Выбор микрофона

Для начала необходимо заметить, что не существует абсолютно универсальных микрофонов. Микрофон, идеальный для одного исполнителя, может совершенно не подойти другому. При выборе микрофона рекомендуется учитывать особенности источника звука. Характерное звучание микрофона и источника должны контрастировать между собой. Если тембр диктора отличается теплотой, то он, вероятно, выиграет от использование микрофона с детальным чётким звуком. Единственное, что можно посоветовать в этой ситуации – полагайтесь на свой слух и вкус. Однако есть общие принципы (основанные на физических явлениях), которые необходимо соблюдать при подборе микрофона для источника звука:

Не используйте ленточный микрофон для озвучивания мощных перкуссионных инструментов (например, басового барабана), в противном случае вы рискуете его испортить.

Микрофоны со встроенной ветрозащитой (наподобие плетеного мячика) обычно предназначены для вокала и речи.

Инструментальные микрофоны с плоской головкой вряд ли подойдут для озвучивания вокала (из-за шумов при трении ладоней о корпус и т.п.).

Емкостные микрофоны лучше отрабатывают высокие частоты и импульсные сигналы, но им не хватает мягкости звучания, подойдут для дикторов радиостанций.

Выбирайте микрофон, который более всего устраивает вас по тембру воспроизводимого звука без эквализации.

Используйте однотипные микрофоны для озвучивания всей группы, что позволит проводить глобальную эквализацию общего выхода системы в целях борьбы с самовозбуждением. В этом случае можно применить один графический эквалайзер, а не крутить ручки на каждом канале.

Изменение дистанции между источником звука и микрофоном может сильно отразиться на звуке.

Конечно, хорошо иметь несколько микрофонов для использование их в различных, ситуациях, но это, мягко говоря, не всегда возможно по финансовым соображениям, так что приходится выбирать универсальное оборудование, наиболее полно удовлетворяющее вашим представлениям о том, каким должен быть звук.

Существует тенденция рассматривать радио, как передача информации, с соответствующей громкостью, но если подойти к проблеме с позиции создания выразительной картины, то необходимо стремиться к большему, нежели просто громкий звук.

При «прямом эфире» нет места эксперименту, так что займитесь этим на репетициях.

Некоторые сведения о природе звука. 1

Природа звука. Частота, длина, амплитуда,

фаза звуковой волны. 1.1.

Звук – это волна.

Любой предмет, совершающий возвратно – поступательные движения, вызывает в воздухе попеременное уменьшение или увеличение плотности. Движения одних молекул воздуха передаются другим молекулам, в результате чего в пространстве распространяются периодически повторяющиеся зоны увеличения и уменьшения плотности. Они и представляют из себя звуковую волну. (Рис. 1.1 1.2к1) Именно эти колебания и воспринимает наше ухо и мы слышим звук.

Количество колебаний воздуха в секунду называется звуковой частотой. Частота измеряется в Герцах (Гц): 1 Гц = 1 колебание в секунду;

или килогерцах (кГц):1 кГц = 1000 Гц.

Но не все колебания воздуха мы слышим.

Воспринимаемые нашим ухом звуковые волны лежит в диапазоне 20 Гц (нижняя граничная частота) до 20000 Гц (20 кГц) (верхняя граничная частота). Именно этот диапазон волн называется звуковым диапазоном. Большинство людей от 18 до 25 лет реально способны слышать в этом диапазоне частот

(с возрастом верхняя граница восприятия уменьшается). Колебания с частотой менее 20 Гц называются инфразвуковыми, а колебания с частотами боле 20000 Гц -- ультразвуковыми. Эти частоты наш слух не воспринимает. Это не значит, что эти частоты нам не нужны, они оказывают определённое влияние на эмоциональное состояние слушателя.

Частота звуковых колебаний определяет высоту (тон) звука.

Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты: волны

с малой частотой воспринимаются как низкие, басовые звуки (барабан бочка, контрабас), а волны с большой частотой - как высокие (тарелки, колокольчики).

Частота волны обратно пропорциональна длине волны – отрезку на оси распространения волны, в котором умещается полный цикл изменения плотности воздуха. Длина волны – это наименьшее расстояние между точками с одинаковыми фазами колебаний.

(рис 1.2 1.3к1)

L – длина волны, (м)

С – скорость звука (340 м /сек)

f – частота звуковых колебаний (Гц)

Т – период

U - амплитуда

T=1/f; L= C/f.

Синусоидальная звуковая волна за один период колебания (Т) проходит путь,

равный длине волны. А так как период колебания и частота – величины взаимно обратные (Т = 1/f), длина волны определяется частотой звукового сигнала и вычисляется по формуле L = C/f. Например, волна, имеющая частоту f = 100 Гц имеет длину волны L = 340/100 = 3.4 м, а при f = 10 000Гц имеет длину волны

L = 340/10000 = 0,034м или 3,4 см. Чем больше частота звука, тем меньше длина волны и наоборот.

Амплитудой звуковой волы (U) называется половина разницы между самым высоким и самым низким значением плотности.

Поговорим более подробно о высоте звука. Наши уши устроены таким образом, что когда мы слышим два звука, частота которых относятся как 2:1,

то нам кажется, что эти звуки близкие друг к другу и при одновременном воспроизведении они для нас как бы сливаются. Именно на этом эффекте основана музыкальная шкала высоты звуков, у которой одна и та же нота повторяется каждую октаву. В натуральном звукоряде частоты одинаковых нот соседних октав соотносятся между собой как 2:1. С помощью нехитрой математической операции теперь можно вычислить частоту любой ноты. Зная, что нота Ля первой октавы имеет частоту 440 Гц.

