Применение устройств обработки звука. Приборы для обработки звука

1

Модуляционная теория имеет широкий спектр применения, основанный на обработке сигналов во временной области, в частности, ее можно применить как основу для решения проблем обработки широкополосных звуковых сигналов при передаче их по узкополосному радиоканалу, в т.ч. по каналу телефонной связи. В модуляционной теории сигнал описывается как сложномодулированный (одновременно по амплитуде и частоте) процесс в виде произведения огибающей (амплитудно-модулирующей функции сигнала) и косинуса фазы (частотно-модулированной функции сигнала). Характерной особенностью данной теории является выделение информационных параметров сигнала, число которых возрастает после каждой последующей ступени его разложения по модулирующим функциям (многоступенное разложение). Это открывает возможность воздействовать на выделенные информационные параметры разного уровня и добиваться желаемого вида обработки сигнала. Применение модуляционной теории с осуществлением многоступенного разложения позволит провести новые исследования по изучению природных модуляций звуковых сигналов с целью совершенствования технических средств радиосвязи, использующих речевые сигналы как основную передаваемую информацию. Проведенный обзор позволил сделать вывод об актуальности перспективы применения модулирующих функций для обработки звуковых сигналов. Раскрыты перспективы применения в целях шумопонижения операции деления-умножения мгновенной частоты сигнала без выделения модулирующих функций. Даны предпосылки ее использования, разработаны методики проведения исследования возможности применения операции деления мгновенной частоты для шумопонижения при передаче частотно-компрессированных сигналов в двух вариантах: следящее частотное шумопонижение и динамическая фильтрация.

модуляционный анализ-синтез

мгновенная частота

шумопонижение

1. Аблазов В.И., Гупал В.И., Згурский А.И. Преобразование, запись и воспроизведение речевых сигналов. – Киев: Лыбидь, 1991. – 207 с.

2. Агеев Д.В. Активная полоса частотного спектра функции времени // Труды ГПИ. – 1955. – Т. 11. – № 1.

3. Гиппернрейтер Ю.Б. Восприятие высоты звука: Автореф. дис. канд. психол.наук. – М.: 1960. – 22 с.

4. Ишуткин Ю.М. Разработка теории модуляционного анализа-синтеза звуковых сигналов и её практическое применение в технике записи звука кинофильмов: Автореф. дис.на соискание уч. ст. д. т. н. – М.: НИКФИ, 1985. – 48 с.

5. Ишуткин Ю.М., Уваров В.К. Основы модуляционных преобразований звуковых сигналов / Под ред. Уварова В.К. – СПб.: СПбГУКиТ, 2004. – 102 с.

6. Ишуткин В.М. Перспективы обработки звуковых сигналов по их модулирующим функциям / В сб.: Проблемы звукотехники // Труды ЛИКИ, Вып. XXXI. – Л.: ЛИКИ, 1977. – С. 102–115.

7. Корсунский С.Г. Влияние спектра воспринимаемого звука на его высоту // Пробл.физиол.акуст. – 1950. – Т. 2. – С. 161–165.

8. Маркел Дж.Д., Грэй А.Х. Линейное предсказание речи: Пер. с англ. / Под ред. Ю.Н. Прохорова, В.С. 3вездина. – М.: Связь, 1980. – 308 с.

9. Маркин Д.Н., Уваров В.К. Результаты практических исследований соотношений между спектрами сигнала, его огибающей, косинуса фазы и мгновенной частоты. Деп. рук. № 181кт-Д07, ОНТИ НИКФИ, 2007. – 32 с.

10. Маркин Д.Н. Разработка метода и технических средств компандирования спектров речевых сигналов. Автореф. дис. на соискание уч. ст. к.т. н. – СПб.: СПбГУКиТ, 2008. – 40 с.

11. Муравьев В.Е. О современном состоянии и проблемах вокодерной техники // Современные речевые технологии сборник трудов IX сессии Российского акустического общества, посвящённой 90-летито М.А. Сапожкова. – М.: ГЕОС,1999. – 166 с.

12. Орлов Ю.М. Динамический фильтр-шумоподавитель // ТКиТ. – 1974. – № 10. – С. 13–15.

13. Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. Преобразование речи применительно к задачам техники связи и кибернетики. – М.: Связьиздат, 1963. – 452 с.

14. Уваров В.К., Плющёв В.М., Чесноков М.А. Применение модуляционных преобразований звуковых сигналов / Под ред. В.К. Уварова. – СПб.: СПбГУКиТ, 2004. – 131 с.

15. Уваров В.К. Сжатие частотного диапазона звуковых сигналов для улучшения качества звука при кинопоказе: Автореф.дис. канд.тех. наук. – Л.: ЛИКИ,1985. – 22 с.

16. Цвикер Э., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации: Пер. с нем. – М.: Связь, 1971. – 255 с.

17. Gаbor D. Theory of communications. – The Journal of the institute of Electrical Engineers, Part III (Radio and Communication Engineering), Vol. 93, № 26, November 1946. – Р. 429–457.

18. Ville J.A. Theorie et application de la notion de signal analytique. – Cables a Transmissions, 2A, № 1, January, 1948. – Р. 61–74; translated from the French in I. Selin, «Theory and applications of the notion of complex signal». – Tech. Rept. T-92, The RAND Corporation, Santa Monica, CA, August 1958.

Модуляционная теория имеет широкий спектр применения, основанный на обработке сигналов во временной области, в частности, ее можно применить как основу для решения проблем обработки широкополосных звуковых сигналов при передаче их по узкополосному радиоканалу, в т.ч. по каналу телефонной связи.

Проведенный обзор методов обработки звуковых сигналов выявил перспективность модуляционного анализа-синтеза, разработанного Ю.М. Ишуткиным в 70-х годах прошлого столетия для обработки и измерения искажений . В дальнейшем модуляционная теория получила свое развитие в работах его учеников и последователей .

Модулирующие функции колебания сложной формы

В середине ХХ века независимо двумя учеными Д. Габором и Дж. Вие была создана теория аналитического сигнала, дающая возможность описывать в виде явной функции времени любой случайный процесс. Именно эта теория стала математической основой, на базе которой впоследствии была сформирована модуляционная теория звуковых сигналов.

При некоторых нежестких ограничениях любые колебания сложной формы могут быть представлены в виде произведения двух явных функций времени

где s(t) - исходный звуковой сигнал,

S(t) - неотрицательная огибающая сигнала, амплитудно-модулирующая функция;

cos φ(t) - косинус фазы сигнала, частотно-модулированная функция;

φ(t) - текущая фаза сигнала, фазо-модулирующая функция сигнала.

Мгновенная частота сигнала, частотно-модулирующая функция сигнала.

Модулирующие функции S(t), φ(t) и ω(t) сигналов являются действительными функциями действительного аргумента t. В общих случаях модулирующие функции нельзя определить, исходя из самого исходного сигнала s(t): его необходимо дополнить вторым сигналом, называемым опорным s1(t) и уже для пары этих сигналов {, } можно определить модулирующие функции. Вид этих функций в равной степени зависит от обоих сигналов.

Дж. Габор впервые в 1946 году показал необходимость опорного сигнала при определении модулирующих функций и применил для этого прямое преобразование Гильберта к исходному сигналу s(t) . В теоретической радиотехнике это привело к понятию аналитического сигнала. Однако теория аналитического сигнала была разработана для узкополосных колебаний.

Модулирующие функции широкополосного сигнала

Впоследствии строгие математические представления о модулирующих функциях были распространены и на широкополосные звуковые сигналы. Однако выбор опорного сигнала предполагается произвольным, и выдвигаются лишь требования к ортогональности основного и опорного сигналов . Тем не менее на сегодняшний момент именно преобразование Гильберта рассматривается как удобный в техническом отношении способ построения пары ортогональных сигналов.

Так как в общем случае звуковые сигналы являются непериодическими и их можно считать квазипериодическими лишь на отдельных достаточно коротких интервалах времени, в модуляционной теории для определения опорного сигнала используется прямое преобразование Гильберта с ядром Коши

, (2)

где Н - оператор преобразования Гильберта, интеграл (2) является сингулярным, т.е. не существует в обычном смысле в точке t = τ, его следует понимать как интеграл Лебега, а его значение в точке t = τ как главное значение по Коши.

Две функции, связанные между собой преобразованием (2), называются сопряженными по Гильберту. Из теории преобразования Гильберта известно, что эти функции удовлетворяют условию ортогональности, то есть их скалярное произведение равно нулю на всей области определения

. (3)

Выражение (3) представляет собой определенный интеграл, понимаемый в смысле Лебега. Т - означает область значений переменной t, по которой ведется интегрирование.

В геометрическом представлении амплитудно-модулирующая функция S(t) это сигнальный вектор, вращающийся вокруг начала координат с угловой частотой ω(t), при этом сигнал может развиваться быстро или медленно, но только в прямом, а не в обратном направлении. Это означает, что обе модулирующие функции могут принимать любые положительные и отрицательные значения (причем ничем не ограниченные) и каждая имеет в общем случае постоянную и переменную составляющие:

где S0 - постоянная составляющая (среднее значение) огибающей сигнала;

SS(t) - огибающая переменной составляющей огибающей сигнала;

cos ωS(t) - косинус фазы переменной составляющей огибающей сигнала;

ω0 - среднее значение мгновенной частоты сигнала (несущая частота);

ωd(t) - девиация мгновенной частоты сигнала;

ωm(t) - модулирующая частота сигнала.

Многоступенное модуляционное преобразование

Из изложенного выше следует, что процесс разложения сигнала по его модулирующим функциям можно продолжить - провести многоступенное модуляционное разложение .

Первая ступень разложения дает пару модулирующих функций первого порядка (см. формулу 4)

Вторая ступень разложения дает дополнительно две пары модулирующих функций второго порядка. При этом огибающая первого порядка S1(t) дает огибающую огибающей и мгновенную частоту огибающей: S21(t) и ω21(t).

Вторая ступень разложения мгновенной частоты первого порядка ω1(t) дает огибающую мгновенной частоты и частоту мгновенной частоты: S22(t) и ω22(t).

После третьего разложения получаются еще четыре пары модулирующих функций третьего порядка и т.д.

Перечисленные после формулы (4) параметры модулирующих функций различных порядков являются важными информационными признаками звукового сигнала, воздействие на значения и частотное расположение которых открывает широкие возможности для обработки звукового сигнала: сжатие спектра, изменение тембра, преобразование динамического диапазона и шумопонижение, транспонирование сигналов и т.д.

