הטווח הדינאמי של 16 ביט והקלטה של תזמורת

[AK1]

כשמדברים על טווח דינאמי של מוזיקה, מדברים על ההפרש ב-dB SPL בין הקטע החזק ביותר לבין הקטע החלש ביותר. אם מדברים על הקלטות מודרניות של תזמורת, עם multi-miking, מדובר על העוצמות שקולטים המיקרופונים, יחסית קרוב לכלים, ולא על העוצמות ששומעים המאזינים באולם.

מצאתי מחקר שבו מדברים על העוצמות ששומעים בתוך התזמורת, ושם (Table 2) מדובר על פיקים קצת מעל 130dB. לא מצאתי מקור מוסמך שבו כתוב מה העוצמה ליד כלי בודד שמנגן הכי בשקט שאפשר באולם שקט, שזה אולי באיזור ה-50dB, אולי פחות. כך שהטווח הדינאמי בקירבת התזמורת הוא באיזור 80dB.

כשמדברים על הטווח הדינאמי של 16 ביט (CD) ב-dB, מדברים על 20*log (בסיס 10) של היחס בין הצליל החזק ביותר האפשרי (אמפליטודה המיוצגת ע"י ביט סימן ו-15 ביטים דלוקים=32,767, ויש הטוענים 16 ביטים דלוקים=65,535) לחלש ביותר האפשרי (ביט אחד דלוק=1), שזה dB 90.3 או dB 96.3, בהתאמה.

הבעייה כאן היא שהביט הבודד, שמייצג כביכול את הצליל החלש ביותר, אינו מספיק כדי לייצג מוזיקה אמיתית כלשהי המנוגנת בשקט ככל האפשר, ללא תלות בתדר הדגימה, כלומר שהטווח הדינאמי האמור של CD הוא במונחים תיאורטיים, לא במונחים של מוזיקה.

כדי לדבר במונחים של מוזיקה, צריך שהצליל החלש ביותר יכיל מספיק ביטים כדי שייצג איזשהו צליל מוזיקאלי אמיתי, שכולל הרמוניות -- צורת גל די מסובכת שצריך להיות מסוגלים לתאר אותה. אם נקצה לצליל החלש, באופן שרירותי, אפילו רק 5 ביטים, שנותנים לאמפליטודה רק 31 אפשרויות, זה מוריד מהטווח הדינאמי הכולל 20*log(31) שזה 29.8dB, ונשארים עבור מוזיקה עם 60.5dB או 66.5dB, בהתאמה, שזה לא מספיק להכלת הטווח הדינאמי בקירבת תזמורת מלאה.

ואם לא די בכך, יש את הבעייה של הצורך ב-headroom כטווח ביטחון בעת ההקלטה. כשמקליטים, יש צורך לכוון את הווליום של ה-analog-to-digital converter (ה-ADC) כך שהצליל החזק ביותר לא יגרום ל-overflow/truncation, אבל לא בטוח שבעת ההקלטה עצמה, התזמורת לא תנגן אפילו חזק יותר מאשר בעת הכיוון, כך שייש צורך להשאיר טווח ביטחון של כמה וכמה dB טובים, מה שמוריד עוד מהטווח הדינאמי הניתן להקלטה.

לכן עדיף להקליט ב-24 ביט, שאז הטווח הדינאמי גדול בהרבה: התיאורטי, לפי אותה שיטת חישוב, הוא 138.5dB או 144.5dB, וגם אם מורידים את ה-29.8dB האמורים נשארים עם 108.7dB שמספיקים לגמרי לתזמורת ולטווח ביטחון ולתיאור מלא של צורות גל מסובכות בווליומים נמוכים.

העניין הוא שעל כל זה חשבתי בעצמי -- לא לקחתי את זה משום מקור מוסמך כלשהו -- כך שייתכן שייש כאן הרבה דברים לא נכונים.

לפי הנאמר, יש בעייה לבצע הקלטה ב-16 bit של תזמורת בלי compression אנאלוגי(!) לפני הכניסה ל-ADC, כי הטווח הדינאמי של 16 ביט עבור מוזיקה אינו מספיק.

אז איפה הטעויות?