Но помимо высоты звука, мы способны достаточно точно определять положение звукового источника в пространстве. Все объясняется достаточно просто: уши отнесены на некоторое расстояние друг от друга. Звук в каждое ухо поступает не в одно и то же время, а в разное. По задержке попадания одной и той же звуковой волны на барабанные перепонки мы определяем пространственное положения источника звука. Для описания относительных временных свойств двух звуковых волн вводится понятие фазы звуковой волны. На первом графике (рис. 1.3 1.3к1) показаны две волны, которые полностью совпадают друг с другом. В этом случае волны находятся в фазе.

На втором графике волны сдвинуты – называют сдвиг по фазе. На третьем графике в том месте, где у одной волны находится область высокой плотности, у другой – область низкой плотности. В этом случае волны находятся в противофазе. Если одинаковые волны находятся в противофазе, то они взаимно уничтожаются (в природе это бывает крайне редко, чаще противофазные волны при наложении сильно искажают звук). Из вышесказанного становиться понятно, что наш слух при определении пространственного положения источника звука реагирует именно на фазу волны. А по изменению фаз мы судим о перемещении источника звука в пространстве.

Уровень и громкость звука. 1.2.

Звуковая волна создает звуковое давление на встречающиеся на ее пути предметы в том числе и наши барабанные перепонки. Человек субъективно воспринимает изменение давления звуковых волн в виде ощущения изменения громкости звука. Максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением. Звуковое давление (обозначается символом Р) измеряется в Паскалях (Па).

В акустике оценка интенсивности звуковых волн применяется другое понятие –

сила звука (обозначается символом I). Сила звука это поток звуковой энергии, который каждую секунду проходит через квадратный метр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Звуковое давление и сила звука находятся в квадратичной зависимости, то есть, сила звука = звуковое давление в квадрате. Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт / кв.м).

I = P

На рисунке (рис. 1.3 3к2) приведены значения силы звука и звукового давления,

при которых ухо человека их слышит. Звуковые сигналы с различными частотами становятся едва слышными порог слышимости – сплошная линия расположенная в нижней части рисунка; болевой порог – штриховая линия расположенная в верней части рисунка; светло-серым цветом обозначена область музыкальных звуков; темно-серым обозначена область речевых звуков. Колебания воздуха, ограниченны частотным диапазоном, областью порога слышимости и болевым порогом, находящиеся за пределами нашего рисунка мы не слышим. Для того, чтобы мы смогли услышать тот или иной звук, его сила должна быть больше определенного уровня. Этот уровень называется порогом слышимости. На частоте 1000 Гц (1 кГц) пороговая сила звука составляет около 10 в -12 степени Вт/кв.м, что соответствует звуковому давлению 2х10 в-5 степени Па. То есть, если звуковая волна имеет малую интенсивность - ниже этого порога, мы просто не воспринимаем её, и нам кажется, что вокруг стоит полная тишина, хотя на самом деле воздух вокруг колеблется. Точно такое же дело обстоит и со звуками большой интенсивности – мы слышим звук только до определенного уровня, который называется болевым порогом. Если сила звука больше этого уровня мы испытываем боль в ушах. Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамический диапазон слуха. Сила звука болевого порога превосходит силу звука порога слышимости в тысячи раз!

Громкостью называют субъективное ощущение звука, возникающее у слушателя под воздействием звуковых колебаний. Громкость не может быть определена только величиной силы звука, так как она зависит и от частотного состава звукового сигнала, от условий его восприятия и длительности воздействия. В акустике для количественной оценки громкости используют метод субъективного сравнения измерения звука с эталонным, в качестве которого применяется синусоидальный тон с частотой 1000 Гц (1 кГц). В процессе сравнения уровень эталонного тона изменяют до тех пор, пока эталонный и измеряемый звуки станут казаться равногромкими. Итак, за уровень громкости принимают величину, численно равную уровню эталонного тона частоты 1000 Гц (1 кГц), равногромкого

с данным звуком. Уровень громкости выражается в фонах. Единицы измерения уровня громкости (фоны) численно совпадают с уровнем звука, выраженным в децибелах, на частоте эталонного тона 1000 Гц (1 кГц).

Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что линейное изменение силы звука (звукового давления) не воспринимается человеком как линейное изменение громкости. Громкость звука и его сила связаны между собой более хитрой зависимостью. Увеличение громкости в два раза соответствует увеличению силы звука в 100 раз (звукового давления в 10 раз), увеличение громкости в три раза соответствует увеличению силы звука уже в 10 000 раз(звукового давления в 100 раз),, а увеличение громкости в четыре раза соответствует увеличению силы звука в 10 000 000 раз(звукового давления в 10 000 раз). Такая зависимость называется логарифмической. Поэтому в силу не линейности восприятия ухом человека силы звука было принято измерять

громкость в логарифмических единицах - Белах (Б).

Громкость звука обозначим N,

Iверх. и Iниж. - верхняя и нижняя границы силы звука.

N = lg Iверх. / Iниж.

lg – это десятичный логарифм, и он показывает степень, в которую возводится

lg

число 10; то есть если 10 = 100, то lg = 2, иначе lg100 = 2.

