9/12/2010registrazione e riproduzione 1 tecniche di registrazione e di riproduzione sonora angelo...

24
9/12/2010 Registrazione e Riproduzi one 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora • Angelo Farina

Upload: nerina-alfieri

Post on 01-May-2015

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 1

Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora

• Angelo Farina

Page 2: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 2

Physical nature of sound

Origin of Sound: Origin of Sound:

Thermofluidodynamic phenomenon:

Particle velocity and variable density of medium (air) Human body can detect sound (p and v) with:

ears, but also skin, chest, stomach

The trasducers should detect the same quantities

Page 3: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 3

Transducers: microphones

Output signal:

voltage (Volts), current (Amperes) or charge (Coulombs)

From acoustic pressure and particle velocity to physical (electrical) quantities

PressurePressure microphones (related with acoustic pressure)VelocityVelocity microphones (related with particle velocity)HybridHybrid microphones (a proper combination of both quantities)

From omnidirectional (100 p and 0 v) to figure of eight (0 p and 100 v)

Page 4: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 4

Microphone directivity patterns

Omnidirectional (100,0) Subcardioid (75,25) Cardioid (50,50)

Hypercardioid (25,75) Figure-of-Eight (0, 100)

Page 5: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 5

Microphones

Variable pattern microphone:

Neumann U89i variable-pattern microphone

Page 6: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 6

Cables

The weak microphone signal (few mV/Pa) has to be amplified and transmitted by means of cablesSignal contamination can occur inside the cable, if not properly shielded (balanced) with two opposite-polarity signals

Balanced audio cables with XLR connectors (3 pins)

Page 7: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 7

Preamplifiers

They should simply amplify the signals, but often they also process the signals:

• linearly (band pass frequencies), for phantom power supply to mics

• non-linearly (compression, harmonic distortion) it should be avoided during room acoustics measurements.

2-channels tube microphone preamplifier

Page 8: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 8

ADC (Analog to Digital Converter)

Conceptually a black box connecting with two wires:

• Analog input (sound signal)

• Digital output (serial digital interface)Two different types of ADCs:

1. PCM converters (Pulse Code Modulation – CD, DAT, DVD)

2. Bitstream converters (DSD, Direct Stream Digital, also called single-bit, employed in SACD).

Page 9: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 9

ADC (Analog to Digital Converter) 2

PCM ConvertersA master clock defines with high precision the instants at which the analog signal has to be “sampled” (Shannon theorem)

Applications Resolutions

CDs 44100 HzDAT, DVD Video 48000 Hz

DVD audio HD rec. 96000 HzSpecial soundcards 192000 Hz

Page 10: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 10

ADC (Analog to Digital Converter) 3

Low-pass filtering must be applied before entering the ADC, otherwise the signal will be aliasedExample: pure tone of 35 kHz

Sample rate 48 kHz, Nyquist freq. 24 kHz, difference = 11 kHz

After digital conversion will be 13 kHz (i.e. 24-11 kHz)

Solution: low-pass antialiasing filters, oversampling

Page 11: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 11

ADC (Analog to Digital Converter) 4Also vertical axis (amplitude) is discretized.

Example: maximum voltage +5V

Discretization with 16 bit (32767 steps) means 90 dB

Discretization with 20 bit (524272 steps) means 114 dB

Typical resolutions:

16 bits; 20 bits; (24 bits)

High-end, 2-channels ADC unit (24 bits, 192 kHz, Firewire interface)

Page 12: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 12

ADC (Analog to Digital Converter) 5

Bitstream Converters• The idea arises from oversampling: increasing sample frequency it would be possible to increase amplitude resolution (bits)

• Sample rate: 2.88 MHz and 1 bit resolution: dividing to 2 for 6 time is equivalent to CD audio sample rate, but only with 7 bits!

• In order to enhance high freq. resolution, a proper noise shaping of high order is required, suitable for static (non transient) signals.

• Below 88 Hz the Bitstream converters outperform PCM conv.

Page 13: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 13

ADC (Analog to Digital Converter) 6

Bitstream Converters• The Bitstream converters are widely employed with SACD system (Super Audio CD), co-developed by Sony and Philips.

