Bozar konstruktor

Herbatron I powstał z czystej potrzeby powiadamiania o optymalnej temperaturze herbaty do picia, ponieważ regularnie zdarzało mi się zapomnieć o pozostawionym kubku. Niestety muszę przyznać, że nie był on najlepszą konstrukcją, ponieważ był w on pełni analogowy i ciężko było go precyzyjnie ustawić go na daną temperaturę. Ale to było bardzo dawno temu, kiedy moja wiedza elektroniczna była jeszcze słaba.

Teraz postanowiłem zbudować Herbatron II, oparty na ATTiny2313 i cyfrowym czujniku temperatury DS18B20. Urządzenie obsługuje się za pomocą enkodera. Posiada diodowy wyświetlacz, pokazujący aktualną lub ustawianą temperaturę oraz głośniczek piezo do sygnalizacji. Schemat jest bardzo prosty:

• Nacisnąć PWR, aby wyłączyć
• Długo kliknąć enkoderem, aby wejść w tryb edycji temperatury docelowej. W tym trybie na wyświetlaczu mruga wartość, którą możemy zmieniać, kręcąc enkoderem w lewo lub w prawo. Krótkie kliknięcie zapisuje wartość w pamięci i wraca do pokazywania aktualnej temperatury.
• Krótko kliknąć enkoderem, aby rozpocząć pomiar. Wyświetlacz zostaje wygaszony i co 2 sekundy odbywa się pomiar temperatury, co jest sygnalizowane mruganiem kropki na wyświetlaczu. Teraz możemy zrobić 4 rzeczy:
• Podejrzeć aktualną temperaturę. Wystarczy zakręcić enkoderem w dowolną stronę, co spowoduje pokazanie jej przez sekundę.
• Wyłączyć alarm za pomocą kliknięcia enkoderem. Wtedy urządzenie wróci do pokazywania aktualnej temperatury. Alarm włącza się, kiedy herbata ostygnie do zadanej temperatury. 
• Nic nie robić. Urządzenie wyłączy się samo, jeśli herbata ostygnie poniżej 36 stopni, bo i tak nie ma sensu takiej zimnej pić.
• Wyłączyć urządzenie za pomocą przycisku PWR, nieważne w jakim trybie jest.

Dzisiejszy wpis będzie nietypowy, ponieważ tym razem będziemy budować coś niematerialnego - brzmienie. Ten artykuł ma za zadanie nieco przybliżyć techniki przetwarzania muzyki tak, aby brzmiała ona atrakcyjniej dla ucha.

Ludzki słuch ma zmienną czułość w swoim zakresie częstotliwości.

• Próbkowanie to "rozdzielczość w poziomie", czyli jak wiele razy na sekundę zapisana jest informacja o wartości amplitudy. Przy typowej częstotliwości 44.1Khz twierdzenie Nyquista pozwala nam zapisać dźwięki do częstotliwości ok. 22kHz, co powinno być wystarczające dla ucha ludzkiego. Niższe wartości dają wyraźne przytłumienie wysokich tonów. Dla lepszych efektów warto ustawić, aby nasz odtwarzacz resamplował dźwięk przynajmniej do 48kHz, albo 96kHz, bo pozwoli to pluginowi na dużo większą precyzję w przetwarzaniu dźwięku.
• Rozdzielczość, to dokładniej "rozdzielczość w pionie", czyli ilość poziomów głośności, jakie może przyjąć amplituda. Jeśli jest niska, dźwięk jest metaliczny, jak z pocztówki grającej lub starej konsoli. Typowa rozdzielczość 16-bitowa to 65536 kombinacji, czyli sporo. Jednak jest to ilość skończona. Użycie rozdzielczości 32-bitowej typu float daje zakres praktycznie nieskończony z uwagi na charakter notacji zmiennoprzeciwnkowej.

Przede wszystkim przypomnijmy sobie o co nam chodziło - o uwydatnienie tych dźwięków, które ludzie ucho słabo słyszy, lub toną gdzieś przytłumione przez te dużo głośniejsze. Zaczynamy więc od silnego, niekiedy nawet 10-krotnego wzmocnienia całego sygnału.

Oczywiście bez dalszych zabiegów taki dźwięk okropnie by charczał, ale plugin musi mieć "zapas głośności", który będzie mógł wykorzystać w razie potrzeby.