Десятикратное увеличение силы звука соответствует 1 Белу (lg10 = 1), а стократное увеличение соответствует 2 Белам (lg100 = 2) и т. д. Логарифмическая шкала позволяет достаточно сильно «сжимать» линейную шкалу, сохраняя при этом достоверность, и именно такая шкала полностью соответствует особенностям нашего слуха.

Изменение уровня звука в один Бел одинаково отражает и изменение силы звука, и изменение звукового давления. Если подставить в вышеприведенную формулу соответствующие значения звукового давления (помня, что сила

звука равна звуковое давление в квадрате I=P), то получим те же самые

значения изменения уровня в Белах:

N = lg I верх. / I ниж. = (lg Pверх. / Pниж.) = 2 lg P верх. / P ниж.

P верх. и Р ниж. – верхняя и нижняя границы звукового давления.

Проверяем. Изменение звукового давления в 100 раз соответствует изменению силы

звука в 10 000 раз (I = P). Подставляя эти значения в вышеприведенную формулу, получаем следующие величины:

lg 10 000 = 4 Бела (изменения силы звука);

2lg 100 = 2х2 = 4 Бела (изменения звукового давления).

Как видите мы получили одинаковые изменения уровня звука в Белах.

На практике оказывается, что Бел – это слишком большая величина для изменения уровня. Поэтому взяли одну десятую часть Бела.

Изменение уровня в децибелах вычисляется по формуле:

N = 10 lg I верх. / I ниж.; N = 20 lg P верх. / P ниж.

Пример:

Пусть N=Iверх./Iниж.=100 (Iверх.>Iниж. – усиление), тогда N=10 lg100=10x2=20дБ;

Пусть теперь N=Iверх./Iниж.=1/100 (Iверх.< Iниж.—ослабление), тогда

N=10 lg0,01=10x(-2)=-20 дБ.

Из этих примеров видно, что рост уровня выражается в децибелах положительным числом, а уменьшение – отрицательным.

Минимальный перепад уровня, который способно воспринять наше ухо как раз равен одному децибелу. Эта одна из главных причин введения такой системы измерения уровня.

Весь динамический диапазон составляет 120 дБ.

Децибел – это логарифмическая единица измерения уровня звука, показывающая минимально слышимое изменение громкости.

Динамический диапазон нашего слуха (разница между самым тихим и самым громким воспринимаемым звуками) составляет 120 дб. (Хороший динамический диапазон при записи звука считается 60 дБ. Специальный прибор компрессор сжимает динамический диапазон.)

Приведу примеры уровня звука в дБ.

Порог слышимости 0 дБ

Шепот на расстоянии 1 м 20 дБ

Шепот на расстоянии 10 см 50 дБ

Аплодисменты 60 дБ

Тихая игра на фортепиано 70 дБ

Шум в метро во время движения 90 дБ

Реактивный самолет на расстоянии 5 м 120 дБ

Взрыв гранаты (выше болевого порога) 140 дБ

Только когда вы начнете записывать свой собственный материал, глядя на индикаторы уровней, все до единого показывающие уровень в децибелах, вы сможете почувствовать суть логарифмической шкалы.

Заглянем немного вперед. В звукотехнике очень много величин измеряется в децибелах т. к. это удобно, потому, что децибелы можно складывать и вычитать

Вместо того, чтобы производить достаточно сложные математические расчеты.

Децибел определяется через логарифм отношения измеряемой величины к величине, принятой за точку отсчета.

Уровень напряжения в децибелах.

За нулевой уровень принимается напряжение (Uo), равное 0,775 В - это напряжение, которое нужно подать на нагрузку 600 Ом и получить мощность 1 милливатт.

dB = 20 lg V / Vref = 20 lg U / Uo.

Уровень входного сигнала в вольтах в дефибелах

0,775 В 0 дБ

1,55 В + 6 дБ

7,75 В + 20 дБ

Микрофонный уровень 2,45 мВ - 50 дБ

Уровень мощности в децибелах.

dB = 10 lg W / W ref, где W ref = 1 m W на 600 Om

Теперь вернемся к громкости звука – наше ощущение громкости во многом зависит от частоты звука. Высокие и низкие звуки, имеющие одинаковый уровень, субъективно воспринимаются нами как звуки разной громкости. Значение уровня звука и субъективно слышимой громкости совпадают только на частоте 1000 Гц. За уровень громкости принимают величину, численно равную уровню эталонного тона частоты 1000 Гц, равногромкого с данным звуком.

Уровень громкости выражается в фонах. Единицы измерения уровня громкости (фоны) численно совпадают с уровнем звука, выраженным в децибелах, на частоте эталонного тона 1000 Гц. Чувствительность слуха зависит от частоты звукового сигнала. Порог слышимости, изображенный графически, представляет собой кривую, опускающуюся ниже всего в области частот 3000 – 4000 Гц и поднимающуюся к краям звукового диапазона. Из этого видно, что для равногромкого ощущения интенсивность высоких и низких частот должна быть выше, чем средних.

На основании исследований человеческого слуха были построены графики, которые известны каждому звукорежиссеру как кривые соответствия уровня. Эти линии являются кривыми равной громкости или кривые Робинсона – Дэдсона (Robinson – Dadson curves), которые были развитием более ранних работ Флетчера и Мунсона (Fletcher, Munson) Рис 1.4. На графиках изображены линии (линии расположены через 10 дБ на частоте 1000 Гц (1 кГц). Легко можно, видеть, что мы гораздо лучше слышим на средних частотах, а на низких и высоких – чувствительность слуха притупляется. Хорошо видно, как на разных частотах изменяется уровень звукового давления (SPL), требуемый для создания ощущения одинаковой громкости. На кривой соответствующей 100 фонам(phon) на частотах в 100 Гц и 10 000 Гц (10 кГц) уровень звукового давления примерно на 4 дБ выше, чем для 1000 Гц (1 кГц); только при этом условии все три частоты воспринимаются одинаково громко.