Технические задачи обработки звуковых сигналов путем воздействия на их модулирующие функции состоят в следующем:

● создать многоступенный демодулятор (преобразователь), при подаче на вход которого напряжения u(t) = s(t) на выходах обеспечивались бы напряжения, пропорциональные модуляционным функциям первого, второго и т.д. порядков;

● воздействовать на значения и спектры этих напряжений;

● восстановить звуковой сигнал по обработанным модуляционным функциям, т.е. осуществить амплитудную и частотную модуляцию колебаний генераторов.

Например, использование нелинейного корректирующего воздействия на параметры амплитудно-модулирующей функции позволит провести компрессирование и шумопонижение восстановленного звукового сигнала . Воздействием на сигнал канала частотно-модулирующей функции с помощью нелинейной цепи, обладающей уменьшением дифференциального коэффициента передачи с увеличением мгновенных значений выходного напряжения, можно достичь сжатия частотного диапазона обрабатываемого звукового сигнала . Делением частоты ωm(t) и устранением высокочастотной части ее спектра можно существенно сжать спектр звукового сигнала с сохранением высокой помехоустойчивости .

Перспективы применения деления-умножения мгновенной частоты сигнала без выделения модулирующих функций в целях шумопонижения

Постановка задачи

При передаче звуковых сигналов по узкополосным каналам связи частотное компрессирование приводит к заметному ограничению ширины спектра мгновенной частоты. Исследуем возможность подмены в спектре фонем таких сигналов компонент, обусловленных высокими частотами частотной модуляции, на другие компоненты - расположенные на близких частотах, но обусловленные увеличением девиации мгновенной частоты фонемы при восстановлении частотно-компрессированных сигналов. Такая замена должна обеспечить повышение качества звукопередачи за счет более полного субъективного восприятия.

Предпосылками к такой постановке задачи может служить следующее:

1. Гласные звуки на большей части их длительности можно рассматривать как периодический сигнал. При увеличении девиации частоты число гармоник основного тона будет увеличиваться. Следовательно, есть возможность при передаче сигнала уменьшить количество гармоник основного тона, а на приемной стороне канала восстановить их количество путем увеличения девиации частоты.

2. Спектры глухих согласных звуков являются сплошными. Спектры их мгновенных частот также сплошные, в полосе примерно равной половине полосы частот спектра сигнала. Поэтому при увеличении девиации частоты спектр мгновенной частоты останется сплошным, но спектр фонемы расширится.

3. Известно влияние спектрального состава сложных сигналов на восприятие высоты их тона. Звуки, богатые высокочастотными спектральными составляющими, воспринимаются на слух как более высокие по сравнению со звуками, имеющими ту же частоту основного тона, но со слабыми гармониками высокого порядка или с меньшим их количеством.

4. Поскольку подмена спектральных составляющих будет происходить на высоких частотах, то можно предположить, что для слуха такая подмена будет незаметной или почти незаметной. В основе этого лежит пониженная чувствительность слуха к изменению высоты тона в области высоких частот .

Разработка методики проведения исследования

Следящее частотное шумопонижение

Возможность использования операции деления мгновенной частоты с целью шумопонижения будет количественно обоснована после предварительных исследований допустимых пределов сокращения спектров модулирующих функций звуковых сигналов для разных каналов передачи.

При использовании деления мгновенной частоты для целей передачи звуковых сигналов в частотно-компрессированном виде, очевидно, что передаваемый сигнал концентрируется в низкочастотной области. Причем ширина полосы частот, которая необходима для неискаженной передачи сигнала, будет постоянно меняться, вместе с изменением звукового сигнала. Поэтому в качестве одной из основных задач этого исследования можно назвать определение возможности создания следящего фильтра низких частот (СФНЧ), верхняя граничная частота которого изменялась бы во времени, принимая значения в соответствии с определенными допустимыми ограничениями полосы частот мгновенной частоты и огибающей, которые будут известны после проведения предварительных исследований. Представляется, что сокращение полосы для узкополосных сигналов, которые практически не маскируют шумы канала передачи, будет очень значительным. Поэтому для таких сигналов будет значительным и выигрыш в отношении «сигнал/шум».

Второй задачей этого исследования следует назвать определение сигнала управления для СФНЧ. В качестве первых претендентов на роль сигнала управления можно предложить сигналы, пропорциональные или ωн(t), или производной мгновенной частоты сигнала в соответствии с . Поскольку шумопонижение при этом достигается за счет различения частотных диапазонов сигнала и шума, то такое шумопонижение можно называть частотным.

При использовании огибающей для порогового амплитудного шумопонижения или для динамической фильтрации, получим комбинированный шумоподавитель для частотно-компрессированных сигналов.

Динамическая фильтрация

Как известно , в существующих вариантах динамических фильтров весь частотный диапазон звуковых сигналов делится на полосы, в каждой из которых шумопонижение осуществляется с помощью порогового шумоподавителя (обычно - это инерционные устройства). К недостаткам динамических фильтров обычно относят аппаратурную сложность, так как динамический фильтр представляет собой совокупность нескольких пороговых шумоподавителей (обычно четыре и более). Кроме этого, возникают трудности с обеспечением линейных частотных характеристик.

Теперь появилась возможность исследовать вариант динамической фильтрации в одной низкочастотной полосе при передаче частотно-компрессированных сигналов, управляя шириной полосы сигналом огибающей. Как известно, при уменьшении уровня звукового сигнала вначале в шумах канала звукопередачи тонут верхние гармоники звука, а в последнюю очередь - колебание основного тона. Это позволяет предположить, что возможно, уменьшая полосу фильтра пропорционально уменьшению огибающей, обеспечить эффект шумопонижения без обычных для динамических фильтров недостатков.

Заключение

В модуляционной теории сигнал описывается как сложно модулированный (одновременно по амплитуде и частоте) процесс в виде произведения огибающей (амплитудно-модулирующей функции сигнала) и косинуса фазы (частотно-модулированной функции сигнала). Характерной особенностью данной теории является выделение информационных параметров сигнала, число которых возрастает после каждой последующей ступени его разложения по модулирующим функциям (многоступенное разложение). Это открывает возможность воздействовать на выделенные информационные параметры разного уровня и добиваться желаемого вида обработки сигнала.

Применение модуляционной теории с осуществлением многоступенного разложения позволит провести новые исследования по изучению природных модуляций звуковых сигналов с целью совершенствования технических средств радиосвязи, использующих речевые сигналы как основную передаваемую информацию.

Проведенный обзор позволил сделать вывод об актуальности перспективы применения модулирующих функций для обработки звуковых сигналов. Раскрыты перспективы применения в целях шумопонижения операции деления-умножения мгновенной частоты сигнала без выделения модулирующих функций. Даны предпосылки ее использования, разработаны методики проведения исследования возможности применения операции деления мгновенной частоты для шумопонижения при передаче частотно-компрессированных сигналов в двух вариантах: следящее частотное шумопонижение и динамическая фильтрация.

Рецензенты:

Смирнов Н.В., д.ф.-м.н., доцент, профессор кафедры моделирования экономических систем прикладной математики процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета, г. Санкт-Петербург;

Стариченков А.Л., д.т.н., доцент института проблем транспорта им. Н.С. Соломенко Российской Академии Наук, г. Санкт-Петербург.

Библиографическая ссылка

Уваров В.К., Редько А.Ю. МОДУЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ-СИНТЕЗ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ШУМОПОНИЖЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 6-3. – С. 518-522;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38652 (дата обращения: 26.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Временные преобразования

Дилей (delay) и эхо (Echo)

Дилей (Delay ) - эффект, который добавляет к оригинальному сигналу его копии с временной задержкой (больше 0.5 сек), с определённой вами периодичностью повторений (обычно кратной темпу) и затуханием амплитуды.

Различают два вида этого эффекта:

• Простой дилей (Simple Delay ), использует одну линию задержки оригинального сигнала.
• Сложный дилей (Multi Delay ), использует более одной линии задержки оригинального сигнала.

Пример сложного дилея: повторение сигнала в правом канале с периодичностью n и повторение сигнала в левом канале с периодичностью 2n .

Дилей является хорошим инструментом для придания стерео-эффектного звучания композиции. Пользуясь дилеем имейте ввиду то что чрезмерное использование этого эффекта может сделать композицию неразборчивой и может получиться "каша".

В случае, если время задержки совпадает с темпом музыки, то глубина звучания возрастает, а эффект остается незаметным.
Большинство звукооператоров устанавливает время задержки в соответствии с темпом композиции. Дилэй подчиняют пульсу музыки и он добавляет пространства в звук. Кажется, что задержанное повторение сигнала исчезает, а звучание сглаживается.

Очень похожим на дилей является эффект эхо (Echo ). Если дилей просто добавляет к оригинальному сигналу его копии с определёнными значениями периодичности и затухания, - то в эхо копии сигнала подвергаются спектральному (частотному) изменению.

Вам ведь доводилось слышать эхо в жизни?

К примеру, вы что-то крикнули и услышали отражение своего крика через определённый промежуток времени.

Почему это произошло?

Звуковая волна распространяется в воздушной среде (и не только), встречая на своём пути препятствия. В зависимости от частоты звука – она может огибать это препятствие или же отражаться от него. Чем ниже частота (больше длина звуковой волны) – тем лучше она огибает препятствия. Звук отражается различным образом от различных препятствий, именно это и учитывается в эффекте «Эхо». Дилей же просто добавляет копии оригинального сигнала без изменения их частотных характеристик.

Реверберация (Reverberation)

Реверберация - также является эффектом задержки звука, но в отличие от эха оригинальный сигнал повторяется с гораздо меньшей периодичностью и затухает соответственно быстрее.

Если эхо в реальных условиях может встретиться в горах и на улице, - то реверберация - в закрытом помещении. Звуковая волна отражается от стенок помещения, после чего опять отражается от стенок помещения – и так до тех пор пока она не затихает. Реверберация очень хорошо различима в длинных туннелях, пещерах, церквях, в объёмных помещениях с плохой акустикой (под плохой акустикой также понимается полное отсутствие реверберации, что лишает звук своей естественности). Звук различается после прекращения резонирования его источника – это Вы слышите отражения звуковой волны от поверхностей помещения. В начале к Вам возвращаются ранние отражения – непосредственно от поверхностей помещения, потом с меньшей интенсивностью поступают отражения от отражений.

T= 0.164V/A , где V – объём помещения, А – звукопоглощение (зависит от материала и типа поверхностей, их площадей). В Интернете есть калькулятор реверберации помещения.

