#1/2007 • ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ

www.kramer.ru

ЗВУКОВАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

НЕСМОТРЯ НА ТО, ЧТО БОЛЬШУЮ ЧАСТЬ ВНЕШНЕЙ ИНФОРМАЦИИ МЫ УСВАИВАЕМ С ПОМОЩЬЮ ЗРЕНИЯ, ЗВУКОВЫЕ ОБРАЗЫ ДЛЯ НАС НИЧУТЬ НЕ МЕНЕЕ ВАЖНЫ, А ЧАСТО ДАЖЕ И БОЛЕЕ. ПОПРОБУЙТЕ ПОСМОТРЕТЬ КИНО С ВЫКЛЮЧЕННЫМ ЗВУКОМ - ЧЕРЕЗ 2 - 3 МИНУТЫ ВЫ ПОТЕРЯЕТЕ НИТЬ СЮЖЕТА И ИНТЕРЕС К ПРОИСХОДЯЩЕМУ, КАКИМ БЫ БОЛЬШИМ НИ БЫЛ ЭКРАН И КАЧЕСТВЕННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЕ! ЕСЛИ ЖЕ УБРАТЬ ИЗОБРАЖЕНИЕ И ОСТАВИТЬ ЗВУК, КИНО ВПОЛНЕ МОЖНО ВОСПРИНИМАТЬ КАК УВЛЕКАТЕЛЬНУЮ РАДИОПОСТАНОВКУ.

Слух доносит до нас информацию о том, чего мы не видим, поскольку сектор визуального восприятия ограничен, а ухо улавливает звуки, доносящиеся со всех сторон, дополняя зрительные образы. При этом наш слух с большой точностью может локализовать невидимый источник звука по направлению, расстоянию, скорости перемещения.

Звук научились преобразовывать в электрические колебания задолго до изображения. Этому предшествовала механическая запись звуковых колебаний, история которой началась еще в XIX веке.

Ускоренный прогресс, включая возможность передачи звука на расстояние, стал возможен благодаря электричеству, с появлением усилительной техники, акустоэлектрических и электроакустических преобразователей - микрофонов, звукоснимателей, динамических головок и прочих излучателей. Сегодня звуковые сигналы передаются не только по проводам и через эфир, но и по оптоволоконным линиям связи, в основном в цифровом виде.

Акустические колебания преобразуются в электрический сигнал обычно с помощью микрофонов. Любой микрофон имеет в своем составе подвижный элемент, колебания которого порождают ток или напряжение определенной формы. Наиболее распространенный тип микрофона - динамический, представляющий собой «динамик наоборот». Колебания воздуха приводят в движение мембрану, жестко связанную со звуковой катушкой, находящейся в магнитном поле. Конденсаторный микрофон, по сути, и есть конденсатор, одна из обкладок которого колеблется в такт со звуком, а вместе с ней изменяется емкость между обкладками. В ленточных микрофонах используется тот же принцип, только одна из пластин свободно подвешена. Схож с конденсаторным электретный микрофон, пластины которого в процессе колебаний сами вырабатывают электрический заряд, пропорциональный амплитуде колебаний. Многие модели микрофонов имеют встроенный усилитель (уровень сигнала непосредственно с акустоэлектрического преобразователя очень мал). В отличие от микрофона, звукосниматель электромузыкального инструмента регистрирует колебания не воздуха, а твердого тела - струны или деки. Головка звукоснимателя считывает канавку грампластинки с помощью иглы, механически соединенной с подвижными катушками, находящимися в магнитном поле, либо магнитами, если катушки неподвижны. Либо колебания иглы передаются на пьезоэлемент, который при механических воздействиях вырабатывает электрический заряд. В магнитной записи звуковой сигнал записывается на магнитную ленту, а затем считывается специальной головкой. Наконец, в кинематографе традиционно была принята оптическая запись: с краю пленки наносилась непрозрачная звуковая дорожка, ширина которой менялась в такт с сигналом, и при протягивании пленки через проекционный аппарат электрический сигнал снимался с помощью фотосенсора.