Однако на кривой в 40 фон (phon) для субъективно равного восприятия уровень звукового давления для частоты в 10 000 Гц (10 кГц) на 7 дБ выше, чем для 1000 Гц (1 кГц), а для 100 Гц – примерно на 11 дБ выше. Кривая МАF представляет минимально слышимое поле, которое статически определяется как «чуть выше нуля». Фактический ноль по определению, является не воспринимаемым, изменяется в зависимости от источника прямого моноурального или бинаурального прослушивания, и т.д.

Заниматься корректировкой и обработкой звука (мониторинг) надо при достаточно высокой громкости в контрольных акустических агрегатах

(мониторах) 80 – 90 дБ. Иначе повышается вероятность ошибки, так как на низких уровнях наш слух становится менее чувствительным к высоким и низким частотам.

Громкость зависит от условий, в которых звук воспринимается слушателем.

Здесь в первую очередь следует учитывать эффект звуковой маскировки.

Напомним, что в реальных условиях акустический сигнал не существует в условиях абсолютной тишины – вместе с ним на слух воздействуют те или иные посторонние шумы, затрудняющие слуховое восприятие, и как говорят в таких случаях, маскирующие в определенной степени основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается обычной величиной, указывающей, на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого согнала над порогом его восприятия в тишине.

К примеру вы говорите по телефону в помещении где шумно, чтобы хорошо слышать вам нужно громкость телефона увеличить до максимума и самому громко говорить, чтобы уровень громкости вашей речи превосходил уровень шума, который маскирует ваш разговор. При прослушивании классической музыки с тихими звуками требуется зал звукоизолированный от шумов. А слушая рок концерт, где уровень звука достигает 120-130 дБ, посторонние шумы не будут слышны, они будут маскированы.

Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают, что любой тон маскируется более низким тоном в большей мере, чем более высокими. Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала (например музыка и шум), возникает эффект взаимной маскировки. При этом если энергия принадлежит к одной и той же области звуковых частот, эффект взаимной маскировки будет наиболее сильным.

Достичь требуемой четкости – «прозрачности» звучания и разборчивости речи, при звукопередачи оркестров или эстрадных ансамблей и речевых передач весьма трудно, если инструменты или отдельные группы инструментов играют в одном или близких регистрах, а запись речи проходит в шумном месте. Чтобы добиться четкости и разборчивости речи звукорежиссер располагает микрофоны близко к исполнителям или диктору и применяет эквалайзер для выделения нужного звука усиливая те или другие частотные полосы, маскирующий эффект (шум) наоборот ослабляется эквалайзером понижая сигнал шума, если он находится в другом частотном диапазоне.

Тембр звука 1.3.

Гитарист может извлекать из своего инструмента высокие и низкие, громкие и тихие звуки. Но что гитару отличает от других инструментов? Почему ее звук отличается от фортепиано? Все объясняется довольно просто: реальные звуки представляют из себя созвучия, состоящие из нескольких простых волн. От комбинаций этих волн и зависит тембр инструмента.

У каждого созвучия есть основной тон – волна определенной частоты, которая имеет наибольший уровень. Например нота Ля первой октавы имеет частоту 440 Гц.

Но вместе с ней звучат и другие волны, частота которых в 2, 3, 4 раза и т.д. выше, чем основного тона (вы уже знаете, что эти звуки располагаются через октаву). В музыке они называются обертонами. В акустике принята другая терминология. И основной тон, и обертона называются гармониками, они имеют порядковый номер в зависимости от высоты: основной тон - первая гармоника, первый обертон – вторая гармоника и т. д. Основной тон определяет высоту звука, обертоны, накладываясь в определенных соотношениях, придают звуку специфическую окраску, или, иными словами, присущий данному источнику тембр.

В музыке часто звучат два тона с почти одинаковыми уровнями и частотами.

На слух они воспринимаются как один тон. Однако из-за небольшого различия частот фазы тонов постоянно смещаются относительно друг друга. В моменты, когда они совпадают, громкость увеличивается; когда фазы расходятся, громкость становится слабее. Поэтому и воспринимаемый слухом суммарный тон периодически меняет громкость. Этот очень характерный эффект называется биениями. Конструкторы органов используют этот эффект для оживления звуков инструмента, устанавливая в нем дополнительный регистр, который отличается на несколько герц от строя других регистров и поэтому создает биения (унисонное звучание).

Звуки почти всех музыкальных инструментов сопровождаются узкополосными шумами. Шумами в акустике называют звуки, имеющие непрерывный спектр, в отличие от синусоидальных тонов и созвучий, у которых спектры дискретны.

Итак, слушая музыку, мы воспринимаем не только громкость и высоту звука,

но и нечто такое, что отличает звук от чистого тона – это тембр. И если ощущение громкости и высоты (частоты) имеют однозначные признаки, характеризующие данный звук; громче – тише, или ваше – ниже, то у тембра, напротив, бесчисленное множество характеристик, соответствующих многообразию состава тонов, которые образуют созвучие. Тембр описывают, характеризуют следующими терминами: «глухой», «звонкий», «мягкий», «жесткий», «бархатистый», «насыщенный», и т.д.