נ.ב., מה שמעניין אותי במיוחד הוא לדעת, לגבי כל ההקלטות שבוצעו ב-16 ביט במהלך השנים, איך אפשר הייה להקליט תזמורות סימפוניות גדולות ללא compression אנאלוגי לפני הכניסה ל-ADC, והאם החברות שטענו שהקלטותיהן נעשו ללא EQ/compression בשום שלב, שיקרו.

 

[shushu]

"אם נקצה לצליל החלש, באופן שרירותי, אפילו רק 5 ביטים, שנותנים לאמפליטודה רק 31 אפשרויות"

פה הטעות.

תחשוב על גל סינוס שאתה דוגם אותו בתדר 44.1khz. ז"א אתה מעביר 44 אלף קווים אנכים בשניה החותכים את גל הסינוס.
כל קו חותך את האות בערך כלשהו. הערך מתורגם למספר בינארי בן 16 ביט.
עכשיו בוא נסתכל על מספר בין 16 ביט כאשר רק שני ביטים בו דלוקים. האינטואיציה אומרת שאין בו המון מידע, אך זה לא נכון. למה? כי המספר הזה מכוון לערך ספציפי מבין 2^16 ערכים אפשריים.. מה שאומר שגם האפסים מחזיקים מידע לא רק הביטים הדלוקים. ז"א שבכל רגע נתון יש לך 16 ביטים של מידע.
כמות המידע הנדגם תלויה גם בביטים וגם בתדר הדגימה. יותר ביטים אומר פחות שגיאה בדגימה נתונה (פחות רעש), ללא קשר לדעתי לטווח דינמי.
מספר הביטים יקבע אם הטווח הדינמי יחולק ל 2 ^16 או 2^24, אבל תקבל את כל הטווח (אני חושב...)

 

[AK1]

"אם נקצה לצליל החלש, באופן שרירותי, אפילו רק 5 ביטים, שנותנים לאמפליטודה רק 31 אפשרויות"

פה הטעות.

תחשוב על גל סינוס שאתה דוגם אותו בתדר 44.1khz. ז"א אתה מעביר 44 אלף קווים אנכים בשניה החותכים את גל הסינוס.
כל קו חותך את האות בערך כלשהו. הערך מתורגם למספר בינארי בן 16 ביט.
עכשיו בוא נסתכל על מספר בין 16 ביט כאשר רק שני ביטים בו דלוקים. האינטואיציה אומרת שאין בו המון מידע, אך זה לא נכון. למה? כי המספר הזה מכוון לערך ספציפי מבין 2^16 ערכים אפשריים.. מה שאומר שגם האפסים מחזיקים מידע לא רק הביטים הדלוקים. ז"א שבכל רגע נתון יש לך 16 ביטים של מידע.
כמות המידע הנדגם תלויה גם בביטים וגם בתדר הדגימה. יותר ביטים אומר פחות שגיאה בדגימה נתונה (פחות רעש), ללא קשר לדעתי לטווח דינמי.

זה לא נראה לי שהעניין הוא "החזקת מידע".

תחשוב על זה שצריך לצייר צורת גל על נייר משבצות. אם יש לך 2 ביטים, אתה יכול לצייר רק גובה של 0, 1, 2 או 3, וזאת עבור גם הצד החיובי וגם הצד השלילי של הגל. כלומר יש לך בעצם רק 2-, 1-, 0, 1+. זהו.

אם תנסה לצייר גל מסובך, כולל הרמוניות של הצליל היסודי, זה פשוט יהייה גס מדי.

 

[shushu]

לא מדויק,
תחשוב על זה שיש לך אמפילטודת מינימום ומקסימום המתורגמת למתח מינימום ומקסימום של הגל האנלוגי. חלק את הטווח ב 2 בחזקת 16. אם ערך הדגימה הוא נניח בין שני ערכים עוקבים, אז מעגלים לקרוב ביותר. ב 16 ביט דוגמים כל ערך אפשרי של הגל, ואם לא יוצא מדויק אז "הקרוב לוקח". מה שנדפק פה בשחזור הוא יחס אות לרעש ולא הטווח הדינמי.