Teraz należy zadbać o głośność. Element, który się tym zajmuje to wielopasmowy kompresor. Działa on jak equalizer sprzężony z analizatorem spektrum. W typowym equalizerze wzmocnienie poszczególnych częstotliwości ustawione jest na sztywno przez użytkownika. W tym przypadku jest uzależnione od aktualnego poziomu tych częstotliwości. Przykład: lubimy delikatne muśnięcia hit-hata perkusji (pst, pst). Normalnie podbilibyśmy soprany w granicach 8-12kHz, ale przez to kompletnie tonęłyby one w głośnych, trzeszczących uderzeniach talerzy, czyniąc całą muzykę jazgotliwą i nieprzyjemną. Wielopasmowy kompresor analizuje poziom głośności naszych hit-hatów i jeśli brzmią one cicho w tle, podgłaśnia ten zakres częstotliwości, a kiedy nagle wkrada się głośne uderzenie dźwięku, ścisza go, aby nie dopuścić do nagłej eksplozji głośności w tym paśmie.

Tak dzieje się dla każdej z 10 częstotliwości. Możemy panować nad głębokim i średnim basem, wokalami, typowymi instrumentami oraz dodać jasności talerzom. Efekt jest taki, że wszystkie częstotliwości (czyli instrumenty, efekty, głosy) słyszymy w miarę równie głośno. Każde pasmo ma swoją wartość docelowej głośności, do której dąży i możemy ją dowolnie modyfikować, ustalając w ten sposób ogólną barwę dźwięku.

Ważnym parametrem jest także czas w którym głośność pasma dobije lub odbije od tej granicy (czyli "refleks" wielopasmowego kompresora). Wpływa to na dynamikę dźwięku i źle ustawione może doprowadzić do nieprzyjemnego "pompowania", kiedy po głośnym dźwięku (często basie) następuje chwilowe przyciszenie, co jest dość męczące w odsłuchu.

Okno wielopasmowego kompresora może za początku przerażać, ale już omawiam wszystkie elementy.

• Pierwsza kolumna to częstotliwości na których skupia się kompresja. Są one domyślnie tak dobrane, aby pokryć całe słyszalne pasmo. Warto w pierwszej kolejności skorygować dwie pierwsze, odpowiedzialne za bardzo niskie basy, ponieważ one są najbardziej podatne na obcięcie przez "fizyczną" część toru audio, czyli kartę dźwiękową, wzmacniacz i głośniki, lub przetworniki słuchawek.
• Druga kolumna to equalizer, działający na zdefiniowanych przez nas częstotliwościach. Możemy go włączyć w ustawieniach, ale używajmy go na samym końcu, dopiero po jak najlepszym dopasowaniu dźwięku przez kompresor. Equalizer może działać przed, lub po kompresji. Drugie rozwiązanie daje o wiele bardziej odczuwalny efekt, ale może doprowadzić do przesterowania podbitych częstotliwości
• Trzecia kolumna jest najważniejsza. To tutaj ustawiamy docelowy poziom głośności każdego z pasm, nadając brzmieniu pożądany charakter. Najlepiej na początku skręcić wszystkie pasma na jakieś 10% mocy i po kolei podciągać je do miłego dla ucha poziomu.
• Czwarta i piąta kolumna odpowiadają za dynamikę dźwięku, czyli czas reakcji kompresora na zmiany głośności poszczególnych pasm. Suwaki reprezentują szybkość reakcji, co przekłada się na średnią głośność, kiedy są sprzężone ze sobą. Bardzo ważnym elementem tutaj jest spektrogram, widoczny po zmaksymalizowaniu okna. Możemy na nim zaobserwować tempo adaptacji wewnętrznego equalizera do aktualnej sytuacji dźwiękowej.
  
  Przy ustawieniu dużej prędkości wzrostu (upseed), kompresor będzie sprawniej redukował dane pasmo w przypadku jego zbyt wysokiego natężenia. Natomiast duża prędkość spadku da efekt szybkiego przywrócenia głośności tego pasma już po redukcji. Jeśli zależy nam na w miarę jednolitym i głośnym dźwięku, ustawiamy upspeed co najmniej na 50%, a downspeed na 10-20%, co utrzyma wszystkie częstotliwości na podobnym poziomie. Natomiast, gdy chcemy wyciągnąć więcej subtelności, podkręcamy downspeed na 50%, co da szybszą odpowiedź na zmienną sytuację dźwiękową.
• W ostatniej kolumnie możemy ustawić parametry ostrego limitera, ale od tego jest osobny, lepszy moduł.

Mamy dwa scenariusze kompresji: pierwszy z nich to zwykła kompresja, kiedy głośność wszystkich pasm dąży do zadanych poziomów. Pozwala to wydobyć z dźwięku najwięcej ukrytej zawartości, ponieważ wszystkie tony otrzymują odpowiednią ekspozycję. Drugi scenariusz to limitowanie. W tym przypadku wszystkie częstotliwości chcą być jak najgłośniejsze. Daje to żywszy i nieco głośniejszy dźwięk, ale często giną w nim drobne niuanse. Do wyboru służy suwak.

