Dr.Godfried-Willem RAES

Kursus Experimentele Muziek: Boekdeel 4B: Audiotechnologie

Hogeschool Gent : Departement Muziek & Drama

4550:

OPNAMETECHNIEKEN

Geluidsopnametechnieken noemen we al die technische procedes die we kunnen gebruiken om op rechtstreekse wijze geluiden zo op te slaan dat die opnieuw kunnen worden weergegeven.

Er zijn principieel twee verschillende werkwijzen mogelijk :

1. Analoge registratie-technieken : hierbij wordt de VORM van het door mikrofoons opgevangen signaal overgedragen op een medium dat tijdsonafhankelijk is.

2. Gekodeerde registratie-technieken : hierbij wordt de VORM van het door mikrofoons opgevangen signaal omgezet in een konventionele KODE die op een drager tijdsonafhankelijk kan worden vastgelegd. De meest gebruikte en bekende gekodeerde registratietechniek is de DIGITALE.

Beide technieken gaan uit van de vorm van het signaal en leggen hetzij deze vorm zelf hetzij een gekodeerde vertaling ervan vast op een materieel substraat. (de drager)

Analoge opnametechnieken:

- de fono-graaf ( klankschrijver)

- de optische registratie

- de magnetofoon

Digitale opnametechnieken:

- ADC/DAC to RAM (flash)

- PCM - Betamax kombinaties (verouderd)

- DAT-recorders (niet meer in produktie)

- Minidisk

- CD's / DVD's

- Direct to Disk recording

- Solid state media: Flash

Technische analyse van de diverse technologien

A. ANALOGE TECHNIEKEN

De vorm van het muzieksignaal wordt hierbij overgedragen op een materiele drager. De tijdsparameter wordt daarbij overgedragen op fyzieke lengte. Het 'spoor' heeft de analoge vorm van de muziek en de lengte komt overeen met de duur, gegeven een nauwkeurig bepaalde afspeelsnelheid.

-Edison's fonograaf : rollen

- konstante afspeelsnelheid van de groeven

- volumineus in opslag en duur in aanmaak

- omkeerbaar, onuitwisbaar

-Grammofoon : platen

- variabele afspeelsnelheid van de groeven

- kompakt en uiterst goedkoop

- omkeerbaar , onuitwisbaar

Beknopte evolutie :

1. Van rol naar plaat

2. van mechanische opname en weergave naar elektrifikatie

3. van standaard-plaat (78rpm) naar microgroef (33rpm)

4. de single & de juke-box

5. stereofonische gravure

6. experimenten met quadrofonie

7. mp3

8. surround sound

Sedert de opkomst en verspreiding van de Compact Disk mag eigelijk elke vorm van analoge mechanische registratie als volstrekt achterhaald worden beschouwd. Er worden vandaag de dag dan ook nog nauwelijks platen gemaakt, en nog voor het eind van de twintigste eeuw zullen we platenspelers nog uitsluitend in musea kunnen aantreffen.

Daarover hoeven we echter geenszins rouwig te zijn omdat alle opnames in de laatste vijftig jaar sowieso magnetisch werden gemaakt en bewaard zijn in de archieven van uitgeverijen en omroepinstellingen. Het zijn deze magnetische dragers die we als de werkelijke originelen dienen te beschouwen en eventueel dienen te bewaren.

Technische begrippen:

- cellen : kristallen

magnetische

dynamische (moving-coil elementen)

- frekwentiekarakteristiek: de RIAA-kompensatiekurve

- signaal ruisverhouding

- entropie

- dynamiek

- kanaalscheiding

- Optische registratie : Het klankspoor wordt via licht op het filmmateriaal aangebracht. Voor de uitlezing wordt een fotocel gebruikt.

- technisch principieel superieur maar beperkt door de vastgelegde beeldsnelheid van de film ( 16-25fps)

- geen onmiddellijke kontrole mogelijk (de film moet eerst ontwikkeld worden)

- onomkeerbaar, onuitwisbaar

- niet slijtvast, maar beter dan groeven.

In moderne films (voor zover die vandaag nog worden geproduceerd...) wordt optisch geluid nog maar zelden toegepast, en ook hier vinden we meer en meer digitale formaten, waarbij dan de beelddrager (film) en de geluidsdrager (PCM gekodeerde digitale tape) twee gescheiden media vormen gesynchroniseerd via SMPTE tijdkode-signalen.

Overigens dient erop gewezen dat optika als registratietechniek vandaag de enige werkelijke grote konkurrent is van de magnetische techniek, maar daarvoor wordt dan wel digitale opslag via laserlicht gebruikt. In wezen is immers ook de digitale CD een optisch medium.