Короткая реверберация или короткие задержки придают звучанию объём.

Реверберация с затуханием меньше 1 с и задержки меньше 100 миллисекунд (обычно их делают много короче) создают акустическое пространство вокруг звука, особенно, если они идут по обоим стерео каналам.

Часто время затухания реверберации ставят как можно меньше, а для цифровых устройств это очень трудная задача. Может получиться металлическое звучание. Если такое случилось, можно исправить положение, увеличив время затухания, или попробовать другой пресет, который даст более мягкое звучание, либо взять другой ревербератор, который сможет работать с такими параметрами.

Реверберация звучит значительно лучше, если привязана к темпу записи.

Реверберацию настраивают под песню по удару рабочего барабана, а время затухания подбирают так, чтобы звучание закончилось перед следующим ударом. Задача - заставить реверберацию "дышать" вместе с музыкой.
Лучше всего - сначала сделать всё как можно больше при минимальном времени реверберации, потом потихоньку прибавлять время, пока реверберация не встроится в темп.

Предилэй ревербератора (пространство между затуханием ноты на дорожке-источнике и началом реверберации) может значительно изменить звучание ревербератора и обычно тоже рассчитывается по темпу музыки.

Основные регулируемые параметры, встречающиеся в современных цифровых ревербераторах, представлены ниже:

Balance (Dry / Wet) - регулирует соотношение прямого звука (Dry) и звука, обработанного эффектом (Wet).
Gate Reverb - тип специального «нелинейного» эффекта.
Density - плотность ранних (первичных) отражений, характеризует геометрию имитируемого помещения.
Diffusion - плотность структуры ранних отражений, характеризует расплывчатость реверберации, при низких значениях ощущается ее дискретность или подобие эха.
Early Reflection Level - уровень ранних отражений, соотносится с отражающими свойствами материалов помещения.
Er/Rev Balance - соотношение уровней ранних отражений и остатка реверберации.
Feedback Level - уровень обратной связи.
Hight Cut - наличие фильтра НЧ (эквалайзера). Делает тембр реверберации более мягким.
Hight Damp (LPF) - возможность демпфирования высокочастотных составляющих спектра реверберации (иногда раздельно регулируется уровень и частота). Основано на естественном эффекте более быстрого затухания высокочастотного спектра звука в процессе акустической реверберации. В некоторой степени имитирует свойства материалов отражающих поверхностей помещения.
Liveness - характер затухания сигналов ранних отражений, их огибающая.
Low Cut - наличие фильтра ВЧ (эквалайзера).
Low Damp (HPF) - возможность демпфирования низкочастотных составляющих реверберации (иногда раздельно регулируется уровень и частота).
Pre-Delay (Initial Delay) - интервал времени между приходом к слушателю прямого, необработанного сигнала, и моментом появления самого первого «отраженного» сигнала (фактически имитирует размеры помещения с учетом месторасположения слушателя).
Release Density - плотность отражений конечной фазы реверберации.
Reverb Delay - промежуток между ранними отражениями и остатком реверберации, который в одних процессорах отсчитывается относительно прямого сигнала, а в других - относительно ранних отражений.
Reverb Send Level (Depth,Volume) - уровень реверберации. Основной параметр, управляющий глубиной эффекта.
Reverb Time (Decay) - время реверберации.
Shape (Early Type) - форма нарастания ранних отражений.
Size (Room Size, Hall Size, Height, Width, Depth) - размеры (объем) имитируемого помещения, ширина (Width), глубина (Depth), высота (Height).
Wall Vary - характеризует геометрию (неровности) отража¬ющих поверхностей. Большие значения придают реверберации более рассеянный характер.

Вибрато (Vibrato)

Вибрато - периодические изменения высоты, громкости или тембра музыкального звука. В струнных инструментах вызывается колебаниями пальца, в духовых инструментах и у вокалистов - пульсацией воздушного давления.

Как правило, высота, громкость и тембр при исполнении на конкретном инструменте не изменяются одновременно - какая-то из этих характеристик является преобладающей, а остальные - побочным эффектом основной. Вибрато широко распространено в рок-музыке, особенно в гитарных партиях. На электрической гитаре вибрато может быть исполнено 2-мя способами: с помощью тремоло-машинки и с помощью подёргивания прижатого к струне пальца.

Изменение фазы (Phasing)

Фазовые преобразования выполняются либо путем постоянного сдвига фазы сигнала, либо путем наложения некоторой фазомодулирующей функции. Такие преобразования, например, стерео сигнала, позволяют реализовать эффект вращения или "объёмности" звука.

Фазер (Phaser) - устройство (аналоговое или программное) предназначенное для сдвига фазы подаваемой на него звуковой волны, путём задержки последней на незначительный временной промежуток (от 0.0001 мс до 20мс). В результате этого эффекта звук приобретает новый оттенок

Флэнжер (Flanging)

Флэнжер - это практически тоже самое что и хорус (происходит небольшая задержка сигнала), только с обратной связью (feedback), т. е. задержка еще раз посылается в себя. Следовательно флэнжер с выключенным фидбэком становится хорусом!

Инвертирование фазы (Phase Invert)

Фазоинвертор (от фаза и инвертор) - устройство, преобразующее входной сигнал в 2 сигнала, сдвинутых по фазе на 180°.

Хорус (англ. chorus) - звуковой эффект или соответствующее устройство. Имитирует хоровое звучание музыкальных инструментов. Эффект реализуется путем добавления к исходному сигналу его собственной копии или копий, сдвинутых по времени на величины порядка 20-30 миллисекунд, причем время сдвига непрерывно изменяется.

Частотные преобразования

Частотные преобразования могут проводиться над спектром сигнала или над частотой воспроизведения сигнала. На основе частотных преобразований спектра реализуются различные фильтры и эквалайзеры. Принцип действия их состоит в следующем. Входной сигнал раскладывается на частотные составляющие. Затем, в зависимости от производимых действий, какие-то составляющие могут быть полностью приглушены, а какие-то просто изменены по амплитуде. В результате на выходе получается сигнал с отфильтрованными частотами. Частотные преобразования применяются как для "технических нужд" (например, при очистке сигнала от ненужных постоянных шумов), так и для придания звучанию новой окраски. Как уже говорилось выше, разложение сигнала на частотные составляющие и их дальнейшая обратная свертка в сигнал - достаточно трудоемкая операция, поэтому частотные преобразования трудновыполнимы в режиме реального времени. Однако, мощность современных процессоров иногда позволяет производить такие действия.

Эквалайзер

Звук обладает как амплитудной, так и частотной характеристикой. Так, например, одни звуки располагаются в низкой частотной области (например бас и бас бочка), другие в высокой (наприер хеты и пищание комара).

С помощью эквалайзера можно подавить определённые частоты, тем самым подчеркнув другие.

Однако пользоваться эквализацией надо осторожно - потому что вырезав полосу ненужного инструмента, можно вырезать часть полосы нужного, тем самым ухудшив его качество звучания.

К тому же изменение частотной характеристики изменяет тембр, и например вокал не рекомендуется обрабатывать эквалайзером потому что наша слух. система слишком чувствительна к изменениям в этой области. Существует два типа эквалайзеров: параметрический и графический. Параметрический эквалайзер представляет из себя ряд бегунков, каждый из которых соответствует определённой частотной полосе. Передвигая вправо или влево мы усиливаем или ослабляем частоты в этой области (усиление частот - это плохо и если не ошибка, то не лучшее решение...). В графическом же эквалайзере частоты сигнала подавляются в зависимости от графика, который управляется с помощью мыши.

С помощью эквалайзера можно подправить частотную характеристику как отдельного инструмента, так и всей композиции, однако это также не лучшее решение, лучшее решение - изначально подобрать инструменты так, чтобы они не требовали последующей эквализации. Кроме того, непрофессиональные акустические системы обладают плохой АЧХ (Амплитудно-частотной характеристикой). Это значит то что одни частоты в них воспроизводятся громче положенного, другие - тише. Эту проблему можно решить выравниванием частот с помощью эквалайзера и приблизить АЧХ к "прямой" как на студийных мониторах, но подчеркну только приблизить. Выравнивание АЧХ рассмотрено позже.

Амплитудные преобразования (динамическая обработка звука)

Возьмите лист бумаги, сомните его в клубок - у него есть выступающие части. А теперь сожмите его ещё больше! Выступающих частей стало меньше, клубок стал более шарообразным! Со звуком во время компрессии происходит тоже самое - выступающие части обрезаются, в следствии чего уменьшается динамический диапазон (разница между самым большим и маленьким значением амплитуды). Вы можете задать вопрос: Какая разница между компрессией и понижением громкости? При понижении громкости клочок бумаги просто уменьшается в масштабе.

При компрессии же он увеличивается в той степени, в которой обрезаются его выступы. В следствии компрессии разница между самым громким и самым тихим звуком уменьшается, музыка звучит в целом громче. Что же теряется при достижении этой громкости? Широкий динамический диапазон - это когда нота имеет допустим 128 значений громкости. Узкий, когда она имеет допустим 12 значений громкости. Так, допустим в композиции из 1000 нот 20 имеют 128 значение громкости а 30 имеют 127-е значение громкости. При компрессии значение громкости 20 нот приравнивается к 127 и общая громкость повышается на один пункт. Компрессия позволяет добиться громкости звучания, кроме того она позволяет сделать звук более чётким (при правильных настройках компрессии). Так, например, когда происходит компрессия бас бочки важно начать компрессию не с самого начала а немного позже - чтобы бочка имела характерный "щелчок" в начале (это можно сделать используя параметры компрессии, о которых речь пойдёт позже). В какой степени компрессировать материал - зависит от его стиля и целях автора. Чем больше компрессии - тем меньше дышит музыка. Если Вы стремитесь к написанию коммерческой музыки - без компрессии Вам практически не обойтись.

Амплитудные преобразования выполняются над амплитудой сигнала. Такую процедуру можно проделать двумя способами: либо умножая амплитуду сигнала на некоторое фиксированное число, в результате чего получится одинаковое изменение интенсивности сигнала на всей его протяженности, то есть усиление или ослабление, либо изменяя амплитуду сигнала по какому-то закону, то есть умножая амплитуду сигнала на модулирующую функцию. Последний процесс называется амплитудной модуляцией.

Компрессия

Схематичное изображение работы компрессора

В компрессоре (Compressor) есть несколько основных параметров обработки звука:

Threshold - компрессор анализирует амплитуду (громкость) поступающего сигнала и начинает работать как только она достишает значения Threshold.