• However they are much more expensive that 24 bit 96 kHz PCM

a low-cost multichannel USB-2 soundcard, equipped with 2 microphone preamps

Page 14: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 14

Digital Signal Processing

Waveform editors

sampled waveform displayed as amplitude vs time (time domain)

Page 15: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 15

Recording/playback methods

• Mono followed by amplitude panning (stereo or surround)• Stereo (ORTF on 2 standard loudspeakers at +/- 30°)• Discrete ITU 5.1 (from different 5-mikes layouts)• Full 3D Ambisonics 1st order (decoding the B-format

signal)• 2D Ambisonics 3rd order (from Mark Poletti’s circular

array microphone)• Wave Field Synthesis (from the circular array of

Soundfield microphones)• Hybrid methods (Ambiophonics)

Page 16: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 16

Metodo tradizionale(registrazioni mono “panned”)

• Ciascuna traccia mono registrata rappresenta una sorgente in una diversa posizione, che viene posizionata mediante una appropriata legge di “panning” multicanale

MIX

5 ch.

Surround panner

1 ch.

1 ch.

5 ch.

5 ch.

5 ch.

Page 17: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 17

Leggi di “panning”• Si è visto sin dagli albori che non conviene posizionare le tracce mono sui

singoli canali del surround in modo discreto, ma che conviene utilizzare appropriate leggi di “panning” in modo da alimentare sempre piu’ di un altoparlante per volta

“Pairwise Panning” a potenza costante - il segnale viene inviato

a due altoparlanti per volta

Panning basato sulla teoria di Peter Craven - il segnale viene inviato

sempre a tutti 5 gli altoparlanti, con opportuni guadagni

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

C

L

R

SL

SR

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

C

L

R

SL

SR

Page 18: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 18

Leggi di “panning”• Un modo alternativo per visualizzare le leggi di panning consiste

nell’ipotizzare l’esistenza di 5 microfoni virtuali con opportuni “pattern” di direttività

“Pairwise Panning” Panning di Peter Craven

C

L

R

SL

SR

C

L

R

SL

SR

Page 19: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 19

ORTF Stereo

Playback occurs over a pair of loudspeakers, in the standard configuration at angles of +/- 30°, each being fed by the signal of the corresponding microphone

2 Microphones

60°

2 Loudspeakers

Page 20: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 20

Binaural (Stereo Dipole)

Reproduction occurs over 2 loudspeakers angled at +/- 10°, being fed through a “cross-talk cancellation” digital filtering system

2

3

1

Original 2-channels recording of the signals coming from N sources

d1l

d1r

d2l

d2r

xr

xl

Cross-talk canceller

dNl

dNr

N

20°

Page 21: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 21

Binaural (Stereo Dipole#2)

L R

hll hrr

hlr hrl

Binaural stereo signal yl yr

pl pr

x l

x r

convolver

f ll

f lr

f rl

f rr

y l y r

Page 22: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 22

Binaural (Stereo Dipole#3)

rllrrrll

llrr

rlrl

lrlr

rrll

hhhhInvFilterInvDen

InvDenhf

InvDenhf

InvDenhf

InvDenhf )()()()()( rllrrrll hFFThFFThFFThFFTC

CCConj

CConjInvDen

hll

hlr

hrl

hrr

fll

flr

frl

frr

Page 23: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 23

Binaural (Dual Stereo Dipole)

advantagesadvantages: :

3D sound 3D sound reproductionreproduction

Rotating of the headRotating of the head The cross-talk filters The cross-talk filters

could equalise also could equalise also the loudspeakersthe loudspeakers

disadvantagesdisadvantages: :

Low frequenciesLow frequencies Coloration outside Coloration outside

the “sweet spotthe “sweet spot””

Scheme

Subwoofer

Page 24: 9/12/2010Registrazione e Riproduzione 1 Tecniche di registrazione e di riproduzione sonora Angelo Farina

9/12/2010 Registrazione e Riproduzione 24

Binaural (Dual Stereo Dipole#2)

Frontal Rear

Quested 2108 monitors Quested F11P monitors