- Poulsen's draadrecorder

- magneetband

- cassette

Beknopte evolutie : 1.rechtsreekse modulatie van de magnetisering

2.D.C. bijstroom en wissing

3.H.F. bijstroom en wissing

4.F.M. modulatie

De analoge magnetische registratie mag vandaag beschouwd worden als volledig achterhaald door de digitale magnetische registratie. Wel is het belangrijk te onthouden en te beseffen dat de hoogste ooit bereikte kwaliteit inzake analoge audioopname werd bereikt in deze techniek.

Technische begrippen :

- frekwentiekompensatiekarakteristiekem

IEC en NAB

opnamekarakteristiek

weergavekarakteristiek

- wissen

- koppen en kopeigenschappen:

- spleetbreedte

- kernverzadiging

- kernmateriaal: Mu-metaal, ferriet

- dynamiek

- snelheden : 4.75 - 9.5 - 19 -38 -76 cm/s

- bandsoorten : 1/8" - 1/4" - 1/2" - 1" - 2"

- meerkanaalsregistratie

mono-volspoor tot 48 kanaal - 2"

- amateurformaten : halfspoor-mono

vierspoor stereo

cassette-vierspoor

8-track 1/2" cassettes

- bijstroom-instellingen

- signaal-ruisverhoudingen

- bandruis

- thermische ruis

- modulatieruis

- vervorming

- print-through: tail-out / head-out

- remanentie

- entropie

- kopieren en snelkopieren

Kreatieve mogelijkheden van de bandopnemer:

- knippen en plakken : editing

montage

- snelheidtransformaties

- lussen

- manuele tape-manipulatie

- de tape als sampler

- tijdsomkering

- Springer-machine met roterende koppen ("Tempophon")

Een hele generatie komponisten heeft tussen 1950 en 1975 van deze technieken gebruik gemaakt voor de realizatie van een substantieel gedeelte van hun muziekproduktie: Karheinz Stockhausen, Luigi Nono, Jean-Claude Eloy, Pierre Schaeffer, Pierre Henry, Karel Goeyvaerts, Louis De Meester, Herbert Eimert, Jozef Anton Riedl, György Ligeti, Iannis Xenakis, Edgar Varese, Dick Raaymakers...

B. DIGITALE TECHNIEKEN

1. Digitale formaten & kodes

Zoals gezegd berust digitale opslag van informatie op een omzetting van de vormelijke eigenschappen van het muzieksignaal in de tijd naar een reeks kodes. Deze kodes dienen daarbij niet noodzakelijk eenzelfde lineair tijdsverloop te kennen dan het oorspronkelijk signaal. De hoeveelheid kode kan bij digitale opslag en transmissie een rechtstreekse funktie zijn van de informatiehoeveelheid in het signaal. In de vandaag kommercieel verspreide digitale audiotechnieken wordt van deze mogelijkheid eigenlijk nog geen gebruik gemaakt, maar het leidt geen de minste twijfel dat in alle volgende generatie toestellen, dit meer efficient gebruik van opslagmedia ingebouwd zal zijn.

Overigens is het idee van digitale opslag van audio geenszins nieuw, het werd reeds rond 1920 volledig geformuleerd en teoretisch uitgewerkt. De techniek heeft ons echter pas sedert het begin van de jaren '80 de mogelijkheden gegeven dit ook in de praktijk te brengen.

1. Lineaire (niet-gekompakteerde) digitale kodes

Twee technische gegevens zijn hierbij van primordiaal belang :

1. de breedte van de bit-konversie

( 4-bit, 8-bit, 14bit, 16 bit, 18 bit , 24 bit)

2. de 'sampling-rate' of bemonsteringsfrekwentie

De kleinst mogelijke bemonsteringsfrekwentie dient het tweevoudige te zijn van de hoogste weer te geven toon (frekwentie) in ons muzieksignaal (volgens het teorema van Nyquist).

De breedte van de bit-konversie hangt af van hoeveel vervorming (hoeveel onprecizie en achtergrondruis) we toelaatbaar achten. Hoe hoger het aantal bits ho hoger de resolutie van de konversie.

Met de koderingsbreedte van 8 bit kunnen we 256 ( = 2^8) verschillende toestanden van de vorm van ons muzieksignaal onderscheiden. Wanneer we in 16-bit koderen, dan komt onze omzettingsprecizie uit op 2^16=65536 verschillende onderscheidbare vormtoestanden van het muzieksignaal.

Gebruikelijke sampling-rates voor digitale audio zijn 22kHz, 44.1kHz, 44kHz en 48kHz. Wanneer we de samplingrate kennen en de konversiebreedte dan kunnen we de informatiedichtheid en de informatiehoeveelheid voor een gegeven tijdsduur van het muzieksignaal gemakkelijk berekenen als:

(Sampling-rate * konversiebreedte) bits per sekonde

Meestal wordt de byte (8 bits) als eenheid gebruikt, wat ons dan toelaat de hoeveelheid informatie in bvb. 60 sekonden muziek opgenomen aan 44ksamples/sekonde in 16 bit te berekenen als:

(44000 X 16 /8) * 60 = 5.28 MegaByte

Dit is -zeker in vergelijking met de opslagkapaciteit van moderne komputers- een hele smak geheugen! Dit verklaart dan ook meteen waarom niet bvb. harde schijven, floppy disks of geheugenchips worden gebruikt voor opslag van muziek, maar wel tapes en CD's die immers veel grote informatiedichtheden toelaten (verschillende Gigabytes per schijf of band).