В синтезаторах звук рождается непосредственно в виде электрических колебаний, здесь отсутствует первичное преобразование акустических волн в электрический сигнал.

Рис. 1. Преобразование акустических звуковых колебаний в электрический сигнал

Рис. 2. Кривые равной громкости

Рис. 3. Диапазон чувствительности слуха

Современные источники звука очень разнообразны, и все большее распространение получают цифровые носители: компакт-диски, DVD, хотя сохраняются еще и виниловые пластинки. Мы продолжаем слушать радио, как эфирное, так и кабельное (радиоточки). Звук сопровождает телепередачи и кинофильмы, не говоря уже о таком привычном явлении, как телефония. Все больший удельный вес в мире аудио получает компьютер, позволяющий с удобством архивировать, комбинировать и обрабатывать звуковые программы в виде файлов. В наше время оцифрованная речь и музыка передаются по цифровым каналам, включая Интернет, без серьезных потерь на транспортировку. Это обеспечивается цифровым кодированием, и потери возникают исключительно из-за сжатия, которое чаще всего при этом используется. Однако на цифровых носителях его либо нет вовсе (CD, SACD), либо применяются алгоритмы сжатия звука без потерь (DVD Audio, DVD Video). В остальных случаях степень сжатия определяется требуемым уровнем качества фонограммы (файлы mp3, цифровая телефония, цифровое телевидение, некоторые типы носителей) (рис. 1).

Обратное преобразование из электрических колебаний в акустические осуществляются с помощью громкоговорителей, встроенных в радиоприемники и телевизоры, а также отдельных акустических систем, головных телефонов.

Звуком называют акустические колебания в диапазоне частот от 16 Гц до 20000 Гц. Ниже (инфразвук) и выше (ультразвук) человеческое ухо не слышит, да и в пределах звукового диапазона чувствительность слуха весьма неравномерна, ее максимум приходится на частоту 4 кГц. Чтобы слышать звуки всех частот одинаково громко, нужно воспроизводить их с разным уровнем. Такой прием, называемый тонкомпенсацией, часто реализуется в бытовой аппаратуре, хотя результат его нельзя признать однозначно положительным.

Физические свойства звука обычно представляются не в линейных, а в относительных логарифмических величинах - децибелах (дБ), поскольку это гораздо нагляднее в цифрах и компактнее на графиках (в противном случае пришлось бы оперировать величинами, имеющими множество нулей до запятой и после, и вторые с легкостью потерялись бы на фоне первых) (рис. 2). Отношение двух уровней A и B в дБ (скажем, напряжения или тока) определяется как:

Сu [дБ] = 20 lg A/B. Если же речь идет о мощностях, то Сp [дБ] = 10 lg A/B.

Кроме частотного диапазона, определяющего чувствительность человеческого слуха к высоте звука, существует также понятие диапазона громкостей, который показывает чувствительность уха к уровню громкости и охватывает интервал от самого тихого звука, различимого слухом (порог чувствительности), до самого громкого, за которым лежит болевой порог. Порог чувствительности принят как звуковое давление в 2 х 10-5 Па (Паскаль), а болевой порог - давление, в 10 миллионов раз большее. Иными словами, диапазон слышимости, или отношение давления самого громкого звука к самому тихому, составляет 140 дБ, что заметно превосходит возможности любой аудиоаппаратуры ввиду ее собственных шумов. Только цифровые форматы высокого разрешения (SACD, DVD Audio) подбираются к теоретическому пределу динамического диапазона (отношение самого громкого звука, воспроизводимого аппаратурой, к уровню шума) 120 дБ, компакт-диск обеспечивает 90 дБ, виниловая пластинка - порядка 60 дБ (рис. 3).

Шумы всегда присутствуют в звуковом тракте. Это как собственные шумы усилительных элементов, так и внешние наводки. Искажения сигнала делятся на линейные (амплитудные, фазовые) и нелинейные, или гармонические. В случае линейных искажений спектр сигнала не обогащается новыми компонентами (гармониками), изменяются лишь уровень или фаза уже существующих. Амплитудные искажения, нарушающие изначальные соотношения уровней на разных частотах, приводят к слышимым искажениям тембра. Долгое время считалось, что фазовые искажения некритичны для слуха, однако на сегодня доказано обратное: и тембр, и локализация звука в значительной мере зависимы от фазовых соотношений частотных компонентов сигнала.