Bardzo silna kompresja połączona z limitowaniem jest często używana w reklamach telewizyjnych, aby uczynić głos lektora odczuwalnie wyraźniejszym i krzykliwszym, bez przekraczania dozwolonej amplitudy.

Jest to końcowy ogranicznik. Dba on o to, aby sygnał, który go opuszcza był w zakresie 0-100%, bez przyciętych czubków amplitudy. Mamy aż dwa jego rodzaje - prosty i zaawansowany. Ten pierwszy zwykle bywa wystarczający.

Osiąga swój cel poprzez bardzo zręczne manipulowanie głośnością, co nie dopuszcza do powstawania obciętych końcówek sinusoidy.

Zaawansowany ogranicznik nie bez powodu zasłużył na swoją nazwę. Robi to co pierwszy, ale pracuje w zakresie kilku pasm. Nie przeszkadza mu pulsujący głośny bas - ma nawet specjalny moduł do jego kontroli.

W tym czasie kształtuje amplitudy korzystając z parametru pozornej głośności (loudness) tak, aby mniej lub bardziej wypełniała ona cały zakres dynamiczny.

Teoretycznie moglibyśmy wyłączyć wielopasmowy kompresor i przepuścić wzmocniony sygnał przez zaawansowany ogranicznik końcowy, otrzymując poprawny technicznie dźwięk. Efektem byłaby duża odczuwalna głośność bez słyszalnego przesterowania (bez obciętej amplitudy) - coś co tak drażni w reklamach i coraz większej ilości muzyki z tego wieku. No ale może niektórym to się podoba. Głównym zadaniem ogranicznika jest jednak oczyszczenie przetworzonego sygnału z drobnych błędów i dopiero potem ewentualne go formowanie, czyli nadawanie dodatkowej głośności.

Do toru warto czasem włączyć dwa dodatkowe ogniwa: odpowiadające za efekt stereo oraz za podbicie basu.

Ten pierwszy jeszcze do niedawna był dość prymitywny. Wzmocnienie stereo polegało na wzmocnieniu różnicy fazowej pomiędzy kanałami. Problem w tym, że brzmi to tylko w dobrze nagranej muzyce z wysokim bitrate. Przy garażowym 128k w sopranach działa się prawdziwa tragedia.

Najlepiej używać go do innych celów - np. ograniczenia zbyt dużego sztucznie wprowadzonego stereo (maximum angle), albo naprawy źle nagranej kasety, gdzie jeden kanał został odwrócony, przez co całość brzmi jak ze środka naszej głowy. Wtedy ustawiamy opcję "phase shift" na 180 stopni.

Od niedawna jest do dyspozycji drugi moduł "stereo boost". Daje on dużo bardziej przyjemny efekt, nie wprowadzając artefaktów. Najlepiej brzmi na rozstawionych przynajmniej na metr głośnikach, wyraźnie "rozprężając" ściśnięty dźwięk.

Określamy dwa parametry: wzmocnienie stereo i maksymalny jego poziom. Jeśli mamy mocno odseparowaną partię, nie ma potrzeby wzmacniać jej dodatkowo. Natomiast fragment, gdzie separacja jest słaba, zostanie rozciągnięty w przestrzeni bardziej konkretnie

Moduł wzmocnienia basu to nie jest zwykły equalizer, ponieważ formuje on dźwięk, a nie jedynie podgłaśnia zakres częstotliwości. Po jego włączeniu podkreślane są bardzo niskie "tąpnięcia", jednak nie powoduje to ogólnego wzrostu poziomu sygnału, tak więc nie ryzykujemy przesterowaniem.

Zasada działania jest podobna jak w przypadku efektu stereo - określamy wzmocnienie i maksymalną wartość. Tam, gdzie bas jest już wystarczająco silny, nie zostaje niepotrzebnie przesterowany  Ale regulacji najlepiej dokonać przy włączonej opcji "difference", gdzie będziemy słyszeć wyłącznie bas. Najpierw ustawiamy najniższą częstotliwość  bo to ona będzie najwyraźniej słyszalna jako "tąpnięcia". Potem określamy próg odcięcia i jeśli chcemy, to również harmoniczne. Tutaj sprawa jest bardzo indywidualna w zależności od naszego sprzętu audio. Po wyłączeniu opcji "difference" powinno być słychać porządnego kopa. Jeśli jest za silny, wystarczy zmniejszyć parametr "strength".