Для корректировки тембра звука применяют прибор эквалайзер. Он работает по принципу понижения или повышения уровня тех или иных частотных полос, то есть с помощью эквалайзера можно менять уровень тех или иных гармоник и, соответственно, изменять тембр.

Реверберация 1.4.

В любом помещении звуковые волны от источника звука распространяются во всех направлениях и многократно отражаются от стен, потолка, пола и других препятствий.

Акустические свойства помещения существенно влияют на характер звучания исполняемой музыки и речи. При каждом новом отражении часть энергии звуковой волны поглощается, а часть отражается и в виде частых и убывающих по величине повторений воздействует на слух, накладываясь на основной (прямой) звук и придавая ему привычную для слушателей протяженность и окраску.

Энергия отраженных звуковых волн Еотр. характеризуется коэффициентом отражения В, а поглощающая поверхность энергия Епогл. – коэффициентом звукопоглощения @. Коэффициент @ показывает, какая часть энергии звуковой волны Епад., падающей на поверхность поглощается ею, а коэффициент В – показывает какая часть энергии отражается. Рис. 1.4. (2к6)

@ = Епогл./Епад.

В = Еотр./Епад.

@+В=1, так как Епогл.+Еотр.=Епад.

Значения коэффициентов @ и В зависят от материалов и конструктивных особенностей поверхности, от угла падения на нее звуковой волны и от частоты звуковых колебаний.

В помещении, где расположен источник звука, звуковое поле формируется из прямой и отраженных звуковых волн, образующих диффузное (рассеянное) звуковое поле.

Первые, ранние отражения, приходящие к слушателю, могут как сливаться с прямым звуком, улучшая качество звучания, так и, наоборот, снижать разборчивость речи и прослушиваться как эхо. Эхо возникает когда время задержки между прямым и отраженным звуком превышает 50 мс. При превышении некоторых предельных значений этой величины снижаются разборчивость речи и «прозрачность» музыки (для речи – около 1,2 с., для музыки – 2 с.). Следует различать ранние и поздние отражения. Граница между ними лежит вблизи 50 мс для речи и 80 мс, для музыки от момента прихода прямого звука. При обработке звука необходимо учитывать, что в помещении время реверберации имеет частотную зависимость, то есть оказывает влияние на тембровую окраску звука.

Постепенное замирание звука в помещении (послезвучание) называется реверберацией. Или отраженные волны создают характерный гул, который называется реверберацией. Время реверберации определяется как время, за которое после отключения источника сигнала звук в помещении, затухая, ослабнет в 1000 раз, то есть на 60 дБ.

Реверберация способна довольно сильно изменить тембр источника звука.

Причем, с музыкальной точки зрения реверберация в одних помещениях украшает звучание, а в других – портит.

Время реверберации тем больше, чем меньше звуковой энергии при отражениях поглощается ограничивающими помещение поверхностями и расположенными в нем предметами. Поглощение звука зависит от размеров помещения, свойств материалов, покрывающих стены, потолок, пол, а также от степени заполнения его разными предметами. Ковры, мягкая мебель, тяжелые матерчатые драпировки хорошо поглощают звуковую энергию, тем самым сокращая время реверберации.

И наоборот большие застекленные окна, крашенные стены и потолок, пол паркет или плитка и полированная мебель хорошо отражают звуковую энергию.

Например, в спортзале с бетонными стенами реверберация имеет очень резкий и неприятный характер гул. В гулких помещениях время реверберации больше, там энергия звуковой волны спадает медленно; речь теряет разборчивость,

а музыка может звучать более объемно. В сильно заглушенных помещениях, где звуковая энергия быстро поглощается отражающими поверхностями и время реверберации невелико, речь и музыка звучат глухо, звук лишается сочности и естественной окраски. В студии звукозаписи (заглушенные помещения) стены отделываются специальным звукопоглощающим материалом, для качественной записи фонограмм музыки и речи. При дальнейшей обработки фонограммы можно добавить эффект реверберации.

Преобразование звуковых волн в электрический сигнал 2. 1.

Все мы слушаем информацию через радио, диски, кассеты и другие источники и не задумываемся как это происходит. Сейчас существуют два основных способа записи звука: аналоговый и цифровой. Для того, чтобы записать звук на какой – нибудь носитель (например на магнитофонную кассету), его нужно преобразовать в электрический сигнал.

Это делается с помощью микрофона.

Самые простые микрофоны имеют мембрану, которая колеблется под воздействием звуковых волн. К мембране присоединена катушка, перемещающаеся синхронно с

мембраной в магнитном поле. А из школьных уроков физики вы, наверное, помните, что в такой ситуации в катушке возникает переменный электрический ток.

Изменения напряжения тока точно отражают звуковые волны. (Рис. 2.1.)

Переменный электрический ток, который возникает на выходе микрофона, называется аналоговым сигналом.

Слово «аналоговый» примирительно к электрическому сигналу обозначает, что этот сигнал непрерывен по времени и амплитуде. Он точно отражает форму звуковой волны, которая распространяется в воздухе.

Уровень электрического сигнала 2. 2.

У любого бытового усилителя есть ручка громкости. С ее помощью вы изменяете уровень электрического сигнала, который подается на акустические колонки, заставляя последние звучать тише или громче. Обычно в электроник для измерения уровня сигнала используются вольты или более мелкие единицы милливольты.