כמובן שאם אתה מוריד לשני ביטים באקסטרים אז השיטה מפסיקה לעבוד. אבל ההנחה שיש לך סקייל של מינמקס מתקיימת, וכשזה מתקים, מחלקים את הטווח לרזולוציה לפי מפסר הביטים וכו.

יש עוד שיטות קידוד אפשריות (סתם עכשיו משתולל פה רעיונית). לדוגמה אפשר להתיחס ל שני ביט באופן הבא:
00 כמו המתח הקודם
01 הוספת 0.01v למתח הקודם
10 הורדת 0.01v מהמתח הקודם
11 לא בשימוש
עכשיו על ידי 2 ביט אתה יכול להחליט איך אתה עוקב אחרי הגל.. עולה יורד או נשאר באותו הערך. עם תדר דגימה מספיק גבוה זה יהיה מדוייק.

 

[shushu]

זה לא נראה לי שהעניין הוא "החזקת מידע".

תחשוב על זה שצריך לצייר צורת גל על נייר משבצות. אם יש לך 2 ביטים, אתה יכול לצייר רק גובה של 0, 1, 2 או 3, וזאת עבור גם הצד החיובי וגם הצד השלילי של הגל. כלומר יש לך בעצם רק 2-, 1-, 0, 1+. זהו.

אם תנסה לצייר גל מסובך, כולל הרמוניות של הצליל היסודי, זה פשוט יהייה גס מדי.

מה שאני מתכוון הוא שהתאור "גס מידי" מתורגם ליחס אות לרעש, ולא טווח דינמי

 

[AK1]

לא מדויק,
תחשוב על זה שיש לך אמפילטודת מינימום ומקסימום המתורגמת למתח מינימום ומקסימום של הגל האנלוגי. חלק את הטווח ב 2 בחזקת 16. אם ערך הדגימה הוא נניח בין שני ערכים עוקבים, אז מעגלים לקרוב ביותר. ב 16 ביט דוגמים כל ערך אפשרי של הגל, ואם לא יוצא מדויק אז "הקרוב לוקח". מה שנדפק פה בשחזור הוא יחס אות לרעש ולא הטווח הדינמי.

כמובן שאם אתה מוריד לשני ביטים באקסטרים אז השיטה מפסיקה לעבוד. אבל ההנחה שיש לך סקייל של מינמקס מתקיימת, וכשזה מתקים, מחלקים את הטווח לרזולוציה לפי מפסר הביטים וכו.

ברור שזה מה שעושים, אבל אם מדובר על מוזיקה שקטה, ממש, במינוס עשרות dB יחסית למקסימום האפשרי, כל הערכים שתקבל אחרי החלוקה ייוצגו ע"י מעט מאוד ביטים, שלא יוכלו לייצג את צורת הגל המקורית.

אתה מסתכל על זה רק לפי שני פילטרים מחשבתיים: יחס אות לרעש וטווח דינאמי.
אני מבקש לעשות reset למחשבה, ולהתייחס למשהו במרחב אחר לגמרי: צורת הגל, שאותה צריך לייצג על ידי רצף של ערכים מספריים שלמים. אם אין לך מספיק אפשרויות לייצוג ערכים שונים, לא תוכל לצייר גרף מסובך.

יש עוד שיטות קידוד אפשריות (סתם עכשיו משתולל פה רעיונית). לדוגמה אפשר להתיחס ל שני ביט באופן הבא:
00 כמו המתח הקודם
01 הוספת 0.01v למתח הקודם
10 הורדת 0.01v מהמתח הקודם
11 לא בשימוש
עכשיו על ידי 2 ביט אתה יכול להחליט איך אתה עוקב אחרי הגל.. עולה יורד או נשאר באותו הערך. עם תדר דגימה מספיק גבוה זה יהיה מדוייק.

זו ואריאציה על צורת הייצוג DSD, אבל אנחנו מדברים כאן על PCM.

 

[omi]

מעניין.
אני חושב ש 80db זה גבוה מדי. גם אם זה בפועל ההבדל אם אתה יושב בתוך הלוע של הטובה, זה עדיין לא ההבדל שעובר. אם תרחיק קצת את המיקרופון תרד לאזור ה 50db, סתם ניחוש.

