Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Очевидно, что для восстановления неискаженного динамического диапазона расширитель должен иметьgp = 2. Таким образом, gc × gp = 1. Это означает, что сжиматель и расширитель компандерной

системы должны обладать взаимно связанными амплитудными -ха рактеристиками, что трудно обеспечить, так как компандер работает в широком динамическом диапазоне. Это является одним из недостатков компандерной системы.

Недостатком компандера является также возникновение на его выходе эффекта модуляции сигнала шумом. Связано это со следующим. В компандере степень подавления шума определяется уровнем полезного сигнала. Максимальное шумоподавление имеет место при слабых сигналах. При максимальных уровнях сигнала отношение сиг- нал–шум не меняется. Следовательно, уровень шума на выходе изменяется в такт с сигналом.

При совпадении спектров сигнала и шума это обстоятельство не сказывается на восприятии, так как шум маскируется сигналом. Если же спектры не совпадают, то шум не маскируется сигналом. Такой шум обычно называют программно-модулированным. В частности, при передаче низкочастотных сигналов(например, при игре басовых инструментов) высокочастотный шум начинает изменяться по уровню в такт с этим низкочастотным сигналом и поэтому оказывается особенно заметным.

Еще один недостаток компандерной системы– появление нелинейных искажений в переходных режимах(при срабатываниях и восстановлениях сжимателя и расширителя), вызванных несовпадением их частотных и фазовых характеристик, а также неоптимальным выбором постоянных времени цепей регулирования. Это объясняется тем, что, с одной стороны, переходный процесс должен быть -на столько коротким, чтобы при скачкообразном увеличении уровня входного сигнала не возникало выбросов, приводящих к перегрузке системы. Для выполнения этого требования постоянная времени цепи управления не должна превышать одной четверти периода максимальной частоты сигнала, что при частоте 20 кГц составляет всего

12,5 мкс.

С другой стороны, во избежание значительных нелинейных искажений низкочастотных составляющих сигнала скорость изменения коэффициента усиления должна быть достаточно малой и при допустимом коэффициенте нелинейных искажений0,2 % на частоте 20 Гц не должна быть больше 6 дБ/с. При диапазоне регулирования в 30 дБ это означает, что требуемое время восстановления составляет около 5 с. Отношение времени восстановления к времени срабатывания 400 000 : 1. Очевидно, что при таком большом отношении выбор постоянных времени должен подчиняться компромиссным соображениям, отличным от оптимальных.

Рис. 4.9. Структурная схема и амплитудные характеристики шумоподавителя «Долби-А»

Эти недостатки в значительной степени устранены в шумоподавителе Долби, названном по имени автора – инженера радиовещательной компании BBS–Dolby.

Существует ряд разновидностей этой системы, характеризующихся сложностью их исполнения. Принцип работы системы «Дол- би-А», используемый в профессиональных аппаратах магнитной записи, иллюстрируется рис. 4.9. Сигнал, подлежащий записи на магнитную ленту, формируется в процессе суммирования двух сигналов: прямого и прошедшего обработку в блоке регулирования(БР)

(см. рис. 4.9, а).

Зависимость между входным и выходным уровнями сигнала записи показана на рис. 4.9, б. Характеристики представлены в логарифмическом и линейном масштабах. Из характеристик видно, что сжатие осуществляется только в области слабых сигналов, которые записываются на ленту (или передаются в канал) с большим уровнем. Сжатие динамического диапазона выбирается равным10 дБ. В режиме

воспроизведения сигнал с выхода БР суммируется в противофазе с сигналом прямого канала(см. рис. 4.9, в). Коэффициент расширения устанавливают таким, чтобы результирующая характеристика канала магнитной записи – воспроизведения была линейной.