Sedert het begin van de jaren '90 verschijnen ook meer en meer komputers en gespecialiseerde machines op de markt waarmee de digitale audio op harddisks kan worden opgeslagen. Deze harddisks hebben dan formaten van 1Gigabyte en meer, ofwel worden ze in 'banken' opgebouwd uit verschillende harddisks van 300MByte tot 2GigaByte.

2. Gekompakteerde kodes

Het gekke aan de vorige wijze van opslag is echter dat bvb. een minuut stilte evenveel geheugen in beslag neemt als 1 minuut van de meest komplexe muziek. Daarom werden vele metodes en koderingssystemen ontwikkeld waarbij het noodzakelijke geheugen een funktie is van de in het signaal vervatte informatiehoeveelheid. Het algemeenste hierbij toegepaste principe komt erop neer dat men veelvuldig herhaalde identieke kodes gaat vervangen door 1x die code gevolgt door een kode die weergeeft hoeveel maal de herhaalde kode herhaald wordt. Dergelijke kodering berust op eliminatie van wat men de redundantie van het signaal noemt. Een verdere, wel wat ingewikkelder stap die toelaat onze geheugenbehoeftes verder in de perken, maakt gebruik van Markov-ketens, waarbij ook rekening wordt gehouden met de gewogen waarschijnlijkheden waarmee vormveranderingen in het signaal voorkomen. De belangrijkste reden waarom dit soort koderingen in de konsumentenmarkt nog nauwelijks toepassingen heeft gevonden, is het ontbreken van algemene standaarden voor de kodering van de wijze van kompakteren.

Het ziet er echter naar uit dat we eerlang (o.a. in de S-DAT) toch deze technologie op de markt zullen aantreffen. Het is echter niet evident dat de techniek ook geschikt zal zijn voor alle denkbare muziek! Wanneer men immers kompakteeralgoritmen op muziek gaat loslaten die gesteund zijn op de muziek van Jan Modaal, dan worden we wellicht binnenkort geteisterd met apparatuur die alleen met dit soort snertmuziek echt goed funktioneert...

2. Kommerciele formaten

1. De CD of Compact-disk

De opslag gebeurt hier in digitale vorm ( numerieke binaire kodes). De sampling rate is gestandaardiseerd op 44.1 kHz en de bitbreedte is 16bit. Het signaal wordt ongekompakteerd opgeslagen als een lineaire reeks in koncentrische cirkels op een optische drager. Elk bit is eigenlijk een klein met een laserstraal al dan niet getekend putje. Bij uitlezing - eveneens door een laserstraal en een fotocel die het gereflekteerde licht opvangt - kan uit de verschillende reflekties van deze putjes het bitpatroon opnieuw worden samengesteld. Het elektrische equivalent van dit patroon wordt dan omgezet naar een analoog signaal dat we via onze versterker en luidsprekers opnieuw hoorbaar kunnen maken.

2. DAT

Hier wordt een roterende opname/weergave kop gebruikt om de digitale bits als magnetiseringspulsen op de band te brengen. De sampling rate kan 44.1kHz, 44kHz of 48kHz bedragen. De verschillen hebben geen enkele technische grond, maar berusten alleen maar op druk van de kommerciele muziekindustrie op de fabrikanten van konsument-DAT apparatuur.

3. PCM- opnameformaten

Deze techniek maakt audioopname mogelijk met als drager gewone video-tapes. De PCM-modulatie op zich wordt ook in DAT machines op geintegreerde wijze gebruikt.

Het PCM systeem was eigenlijk het oudste systeem van digitale opname dat een ruime verspreiding heeft gevonden. Aanvankelijk werden als drager kwazi uitsluitend Betamax video-cassettes gebruikt.

Alle hier beschreven systemen zijn eigenlijk zuiver seriele systemen: de informatieoverdracht gebeurt bit per bit. Komputers, zoals die thans meer en meer in de audiostudiotechniek worden ingezet gebruiken steevast paralelle en dus ook veel snellere systemen: 8 bit of, meestal 16 bit parallel. Dit maakt digitale modulatie en manipulatie van audiosignalen in real-time mogelijk.

Dergelijke systemen zijn echter voor de gewone konsument nog grotendeels buiten (financieel) bereik, niet in het minst omwille van de enorme hoeveelheden read/write en harddisk memory die ervoor noodzakelijk zijn.

Digitale koderingssystemen :

1. byte/word konversie

2. delta-konversie

Het digitaal multitrack Soundscape harddisk recording systeem in de studio van Stichting Logos.

Filedate: 970928/ 2007-10-08