בתור מישהו שישב שנים בתזמורת נוער בשורה שלפני החצוצרות והטרמובונים, זה חזק, מאוד, אבל לא 130db חזק גם לא 110db להערכתי.

בניסיון לגרד עוד קצת db מלמטה... 50db לצליל הכי שקט זה אולי נמוך מדי. אולי אפשר להקיש ככ חלש על המשולש, אבל זה כנראה לא יגיע למיקרופון? אז אם נניח 60db להכי חלש, ו 110 להכי חזק, במיקום של המיקרופון, שמרוחק מעט מהטימפאני או מהלוע של כלי הנשיפה ממתכת, נקבל טווח של 50db, ונוספו לנו עוד 30db לייצג את החלש זה עוד 5 ביט?

 

[AK1]

מעניין.
אני חושב ש 80db זה גבוה מדי. גם אם זה בפועל ההבדל אם אתה יושב בתוך הלוע של הטובה, זה עדיין לא ההבדל שעובר. אם תרחיק קצת את המיקרופון תרד לאזור ה 50db, סתם ניחוש.

בתור מישהו שישב שנים בתזמורת נוער בשורה שלפני החצוצרות והטרמובונים, זה חזק, מאוד, אבל לא 130db חזק גם לא 110db להערכתי.

בניסיון לגרד עוד קצת db מלמטה... 50db לצליל הכי שקט זה אולי נמוך מדי. אולי אפשר להקיש ככ חלש על המשולש, אבל זה כנראה לא יגיע למיקרופון? אז אם נניח 60db להכי חלש, ו 110 להכי חזק, במיקום של המיקרופון, שמרוחק מעט מהטימפאני או מהלוע של כלי הנשיפה ממתכת, נקבל טווח של 50db, ונוספו לנו עוד 30db לייצג את החלש זה עוד 5 ביט?

המספר 130dB נלקח ממדידות, לא מהערכות, 60dB זו עוצמה ניכרת מאוד, והתרחקות במקצת לא מורידה 20dB וכנראה גם לא 10, אולי 3

 

[SONYES]

הרבה נגני תזמורת סובלים מבעיות שמיעה כי טרומבון וחצוצורת יושבות מאחריך.!!!!! זה בלתי נסבל.
איך מסוגלים לספוג כזה עוצמה שמשהו מאחריך .
פעם נסעתי באוטובוסים מישהוא רק דיבר או בטלפון סתם איזה תינוק צרחני -ישר נכנס לסטרס קיצוני.
אני מטלויזה של השכנה בבית הסמוך מפריע לי .
כל שכן חצוצרות וטרומבונים ושאר כלים סופר חזקים .. מזמין חרשות . בדוקה .
יש נגן פגוט בפילהרמונית מברלין הולך עם אטמי אוזניים תראו בעצמכם בקונצרטים שלהם וגם יש איזו מחיצה
שקופה שמגינה על נגנים .

ולעניין מבלי להכנס להסברים המלומדים למעלה . גם רמת רעש /מוסיקה היוצאת מכלי נשיפה -זה לא ויולות עדינות זה פטישים בראש במקום להרחיק אותם לקצוות הבמה יש אחרי הנגנים איזה חוסר אחריות של המנצח גם .

במרחק כמעט אפס הוא עצום מעבר לסף הרעש הסביר וממנו רק מקבלים במקרה הטוב כאב ראש .

ברוב המקרים אפילו הטובות במערכות שלנו זה רק חיקוי לדבר האמיתי וכל אחד בוחר לו את החיקוי המתאים לו ביותר

 

[omi]

המספר 130dB נלקח ממדידות, לא מהערכות, 60dB זו עוצמה ניכרת מאוד, והתרחקות במקצת לא מורידה 20dB וכנראה גם לא 10, אולי 3

תלוי איפה המדידה. אם מודדים 130 ממש בלוע של טרומבון, והמיקרופון 2 מטר מעל, ולא בכיוון הנגינה, בהחלט יכול לרדת 20 db. אם אני זוכר נכון 130 db זה רעש של מטוס סילון ממריא. השמיעה שלי אחרי שעות רבות של חזרות טובה. לא נחשפתי ל 130db וגם לא 120.

https://hearsmart.org/what-problem/decibels-and-damage/

 

[shushu]

"ברור שזה מה שעושים, אבל אם מדובר על מוזיקה שקטה, ממש, במינוס עשרות dB יחסית למקסימום האפשרי, כל הערכים שתקבל אחרי החלוקה ייוצגו ע"י מעט מאוד ביטים, שלא יוכלו לייצג את צורת הגל המקורית."