Любой усилительный тракт нелинеен, поэтому всегда возникают гармонические искажения: новые частотные компоненты, отстоящие по частоте в 3, 5, 7 и т.д. от порождающего их тона (нечетные гармоники) или в 2, 4, 6 и т.д. раз (четные). Порог заметности гармонических искажений сильно варьируется: от нескольких десятых и даже сотых долей процента до 3 - 7%, в зависимости от состава гармоник. Четные гармоники менее заметны, поскольку находятся в консонансе с основным тоном (разница по частоте в два раза соответствует октаве).

Помимо гармонических, имеют место интермодуляционные искажения, представляющие собой разностные продукты частот спектра сигнала и их гармоник. Например, на выходе усилителя, на вход которого подано две частоты 8 и 9 Гц (при достаточно нелинейной его характеристике) появится третья (1 кГц), а также целый ряд других: 2 кГц (как разность вторых гармоник основных частот) и т.д. Интермодуляционные искажения особенно неприятны на слух, поскольку порождают множество новых звуков, включая диссонансные по отношению к основным.

Шумы и искажения в значительной степени маскируются сигналом, однако они и сами маскируют сигналы малого уровня, которые исчезают или теряют отчетливость. Поэтому чем выше отношение сигнал/шум, тем лучше. Фактическая чувствительность к шумам и искажениям зависит от индивидуальных особенностей слуха и его натренированности. Уровень шумов и искажений, не влияющий на передачу речи, может быть абсолютно неприемлемым для музыки. То, что сможет услышать аудиофил и не только услышать, но и объяснить звукорежиссер, может оказаться совершенно незаметным для обычного слушателя.

Рис. 4. Небалансная экранированная линия

Рис. 5. Балансная экранированная линия

Рис. 6. Разъемы для балансных линий: клеммы и XLR

Рис. 7. Разъемы для небалансных линий: RCA, 3,5-ти и 6,25-миллиметровые штекеры

Рис. 8. Разъемы акустических кабелей

ПЕРЕДАЧА АНАЛОГОВОГО АУДИО

Традиционно аудиосигналы передавались по проводам, а также эфиру (радио).

Различают небалансную линию передачи (классическая проводная) и балансную. Небалансная имеет в своем составе два провода: сигнальный (прямой) и обратный (земля). Такая линия весьма чувствительна к внешним помехам, поэтому для передачи сигнала на большие расстояния не подходит. Часто реализуется с помощью экранированного провода, экран при этом соединяется с землей.

Балансная линия предполагает три провода: два сигнальных, по которым течет один и тот же сигнал, но в противофазе, и землю. На приемной стороне синфазные помехи (наведенные на оба сигнальных провода) взаимно вычитаются и полностью исчезают, а уровень полезного сигнала удваивается.

Небалансные линии обычно применяются внутри приборов и при небольших расстояниях, в основном в пользовательских трактах (рис. 4). В профессиональной же сфере господствует балансная (рис. 5).

На рисунках точки подключения экрана показаны условно, поскольку их приходится каждый раз подбирать «по месту» для достижения наилучших результатов. Чаще всего экран подключается только на стороне приемника сигнала.

Аудиосигналы нормируются по уровню действующего напряжения (0,707 от амплитудного значения):

микрофонный 1 - 10 мВ (для микрофонов без встроенного усилителя);

линейный 0,25 - 1 В, обычно 0,7 В.

На выходе усилителя мощности, с которого сигнал поступает на громкоговорители, его уровень гораздо выше и может достигать (в зависимости от громкости) 20 - 50 В при токах до 10 - 20 А. Иногда - до сотен вольт, для трансляционных линий и озвучивания открытых пространств.

