music9

Sampling ... φωτογραφίζοντας τον ήχο !

Είπαμε ότι τα πρώτα synthesizers είχαν ταλαντωτές που ελέχγονταν με την τάση του ρεύματος που εφαρμοζόταν πάνω τους (VCO's).Τα όργανα αυτά ονομάστηκαν αναλογικά και έμειναν στην ιστορία για το ζεστό και γεμάτο όγκο ήχο τους. Τελευταία μάλιστα είναι πολύ ... της μοδός και οι τιμές όσων μεταχειρισμένων έχουν επιζήσει έφτασε στα ύψη. Αργότερα εμφανίστηκαν όργανα με ψηφιακό έλεγχο των ταλαντωτών τους (DCO's) , που αντίστοιχα ονομάστηκαν ψηφιακά. Αυτά έλυσαν τα προβλήματα που είχαν τα αναλογικά (μεγάλες διαστάσεις , ξεκούρδισμα κα) , δεν ικανοποιούσαν απόλυτα όμως με τον ήχο τους όλους τους μουσικούς. Πολλοί γκρίνιαζαν για τον "ψεύτικο" ,όπως έλεγαν, ήχο τους. Και τα δυο είδη όμως, πρόσφεραν στους μουσικούς μια μεγάλη γκάμα από ήχους, πρωτότυπους ή απομιμήσεις φυσικών οργάνων. Ως προς τους πρωτότυπους, η σύγκριση γινόταν μόνο ανάμεσα στα μοντέλα διαφορετικών κατασκευαστών . Οι απομιμήσεις φυσικών οργάνων όμως συγκρίνονταν (αναπόφευκτα) με τα αυθεντικά όργανα και τα συμπεράσματα δεν ήταν πάντα κολακευτικά για τα synthesizers. Η πολυμορφία και η πολυπλοκότητα των ήχων της φύσης ήταν πολύ δύσκολο να αναπαραχθεί από ηλεκτρονικά κυκλώματα , όσο καλοσχεδιασμένα και πολύπλοκα κι αν ήταν αυτά. Όπως και με τις εικόνες. Όσο καλός ζωγράφος κι αν είναι κανείς, το πορτρέτο ή το τοπίο που θα ζωγραφίσει είναι ένα αντίγραφο του αληθινού και αυτό φαίνεται με την πρώτη ματιά. Η φωτογραφία είναι κι αυτή ένα αντίγραφο , πολύ πιο κοντά στην πραγματικότητα όμως, επειδή "συλλαμβάνει" την αληθινή εικόνα και δεν την αντιγράφει. Επιστρέφοντας στον ήχο , είπαμε ότι αυτός παγιδεύτηκε με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων . Τι θα γινόταν άραγε αν χρησιμοποιούσαμε τον παγιδευμένο σε μορφή ηλεκτρισμού ήχο ενός πιάνου αντί για το κακέκτυπο που δημιουργεί ένα συνθεσάιζερ; Το αποτέλεσμα θα ήταν σαφώς πιο φυσικό. Υπήρχε , ωστόσο , ένα σοβαρό εμπόδιο. Το πρόβλημα της αποθήκευσης. Ο ήχος αποθηκευόταν είτε σε δίσκους βινυλίου είτε σε μαγνητικές ταινίες. Η αδράνεια των υλικών, οι τριβές , η φθορά της μαγνητικής ταινίας και τα ίδια τα ηλ. κυκλώματα προσέθεταν θόρυβο που αλλοίωνε τον ήχο. Η παράκαμψη αυτών των προβλημάτων ανέβαζε το κόστος στα ύψη. Τελικά τη λύση έδωσε η ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας.

Ήδη ,αρκετό καιρό πριν, τηλεφωνικές εταιρείες στις ΗΠΑ χρησιμοποίησαν την τεχνολογία αυτή για την ηχογράφηση μηνυμάτων σε τηλεφωνητή χωρίς τη χρήση ταινίας . Αυτό έγινε με την ψηφοποίηση του ήχου, τη μετατροπή του δηλαδή σε δυαδικά ψηφία (0 και 1). Η εφαρμογή της μεθόδου στη μουσική είχε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Πώς γίνεται όμως η μετατροπή αυτή; Ένα ειδικό κύκλωμα που λέγεται ADC (Analog to Digital Converter) ελέγχει πολλές χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο τη στάθμη του εισερχόμενου ηλ. σήματος και καταγράφει τις τιμές που αυτό παίρνει με τη μορφή δυαδικών αριθμών. Οι δυαδικοί αποθηκεύονται σε μια δισκέτα ,σκληρό δίσκο ή chip (κύκλωμα) μνήμης. Όταν ανακαλούνται, ένα κύκλωμα DAC (Digital to Analog Converter) αναλαμβάνει να ξαναμετατρέψει τους δυαδικούς σε ηλ. σήματα που ελάχιστες (μη ακουστές) διαφορές έχουν με τα αρχικά. Τα κυκλώματα αυτά αναγνωρίζουν μόνο τις δυαδικές τιμές 0 και 1 που λαμβάνουν από την κεφαλή ανάγνωσης της δισκέτας και αγνοούν τις ανεπιθύμητες "παρεμβολές". Αντίθετα τα αναλογικά κυκλώματα (πχ του κασετοφώνου) ενισχύουν, μαζί με το "καλό", σήμα και το θόρυβο ,το φύσημα της ταινίας που δέχονται από την κεφαλή ανάγνωσης της κασέτας αφού δεν μπορούν να ξεχωρίσουν τη διαφορά τους.

