تمام چیزهایی که باید راجع به هدروم بدانید

هدروم، مفهوم بسیار مهمی در صدای زنده و ضبط است و اهمیت آن را نمی توان نادیده گرفت. از آنجایی که مفهوم هدروم در صدای دیجیتال و آنالوگ متفاوت است به هر دوی آن ها خواهیم پرداخت.

هدروم در دنیای ضبط آنالوگ

به بیان فنی، هدروم (وقتی برحسب دسی بل سنجیده می شود) تناسب ماکسیمم مقدار سیگنال دیستورت نشده ای که یک سیستم می تواند استفاده کند نسبت به میانگین لِوِلی که سیستم برای آن طراحی شده می باشد. برای مثال فرض کنید شما یک ستاپ ضبط خانگی با میانگین لِوِل -10dB دارید. اگر بتوانید بدون ایجاد دیستورشن شدت سیگنال را تا هشت دسی بل بالا ببرید در این صورت 18dB هدروم خواهید داشت. مهم ترین کلمه در اینجا "بدون دیستورشن" است. وقتی هدروم شما به پایان برسد، دیستورشن به وجود خواهد آمد. این دیستورشن و تمام شدن هدروم وقتی مثلا از یک امپلی فایر مارشال استفاده می کنید می تواند چیز خوبی باشد. اما برای یک سیستم PA یا یک کنسول میکس به هیچ وجه چیز خوبی نیست. یک کنسول میکس آنالوگ که برای میانگین شدت سیگنال +4dB طراحی شده را در نظر بگیرید. مترهای VU در این کنسول به شکلی کالیبره می شوند که مترها 0 VU را در +4dB نشان دهند. با این حال یک وسیله ی حرفه ای که برای کار در +4dB طراحی شده، قادر به ارائه ی شدت خروجی +24dB است، پس در 0 VU شما یک حاشیه ی 20 دسی بلی (24 – 4 = 20) از هدروم داخلی خواهید داشت تا افزایش لِوِل های پیش بینی نشده (مثلا زمانی که خواننده فریاد می زند) یا ترانزینت های قدرتمند به شکل مناسبی بازتولید شوند.

تصویر ۱: در یک میکسر آنالوگ یا دیگر تجهیزات حرفه ای، حاشیه ی هدروم قابل توجهی بالای 0 VU وجود دارد.

اما آیا ما واقعا نیاز به تمام این هدروم داریم؟ آیا نمی خواهیم سیگنال بیشترین شدت ممکن را داشته باشد تا از ایجاد نویز جلوگیری شود؟ بله درست است، اما باید به خاطر داشته باشید که اگرچه متر VU لِوِل میانگین (RMS) را نمایش می دهد، اما موسیقی به هیچ لِوِل میانگینی ندارد و دلیل آن پدیده ای با نام crest factor است. crest factor نسبت بین مقدار پیک یک سیگنال صوتی و مقدار میانگین آن را نشان می دهد، که می تواند بین 10 تا 20 دسی بل بیشتر از مقدار میانگین باشد. اگرچه دقت به لِول های میانگین مهم است چون بیشتر شبیه به نحوه ای که انسان صداها را درک می کند هستند، اما شما همچنین نیاز دارید به این که peak level ها را هم مورد توجه قرار دهید تا بدانید آیا احتمال تجاوز از هدروم موجود می رود یا نه. بسیاری از افراد این نکته را نمی دانند که peak transient ها در ضبط موسیقی می توانند تا 10 برابر نیاز وات بیشتری نسبت به وات میانگین داشته باشند. این یعنی در یک سیستمی که 40-watt RMS برای برنامه ی موسیقی استفاده می کند، پیک ها برای بازتولید دقیق ممکن است به 400 وات نیاز داشته باشند.