Блок регулировки (рис. 4.10) состоит из четырех компрессоров, каждый из которых работает в определенной полосе частот. Разделе-

Рис. 4.10. Структурная схема блока регулировки системы «Долби-А»

ние общего спектра на четыре части осуществляют фильтры(Ф), включенные на входе компрессоров. В системе «Долби-А» фильтры имеют полосы пропускания30…80, 80…3000 Гц, 3000…20 000 и 9000…20 000 Гц. В сходной по принципу работы системе«Телефункен» принято иное деление спектра, без перекрытия полос пропускания фильтров. В обоих случаях при выборе полос пропускания фильтров учитывались психофизиологические условия восприятия шумов, в частности то обстоятельство, что высокочастотные шумы хорошо воспринимаются на фоне низкочастотных сигналов, но маскируются высокочастотными. Например, высокочастотный шум магнитной ленты хорошо заметен на фоне контрабаса, но практически не прослушивается при записи скрипки.

В схеме шумоподавителя каждый компандер работает как отдельный шумоподавитель. Если спектр входного сигнала сосредоточен

впределах полосы пропускания одного из фильтров, то только в одном из компандеров отношение сигнал–шум останется неизменным. В трех других будет происходить шумоподавление, и сигнал, сосредоточенный в пределах полосы пропускания одного из компандеров, не будет управлять уровнем шума в других. При этом не создается условий для появления программно-модулированного шума.

Впределах полосы пропускания каждого из компандеров отношение максимальной и минимальной частот значительно меньше, чем

воднополосном компандере. Поэтому может быть практически реализовано отношение оптимальных значений времени восстановления и срабатывания, примерно в 100 раз меньшее, чем в однополосном компандере. Минимальными оказываются и динамические нелинейные искажения.

Деление спектра сигнала на четыре, а не на большее число полос определяется тем, что и в этом случае шумоподавление оказывается достаточно эффективным (примерно на 10 дБ) при приемлемой стоимости.

В полупрофессиональных устройствах используются более простые системы – «Долби В» и «Долби С». В системе «Долби В» компандирование звукового сигнала на низких уровнях осуществляется только в верхней части частотного диапазона, ширина которой изменяется в зависимости от его уровня. С этой целью в системе используется регулируемый фильтр верхних част, отбеспечивающий «скользящую» характеристику компрессирования, начиная с частоты 300 Гц. При f = 4 кГц можно достичь уменьшения уровня шумов около 10 дБ. В системе «Долби С» применяются два последовательно включенных компандера «Долби В». Оба работают в одинаковых частотных полосах, но один из них реагирует на сигналы таких же уровней, что и в системе«Долби В», а другой – на сигналы с меньшим уровнем. Система действует, начиная с частоты 100 Гц, при 400 Гц обеспечивается шумоподавление порядка15 дБ, в диапазоне

2000…10 000 Гц – около 20 дБ.

Дальнейшим развитием систем «Долби» является система «Дол- би-SR» (Spectral Recording – спектральная запись), предназначенная для высококачественной профессиональной записи звуковых сигналов. Три фильтра с жесткими частотными полосами, аналогичными «Долби А» и действующими на средних частотах, сменяются на более высоких частотах тремя последовательными фильтрами с переменными частотными полосами, аналогичными «Долби С». Система обеспечивает шумоподавление около24 дБ в диапазоне частот от 800 Гц до 6 кГц.

Особенностью всех рассмотренных шумоподавителей является то, что они состоят из двух блоков. Один включается на передающей стороне (в канале записи магнитофона) и вносит в сигнал предыскажения, другой – на приемной стороне (в канале воспроизведения магнитофона) и компенсирует внесенные в сигнал предыскажения. Во многих случаях, например при воспроизведении старых фонограмм, желательно иметь устройства шумоподавления, не требующие предварительной обработки сигнала. Такие шумоподавители динамического типа используют особенности слухового восприятия и основаны на управлении полосой пропускания канала в зависимости от спектрального состава или уровня входного сигнала. Принцип действия шумоподавителя DNL (Dynamic Noise Limiter) основан на использовании того обстоятельства, что спектр музыкальных сигналов зависит от их громкости, причем так, что с уменьшением громкости относительное содержание высокочастотных составляющих в сигнале уменьшается.