Ratio (коэффициент компрессии) - соотношение входного сигнала к выходному. Например, значение 4:1 означает, что при изменении входного сигнала на 4dB, на выходе мы получим разницу в 1dB.

Attack - задаёт промежуток времени, после истечения которого компрессор начинает работать (время отсчитывается после достижения значения Threshold).

Release - время спада (восстановления чувствительности эффекта).

Gain - При помощи этого параметра задаётся уровень сигнала на выходе компрессора. Значение задается в децибелах. Необходимо для восстановления того же уровня сигнала после обработки компрессором.

Вид сигнала до обработки компрессором

Вид сигнала после обработки компрессором

Лимитер (Лимитер, максимайзер ) отличается от компрессора тем, что он работает более грубо, срабатывает сразу же и обрезает всё что выше выставленного значения threshold:

Схематическое изображение работы лимитера

Пример работы лимитера

SideChaine

Также достаточно интересным является эффект SideChaine. Разница сайдчейна с компрессором заключается в том, что в сайдчейне параметр Threshold задаётся не громкостью входящего сигнала а наличием сигнала в другом канале. То есть, у нас есть, например, бас бочка и бас, с помощью этого эффекта можно их запрограммировать так, чтобы бас звучал когда нет сигнала в канале бас бочки. Также хочу заметить то что кроме амплитудного сандчейна существует частотный сандчейн. Благодаря использованию сандчейна можно добиться не только громкости - но и интересных эффектов!

Экспандер

Экспандер отличается от компрессора тем, что он начинает работать после того как сигнал станет не больше а меньше значения Theshold. Т.е. после того как уровень сигнала преодолевает этот уровень - под действием экспандера он становится ещё меньше (как долго - зависит от параметра Release). С помощью экспандера удобно вырезать из записи нежелательные шумы, однако это требует хорошей настройки параметров обработки а иногда и ручного управления. Лично я не встречал частотных экспандеров, а ведь это могло бы заметно улучшить качество его работы (экспандер продолжает работать до того как в оригинальном сигнале появляются определённые частоты).

Модуляция

Амплитудная модуляция - это вид модуляции, при которой изменяемым параметром является амплитуда. Т.е. звук дрожит с заданной периодичностью и амплитудой (в случае большого значения называется риппером).

Главными варьируемыми (настраиваемыми) параметрами являются:

Initial delay - начальная задержка входного сигнала.
Modulation freq (speed) - частота модуляции.
Delay modulation - глубина циклической модуляции.
Amplitude modulation - модуляции амплитуды сигнала.
Feedback - относительная величина обратной связи.

Distortion . Эффект дистошн (от англ. "distortion" - искажение) основывается на использовании амплитудной модуляции. Фактически это замена одних значений амплитуд сигнала другими значениями. За счет переусиления, когда происходит срезание верхушек входного сигнала, можно получить, например, классический вариант гитары heavy metal (то есть сигналу придается скрежетание или своеобразная "хрипота"). Применение такого эффекта приводит к довольно резкому искажению входного сигнала (в зависимости от глубины модуляции), в результате чего сигнал становится похож на прямоугольный, и как следствие происходит расширение спектра сигнала.

Параллельная компрессия

Параллельной компрессии (Parallel Compression, Upward Compression, New York Compression, иногда Side-Chain compression) приписываются многие чудеса. Это и прозрачность звука, и сохранение его первоначальной окраски, и нежное обращение с фронтами (transients) сигнала, и добавление такого «мяса» и «плотности» которое обычным способом (downward compression)
получить очень тяжело или даже невозможно.

Параллельная компрессия - это такой способ компрессирования сигнала при котором к необработанному (Dry) параллельно подмешивается компрессированный сигнал (Wet).

Другие преобразования

Вокодер (Vocoder)

Вокодер в первую очередь предназначен для работы с вокалом. Вам наверняка доводилось слышать голос "Робота" - это результат обработки вокала вокодером. Вокодер работает с двумя источниками:

• Голос, который нужно обработать.
• Источник синтезирующего звука - синтезатор, гитара, другой голос.

Наиболее распространённые типы вокодеров:

• Полосные вокодеры. Спектр делится на 5 - 20 каналов полосовыми фильтрами. Чем больше каналов - тем натуральней и разборчивей звучит результат.
• 
  Формантные вокодеры. Спектр речи описывается комбинацией формант. Основные параметры формант это:
  центральная частота, амплитуда, ширина спектра.
• 
  В ортогональных вокодерах огибающая мгновенного спектра раскладывается на составные части в
  ряд по выбранной системе ортогональных функций. Рассчитанные коэффициенты этого разложения передаются на приемную сторону.
• 
  Также существуют гармонические вокодеры, которые используют разложение в ряд Фурье.

Среди обывателей существует устойчивое мнение, что устройства обработки звука позволяют улучшить качество работы профессиональной системы звуковоспроизведения. Это правда… Однако, не стоит этот тезис экстраполировать на качество звука, который этой системой воспроизводится.

При применении любых устройств обработки звука, его качество, в принципе, может только ухудшаться. Дело в том, что они вовсе не решают проблему самого звука, а позволяют звукооператорам и звукорежиссерам нивелировать шероховатости исполнения вокалистов и музыкантов, устранить неточности в звучании музыкальных инструментов, скомпенсировать дефекты, вызванные неправильным выбором оборудования и мест его размещения, а также уменьшить влияние на воспроизведение акустических свойств помещений. Но если, например, вокалист хорошо владеет своим голосом и умеет пользоваться микрофоном, то компрессор ему ни к чему.

Изначально, процессы, связанные со специальным искажением воспроизводимого сигнала, использовались только в коммерческих звуковых системах, таких как системы телефонной, радио- или громкоговорящей связи. Сейчас они нашли широкое применение в музыке и используются для придания инструменту или голосу необычности либо ненатуральности звучания. Главным образом, это делается для того, чтобы удивить публику и усилить воздействие от прослушивания произведения.

С научной точки зрения, любое звукотехническое устройство – микрофон, усилитель мощности или акустические системы – это тоже устройства обработки звука. Во-первых, они не идеальны и изменяют амплитуду и фазу сигналов, во-вторых, эти изменения на разных частотах происходят по-разному, а в-третьих, нелинейные искажения в них приводят к появлению в них новых спектральных составляющих. Кстати, первым устройством обработки звука был динамик Leslie, который применялся вместе с электрическим органом Хаммонда в 30-40-е годы XX века и придавал ему «рычащее» звучание.

Параметры и классификация устройств обработки звука

Работа со звуком может осуществляться как в цифровом, так и в аналоговом виде, а то и вовсе без электроакустического преобразования. В связи с этим, необходимо определиться: а что подразумевается под устройством обработки звука?

Итак, мы будем рассматривать программно-аппаратные средства, работающие с электрическими сигналами звуковой частоты (как в аналоговой, так и в цифровой форме) в режиме реального времени. Прежде чем качественно оценить каждый из способов работы с ними, необходимо разобраться, как и с какой целью осуществляется обработка звуковых сигналов.

Все устройства обработки звука можно достаточно условно разделить на 3 группы:

• устройства, не вносящие в сигнал дополнительных составляющих (аудиопроцессорные блоки);
• устройства, вносящие в сигнал дополнительные составляющие (звуковые эффекты);
• устройства, синтезирующие новые сигналы на основе характеристик исходного сигнала (вокодеры).

Аудиопроцессорные блоки

К ним относятся блоки задержки , эквалайзеры , кроссоверы и компрессоры .

Необходимость в блоках задержки появилась в 40-х годах XX века, когда в кино стал использоваться стереозвук. Как известно, человек воспринимает звук как совокупность сигналов, поступающих к каждому из ушей. Анализируя задержку поступающей к каждому уху звуковой волны, наш мозг с легкостью определяет местоположение источника звука.

С помощью блока задержки, используемого, например, в одном из каналов, можно имитировать изменение местоположения источника звука относительно слушателя. Разумеется, что при формировании пространственных эффектов, слушатель охотно вовлекается в звуковую картину. Вообще, задержка звука – естественное природное явление, связанное с тем, что скорость распространения звуковой волны относительно невысокая. Наверняка всем знаком эффект эха, возникающий при отражении волны от препятствия и преодоления ею обратного пути. Отличие эффекта, реализованного с помощью блока задержки, заключается в том, что «отраженный» сигнал ничем не отличается от исходного. В реальных условиях спектр сигнала при отражении существенно изменяется, так как различные его составляющие по-разному отражаются от препятствий.

Рис. 1. Пример распространения звука в помещении

В настоящее время блоки задержки широко используются в составе аудиопроцессоров. Они служат для выравнивания звукового поля в больших и сложных помещениях, в конференц-залах, а также для создания звуковых эффектов, таких как Echo, Delay, Reverberation и др. Время задержки может регулироваться – от единиц микросекунд до десятков секунд. Аналоговые линии задержки довольно сложны и сейчас не используются. Принцип действия цифровых блоков заключается в записи двоичного представления сигнала в память и последующем воспроизведении этой информации, но с задержкой, которая программно регулируется и устанавливается.

Эквалайзеры (от англ. equalize - выравнивать) появились достаточно давно, и их история развития неразрывно связана с развитием электрических фильтров. Они предназначены для выравнивания амплитудно-частотных характеристик электрических сигналов. Фильтрующие свойства электрических цепей к 30-м годам XX века уже широко использовались для компенсации потерь в каналах передачи сигналов. Первым, кто внедрил эквалайзер в звукоусилительную систему, был Джон Волкман. Прибор EQ-251A использовался в кино для коррекции звука и имел всего два ползунка и переключатель выбора частоты для каждого из них. Уже тогда применение эквалайзеров было необходимо, учитывая низкое качество звукозаписывающей и звуковоспроизводящей техники. После Второй мировой войны были разработаны многополосные эквалайзеры, использующие фильтры с высокой добротностью. В настоящее время эти устройства широко используются как в бытовых, так и профессиональных системах. Простейший, всем известный эквалайзер – регулятор тембра, который включает 2 фильтра: НЧ и ВЧ.

Рис 2. Регулировка амплитудно-частотных характеристик при использовании регулятора тембра

Принцип действия эквалайзера заключается в раздельной регулировке уровней составляющих сигнала на различных частотах. Звуковой сигнал имеет богатый спектр, который с помощью полосовых фильтров разделяется на составляющие. Это дает возможность выделить определенные частоты, составляющие основу звучания музыкального инструмента, либо убрать высокочастотные составляющие, такие как звук касания пальцем струны, сделать тембровую окраску мягче или, наоборот, жестче.