هدروم، سیستم های PA و میکسرها

در یک سیستم PA یا میکسر ضبط آنالوگ، برای به حداقل رساندن نویز شما نیاز دارید به این که از ماکسیمم هدروم امنی که وجود دارد استفاده کنید. برای داشتن بهترین gain staging، مناسب ترین جایی که می توان لِول ها را تا ماکسیمم مقدار قابل قبول افزایش داد، نزدیک ترین جای ممکن به ورودی است. در میکروفن ها، مقدار مناسبی برای گِین پری امپ میکروفن تعیین کنید و باقی میکسر را در حول همان محدوده ی unity gain تنظیم نمایید. در دستگاه های line-level مانند سازهای الکترونیکی، خروجی ساز را به شکلی تنظیم کنید که بیشترین لِول امنی که عاری از دیستورشن باشد را تولید کند و سپس تنظیمات gain stage در میکسر را به شمل مناسبی انجام دهید.

منبع تغذیه

منبع تغذیه، عامل محدود کننده در هدروم است. دلیلش این است که اگر ماکسیمم ولتاژ موجود در یک سیستم به عنوان مثال 15 ولت باشد، هیچ راهی وجود ندارد که شما بتوانید سیگنالی تولید کنید که پیک آن از 15 ولت تجاوز کند.

پاور امپ ها و اسپیکرها چطور؟

قضیه در اینجا جالب می شود. اول از همه این که کنترل لِول در یک پاور امپ خروجی را تنظیم نمی کند. امپ پتانسیل این را دارد که همیشه با بالاترین امپلیفیکیشن ممکن عمل کند. (اسپیکرهای مانیتورینگ شما هم احتمالا به همین شکل هستند.) کنترل ورودی، مقدار لِولی که به امپ منتقل می شود را تغییر می دهد. چنین چیزی خوب است، چرا که همیشه هدروم کامل در دسترس است، پس ترانزینت های شما با موفقیت اجرا خواهند شد. اما از طرف دیگر این یعنی شما باید مراقب باشید لِول ورودی را به قدری بالا نبرید که از هدروم موجود تجاوز کند. اسپیکرها مشابه حالتی که در پاور امپ ها وجود دارد هدروم ندارند، اما ارسال سیگنال بیش از حد می تواند هر چیزی از ایجاد دیستورشن تا منفجر شدن اسپیکر را موجب شود. از آنجایی که اسپیکرهای مدرن که دارای امپلی فایر داخلی هستند هم درایور اسپیکر و هم امپ هایی که درایورها را تغذیه می کنند را در خود جای داده اند، دارای یونیت های محافظتی (لیمیترها) هستند تا لِول های صدا را محدود کنند و از اسپیکرها محافظت نمایند. اسپیکرهای پسیو و پاور امپ های مجزا بیشتر مستعد داشتن مشکلاتی با این نوع ستاپ ها هستند – اسپیکر و پاور امپ با یکدیگر هماهنگ نمی شوند. همچنین اگر دیستورشنی در پاور امپ به وجود بیاید که موجب clipping شود، لِول میانگین سیگنال افزایش پیدا می کند و قدرت بیشتری در فرکانس های بالا ایجاد می شود و در نتیجه احتمال وقوع چیزی مانند آسیب دیدن درایور فرکانس های بالا بیشتر خواهد شد.

هدروم در دنیای ضبط دیجیتال

اینجا مسئله پیچیده می شود، پس آماده باشید.