Однако в звуковых приложениях принято измерять уровень сигнала в уже знакомых вам логарифмических единицах – децибелах. Причем изменение уровня сигнала в усилителе на 5 дБ приводит к изменению уровня звука в акустических колонках

те же самые 5 дБ. Это очень удобно, поэтому все измерители уровня как бытовых,

так и профессиональных звуковых устройств показывают уровни в децибелах.

В электронике применяются отрицательные значения уровня, выраженного в децибелах. Шкала начинается с минус бесконечности (отсутствие напряжения) и

доходит до нуля. Положительные значения уровня указывают на перегрузку звукового тракта и, соответственно, возникновение искажений.

Формула расчета электрического сигнала в децибелах нам уже знакома она похожа на вычисление силы звука:

N = 20lg U верх. / U нижн.

U верх, U нижн. – это конечное и начальное напряжения сигнала.

Уровень входного сигнала в вольтах в децибелах

0,775 В 0 дБ

1,55 В + 6 дБ

7,75 В + 20 дБ

Микрофонный уровень 2,45 мВ - 50 дБ

Основные понятия и термины

о цифровом аудио сигнале.

Аналоговые сигналы непрерывны во времени.

Дискретные - цифровые сигналы, это прерывистые сигналы.

Операции преобразования аналоговых сигналов в цифровые называется: дискретизацией (сэмплированием), квантованием и кодированием.

Промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогово сигнала называется сэмплом. Сэмпл имеет несколько значений (звучание короткого отрезка музыки, речи, шумов.)

Частота дискретизации (сэмплирования) -это количество измерений амплитуды аналового сигнала в секунду. Так как диапазон колебаний звуковых волн лежит в пределах от 20 Гц до 20000 Гц, то количество измерений сигнала в секунду должно быть в 2 раза больше чем частота звукового сигнала согласно теореме Котельникова-Найквиста.

Частота дискретизации (сэмплирования) принята 44,1кГц, 48кГц, 96кГц, 192кГц.

Разрядность квантования этот параметр указывает, с какой точностью происходят измерения амплитуды аналогового сигнала.

Минимальной информационной единицей в двоичной системе является Бит. Бит может принимать два значения 0 и 1. Одним Битом можно представить 2 десятичных числа, двумя Битами - еже 4 числа (00, 01, 10, 11), тремя Битами - 8 десятичных чисел и так далее. Bit (Бит) - означает binary digit - двоичная цифра. Именно такой принцип и применяется для кодирования значений амплитуды сигнала. Обычно используют 8 и 16 Битное кодирование и более качественное 20 и 24 Битное кодирование. Каждый Бит улучшает отношение сигнал - шум или шум квантования на 6 дБ

Мы хотим, чтобы в нашей системе шумы не превышали 96 дБ, для этого необходимо иметь число разрядов квантования (число Бит) n =96/6=16Бит.

Шум квантования будет тем ниже, чем больше число разрядов квантования.

Скорость передачи цифрового потока битрейт Bitrate определяется как произведение частоты дискретизации на число разрядов квантования C=FgxN

Fg - частота дискретизации (сэмплирования).

N - число разрядов квантования Бит.

При Fg = 48 кГц. N = 16 Бит. С= 48 кГц х 16 Бит = 768 кБит/сек.

Следовательно битрейт С= 768 кБит/сек

Бит - это цифровая единица информации б.

Байт - это кодовое слово длинной в 8 Бит Б.

Современные цифровые высококачественные звуковые устройства CD, DVD, MD, DAT имеют цифровые входы и выходы формата SPDIF. Интерфейс SPDIF бывает двух видов коаксиальный и оптический.

Журнал.Chip 04.2005

Теорема Котельникова-Найквиста

Стр. 13

Оптимальный выбор частоты дискретизации представляет собой серьезную задачу, ответ на которую дала теорема Котельникова-Найквиста. Согласно этой теореме, для отображения звукового сигнала некоторой частоты F необходима дискретизация исходного сигнала с частотой не менее 2F. Величина, соответствующая половине частоты дискретизации (то есть в нашем случае F), называется пределом Найквиста.

Так как человеческое ухо воспринимает звук с частотой до 20кГц, необходимая минимальная частота дискретизации звука должна быть не менее 40кГц, чтобы полученный цифровой сигнал не потерял часть слышимого человеческим ухом спектра. Сейчас наиболее часто при оцифровке звука используется частота дискретизации 44,1 кГц.

Амплитудное разрешение определяется числом амплитудных градаций, используемых при квантовании амплитуды звукового сигнала (то есть при представлении амплитуды сигнала в цифровом виде). Еще недавно при оцифровке звука использовали 65536 амплитудных градаций. Так как для представления чисел от 0 до 65 536 необходимо 16 бит информации, то часто говорят о 16-битном формате звука. В настоящее время звук обрабатывают, как правило, в 24-битном разрешении. Для профессиональных музыкантов, работающих с цифровыми технологиями, 24-битное представление значения амплитуды звукового сигнала стало стандартом.

Стандарт аудио CD

Стр.15

Нельзя не сказать несколько слов о первом стандарте цифрового звука, который в буквальном смысле совершил революцию. Это стандарт аудио CD, с которого по большому счету и началась эра всепоглощающего проникновения цифрового звука в нашу жизнь.