Рис. 3. Функциональная схема эквалайзера

Рис. 4. Регулировка амплитудно-частотной характеристики полосового фильтра

Необходимо помнить, что эквалайзер никогда не добавит в звучание то, чего нет в исходном сигнале, а значит, он не решит проблемы самого сигнала. Поэтому профессионалы предпочитают такие устройства не использовать или используют их с очень большой осторожностью. Небрежное обращение с эквалайзером приводит к неестественности звучания. Например, удаление из сигнала, снимаемого с гитары, низких частот, может улучшить качество записи при сведении его с другими партиями (низкие частоты хоть и не присущи гитаре, но присутствуют в спектре ее сигнала и могут маскировать другие инструменты, влияя на их звучание). Однако, даже незначительное приглушение высокочастотных составляющих (от 1 до 5 кГц) в том же сигнале, приведет к потере четкости и яркости игры, исчезнут детали. Визуально это выражается в сглаживании сигнала, а на слух воспринимается как тусклость и излишняя тонкость звучания. Непрофессиональный подход к эквализации вокальной партии может вызвать не только потерю выразительности и энергичности голоса, но даже изменение букв и окончаний.

Рис. 5. Сглаживание сигнала при применении эквалайзера с настройками в соответствии с рисунком 6

Рис. 6. Пример настройки графического эквалайзера

Рис. 7. Принцип действия параметрического эквалайзера

Различают графические и параметрические эквалайзеры. Графические отличаются большей наглядностью, пользователь с помощью многочисленных ползунков (регуляторов), каждый из которых соответствует фиксированной частоте полосового фильтра, определяет уровень усиления или ослабления сигнала в узкой полосе частот. Центральные частоты фильтров в графических эквалайзерах обычно устанавливаются по октавам. Для выбора центральных частот, кстати, имеется стандарт ISO. При достаточно большом количестве полос на панели управления эквалайзера вполне отчетливо вырисовывается график его амлитудно-частотной характеристики. Поэтому такие эквалайзеры и называются графическими. Их недостаток заключается в том, что пользователь не имеет возможности самостоятельно настраивать полосовые фильтры, т.е. устанавливать их центральные частоты и добротность.

Параметрический эквалайзер позволяет регулировать параметры полосовых фильтров: центральную частоту, добротность (полоса пропускания) и собственно усиление (ослабление). Они просто незаменимы, когда надо вырезать узкий участок спектра сигнала, на котором, например, из-за акустической обратной связи, система звуковоспроизведения начинает возбуждаться. Каждый из нас наверняка слышал характерный свист из акустических систем при поднесении к ним микрофона. Параметрические эквалайзеры сложнее в настройке и несколько дороже. Количество полос в них, как правило, намного меньше, чем в графических.

В настоящее время используются графические и параметрические эквалайзеры, причем как цифровые, так аналоговые и гибридные. Эти устройства могут выполняться как в виде отдельных блоков, так и быть встраиваемыми в микшеры, предварительные усилители, программное обеспечение для работы со звуком.

Например, компания Inter-M широко применяет графические эквалайзеры в трансляционном и профессиональном звуковом оборудовании (IMX-416, PP-9213, PP-9214, PAM-510, PCT-620 и многих других), а также производит эквалайзеры в виде отдельных блоков EQ-2215 (графический, 2 канала, 15 полос), EQ-2131 (графический, 1 канал, 31 полоса), EQ-2231 (графический, 2 канала, 31 полоса) и MEQ-2000 (цифровой смешанного типа, 31 полоса + 8 полосовых фильтров).

Рис. 8. Двухканальный эквалайзер EQ-2215 Inter-M

Рис. 9. Эквалайзер смешанного типа MEQ-2000 Inter-M

Кроссовер предназначен для разделения сигнала на несколько спектральных составляющих. Устройство применяется для построения систем звукоусиления, раздельного по полосам частот. При этом для воспроизведения каждого выделенного кроссовером частотного диапазона (”сверхнизкие частоты”, "низкие частоты", "средние частоты", "высокие частоты") применяется отдельный канал усиления. Для построения систем большой мощности, применение принципа раздельного усиления по частотам является практически единственным решением, обеспечивающим высокое качество звука. История кроссоверов неразрывно связана с историей развития акустических систем. Когда стало очевидно, что с помощью одного электродинамического излучателя невозможно воспроизвести весь спектр звукового сигнала, появилась необходимость в фильтрах, разделяющих энергию между НЧ, СЧ и ВЧ излучателями. Первым кроссовером можно считать обычный пассивный разделительный фильтр.

Различают активные и пассивные кроссоверы. Пассивные отличаются тем, что в них все параметры разделения фиксированы и не могут изменяться пользователем. Активные кроссоверы выполняются или в виде отдельных блоков, или являются частью аудиопроцессорного модуля.

Рис. 10. Кроссовер DIV-9123 Inter-M

В линейке профессионального оборудования Inter-M кроссоверы представлены 19” блоком DIV-9123, который может работать в режиме «стерео» (разделение на 2 полосы в каждом канале + бас) и в режиме «моно» (разделение на 3 полосы + бас). К основным параметрам, регулируемым с помощью активного кроссовера относятся:

• частота разделения (частота среза фильтра) для каждой полосы;
• крутизна среза фильтров.

Рис. 11. Разделение полос при использовании кроссовера

Частота разделения для подключения сабвуфера обычно устанавливается в диапазоне от 60 до 250 Гц, а для разделения на средние и высокие – в диапазоне от 80 до 8000 Гц. Крутизна среза характеристик фильтров в зависимости от качества кроссовера составляет от 6 до 72 дБ на октаву. Типовое значение составляет 18-24 дБ на октаву, что соответствует третьему-четвертому порядку чувствительности. Например, DIV-9123 имеет крутизну среза не менее 24 дБ на октаву. Нередко кроссоверы оснащаются дополнительным отключаемым фильтром высоких частот с частотой среза 30 Гц, который позволяет защитить акустические системы от воздействия ультранизких частот.

Компрессор предназначен для сжатия (англ. compress) динамического диапазона сигнала. Иными словами, он уменьшает разницу между самыми громкими и самыми тихими звуками. В недавнем прошлом функции компрессора выполнял звукооператор, предугадывая изменения громкости, например, вокалиста и регулируя, соответствующим образом, громкость воспроизведения. История компрессоров началась во время Второй мировой войны. Тогда, из-за резких скачков уровня громкости в передаваемом сигнале, часто выходили из строя радиостанции. С тех пор компрессор используется практически во всех радиостанциях, в том числе и в широковещательных. Кроме того, устройство нашло применение в звуковых системах. Работа компрессоров помогает повысить разборчивость речи при работе с микрофонами, увеличить цифровое разрешение, а значит, и отношения сигнал/шум, придать «плотность» звучания голосу и инструментам. Результат обработки звука компрессором едва различим на слух. Но при правильной работе с ним тусклый звук можно сделать более острым и насыщенным, голос сделать более жестким, придать ему нехарактерные для исполнителя черты, а дешевые музыкальные инструменты выставить в более выгодном свете. Однако, из-за недостатка квалификации, звук можно непоправимо испортить.

Разновидностей компрессоров, как и других блоков обработки звука, великое множество – цифровые и аналоговые, аппаратные и программные, ручные и автоматические, оптико-электронные, ламповые, транзисторные и т.д.

Любой компрессор имеет 5 основных параметров:

В большинстве современных компрессоров предусмотрены дополнительные режимы, настройки и функции:

Компрессоры также могут быть частотно-зависимыми или многополосными. Многополосный компрессор, по сути, объединяет в себе кроссовер и многоканальный компрессор. Обработка сигнала осуществляется отдельно для различных частотных составляющих, что бывает полезно при сведении музыкальной композиции. Частотно-зависимый компрессор подвергает сигнал обработке только в заданном узком диапазоне частот. Частным случаем частотно-зависимого компрессора является de-esser.

В настоящее время в чистом виде компрессор не используется, он дополняется множеством перечисленных функций, связанных с динамической обработкой сигнала. Например, CN-9102 Inter-M, кроме функций 2-х канального компрессора, выполняет функции лимитера (limiter) и шумоподавителя (noise gate).

Рис. 15. Компрессор CN-9102 Inter-M

Лимитер является частным случаем компрессора с установленной степенью компрессии ∞:1.

Шумоподавитель используется для создания комфортных пауз между сигналами. Он также закрывает вход при падении уровня сигнала ниже порогового значения, которое устанавливается вручную или автоматически исходя из отношения сигнал/шум.

При установке слишком высокого порога noise gate threshold сигнал может существенно потерять информативность, что выражается в уменьшении продолжительности, обрывистости звучания.

Среди других устройств динамической обработки звука можно выделить повышающий компрессор и экспандер. Повышающий компрессор, в отличие от рассмотренного выше, усиливает сигнал при падении его уровня ниже установленного порогового уровня. Экспандер – это устройство, расширяющее динамический диапазон сигнала, то есть противоположное компрессору. Экспандер позволяет улучшить макродинамику произведения, придать живости некоторым инструментам, а также в ряде случаев, исправить перекомпрессию сигнала.

Звуковые эффекты

Устройства, реализующие звуковые эффекты, искажают исходный сигнал, привнося в него что-то новое. Прежде чем рассматривать такие устройства, стоит отметить, что оригинальность звучания музыкальных инструментов, появившихся в XX веке, достигалась не только за счёт мастерства, интересных находок со стороны исполнителей, а в большей степени за счет технических ухищрений. Звуковые эффекты подарили нам множество новых направлений в музыке, современная музыка, театр и кино сегодня без них просто немыслимы. С их помощью можно привнести интригу, изменить характер звучания до неузнаваемости, имитировать объем, движение и многое другое…

Поскольку звуковой сигнал можно характеризовать амплитудой, частотой, начальной фазой и временем его возникновения, то и звуковые эффекты можно разделить на процессы, искажающие амплитуду, частоту, фазу, время или несколько этих характеристик одновременно. Амплитудные преобразования реализуют такие эффекты как, например, distortion , over drive , fuzz , амплитудное vibrato и tremolo , panning , ADSR и др. К эффектам задержки относятся reverberation , delay , echo , flanger , chorus . К эффектам, искажающим фазу, например, относится phaser . Частотные преобразования реализует одна из разновидностей эффекта vibrato , а также эффект pitch .