Используемые кабели и разъемы:

для балансных линий и микрофонов - экранированная пара (часто витая),

3-контактные разъемы XLR или клеммы, винтовые или зажимные (рис. 6);

для небалансных линий - экранированный кабель, разъемы RCA («тюльпан»), реже DIN (а также ГОСТ), а также различные штекеры (рис. 7);

для мощных сигналов для громкоговорителей - неэкранированные (за редким исключением) акустические кабели большого сечения, клеммы или зажимы, разъемы типа «банан» или «игла» (рис. 8).

Качество разъемов и кабелей играет ощутимую роль, особенно в высококлассных аудиосистемах. Имеют значение материалы проводника и диэлектрика, сечение, геометрия кабеля. В самых дорогих моделях межблочных и акустических кабелей применяется сверхчистая медь и даже цельное серебро, а также тефлоновая изоляция, отличающаяся минимальным уровнем диэлектрической абсорбции, увеличивающей потери сигнала, причем неравномерно по полосе частот. Рынок кабельной продукции очень разнообразен, часто разные модели одинакового качества отличаются друг от друга лишь ценой, причем во много раз.

Любые кабели характеризуются потерями аналогового сигнала, которые растут с ростом частоты и расстояния передачи. Потери определяются омическим сопротивлением проводника и контактов в разъемах, а также распределенными реактивными составляющими: индуктивностью и емкостью. По сути, кабель представляет собой фильтр низких частот (отсекающий высокие).

Помимо передачи на разные расстояния сигналы часто приходится разветвлять и коммутировать. Коммутаторы (селекторы входов) являются неотъемлемой частью многих компонентов аудиотракта, как профессионального, так и пользовательского. Существуют и специализированные усилители-распределители, разветвляющие сигнал и обеспечивающие согласование с линией передачи и другими компонентами по уровню и импедансам (а также часто компенсирующие спад на высоких частотах), и коммутаторы, обычные (несколько входов и один выход) и матричные (множество входов и выходов).

Рис. 9.

Рис. 10. Схема типового кроссовера для трехполосной акустической системы

Рис. 11. Пример прибора-эквалайзера

Рис. 12. Пример студийного процессора динамической обработки звука

Рис. 13. Примеры процессоров и приставок для электрогитар

Рис. 14. Современный микшерный пульт

ОБРАБОТКА АНАЛОГОВОГО АУДИО

Любая обработка аналогового аудиосигнала сопровождается определенными потерями его качества (возникают частотные, фазовые, нелинейные искажения), однако она необходима. Основные виды обработки следующие:

l Усиление сигнала до уровня, нужного для передачи, записи или воспроизведения громкоговорителем: подав сигнал с микрофона на динамик, мы ничего не услышим - требуется предварительно усилить его по уровню и мощности, обеспечив при этом возможность регулировки громкости (рис. 9).

l Фильтрация по частотам: от полезного звукового диапазона (20 Гц - 20 кГц) отсекают инфразвук, который на определенных частотах вреден для здоровья, и ультразвук. Во многих случаях диапазон намеренно сужают (речевой телефонный канал имеет полосу от 300 Гц до 3400 Гц, существенно ограничена полоса частот метровых радиостанций). Для акустических систем, имеющих, как правило, 2 - 3 полосы, также необходимо разделение, которое осуществляется обычно в фильтрах кроссоверов уже на уровне усиленного (мощного) сигнала (рис. 10).

l Коррекция по частотам (эквалайзинг): регулировка тембра, компенсация неравномерной отдачи из-за акустических свойств помещения, компенсация потерь в линиях передачи, студийная обработка с целью достижения нужной «окраски» звука, подавление паразитной акустической обратной связи («свиста») и т.д. (рис. 11).

l Подавление шумов: существуют специальные схемы динамического шумопонижения, которые анализируют сигнал и сужают полосу пропорционально уровню и частоте ВЧ-составляющих («денойзеры», «дехиссеры»). При этом шум, находящийся выше полосы сигнала, отрезается, а оставшийся более или менее маскируется самим сигналом. Подобные схемы всегда приводят к весьма заметной на слух деградации сигнала, но в отдельных случаях их применение уместно (например, при работе с записанной речью или в переговорных радиостанциях). Для аналоговой звукозаписывающей техники также используются шумоподавители на основе компрессоров/экспандеров («компандерные», например системы Dolby-B, dbx), работа которых на слух менее заметна.