اول این که 0dBFS (FS به کلمه ی Full Scale ارجاع دارد) در یک سیستم دیجیتال به معنای ماکسیمم لِولی است که سیستم می تواند داشته باشد، پس برخلاف سیستم های آنالوگ که هدرومی نامرئی بالا 0 VU می سازند، 0dBFS بالاترین مقداری هست که شما می توانید استفاده کنید. به همین خاطر است که بسیاری از حرفه های ضبط دیجیتال سیستم های ضبطشان (نرم افزارهای آهنگسازی) را -18dB پایین تر از 0dBFS کالیبره می کنند، چون با این کار هدرومی ایجاد می شود که یک سیستم دیجیتال به طور ذاتی فاقد آن است. واضح است که وقتی بجای 0 در -18 ضبط می کنید، تقریبا 3 بیت از رزولوشن را از دست خواهید داد (هر بیت حدودا 6 دسی بل را شامل می شود). اما با ضبط کردن با رزولوشن 24-bit، رزولوشن شما تنها به 21 بیت کاهش پیدا می کند و این مقدار هنوز هم بیشتر از رزولوشن حقیقی بسیاری از سخت افزارهاست. ( یک مبدل 24-bit در حقیقت رزولوشن 24 بیتی ندارد و دلیل آن بی دقتی های خود مبدل، نویزها، طراحی مدار و چیزهایی از این دست است.) همچنین در این حالت شما هدرومی را به وجود می آورید که پیک ها، رزونانس ها و افزایش لِول های ناگهانی مشکلی به وجود نیاورند. اما این تنها جایی نیست که هدروم در سیستم های دیجیتال اهمیت پیدا می کند. هدروم به داینامیک رنج هم ارتباط دارد، و زمانی که شما سیگنال ها را به کامپیوتر انتقال دهید، نرم افزارهای آهنگسازی امروزی دارای موتورهای صدایی با داینامیک رنج نامحدود هستند. تقریبا غیر ممکن است که بشود از هدروم این موتورهای صدا تجاوز کرد و به همین خاطر است که کانال هایی که در میکس شما وجود دارند شاید به محدوده ی قرمز برسند اما هیچ دیستورشنی ایجاد نشود. با این حال تمام نرم افزارهای آهنگسازی هم با دنیای آنالوگ عجین هستد و صدایی که در این نرم افزارها ساخته می شود در نهایت به وسیله ی سخت افزارها و مبدل های دیجیتال به آنالوگ به دنیای آنالوگ راه پیدا خواهند کرد. این مبدل ها به هیچ وجه داینامیک رنج نامحدود ندارند. بهترین کار این است که فیدر مستر را روی 0 قرار دهید و برای ایجاد بهترین بالانس، فیدر کانال ها را تغییر دهید، نه این که فیدر کانال ها را به شدت بالا ببرید و برای جبران آن فیدر مستر را پایین بیاورید. اگر فیدر مستر را روی یک قرار دهید، به لطف رزولوشن فوق العاده بالای موتور صدای نرم افزار آهنگسازی، هیچ اشکالی ندارد که لِول فیدر کانال ها چیزی حدود -18 را نشان دهد.

اینترسمپل دیستورشن

این نوع دیستورشن شیوه ای نامحسوس از تجاوز کردن از هدروم است، چرا که می تواند مشکلاتی ایجاد کند و شما شاید حتی ندانید این مشکلات از کجا نشات گرفته اند. این مشکل به این دلیل اتفاق می افتد که بیشتر مترهای دیجیتال، یک مقدار عددی را به شما نمایش می دهند، پس این مقادیر عددی که نشانگر 0dBFS هستند روی متر هم عدد 0 را نمایش خواهند داد. با این حال تبدیل کردن دوباره ی صدای دیجیتال به آنالوگ شاید موجب شود مقادیر حقیقی بالاتری از خود سمپل ها ایجاد شود که همین امر پتانسیلی را برای ایجاد اینترسمپل دیستورشن به وجود می آورد. این نوع دیستورشن زمانی می تواند اتفاق بیفتد که لِول بعضی از سمپل ها از ماکسیمم هدروم موجود استفاده کنند، و این سمپل هایی که لِول بالایی دارند سپس از فیلتر خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ عبور می کنند تا موج (waveform) اصلی را از نو تشکیل دهند.این موجی که بازتولید شده ممکن است بلندی صدای (amplitude) بیشتری نسبت به لِول پیک سمپل ها داشته باشد و این یعنی موج ما حالا می تواند از کاسیمم هدروم موجود سیستم پلی بک تجاوز کند (تصویر 2). شما باید برای جلوگیری از این موضوع چند دسی بل هدروم باقی بگذارید، مگر این که مترهای کانال شما بتواند در صورت وقوع اینترسمپل دیستورشن شما را آگاه کند. بسیاری از مهندسان مسترینگ پیشنهاد می کنند که لِول پیک ها از -1.0dBFS بالاتر نرود.