Эффект delay , как уже упоминалось, связан с задержкой сигнала и последующего сложения его с исходным звуковым сигналом. Сам по себе delay используется редко, так как звук при этом получается неестественным. В основном данный эффект характеризуется временем задержки и соотношением амплитуд исходного сигнала и его копии. Если установить время задержки более 60-100 мс, то человеческое ухо будет воспринимать задержанную копию сигнала как отдельный сигнал, то есть, как эхо. Звуки перестанут сливаться, и покажутся отражениями от удаленных преград.

Эффект Echo характеризуется не только увеличенным до 100 мс и более временем задержки, но и изменением спектра сигнала. Это связано с тем, что в природе различные частотные составляющие звукового сигнала, отражаясь от преград, имеют различную степень затухания. Как известно, лучше всего отражаются низкочастотные составляющие.

Рис. 16. Спектр звукового сигнала при реверберации

Рис. 17. Акустическая комната для имитации реверберационных свойств помещений

Reverberation (англ. – повторение, отражение) в настоящее время относится к наиболее популярным звуковым эффектам. Реверберация – природное явление, и, как многие другие природные явления, широко используется человеком в его деятельности. Суть эффекта заключается в том, что исходный звуковой сигнал смешивается со своими копиями, задержанными относительно него на различные интервалы времени. Отличие от Delay состоит в том, что, во-первых, при реверберации количество копий сигнала значительно больше; во-вторых, с увеличением времени задержки сигнала, его амплитуда уменьшается; в-третьих, относительное время задержки нельзя установить большим.

Эффект Reverberation позволяет имитировать геометрию помещения, покрытие его стен, пола и потолка. С его помощью можно обеспечить иллюзию, превратив маленькую, заглушенную на сто процентов, комнату звукозаписи в огромный кафедральный собор или туннель. У слушателя возникает ощущение объемного гулкого помещения. Тембр музыкальных инструментов обогащается, голос приобретает напевность, а некоторые его недостатки удачно маскируются.

Для сравнения реверберационных свойств помещений было введен термин – время реверберации. Данное понятие можно сформулировать так: это время, за которое уровень воспроизводимого импульсного сигнала уменьшается на 60 дБ.

История устройств, реализующих эффект reverberation, началась с появлением эхо-камер. Позже использовались стальные листы, колебания в которых вызывались электромагнитным приводом. Реверберация получалась не трехмерная, а плоская, а сам сигнал имел характерный металлический призвук. В середине 60-х годов для получения эффекта реверберации стали применять пружинные ревербераторы (преимущественно в гитарных усилителях). С помощью электромагнитного преобразователя, соединенного с одним из концов пружины, возбуждались механические колебания, которые с задержкой достигали другого конца пружины, связанного с датчиком. Эффект повторения звука был обусловлен многократным отражением волн механических колебаний от концов пружины. Качество звука в пружинном ревербераторе было чрезвычайно низким. Пружина воспринимала любые колебания воздуха и пола. Кроме того, звук имел ярко выраженную "металлическую" окраску, а время реверберации не регулировалось. Позже на смену пружинным пришли магнитофонные ревербераторы. Механизм формирования эхо-сигнала в них был довольно прост: исходный сигнал записывался на ленту записывающей магнитной головкой, а затем считывался воспроизводящей магнитной головкой (через время, необходимое для перемещения ленты) и через цепь обратной связи вновь подавался на запись. В цепи обратной связи сигнал уменьшался по амплитуде, что обеспечивало постепенное затухание звука при реверберации. Недостаток магнитофонного ревербератора заключался в том, что при существовавших скоростях протяжки ленты удавалось получить только эффект эха. Для получения собственно реверберации требовалось либо еще сильнее сблизить магнитные головки (чего не позволяла сделать их конструкция), либо значительно увеличить скорость движения ленты.

С развитием цифровой техники и появлением интегральных микросхем появилась возможность реализовать высококачественные цифровые ревербераторы. В таких устройствах время задержки практически не ограничено, что позволяет на их основе реализовывать все эффекты, связанные с задержкой сигнала. В любом современном цифровом ревербераторе можно выбрать несколько программ, имитирующих как реальные, так и фантастические условия воспроизведения. Они реализуют различные математические модели, имеют различные настройки и параметры. Поэтому, чаще всего, производители создают ряд предустановок, позволяющих воссоздать объемные характеристики неких стандартных помещений. Это помогает звукооператорам быстро освоить новое устройство или программу.

Эффект Flanger можно услышать, например, на остановке общественного транспорта, слушая звук проезжающего мимо автомобиля. Всем известен эффект повышения тона гудка приближающегося поезда, который нам объясняли на уроках физики в школе (эффект Доплера). Естественно, это свойство можно использовать и в музыке. Механизм его реализации был совершенно случайно открыт в 1958 году звукорежиссером Филом Спектором. Он пытался «удвоить» голос, воспроизводя его на двух магнитофонах одновременно, и задел обод катушки с лентой. В результате получился эффект временной модуляции, который Фил назвал flanger (англ. – обод катушки).

Как уже говорилось, эффект delay имитирует неодновременное восприятие человеком звуковых сигналов. В реальности это вызвано различными путями распространения звука от источника к приемнику. При условии неподвижности относительно друг друга источника и приемника звука, а также предметов, от которых он отражается, частота колебания не изменяется, каким бы путем она не достигала наших ушей. Но в реальной жизни это условие редко выполнимо. Если какой-либо из трех элементов подвижен, то частота принимаемого звука не может оставаться той же, что и частота звука переданного. Это и есть проявление эффекта Доплера. Итак, реальные звуки при распространении претерпевают не только расщепление на несколько звуковых волн и различную для каждой из них задержку, но и неодинаковое изменение частот для разных спектральных составляющих. Flanger имитирует проявление взаимного перемещения трех упомянутых элементов: источника, приемника и отражателя звука. По сути, эффект представляет собой echo c изменяемым по определенному закону временем задержки. Поскольку время задержки при использовании flanger составляет 1 – 25 мс, то мы не воспринимаем исходный и задержанный сигнал раздельно.

Рис. 18. Функциональная схема блока реализующего эффект Flanger

В прошлом, чтобы получить эффект Flanger, вместо одной инженеры использовали несколько акустических систем, размещенных на различных расстояниях от слушателей. В определенные моменты производили поочередное подключение источника сигнала к акустическим системам таким образом, что создавалась иллюзия приближения или удаления источника звука.

Эффект Chorus (англ. – хор) превращает звучание одного инструмента или голоса в целый хор. Хоровое пение и одновременное звучание нескольких музыкальных инструментов украшает музыкальное произведение. В электронной музыке создание одинаковых сигналов не представляет сложности. Но, если их сложить вместе, то звучание будет слишком правильным, но безжизненным и тусклым. Дело в том, что хотя исполнители, при работе в оркестре, и стараются играть одинаково, но из-за индивидуальных особенностей источников, звук все равно получается разным. В пространстве, тракте звукоусиления и в слуховом аппарате человека, эти немного неодинаковые колебания взаимодействуют, образуя, так называемые, биения. За счет биений спектр звука обогащается. Считается, что предельным случаем chorus является унисон – одновременное звучание, слегка отличающихся по частоте, двух источников. Именно унисон лежит в основе звучания двенадцатиструнной гитары и аккордеона. В аккордеоне, например, звук каждой ноты генерируется узлом, которые содержат два язычка, специально настроенных с небольшой (в единицы герц) разницей в частотах. В двенадцатиструнной гитаре звук извлекается одновременно из пары струн, настроенных в октаву. Разница в частотах образуется естественным путем, из-за невозможности идеально одинаково настроить струны инструмента. Ничтожная разница в частотах голосов певцов или инструментов и служит причиной красивого звучания.

По сути, все алгоритмы реализации эффекта chorus сводятся к тому, что копии сигнала с небольшой задержкой складывается с исходным сигналом. Но, в отличие от механизма реализации эффекта echo, спектр каждой копии сигнала незначительно сдвигается по частоте, т.е. подвергается частотной модуляции. Частотные сдвиги и время задержки для каждой из копий сигнала могут изменяться во времени, что обеспечивает непрерывное изменение спектра. При этом период полного цикла этих изменений обычно настолько велик, что повторяемость свойств сигнала не ощущается. В настоящее время Chorus стал одним из эффектов, имеющихся практически в каждом синтезаторе и многих звуковых картах. Он имеет множество разновидностей. Необходимо отметить, что чрезмерное употребление данного эффекта может привести к ухудшению разборчивости звучания голоса и к "засорению" музыкального произведения.

Рис. 19. Принцип действия эффекта ADSR

К амплитудным преобразованиям, в принципе, относится такой процесс как усиление, при котором амплитуда сигнала увеличивается или уменьшается пропорционально некоторой постоянной величине. Если задаться целью, изменить коэффициент усиления или ослабления сигнала по определенному закону, то мы в итоге получим такие звуковые эффекты как, например, ADSR (A ttack, D ecay, S ustain, R elease). Данный эффект широко используется в синтезаторах и позволяет с помощью 4-х параметров описать функцию, по которой изменяется амплитуда воспроизводимого сигнала.

Это обеспечивает схожесть электронного музыкального инструмента с реальным, например, такого как синтезатор. Если орган звучит ровно, пока нажата клавиша, то звук, издаваемый гитарой, имеет максимальную громкость только в момент удара по струне, после чего он плавно затухает. Необходимо отметить, что ADSR является самым примитивным способом описания огибающей сигнала – современные синтезаторы гораздо сложнее. Эффект может применяться не только в отношении каждой ноты, но и в отношении некоторых участков музыкального произведения. В этом случае его принято называть Envelope . С помощью такого преобразования, сигнал, записанный с равномерной громкостью (интенсивностью) на всей его протяженности, можно сделать медленно нарастающим вначале и медленно спадающим в конце. В стереосистемах, изменением уровня громкости составляющих одного и того же сигнала в разных каналах, можно добиться эффекта перемещения источника звука по стереопанораме. Это реализуется с помощью таких эффектов, как Panning / Ping-pong .

Рис. 20. Амплитудная модуляция лежит в основе эффекта амплитудного Vibrato

Сущность амплитудного vibrato состоит в периодическом изменении уровня громкости звукового сигнала. Частота, с которой происходит изменение амплитуды, выбирается в диапазоне от долей герца до 10 Гц. При выходе за эти рамки необходимый эстетический эффект не достигается. По сравнению с тембром исходного сигнала, тембр сигнала с амплитудным вибрато богаче, и его широко используют, например, при пении. Степень проявления эффекта характеризуется глубиной вибрато: n = Sv/Si, где Sv – максимальное изменение амплитуды сигнала с вибрато, Si – амплитуда исходного сигнала. Глубина вибрато может устанавливаться от 0 до 1.