Музыкальный компакт-диск был введен в обращение в начале 80-х годов компаниями Sony и Philips. Основными характеристиками цифрового звука стали частота дискретизации 44,1 кГц и 16-битовое представление амплитуды сигнала. Первым и несомненным плюсом разработанного носителя стала беспрецедентная долговечность хранения информации. Ни один ранее использовавшийся носитель не мог сравниться с ним.

Отсутствие контакта между диском и считывающим устройством позволяло эксплуатировать компакт-диски по несколько раз в день и делать это годами. Вторым плюсом стали более миниатюрные размеры диска, что значительно упрощало эксплуатацию нового носителя. И, конечно же, нельзя не отметить его высокое качество звучания.

Однако со временем у компакт-дисков обнаружился недостаток. Верхняя частота диапазона воспроизведения компакт-диска была равна половине его частоты дискретизации, то есть 22,05 кГц, в то время как у аналоговых носителей этот показатель был гораздо выше. И хотя частоты выше 19-20 кГц уже относятся к ультразвуку и не слышимы, обертональные составляющие большинства акустических инструментов лежат именно в этой области и оказывают влияние на впечатление от прослушивания: если их нет, запись кажется «неживой».

Поэтому не за горами широкое распространение новых стандартов цифрового представления аудиоинформации, таких как аудио DVD или Super audio CD. И сейчас можно с уверенностью сказать, что самое интересное в цифровом звуке еще только начинается.

Стр.17

Современный ПК является очень удобным средством записи, хранения и обработки звука. Именно благодаря компьютеру популярный формат MP3 практически вытеснил еще недавно являвшийся стандартом аудио CD. Это неудивительно, так как, помимо всего прочего, жесткий диск является практически идеальным носителем звуковой информации по долговечности, надежности хранения и емкости, значительно превосходящим CD.

Для хранения музыки на компьютере используется множество форматов. Условно их можно разделить на 2 типа: форматы, хранящие оцифрованный поток аудиоданных, и те, которые вместо аудиоданных содержат последовательности команд (нотные партитуры). Соблюдая историческую очередность, мы начнем наш рассказ с первого типа форматов.

ФОРМАТЫ ЦИФРОВОЙ ЗАПИСИ.

WAV

Стр.17

Wav- один из самых старых аудиоформатов, содержащих цифровой звуковой поток. Он был разработан компанией Microsoft (аналогичные форматы для Max и Unix – AIF и AU). Главное отличие данного формата – отсутствие какого-либо сжатия, а соответственно и потерь в качестве звука. Цифровой аудиопоток в WAV записан по тому же принципу, что и треки на компакт-диске, то есть звуковой сигнал просто переведен из аналоговой формы в цифровую безо всяких изысков. Очень наглядным выглядит сравнение WAV-файла с изображением формата BMP: в обоих форматах содержится достаточно много избыточной информации, позволяющей в дальнейшем сократить размер файла в несколько раз. Для обычного пользователя объем, занимаемый файлом на диске – главный недостаток формата WAV: одна минута цифрового аудиопотока CD-качества занимает около 10Мбайт.

В то же время формат WAV является признанным стандартом в профессиональной работе. В процессе создания музыки качество звучания исходных материалов превыше всего, и размером файла можно смело пренебречь. В таких случаях часто используются файлы с повышенной разрядностью до 32 бит и частотой дискретизации до 192 кГц.

Сжатие звукового потока

Стр.17-18

Как уже было отмечено, для уменьшения размера WAV-файла применяется компрессия аудиосигнала. При сжатии уменьшается объем информации, что приводит к потере качества материала. Однако с использованием сложных алгоритмов, основанных на особенностях восприятия звука человеком, даже при значительной степени компрессии ухудшение качества звучания практически незаметно.

Для сжатия аудиопотока применяются специальные программы-кодеры (encoder). Большинство бытовых звуковых плат аппаратно не поддерживает воспроизведение кодированных файлов, поэтому при прослушивании непременно требуется преобразовать компрессированный сигнал обратно в формат WAV – для этих целей существуют программы-декодеры. Все эти манипуляции делаются компьютером автоматически при наличии нужных кодеков (Coder/DECoder) – программ, совмещающих возможность кодирования и декодирования сигналов.

При кодировании звука в компрессированные форматы пользователю предоставляются гибкие настройки параметров для получения звучания необходимого качества либо файла определенного размера.

Основная характеристика степени сжатия звука – битрейт (bitrate). Этот параметр характеризует количество информации, передаваемой кодеку для получения одной секунды звучания. Например, в звуковом файле, закодированном с битрейтом 256 кбит/с, для записи одной секунды звучания требуется 256 кбит: 8 = 32 кбайт. Бит – это цифровая единица информации «б». Байт – это кодовое слово длинной в 8 бит «Б».

С повышением битрейта качество звука и размер файла растут, а степень компрессии уменьшается.

Также при работе с кодерами часто встречаются следующие понятия:

-постоянная скорость потока (CBR – Constant Bitrate) – битрейт, с постоянным значением которого кодирован весь трек;

-переменная скорость потока (VBR – Viriable Bitrate) – более прогрессивная, чем CBR, технология кодирования, скорость потока при ее использовании зависит от частотного и динамического диапозона звука в конкретный момент. Например, в моменты, когда музыка сложна и насыщена деталями, битрейт будет выше, а в спектрально бедных местах значение битрейта снизится. VBR позволяет получить более высокое качество звучания при том же размере файла, что и в CBR.