בעקרון זה נכון אבל פרקטית אני לא בטוח.
כי נניח שהגל בין וולט ל מינוס וולט, ז"א נניח טווח של שני וולט. 16 ביט יתנו לך רזולוציה של 0.0003 וולט, ז"א שגיאה של 0.00015 וולט (שזו שגיאה יחסית של 0.0075 אחוז ביחס לשני הוולטים המקוריים).
אז הטעות של כל דגימה מאוד קטנה ללא קשר לעצמה של האות, וההנחה שלא תצליח לשחזר את הגל המקורי לא מתקיימת.
(תחשוב על זה שלא משנה כרגע מה אתה מנסה לדגום, את החלק החזק של האות או את החלש, לשיטתך לכל אחד מהחלקים ישארו "פחות ביטים")

"צריך שהצליל החלש ביותר יכיל מספיק ביטים כדי שייצג איזשהו צליל מוזיקאלי אמיתי" - המשפט הזה גם בעייתי. צליל לא מכיל ביטים. הביטים מיצגים נקודה סינגולרית על הגל.

 

[AK1]

תלוי איפה המדידה. אם מודדים 130 ממש בלוע של טרומבון, והמיקרופון 2 מטר מעל, ולא בכיוון הנגינה, בהחלט יכול לרדת 20 db. אם אני זוכר נכון 130 db זה רעש של מטוס סילון ממריא. השמיעה שלי אחרי שעות רבות של חזרות טובה. לא נחשפתי ל 130db וגם לא 120.

https://hearsmart.org/what-problem/decibels-and-damage/

עזוב תיאוריות, הכללות ומדידות של רעשים אחרים שאינם קשורים. תסתכל במחקר שהפניתי אליו, בלינק הזה, ב-Table 2.

מדדו את העוצמות המגיעות לאוזן השמאלית ולאוזן הימנית של נגנים בקבוצות הכלים השונות בתזמורת.
אני מעריך שהמיקרופונים לא רחוקים בהרבה יותר מאשר נגנים בקבוצות אחרות.

למשל נגני הכינורות הראשונים יכולים להיות רחוקים יותר מ-10 מטר מהטרומבונים, ובכל זאת הם חטפו 128.6dB.

נראה לי שבתזמורות הנ"ל לא הייה תוף באס, שאולי עושה אפילו יותר רעש.
הרגע ראיתי שמדובר ב-170dB(!) שמגיעים למיקרופון -- ראה בלינק לספר "The Sound Reinforcement Handbook"

 

[omi]

תודה, לינק מאוד מאוד מעניין.

שים לב שכתוב בסיכום האבסטרקט, שעיקר הרעש מגיע מהכלי בו הם מנגנים. ז"א הקירבה היא פחות ממטר, במקרה של נגן כינור או ויולה זה כמה סנטימטרים. לראיה עוצמת השיא של אוזן ימין של נגן הויולה נמוכה ב 10db מאשר אוזן שמאל (המאמר קורע מצחוק ). אם המיקרופון נמצא שני מטר ולא 25 ס"מ, כמו אוזן ימין, ההנחתה תהיה מאוד משמעותית, סביב 20 db?
( מספרים אלה הם מספרי שיא, ולא ממוצע, כנראה כאשר הנגן מנגן חזק וגם מזיז את הכלי קרוב יותר לאוזן המדוברת)

אגב קראתי פעם שמצאו שתינוק שצועק לך באוזן מגיע ל 130db. ברור שממרחק של כמה מטרים העוצמה מונחתת מאוד...