Особой разновидностью амплитудного вибрато является tremolo , отличительной чертой которого являются относительно высокая частота вибрации (10–12 Гц), глубина вибрато n = 1 и импульсная форма результирующего сигнала. Тремоло, например, является основным приемом игры на мандолине. Амплитудное vibrato и его частный случай tremolo используют достаточно редко, особенно для обработки вокала.

Такие эффекты, как Over drive , Distortion и Fuzz реализуются за счет нелинейных искажений, возникающих при перегрузке усилителя. Их история началась в середине прошлого века, когда тембру электрогитары стали уделять большее внимание. В конце пятидесятых годов, например, широко применяли пружинные ревербераторы, встроенные в комбо-усилители. Для большой громкости гитарные усилители нередко перегружались как по входу, так и по выходу.

При перегрузке по входу, то есть при подаче на вход усилителя сигнала слишком большого уровня, синусоидальная волна обрезается, и результирующей формой волны становится уже не синусоида, а квазитрапеция, имеющая иной характер звучания. Аккорды при этом звучат очень грязно, с хрипом и ревом, так как образующиеся в результате интермодуляции комбинационные частоты затрудняют интонационную разборчивость нот, составляющих аккорд. Отдельные мелодические ноты мало напоминают тембр гитары – но, удивительное дело, этот звук понравился и музыкантам, и публике.

Рис. 21. Нелинейные искажения при перегрузке усилителя по входу

Over Drive, Distortion и Fuzz реализуются с помощью лимитеров и отличаются только степенью вносимого искажения. Например, Over drive (англ. – перегрузка) используется для искажения только самых громких звуков. Когда гитарист начинает играть громче, сигнал попадает в область действия лимитера и верхушка сигнала обрезается. В результате, инструмент приобретает очень интересный характер, такой эффект украшает его звучание, как легкая хрипота украшает голос вокалиста. Distortion (англ. – искажение) и Fuzz искажают сигнал в значительно большей степени, приближая его форму к прямоугольной. Звук зачастую получается слишком грязный, поэтому используются дополнительные фильтры (эквалайзер) для сглаживания «острых углов» в звучании.

Эффект Phaser , как это следует из названия, реализуется за счет изменения мгновенного значения фазы сигнала. В принципе, этот эффект очень похож на Flanger и достигается таким же способом. Иногда его даже относят к группе звуковых эффектов задержки сигнала. Отличие заключается в том, что при времени задержки, сопоставимом с периодом колебания, что характерно для Phaser, принято говорить собственно не о временной задержке, а о фазовых сдвигах. И Flanger и Phaser имитируют проявления перемещения источника, приемника или отражателя звука. Чтобы понять их различия можно представить последствия применения этих эффектов. Образно говоря, если бы певец летел к слушателю в зале со скоростью поезда, то получился бы Flanger, а если бы слушатель часто-часто вертел головой из стороны в сторону, то получился бы Phaser. По своей сути Phaser – это эффект с применением фазового вибрато.

Кроме амплитудного и фазового существует частотное и тембровое vibrato. Суть частотного vibrato заключается в периодическом изменении частоты звукового колебания. Этот эффект использовался в музыке задолго до появления электронных музыкальных инструментов и реализовывался, кстати, более простыми способами. Например, скрипка в умелых руках потому и звучит так прекрасно, что едва заметными движениями пальцев вдоль грифа скрипач создает частотное вибрато. На электрогитаре этот эффект реализуется с помощью специального механизма: подвижной подставки для крепления струн и рычага. Реализация частотного вибрато в электронных инструментах и синтезаторах достаточно проста. В радиотехнике этот процесс называется частотной модуляцией. Если изменение частоты производится по периодическому закону, то в результате получается частотное вибрато. При этом спектр сигнала расширяется, тембр перестает быть постоянным и периодически изменяется во времени. Необходимо отметить, что эффект имеет эстетическую ценность только в том случае, если глубина частотного вибрато (относительное изменение частоты звука) невелика. В противном случае создается впечатление, что инструмент расстроен. Частотное вибрато используется само по себе, а также является составной частью в более сложных звуковых эффектах.

Рис. 22. Частотная модуляция лежит в основе эффекта частотного Vibrato

Сущность эффекта тембрового vibrato состоит в том, что исходный сигнал пропускается через полосовой фильтр, у которого периодически изменяется либо центральная частота, либо полоса пропускания, либо оба параметра вместе. При этом фильтр выделяет из всего спектра исходного сигнала только те частотные составляющие, которые попадают в "мгновенную" полосу его пропускания. Так как полоса пропускания "дышит" по ширине и "гуляет" по частоте, то тембр сигнала периодически изменяется. Тембровое вибрато может быть не только автоматическим, но и ручным. Вариант ручного тембрового вибрато известен под названием Wah-Wah. Тембровое вибрато звучит необычайно красиво, но для этого необходимо синхронизировать период изменения настроек полосового фильтра со скоростью игры.

Преобразования, связанные с перемещением спектра сигнала вверх или вниз по частоте, реализует такой эффект, как Pitch. При этом к исходному сигналу добавляется его копия, сдвинутая по частоте на определенное значение, обычно в пределах двух октав. Частным случаем Pitch является Octaver. При его использовании копия сигнала имеет частоту в два раза большую или меньшую частоты исходного сигнала. Иначе говоря, исходный сигнал и его копия составляют музыкальный интервал, именуемый октавой.

Звуковые эффекты в настоящее время реализуются как с помощью ПК, так и в виде отдельных программно-аппаратных комплексов. Они в огромном количестве присутствуют в каждом приложении для обработки звука, для сведения музыкальных композиций, таких как Cubase, Sound Forge, Vegas, Ableton и др. Из-за сложности алгоритмов реализации некоторые эффекты вызывают задержку сигнала, что затрудняет их использование в режиме реального времени. Процессорами звуковых эффектов оснащаются музыкальные центры, инструментальные усилители (особенно гитарные) и др. Среди производителей кроме именитых вендоров Ibanez, Marshall, Fender, Pioneer ежегодно появляется множество новых компаний. Каждый производитель реализует эффекты по своему, что несколько затрудняет их использование. С другой стороны любой специалист может подобрать устройство на свой вкус.

Вокодеры

Вокодер (англ. voice coder речевой кодер) был разработан для экономии частотных ресурсов в цифровой радиосвязи. При его использовании в канале связи транслируется не сам сигнал, а способ его синтеза. В результате удается очень существенно сжимать поток данных. Принцип его работы схож собственно с физическим принципом формирования речевого сигнала. Первым таким устройством был параметрический вокодер Дадли. При кодировании на каждом интервале времени (фрейм 20-30 мс) анализируется характеристика речи - "звонкая-глухая". В случае звонкой речи, определяется частота основного тона, а также параметры фильтра, образуемого голосовыми связками и ротовой полостью. Эти параметры вместе с общей оценкой громкости передаются в канале связи. Декодер по полученным параметрам восстанавливает речь – фильтры при воспроизведении гласных возбуждаются импульсами соответствующей величины, следующими с интервалами основного тона, а при воспроизведении глухих звуков – шумом. В результате спектр полученного звука похож на спектр исходной речи. Подобное кодирование обеспечивает высокую разборчивость речи и низкую скорость потока данных (до 2,4 кбит/с).

Естественно, о качестве вокодерной речи строго судить не следует. Резкие изменения спектральных параметров на границах интервалов, грубые переходы между глухими и звонкими звуками, неточная передача основного тона, а также неспособность воспроизводить частично приглушенные звуки и другие "свойства" значительно снизили возможности узнавания голоса и придавали речи неестественный характер. Чтобы повысить качество, низкочастотную часть спектра решили передавать обычным путем, без параметрического кодирования. Такие устройства назвали полувокодерами. Благодаря неискаженной передаче основного тона, достигалось более естественное звучание и качество речи.

Вокодер как многие другие способы обработки звука был заимствован из телефонии музыкантами и впоследствии стал полноценным устройством. Благодаря фирмам-изготовителям музыкального оборудования, ему придали форму и удобство музыкального эффекта. Вокодер как музыкальный эффект позволяет перенести свойства одного (модулирующего) сигнала на другой сигнал, который называют носителем. В качестве сигнала-модулятора используется голос человека, а в качестве носителя – сигнал, формируемый музыкальным синтезатором или другим музыкальным инструментом. Так достигается эффект «говорящего» или «поющего» инструмента. Помимо голоса модулирующий сигнал может быть и гитарой, клавишными, барабанами и вообще любым звуком. Здесь так же нет ограничений и для несущего сигнала. Экспериментируя с моделирующим и несущим сигналом можно получать совершенно разные эффекты – говорящая гитара, барабаны со звуком пианино, гитара звучащая как ксилофон и т.д.

Заключение

Научиться правильно использовать блоки обработки звука довольно сложно. Многие согласятся с тем, что, например, для художественной обработки звука, нужен, прежде всего, талант. Звукооператор и звукорежиссер – это профессия, а значит, работа со звуком – дело настоящих профессионалов. Поэтому мы не ставили перед собой цели – научить кого бы то ни было пользоваться перечисленными устройствами. Обработка звука – это творчество. Каждый мастер самостоятельно, основываясь на собственном опыте, решает поставленные задачи. Свой опыт всегда лучше. Поэтому, вместо того, чтобы давать советы по использованию оборудования, мы, прежде всего, решили познакомить читателя с физикой процессов, которые они реализуют, найти их природные естественные аналоги, перечислить их возможности. Это поможет начинающим звукооператорам заранее представлять – как изменится звук, если они повернут какую-либо ручку на устройстве обработки звука.

ВНИМАНИЕ! Данная статья подготовлена специалистами Группы компании «АРСТЕЛ» и является интеллектуальной собственностью «АРСТЕЛ». Любые публикации данной статьи, а равно ссылки на нее возможны только с разрешения правообладателя.

Б. Блессер, Дж. М. Кейтис

2.1. Введение

К задачам звуковой техники относятся запись, хранение, передача и воспроизведение сигналов, воспринимаемых людьми с помощью органов слуха. На практике чаще всего такими сигналами является обычная музыка, хотя к ним следует отнести также пение птиц, электронную музыку, театральные представления, гидроакустические сигналы и т. д. В отличие от задач цифровой обработки речевых сигналов, где основным требованием является разборчивость речи, при цифровой обработке звуков в большинстве случаев должны также учитываться какие-то критерии точности воспроизведения звуков. Подобные критерии неизбежно имеют субъективный характер, так как окончательное заключение о качестве звука составляется на основе восприятия сигналов слушателями. По этой причине в данной главе часто будет идти речь о человеческом восприятии, причем для специалистов по акустике одной из основных проблем является определение технических параметров звуковых сигналов, влияющих на восприятие этих звуков человеком. В силу широкой распространенности и важности устройств для воспроизведения музыки большая часть работ в области цифровых звуковых систем связана с музыкой. Далее в этой главе музыка, преобразованная в цифровой сигнал, будет рассматриваться как представитель широкого класса сигналов, называемых звуковыми сигналами.