Формат MP3

Стр.18-19

MP3 (Mpeg Layer 3) на данный момент – самый распространенный формат кодирования звукового потока. Он был разработан немецким Фраунгоферовским институтом более 10 лет назад, и его появление было вызвало фурор, так как ранее ни один формат не мог обеспечить столь высокого качества звучания при таких степенях компрессии. Даже при максимальном битрейте в 320 кбит/с MP3-файл имеет размер в четыре раза меньший, чем исходный WAV (притом слышимых потерь при битрейте свыше 256 кбит/с просто нет).

Сложный алгоритм компрессии звукового потока в MP3 основан, во-первых, на математических алгоритмах сжатия (подобных используемым в программах архивации данных), а во-вторых, на удалении информации, которая в силу особенностей восприятия звука человеком не играет никакой роли в формировании звуковой картины.

При кодировании вся звуковая информация разбивается на равные по длине участки – фреймы, каждый из которых кодируется со своими параметрами независимо от других. Впоследствии при воспроизведении совокупность декодированных фреймов формирует цифровой аудиопоток. Их использование дает два больших преимущества. Первое – это возможность мгновенного перемещения в нужное место без декодирования всего файла. Воспроизведение просто начинается с установленного фрейма. Второе – возможность сетевого использования формата: загрузив в оперативную память компьютера несколько первых фреймов, можно начинать воспроизведение трека, во время которого будут подгружаться следующие.

При кодировании с величиной битрейта до 256 кбит/с применяются психоакустические алгоритмы компрессии. Все они основаны на удалении неслышимых звуков, выходящих за порог восприятия человека (в среднем это 15-16 кГц). Данный метод наименее эффективен, так как способен изрядно подпортить звучание. Дело в том, что у людей разного возраста верхний порог слышимого имеет различные значения (у молодых людей это 17-19 кГц, в дальнейшем он уменьшается в среднем на 1 кГц каждые 10 лет). Другой метод психоакустической компрессии основан на неспособности человека различать сигналы, имеющие мощность (громкость) ниже определенного уровня, отличающегося для разных частотных областей. Однако и этот метод малоэффективен, так как данный уровень индивидуален для каждого человека.

Главная особенность психофизического восприятия, используемая при MP3-кодировании и позволяющая эффективно сжать аудиопоток, - это эффект маскирования. Суть его заключается в том, что слабый сигнал одного частотного диапазона при прослушивании маскируется более сильным сигналом соседнего диапазона. Подобный эффект наблюдается также, когда звук маскируется более мощным сигналом из предыдущего фрейма (после прослушивания громкого сигнала чувствительность слуха понижается). Если маскирующий сигнал превышает мощность текущего диапазона на определенную величину, то этот диапазон можно просто не кодировать: при прослушивании на качестве звука данные манипуляции практически не отразятся.

При использовании битрейта 320 кбит/с психоакустическое кодирование не применяется, используются только математические алгоритмы сжатия, которые абсолютно никак не влияют на качество звучания, при этом уменьшая размер исходного WAV-файла примерно в четыре раза.

Большинство кодеров способны сжимать WAV-файлы в формат MP3 с переменным битрейтом, что обеспечивает наиболее оптимальный результат и дает возможность получить файл, по звучанию практически не отличимый от оригинала и имеющий достаточно высокую степень компрессии.

На данный момент формат MP3 имеет уже далеко не самый совершенный алгоритм кодирования. Однако благодаря широкой поддержке производителями программных и аппаратных решений, А также полученному за 10 лет использования повсеместному распространению, он стал стандартом цифрового звука и, судя по всему, останется им еще надолго.

Формат MP3PRO

Стр.19

MP3PRO – формат, разработанный независимой группой разработчиков Coding Technologies на основе MP3. благодаря измененному алгоритму файлы в новом формате занимают в два раза меньше места при аналогичном качества звучания.

Главная отличительная особенность применяемого в MP3PRO алгоритма ө выделение из аудиопотока высоких частот с последующим отдельным их кодированием.

Файл MP3PRO содержит два потока данных: первый – это классический, «обрезанный сверху» MP3-файл (не самого высокого качества), а второй – информация об имеющихся в музыке высокочастотных составляющих. Учитывая малый объем, требуемый для записи второго потока, а также значимость высоких частот при оценке качества звучания, выигрыш в размере файла у MP3PRO значительный. Слабое место формата – частичное восстановление высоких частот, субъективно улучшающее звучание, но при этом искажающее его по сравнению с оригиналом.

Стоит заметить, что для прослушивания файлов в формате MP3PRO не обязателен оригинальный кодек: формат совместим с MP3. Однако без специального декодера будет воспроизведен только основной поток аудиоданных, и выигрыш в качестве не будет ощущаться. При использовании же оригинального кодека верхние частоты трека частично восстанавливаются и добавляются к основной части.

Формат MP3PRO поддерживает битрейтеры до 96 кбит/с (по качеству соответствует MP3 с битрейтером 192 кбит/с), однако кодировать в таком качестве позволяет только платная версия программы – кодера. Бета-версия позволяет работать только с 64 кбит/с. Формат изначально задуман коммерческим, но далеко не все пользователи готовы платить за возможность кодирования в малораспространенный формат.

Безусловно, MP3PRO намного более прогрессивен по сравнению с MP3. Наверняка, идея отдельного кодирования высоких частот еще не раз будет применена в различных алгоритмах компрессии. Однако некоторое несовершенство формата (в основном это касается невозможности кодирования без потерь, как это позволяет MP3, и искажения спектральной картины после кодирования) делает нецелесообразным использование М для хранения музыки.

Дата добавления: 2014-01-05