 

[SONYES]

Instrument LAeq left (dB) LAeq right (dB) dBpeak left (dB) dBpeak right (dB) Period (min)

Trombone 2 98.9 96.2 126.2 127.2 30.5

איך יכולים לעמוד בעוצמות כאולו לקח מהמאמר ש @AKI הפמה יקח לי זמן ארוך לקרא לפחות מהנתון הזה
וואלה האוזן שלנו ובמיוחד בתזמורת יושב אחריך כזה נו מה לא תתחרש עם הזמן
צריך להרחיק את כלי הנשיפה משאר הנגנים כולל כלי הקשה

גם ליצור עומק במה

וכמובן כל הפרטרים גם ישתנו בהקלטות הרי משרוקית או תוף מרים לא בטוח שרמקולים טובים ככל שיהיו מסוגלים להפיק את האימפקט שלהם שלא נדבר על תזמורת מלא .. ואם יש רמקולים או מערכת כזו אז
זה ענקי בהכל רמקולים מגברים כוכ

 

[AK1]

הבהרה: מבחינתי, compression זה לא דבר רע עבור האזנה ביתית, אולי אפילו טוב.

למעשה, יש בעייה להאזין לדיסק שמכיל טווח דינאמי גדול: אם מכוונים את ה-volume להאזנה כך שהצלילים החזקים לא יפוצצו אותנו, הצלילים החלשים נבלעים ברעשי הסביבה, ואם מכוונים את ה-volume כך שהצלילים החלשים לא ייבלעו ברעשי הסביבה, הצלילים החזקים יפוצצו אותנו. כך שעם דיסק כזה, חייבים לשחק עם ה-volume תוך כדי האזנה, ולהיות בחרדה שמא נתפוצץ או נפסיד משהו, מה שמפריע להאזנה הנינוחה למוזיקה. מעבר לזה, מה שקורה בפועל הוא שאנחנו מחלישים ומחזקים יותר מדי, כך שבסופו של דבר אנחנו מאזינים לטווח דינאמי קטן יותר מאשר אם הטווח הדינאמי הייה מקומפרס מראש למידה סבירה.

אם נניח שהרעש הסביבתי הוא בין 30dB ל-40dB, ושלא נרצה לעבור בהרבה את ה-90dB בקטעים החזקים, יספיק לנו טווח דינאמי של כ-55dB, כמו תקליט וניל

אבל נושא הדיון אינו האזנה אלא הקלטה ב-16 ביט.

אם מקליטים ביותר ביטים, כך שמלוא הטווח הדינאמי של התזמורת נקלט ללא overflow/truncation, וייש מספיק ביטים כדי לייצג מוזיקה שקטה ללא אובדן פרטים, אין בעייה לכווץ את הטווח הדינאמי שיתאים ל-16 ביט בכלל, או להאזנה ביתית בפרט.

אז, כאמור, מה שאני שואל לגביו הוא הקלטה ב-16 ביט.

 

[shushu]

קשור בעקיפין קצת למה ששאלת
https://www.hifiplus.com/articles/the-truth-about-highresolution-audio/

 

[SONYES]

איזה פוסט מעניין

 

[RoyZx6r]

פוסט מעניין, שדווקא באתר הכחול, כמו תמיד, כמה ליצנים שמאזינים למוסיקה עם רמקול מעלי אקספרס, הפכו את אותו הפוסט ללעג וכר פורה להתנגחות.

בכלל, האתר הכחול הפך להיות בדיחה עצובה של כמה "מומחים", שהקשר בינם לבין האזנה למוסיקה תלוש מהמציאות.

 

[genvirt]

שאלה אזי - למה לפתוח שרשורים בכול האתרים... לדעתי כולם צופים בכול האתרים, לכן די מיותר לשלש את הפוסטים.
לשים פוסט באתר הכי הראוי למתן מענה טוב לשאלה וזהוא

 

[AK1]

שאלה אזי - למה לפתוח שרשורים בכול האתרים... לדעתי כולם צופים בכול האתרים, לכן די מיותר לשלש את הפוסטים.
לשים פוסט באתר הכי הראוי למתן מענה טוב לשאלה וזהוא

אני שמח שייש לך דיעה כזו חשובה ותורמת.

אז אולי חלק מהאנשים קוראים בחלק מהאתרים, אבל ודאי שלא כולם כותבים בכל האתרים.

בינתיים עדיין לא מצאתי מי שיענה לי באופן ענייני לשאלות ששאלתי.