С момента своего возникновения звуковая техника находилась на стыке различных отраслей науки и пользовалась достижениями Химии и физики, особенно таких областей, как электроника, магнетизм и акустика. Цифровая обработка сигналов, которая по своей сущности, видимо, более всего тяготеет к математике, является новейшей отраслью науки, вошедшей в «звуковое семейство». Многие специалисты полагают, что это приведет к скачку в качественных характеристиках звуковых систем. Хотя методы цифровой обработки сигналов только начинают применяться в области звуковой техники, уже сейчас видны связанные с этим

потенциальные возможности. К моменту написания книги данная область техники находилась на начальной стадии своего развития; многие из наиболее сложных методов цифровой обработки пока еще не нашли применения в звуковых системах. Можно не сомневаться, что в ближайшем будущем это положение изменится.

Необходимость цифровой обработки звуковых сигналов с первого взгляда не очевидна. Поэтому следует проанализировать хотя бы часть тех трудностей, с которыми связано появление музыки в квартире слушателя. Цепочка технических устройств при прохождении звука от микрофона до акустической колонки оказывается очень длинной. В нее может быть включено до 100 самостоятельных систем, каждая из которых выполняет свою полезную функцию, но вносит при этом искажения. Довольно часто каждый инструмент ансамбля записывается на отдельную дорожку многоканального магнитофона, причем число этих каналов может доходить до 24. Такой процесс дает звукооператору большие возможности: можно, например, при необходимости заново записать партию какого-либо инструмента. Это также помогает исполнителю избавиться от фонового акустического шума. Однако при такой записи звучание становится несколько неестественным и отличается от того, которое слышится при исполнении в концертном зале, поскольку в записи отсутствует реверберация и могут появиться заметные спектральные искажения, зависящие от положения микрофона. Подобные недостатки часто можно устранить путем коррекции сигналов при их смешивании (микшировании). Микшерный пульт дает возможность звукооператору по-разному обрабатывать каждую дорожку первичной записи. К числу наиболее распространенных методов обработки звуковых сигналов относятся введение искусственной реверберации и других специальных эффектов, выравнивание спектров, сжатие динамического диапазона, подавление шумов, ограничение. По своей сложности этот процесс и выполняющие его устройства приближаются к функциям и аппаратуре Центра управления космическими полетами (NASA).

После того как высококвалифицированный звукооператор объединит обработанные первичные сигналы во вторичную стереофоническую или квадрафоническую запись, ее подвергают дополнительной обработке с тем, чтобы сформировать сигнал, пригодный для записи на грампластинку или магнитную ленту. Полученная рабочая лента используется для управления резцом точного рекордера или магнитокопирователем. В последнее время в рекордерах также появились свои собственные сложные системы обработки сигналов, предназначенные для динамического управления резцом и создающие компенсацию и предыскажения в рамках нелинейной обработки, применяемой как при изготовлении, так и при воспроизведении записей. Более того, первичная копия, полученная в рекордере, является лишь результатом первого этапа сложного процесса, в результате которого получается запись,

проигрываемая дома или на студии. Столь же длинный путь звук проходит и на радиовещании. Акустическая система в доме слушателя и громкоговорители образуют важное последнее звено звуковоспроизводящей цепи. Таким образом, процесс звуковоспроизведения можно представить в виде трех основных этапов:

1. Создание и запись первоначальных сигналов.

2. Хранение и передача этих сигналов.

3. Воспроизведение сигналов в форме акустических волн.

Может показаться, что некоторые сложные элементы процесса звуковоспроизведения являются необязательными, однако оказывается, что каждый этап процесса важен, причем часто как средство исправления технических погрешностей, вносимых на другом этапе процесса. Например, сжатие сигнала на этапе первоначальной записи необходимо потому, что запоминающие устройства хранения имеют ограниченный динамический диапазон.

Многие разработки в области цифровой звукотехники имеют целью замену слабых элементов цепи звукозаписи или звукопередачи. Примерами могут служить цифровые магнитофоны и цифровые системы передачи звуковых сигналов. Несложные по идее, эти системы оказываются сложными в реализации. Одйайо их создание привело к резкому улучшению качества воспроизведения звуков. Управление микшерным пультом также было переведено, на цифровую технику, чтобы освободить звукооператора от трудной обязанности фактического регулирования сотен параметров в реальном масштабе времени. На смену механическим реверберационным устройствам пришли цифровые электронный ревербераторы. Созданы синтезаторы, позволяющие из пары стереофонических сигналов в домашних условиях создавать определенные акустические поля, характерные для больших залов.

В лабораториях нашли применение более совершенные методы для восстановления старых звукозаписей. В настоящее время имеются восстановленные записи выступлений Карузо, сделанных в начале века, причем после исправлений записи крайне низкого качества стали звучать гораздо лучше. Цифровая обработка применяется также в исследованиях, направленных на усовершенствование электроакустических преобразователей. В звуковоспроизводящей цепи громкоговоритель является одним из самых слабых и наименее исследованных звеньев. Он влияет на амплитудные, фазовые и пространственные характеристики получаемого звукового сигнала, а также обусловливает различного вида искажения сигналов. Цифровая обработка сигналов применяется для экспериментального определения физических характеристик акустических преобразователей, а также для оценки влияния этих характеристик на восприятие звука.

Во всех подобных системах имеются общие блоки -аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ЦАП). Висилу своего фундаментального характера вопрос об этих

преобразователях будет рассмотрен здесь самостоятельно. Любые искажения, вносимые на данном этапе обработки сигнала, могут существенно обесценить достоинства цифровой обработки. Характеристики преобразователей необходимо согласовывать с особенностями восприятия звуковых сигналов по ряду причин.

1, Чрезмерно большая разрядность при квантовании отсчетов в АЦП достигается за счет больших экономических затрат, а из-за большой скорости поступления информации на последующих этапах может потребоваться слишком большое быстродействие.

2. Искажения, определяемые приборами, не всегда замечаются на слух.

Вопрос усложняется также конструктивными проблемами, которые могут существенно повлиять на качество работы системы. Поэтому существуют различные способы преобразования и выбор определяется назначением всей системы.

Инженер должен знать соотношение между физическими и электрическими характеристиками системы и кажущимся качеством звука. Классическое определение отношения сигнал/шум, например» основано на вычислении отношения максимальной мощности сигнала к мощности шума, измеренной в отсутствие сигнала. Однако восприятие шума зависит от степени его спектрального сходства или различия с сигналом, от вида распределения вероятностей и характера изменения шума во времени. Так, два различных шумовых процесса, отличающиеся по мощности на 20 дБ, могут создавать помехи, на слух воспринимаемые как одинаковые.

Подобные примеры указывают, что теория звуковых систем в большей мере должна опираться на психоакустические исследования, чем на теорию систем. Теория систем рассматривает пути решения задачи, а психоакустика в данном случае описывает характер желаемого результата. Так, в вышеупомянутом примере цель состоит в том, чтобы сделать шум неслышным, хотя полностью подавлять его не обязательно. Экономические последствия неправильного выбора конечной цели могут оказаться очень печальными. Как правило, шумы 16-разрядного АЦП не воспринимаются ухом и не замечаются приборами, однако стоит этот преобразователь раз в 100 больше, чем 12-разрядный АЦП. Поэтому звуковая техника должна строиться с учетом особенностей и аппаратуры, и слуховой системы человека с тем, чтобы в итоге оптимизировать субъективные оценки качества звуковоспроизведения.

Предназначенное для обработки звука, которые можно разделить на четыре основные группы:Приборы динамической обработки , Частотной обработки, Модуляционной обработки, и Приборы пространственной и временной обработки. Приборы для динамической обработки звука : Компрессор , Лимитер , Экспандер , и Гейт . Компрессор - Прибор, сжимающий динамический диапазон сигнала. Компрессор ослабляет громкость звука, в случаи, если сигнал превысил определенный, заранее установленный уровень. Лимитер - Устройство, не позволяющее сигналу превысить установленный уровень громкости, может быть реализовано с помощью компрессора. Экспандер - Прибор, работа которого противоположна работе компрессора.Экспандер расширяет динамический диапазон сигнала. Гейт - устройство способное обрезать сигнал ниже установленного порога. Применяется для устранения шумов в паузах между полезными сигналами.Гейт ,способен обрезать «хвост» сигнала, что сделает звучание более четким. Приборы частотной обработки сигнала :Графический эквалайзер ,Параметрический эквалайзер . Графический эквалайзер - прибор, с заданными производителем наборами частот, на каждой из которых, можно усиливать или ослаблять сигнал. Параметрический эквалайзер - самый распространенный прибор частотной обработки звука, позволяющий выбрать полосу частот, и в этом частотном диапазоне, ослаблять или усиливать сигнал. Приборы модуляционной обработки сигнала : Х орус ,Фленджер . Хорус - достаточно распространенный прибор модуляционной обработки, принцип которого базируется на плавающей временной задержки сигнала, Хорус создает эффект звучания нескольких инструментов, когда звучит только один. Фленджер - устройство, работающее на подобии Хоруса , но с небольшой разницей, которая заключается в применении обратной связи, и появлении дополнительных резонансных частот. Приборы временной обработки звука :Дилэй ,ревербератор . Дилэй - устройство с эффектом эхо, с возможностью регулировки временной задержки. Ревербератор - часто используемый прибор, суть которого заключается в ослаблении сигнала при многоразовом отражении этого сигнала от препятствий, с достижением эффекта объемного звучания. Эффекты гор, большого концертного зала, эффект звучания под водой и т.д.

Фото:

Купить Приборы обработки звука можно в компанииProfessional Light and Sound .

: (Великобритания), (Дания),

BOWERS & WILKINS (Великобритания), (Германия), (Дания),

(Германия), (США), (Германия), (США),

MERIDIA N AUDIO (Великобритания), MONITO R AUIO (Великобритания),

(Великобритания).

Также на нашем сайте вы можете посмотреть и другую информацию, которая может вас заинтересовать, а наши специалисты в свою очередь, окажут вам любую техническую поддержку: , , , , , ,,