l Воздействие на динамический диапазон: для того чтобы воспроизведение музыкальных программ на обычных бытовых системах, включая автомобильные магнитолы, было достаточно сочным и выразительным, динамический диапазон сжимают, делая звучание тихих звуков более громким. В противном случае, не считая отдельных всплесков фортиссимо (на классической музыке), придется слушать тишину из динамиков, особенно с учетом шумной окружающей обстановки. Для этой цели служат приборы, называемые компрессорами. В некоторых случаях, наоборот, требуется расширить динамический диапазон, тогда применяются экспандеры. А чтобы исключить превышение максимального уровня, которое приведет к клиппированию (ограничение сигнала сверху, сопровождаемое очень высокими нелинейными искажениями, воспринимаемыми как хрип), в студиях используются лимитеры. Они, как правило, обеспечивают «мягкое» ограничение, а не просто срезают верхушки сигнала (рис. 12).

l Спецэффекты для студий, ЭМИ и пр.: в распоряжении звукорежиссеров и музыкантов имеется большое количество спецтехники для придания звучанию нужной окраски или получения определенного эффекта. Это различные дистортеры (звук электрогитары становится хриплым, зернистым), приставки «вау-вау» (модуляция по амплитуде, вызывающая характерный «квакающий» эффект), энхенсеры и эксайтеры (приборы, влияющие на окраску звука, в частности, могущие придавать звучанию «ламповый» оттенок); фленжеры, хорусы и т.д. (рис. 13).

l Смешивание звуков, эхо/реверберация: запись на студиях обычно ведется в многоканальном виде, затем с помощью микшеров фонограмма сводится в нужное количество каналов (чаще всего 2 или 6). При этом звукорежиссер может «выдвинуть вперед» тот или иной солирующий инструмент, записанный на отдельной дорожке, изменить соотношение громкостей разных дорожек. Иногда на сигнал накладываются многократные копии меньшего уровня с определенным сдвигом по времени, тем самым имитируется естественная реверберация (эхо). В настоящее время подобные и прочие эффекты достигаются в основном с помощью сигнальных процессоров, обрабатывающих цифровой сигнал (рис. 14).

Рис. 15. Граммофон

Одна из первых моделей, пишущих на магнитную ленту - Sony D3

Studer A-807 - вершина технической мысли в области магнитной звукозаписи. На таких аппаратах в конце 80-х писались многие известные музыканты

Три раздельных головки - воспроизводящая, записывающая и стирающая - позволяют оперативно контролировать качество записи

Стрелочные индикаторы уровня применялись в студиях вплоть до начала 90-х

ЗАПИСЬ АНАЛОГОВОГО АУДИО

Считается, что механическая запись звука была впервые реализована Эдисоном в 1877 году, когда он изобрел фонограф - валик, покрытый слоем мягкой станиоли, на который иглой, передающей колебания воздуха, наносился след (позже вместо станиоли использовался воск, а сам метод стали называть глубинной записью, поскольку дорожка модулировалась по глубине). Однако в том же году француз Шарль Кро подал заявку в Академию наук по поводу своего изобретения - звук записывался на плоском стеклянном диске, покрытым сажей, с помощью соединенной с мембраной иглы, получалась поперечная дорожка, затем диск предполагалось просвечивать и снимать с него фотокопии для тиражирования (сам способ еще предстояло разработать). В конце концов поперечная запись, которая оказалась намного совершеннее глубинной, дала начало грамзаписи. В мире появились три компании, серийно выпускавших пластинки (CBS в Америке, JVC в Японии, Odeon в Германии - эта компания подарила миру двустороннюю пластинку) и аппараты для их воспроизведения (рис. 15). От «Дойче Граммофон» (Германия) произошло название «граммофон», от «Пате» (Франция) - патефон. Впоследствии начали производить портативные патефоны с раструбом на шарнире, с электрическим двигателем вместо ручного привода, позже - с электромагнитными адаптерами. Пластинки становились все совершеннее, вмещали больше материала по времени звучания, расширялся диапазон частот, первоначально ограниченный 4 кГц. На смену хрупкому шеллаку пришел винилит, а недолговечные стальные иглы уступили место сапфировым, затем и алмазным. Началась эпоха стерео: в одной канавке нарезались две дорожки под углом в 45°. К началу 80-х годов прошлого века, когда наметился глобальный переход к цифровому формату звука, виниловая пластинка подошла к апогею своего развития.