Μιλήσαμε πριν για το πόσες φορές μετριέται το σήμα κάθε δευτερόλρπτο. Ο αριθμός αυτός λέγεται συχνότητα δειγματοληψίας (sampling rate), μετριέται σε Khz και καθορίζει την ποιότητα του ήχου που θα αποθηκευτεί. Γιατί όμως ο έλεγχος του σήματος πρέπει να γίνεται πολλές χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο; Είχαμε πει στο πρώτο μέρος της ιστορίας μας ότι ο άνθρωπος ακούει ήχους με συχνότητες από 20 Hz μέχρι 20Khz (χιλ. Hz ) περίπου. (Βέβαια , για να ακούσει κάποιος τα 20 Khz θα πρέπει τα αφτιά του να είναι σε άριστη κατάσταση. Θεωρητικά μιλάμε πάντα). Η ταχύτερη δηλαδή μεταβολή που γίνεται σε έναν ακουστό από τον άνθρωπο ήχο διαρκεί 1/20.000 του δευτερολέπτου. Άρα , "φωτογραφίζοντας" τον ήχο (μετρώντας τη στάθμη του) 20.000/δευτ. (sampling rate 20 Khz) , καταγράφουμε όλες τις μεταβολές που αυτός παθαίνει . Σωστά ; Μάλλον όχι ! Στην πραγματικότητα καταγράφουμε με ακρίβεια το περιεχόμενο του ήχου μέχρι τα 10 Khz. Οι συχνότητες που είναι πάνω από το όριο αυτό καταγράφονται παραμορφωμένες, αλλοιωμένες . Η παραμόρφωση οφείλεται στον θόρυβο αλίασης (aliased artifact) . Είναι κάπως δύσκολο να εξηγηθεί μόνο με λόγια η δημιουργία του φαινομένου αυτού. Ένα σχεδιάγραμμα θα βοηθούσε , αλλά εγώ από ζωγραφική ... πάτος . Κάνοντας μια προσπάθεια όμως θα έλεγα ότι οι μεταβολές (κύκλοι) στις συχνότητες > από 10 Khz είναι πολύ γρήγορες , με αποτέλεσμα αυτό που καταγράφουμε να είναι στιγμιότυπα από μη διαδοχικές φάσεις της ίδιας ή και επόμενης μεταβολής , πράγμα που μεταφράζεται σε ήχο με συνχότητα διαφορετική από την καταγραφόμενη (θόρυβος). Καταλάβατε τίποτα; Μια προσωρινή λύση στο πρόβλημα δόθηκε με το φιλτράρισμα (κόψιμο) των συχνοτήτων πάνω από 10 Khz. Έτσι ο θόρυβος εξαφανίστηκε , μαζί του όμως και ένα μέρος του ήχου ! Η οριστική λύση βρέθηκε με την αύξηση της συχνότητας δειγματοληψίας η οποία ορίστηκε στα 44.100 Hz (44,1 Khz) για ηχογραφήσεις ποιότητας CD. Η συχνότητα αυτή εξασφαλίζει την ακριβή καταγραφή συχνοτήτων μέχρι τα 22 Khz περίπου, πάνω δηλαδή από το όριο που ακούει ο άνθρωπος. Όλα καλά λοιπόν! Φυσικά όταν η ποιότητα δεν παίζει σοβαρό ρόλο σ' αυτό που θέλουμε να ηχογραφήσουμε (πχ μηνύματα ψηφιακού τηλεφωνητή) ,χρησιμοποιούμε μικρότερη συχνότητα (22 ή 11 Khz) , μειώνοντας έτσι τον όγκο των δεδομένων που θα αποθηκευτούν.

Ένα ακόμα σημαντικό , ως προς την ποιότητα του ήχου και το μέγεθος των δεδομένων , είναι το sample depth ή sample size, το πλήθος δηλαδή των πληροφοριών (σε bits) που θα χρησιμοποιηθούν για να εκφράσουν τις τιμές του σήματος σε κάθε μέτρηση. Χρησιμοποιώντας βάθος 2 bits μπορούμε να δώσουμε τέσσερις διαφορετικές τιμές στο σήμα , οι οποίες είναι πολύ λίγες για να αποδώσουν σωστά το ηχητικό περιεχόμενο. Το αποτέλεσμα θα είναι κακή ποιότητα ήχου. Με 4 bits οι τιμές γίνονται 16 πράγμα που ανεβάζει την ποιότητα , αφού καταγράφουμε το σήμα πιο λεπτομερώς, ανεβάζουμε όμως και το μέγεθος του αρχείου ήχου. Με 8 bits έχουμε 256 τιμές. Τα 16 bits (65.536 τιμές), σε συνδυασμό με sampling rate 44,1 Khz , έχουν καθιερωθεί σαν στάνταρ στο CD , ενώ υπάρχουν και συσκευές ή εφαρμογές με ακόμα μεγαλύτερο sample depth.

πάνω...