تصویر ۲: با موج صوتی سمپل شده در شکل A، بالا بردن لِول صدای دیجیتال به ماکسیمم هدروم موجود (B) ممکن است زمانی که از فیلتر نهایی مبدل دیجیتال به آنالوگ (که موج آنالوگ را بازتولید می کند) عبور می کند (C) از ماکسیمم هدروم موجود بالاتر برود.

اگر یک فایل دیجیتال (یا یک CD) برای پلی بک می سازید که پتانسیل اینترسمپل دیستورشن دارد، مبدل دیجیتال به آنالوگ شنونده این دیستورشن را ایجاد خواهد کرد. اما مشکل دیگر این است که در حین پروسه ی میکس، اگر از احتمال اینترسمپل دیستورشن آگاه نباشید، سیستم مانیتورینگ شما شاید دیستورشن ایجاد کند و میکسی که می سازید بر اساس این صدای دیستورت شده شکل خواهد گرفت. این که این مشکل تا چه حدی جدی است بستگی به خود متریال موسیاقیی دارد. برخی پروژه ها هیچگونه اینترسمپل دیستورشنی ندارند و برخی پروژه های دیگر هستند که شاید پیک آن ها از +3.0dB هم بالاتر برود. خوشبختانه سیستم های metering امروزی بهبود یافته اند و بسیاری از آن ها دارای True Peak metering هم هستند که بر اساس استاندارد اتحادیه ی بودکست اروپا R128 ساخته شده اند و در صورت وقوع اینترشمپل دیستورشن می توانند آن را به شما نمایش دهند. پس این هم دلیل دیگریست که در حین پروسه ی میکس چند دسی بل هدروم برای خروجی مستر بافی بگذارید و لِول ها را تا 0 dB بالا نبرید. بالا بردن لِول ها را به مهندس مسترینگ واگذار کنید.

DC offset : سارق هدروم

DC offset مبحث جذابی نیست و همچنین مشکل رایجی هم نیست، اما می توانید عامل مشکلاتی که مربوط به هدروم کاهش یافته هستند (مشکلات عجیب در مسترینگ، پاپ ها و کلیک ها در حین ادیت، افکت هایی که به خوبی عمل نمی کنندو...) باشد. در دوران مدارهای آنالوگ، اگ یک مدار سیگنال ورودی صفر داشت، روی کاغذ خروجی هم روی 0 ولت قرار می گرفت. زمانی که op-amp با گِین فوق العاده زیادی که داشتند به محبوبیت دست یافتند، نقص هایی که در DC یا چیپ های آن ها وجود داشت و در خروجی استیج تغذیه ی op-amp ظاهر میشدند، گاهی اوقات یک ولتاژ استای DC به حد چند میلی ولت در خروجی op-amp ایجاد می کردند. به طور طبیعی این موضوع مشکلی ایجاد نمی کند، اما اگر این استیج با DC offset با استیجی همراه میشد که گِین زیادی را تولید می کرد، حتی یک ولتاژ بسیار کم در ورودی استیج می توانست ولتاژ خروجی قابل توجهی ایجاد کند. برای مثال، اگر در ورودی یک آفست +0.002 ولتی وجود داشتخ باشد و مداری مانند یک پری امپ میکروفن گِین 60 دسی بلی داشته باشد، در این صورت در خروجی آفست 2 ولتی وجود خواهد داشت. چنین چیزی هدروم موجود را به مقدار دو ولت کاهش می دهد (بخاطر دارید که پیش تر راجع به منبع تغذیه و محدودسازی هدروم چه توضیحی دادیم؟). راه حل ساده ی این مشکل خازن کوپلاژ بود – لازم نیست روی آن تمرکز کنیم؛ خازن کوپلاژ به بیان ساده یعنی استفاده از یک خازن که ولتاژ DC، مانند آفست، را بلاک می کند، اما ولتاژهای AC، مانند صدا، را عبور می دهد. با این وجود برخی دستگاه ها پاسخگویی فرکانسی شان تا حد DCپایین بود، پس این ولتاژها می توانستند کاملا محسوس باشند.