Магнитная запись более совершенна и издавна применялась в студиях. Первый аппарат для магнитной записи - телеграфон - создал Вальдемар Паульсен (Дания) в 1878 году, причем запись велась на стальную проволоку (струну от фортепиано). В 20-х годах XX века появились магнитофоны, использовавшие магнитную ленту. Массовое производство магнитофонов началось в 40-х. Сначала появились магнитные ленты на целлюлозной, а затем на лавсановой основе. Запись аудиосигналов производится на продольные дорожки с помощью пишущей (или универсальной) головки с магнитным зазором. Лента протягивается вплотную к зазору головки, и на ней образуется дорожка остаточного намагничивания. Нелинейная часть характеристики «размывается» с помощью высокочастотного тока подмагничивания (обычно порядка 100 кГц), на который накладывается полезный сигнал. Студийные аналоговые магнитофоны наряду с цифровыми до сих пор применяются для первичной записи фонограмм. Бытовые бывают двух- и трехголовочными (отдельно записывающая, воспроизводящая и стирающая головки либо стирающая и универсальная). Иногда присутствуют две воспроизводящие, если предусмотрен реверс.

Магнитная лента обладает шумами, которые уменьшаются (частично выводятся за пределы слышимого диапазона) с ростом скорости протяжки. Поэтому студийные магнитофоны имеют скорость 38, в то время как бытовые катушечные - 19 и 9,5 см/с. Для бытовых кассетных аппаратов была принята скорость 4,76 см/с. Шумы ленты эффективно подавляются с помощью компандерной системы Dolby B: при записи уровень высокочастотной части для слабых сигналов поднимается на 10 дБ, а при воспроизведении на столько же опускается.

Профессиональная аналоговая магнитная запись на высокой скорости обеспечивает очень высокое качество. Именно на магнитных мастер-лентах долгое время архивировались музыкальные записи, и с них фонограмма переносилась на виниловые пластинки с некоторой потерей качества. Однако даже при очень бережном отношении магнитная лента со временем начинает осыпаться, ей свойственно постепенное размагничивание, деформация, копир-эффект (соседние слои в рулоне взаимно намагничиваются), она подвержена влиянию внешних магнитных полей. Затруднен также быстрый поиск нужного фрагмента (хотя это неудобство относится скорее к бытовой сфере). Поэтому с появлением цифровых форматов компания Sony, владелец огромного архива записей CBS/Columbia, озаботившись проблемой сохранности бесценных оригиналов записей второй половины XX века, разработала метод записи в формате дискретной широтно-импульсной модуляции (поток DSD - Direct Stream Digital, который в дальнейшем дал начало пользовательскому формату Super Audio CD). Если аналоговая магнитная запись обеспечивает сохранность фонограммы в несколько десятилетий при постепенно увеличивающихся потерях, то цифровые архивы вечны и выдерживают неограниченное количество копирований без какой-либо деградации. По этой, как и по многим другим причинам (сервисные преимущества, универсальность, огромные возможности обработки), все большее распространение нынче получают цифровые форматы аудио. l

(Окончание следует)

 

   
ListenListen

Яндекс цитирования

Яндекс.Метрика

 
           

н а в е р х

ГЛАВНАЯ | РУБРИКИ | АРХИВ | КОНТАКТЫ | АВТОЗВУК
Copyright © "Салон Аудио Видео"