10  Schall und Schwingung Bei wellenförmiger Ausbreitung des Schalls ergibt sich eine f [Hz], die antiproportional mit der Wellenlänge 𝜆 [m] zusammenhängt: 𝑐 𝜆= 𝑓 c ist die Schallgeschwindigkeit in Luft [m/s] f= 300 Hz 440 Hz 3000 Hz 𝜆= 1,14 m 0,78 m 0,11 m Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 11  Schall und Schwingung Eine wellenförmige Schwingung mit einer Frequenz f hat ebenso eine Periodenlänge von T in folgendem Zusammenhang: 2𝜋 2𝜋 1 𝑇= = = 𝜔 2𝜋𝑓 𝑓 Ein einzelner Ton hat eine Grundfrequenz f Ein Klang besteht aus mehreren Tönen f1 + f2 + … + fn Harmonische Schwingungen (oft Obertöne genannt) sind ein vielfaches n der Frequenz des Grundtons f1 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Schall und Schwingung Geräusche sind keine Klänge und haben zufällige Frequenzzusammensetzung (z. B. Sprache, Musik, Rauschsignale) Testsignale in der Akustik sind häufig stochastische (zufällige) Signale Weißes Rauschen Rosa Rauschen Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Zeit- und Frequenzdarstellung Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 14  Zeit- und Frequenzdarstellung Darstellungsformen von Audiosignalen Darstellung im Zeitbereich: Amplitude in Pa/V/dB/… über Zeit t Darstellung im Frequenzbereich: Amplitude in Pa/V/dB/… über Frequenz f Transformation aus dem Zeit- in den Frequenzbereich über möglich: ℱ{ℎ(𝑡)} ∞ −𝑗2𝜋𝑓𝑡 ℎ 𝑡 𝐻(𝑓) = ∫−∞ ℎ(𝑡)e d𝑡 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 15  Zeit- und Frequenzdarstellung Jean Baptiste Joseph (1768 - 1830): Jede stetig differenzierbare Funktion (Signal), die in einem bestimmten Intervall definiert ist, lässt sich in elementare Sinus- und Cosinus-Funktionen (Teil- Signale) zerlegen. Die Berechnung ist durch eine diskrete Fourier-Transformation (DFT) auch für diskrete Signale durchführbar. Zur Einsparung von Rechenzeit werden meist schnelle Fourier- Transformationen angewendet (Fast Fourier Transform, FFT). Auch ist die inverse Fourier-Transformation möglich, um aus dem Frequenz- in den Zeitbereich zu gelangen: IFFT Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik 𝐻 𝑓 ℎ(𝑡) Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 16  Zeit- und Frequenzdarstellung Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 17  Zeit- und Frequenzdarstellung Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 18  Wie lässt sich ein geeigneter zeitlicher Mittelwert für Sinussignale definieren? 0 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc  Schall und Schwingung Für zeitlich nicht konstante Signale (bspw. Schwingungen, Wechselspannung) wird als zeitliches Mittel der Effektiv-Wert angenommen. Effektivwert oder Root Mean Square (RMS): gibt den quadratischen Mittelwert der Amplitude eines Signals an 0 ˜ 1 𝑝= ∫ 𝑝2 (𝑡)d𝑡 𝑇 1 Sommersemester 2022 ˜ 𝑝= ∑𝑝2 (𝑛) Digitale Tontechnik 𝑁 Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Schall und Schwingung Beispiel: Wechselspannung im Stromnetz ̂ ˜ 𝑈 𝑈eff = 𝑈 = 2 325V 0,707 𝑈eff = = 230V 2 0 ̂ ˜ 𝑝 ̂ 𝑝= ≈ 0,707𝑝 2 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 21  Was ist das dB? Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc  Pegelrechnung Bel, benannt nach Alexander Graham Bell: Pseudoeinheit für Verhältnisse, Maß Schalldruck wird aufgrund der logarithmischen menschlichen Empfindung in Dezibel [dB] als Schalldruckpegel angegeben Einheit mit Bezugsgröße Menschliche Hörschwelle bei p0 = 2·10-5 Pa [dBSPL] Spannungspegel mit Bezugsgröße U0 = 0,775 V [dBu] Spannungspegel mit Bezugsgröße U0 = 1 V [dBV] Alexander Graham Bell, Wikimedia Leistungspegel mit Bezugsgröße P0 = 10-12 W [dBm] Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Schallpegelrechnung Schallleistungspegel LP mit Schallleistung P und Bezugsgröße P0 𝑃 𝐿P = 10lg dB 𝑃0 Für Feldgrößen (z,B, Schalldruck und -schnelle sowie Strom und Spannung), deren Quadrate sich proportional zur Leistung verhalten, gilt 2 𝑝 𝑝 𝐿p = 10lg dB = 20lg dB 𝑝0 𝑝0 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 24  Subjektiv empfundener Reiz ~ Logarithmus der objektiven Intensität des physikalischen Reizes Wiederholung: Logarithmus 𝑦 𝑥 =𝑧 log 𝑥 (𝑧) = 𝑦 Ein paar Rechenregeln log 𝑎 (𝑎) = 1 log 𝑎 (𝑥 ⋅ 𝑦) = log 𝑎 (𝑥) + log 𝑎 (𝑦) log 𝑎 (1) = 0 log 𝑎 (𝑥/𝑦) = log 𝑎 (𝑥) − log 𝑎 (𝑦) Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik 𝑦 log10 (𝑎) = lg(𝑎) log 𝑎 (𝑥 ) = 𝑦 ⋅ log 𝑎 (𝑥) Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, 25 25 Markus von Berg, MSc.  Bsp. Pegelrechnung und Pegelumrechnung 𝑈 𝐿p = 20lg dB 𝑈0 dBu V dBV 6 1,546 3,79 4 1,228 1,79 11 V V 2,21 1,000 0 0,775 V 0,775 V 0 0,775 0,775 -2,21 Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik -7,79 0,316 -10 Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 26  Wie müssen Schallpegel basierend auf den Logarithmusregeln addiert werden? Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc  Schallpegelrechnung Pegeladdition 𝐿𝑖 𝐿sum = 10lg ෍ 1010 𝑖 𝐿1 𝐿2 𝐿1 + 𝐿2 = 10lg 1010 + 1010 Energetischer Mittelwert 1 𝑛 𝐿𝑖 𝐿avg = 10lg ∑1010 𝑛𝑖 1 𝐿1 𝐿2 𝐿3 𝐿avg = 10lg ⋅ 1010 + 1010 + 1010 Sommersemester 2022 3 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc. 28  Semesterplan Nr. Termin Thema 1 27. Mai Schall und Schwingungen 2 03. Jun Digitale Audiosignalverarbeitung 3 10. Jun (Digitale) Audiobearbeitung und -effekte 4 17. Jun Einführung in Reaper 5 24. Jun Wahrnehmung von Schall 6 01. Jul Datenreduktion, -speicherung und -übertragung Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.  Sommersemester 2022 Digitale Tontechnik Prof. Dr.-Ing. Jochen Steffens, Markus von Berg, MSc.