در صدای دیجیتال، دو راه اصلی وجود دارد که DC offset می تواند به یک سیگنال نفوذ کند:

- ضبط کردن سیگنال آنالوگی که دارای DC offset درون یک اینترفیس می باشد (مانند کارت های صدای MOTU یا PreSonus) که پاسخگویی فرکانس های پایین آن بجای این که د پایین تر از فرکانسی مانند 20Hz قطع شود، تا حد DC امتداد دارد. - مشکلاتی خارج از کنترل شما که DC offset را به یک فایل که روی کامپیوتر وجود دارد اضافه می کند. در هر حالت، آفست به عنوان یک خط مبنای سیگنال ظاهر می شود که با خط مبنای صفر ولت واقعی برابر نیست (تصویر 3).

تصویر ۳: در این دو ضربه ی درام، ضربه ی اول مقدار قابل توجهی DC offset دارد. ضربه ی دوم به شکلی اصلاح شده که DC offset از آن حذف شود. از آنجایی که هدروم بیشتری وجود دارد، ضربه ی دوم نسبت به ضربه ی اول می تواند به peak level بالاتری برسد، اما پیک مثبت ضربه ی اول تمام هدروم موجود را مورد استفاده قرار می دهد.

دو راه اصلی برای حل مشکلات DC offset با نرم افزارهای صوتی وجود دارد.

- بیشتر نرم افزارهای ضبط و ادیت صدای حرفه ای دارای نوعی ویژگی اصلاح DC offset هستند که معمولا در یک منو و در کنار ویژگی هایی مانند تغییر گِین، معکوس کردن، برعکس کردن phase و غیره دیده می شود؛ این ویژگی همچنین ممکن است در قالب یک پلاگین در اختیار شما قرار بگیرد. این ویژگی سیگنال را آنالیز می کند و مقدار اصلاح مورد نیاز را اضافه یا حذف می کند تا صفری که شما نمایش داده می شود واقعا صفر باشد. - یک فیلتر highpass با شیب زیاد را اضافه کنید که هرچیزی پایین تر از فرکانس 20Hz را حذف کند. در عمل ایده ی خوبی است که فرکانس هایی که شنیده نمی شوند را از طیف فرکانسی حذف کنید. بیشتر اسپیکرها سیگنال هایی به این پایینی را نمی توانند بازتولید کنند، پس تنها قدرت امپلی فایر و پهنای باند آن ها بی جهت مصرف خواهد شد. DC offset معمولا مشکل بزرگی نیست، اما گهگاهی می تواند بروز پیدا کند و هدروم شما را کاهش دهد. قبول، بحث درباره ی هدروم زیاد جذاب نیست اما... ... هدروم چیزیست که جزوی از دنیای صوتی ماست، چه این دنیا دیجیتال باشد چه آنالوگ. گاهی وقت ها مشکلات هدروم قابل شنیدن نیستند، اما گاهی وقت ها کاملا شنیده می شوند پس مطمئن شوید که gain staging را به درستی انجام و سیستم تان را آنلیز کرده باشید تا از هدرومی که در اختیار دارید نهایت بهره را ببرید – و از آن تجاوز نکنید.