Рис. 4.11. Структурная схема (а) шумоподавителя DNL и его амплитудные характеристики (б-г)

Например, при тихом звучании оркестра слушатель воспринимает преимущественно основные тоны, которые для большинства музыкальных инструментов находятся в диапазоне частот с верхней частотой, не превышающей 4,5 кГц. В то же время шумы магнитной ленты, сосредоточенные в высокочастотной части спектра на фоне сигналов с низким уровнем и в паузах передачи, прослушиваются особенно сильно. Поэтому если ограничить полосу пропускания со стороны высоких частот во время тихих пассажей, то качество воспроизведения звука практически не ухудшится, а высокочастотные составляющие шума будут подавлены. При передаче громких звуков полоса пропускания расширяется, но шум при этом маскируется сигналом, и в шумоподавлении нет необходимости.

Структурная схема шумоподавителя DNL приведена на рис. 4.11. Входной сигнал поступает на фазовращатель, на выходе которого образуются сигналы, сдвинутые по фазе на180°. Один из сигналов подается в канал обработки, где составляющие высоких частот выделяются, подвергаются автоматической регулировке и затем суммируются с сигналом другого канала. Поскольку составляющие сигнала в полосе до 4,5 кГц через канал обработки не проходят(установлен фильтр верхних частот с частотой среза4,5 кГц), коэффициент передачи устройства для них равен единице.

Для высокочастотных составляющих коэффициент передачи зависит от уровня. Из результирующей амплитудной характеристики(см. рис. 4.11, г), представляющей собой разность характеристик прямого

канала (см. рис. 4.11, б) и канала обработки (см. рис. 4.11, в), видно, что для сигналов малого уровня, фактически для шума, коэффициент передачи уменьшается (сигналы поступают на сумматор в противофазе), что и означает ограничение полосы пропускания , иследовательно, уровня шумов.

Шумоподавитель DNL улучшает отношение сигнал–шум на частоте 6 кГц примерно на 5 дБ, а на частотах выше10 кГц – на 20 дБ. Описанное устройство совместимо с любой аппаратурой, поскольку не требует предварительной обработки сигнала в канале передачи или записи.

4.4.Устройства обработки для получения специальных звуковых эффектов

Вокалстрессор. Название «вокалстрессор» в буквальном переводе означает «подчеркиватель, выделитель пения» (stress в переводе с английского – подчеркивать, выделять, ударять).

Обоснованием к применению устройств типа вокалстрессора служат следующие обстоятельства. Исследованиями было установлено своеобразное распределение энергии по спектру голосов певцов. Было обнаружено, что в спектре голосов певцов имеются по крайней мере две частотные области, две группы обертонов с повышенным уровнем, называемые певческими формантами. Их положение на оси частот и уровни определяют характер певческих голосов и их особое свойство, называемое музыкантами носкостью, полетностью (зарубежные термины – «едкость», «колкость»).

В зависимости от частот формант различают виды мужских и женских голосов: бас, баритон, тенор; контральто, меццо-сопрано, сопрано. Для мужских голосов, например, характерны низкая форманта,

вобласти частот примерно300–600 Гц, и высокая, в области частот 2,5…3 кГц. В женских и детских голосах все форманты расположены несколько выше. Низкая форманта придает мужскому голосу своеобразную массивность, ощущение мощи, высокая – носкость. Вокалисты обозначают этим словом способность голоса переноситься вдаль, перекрывать звучание оркестра. Особенно это свойство проявляется

воперных спектаклях, когда оркестр, помещающийся в оркестровой яме, находится к слушателям ближе, чем певцы-солисты, располагающиеся на сцене. Ноский голос – не обязательно громкий. Бывает,

что сильный, «громоподобный» вблизи голос совсем не слышен в большом зале. Наоборот, казалось бы, небольшой голос певца бывает хорошо слышен вдали.

Объяснение причин носкости впервые дал выдающийся русский акустик С.Н. Ржевкин. Его идею развили отечественные ученые Е.Д. Рудаков и Д.Д. Юрченко. Они показали, что это свойство присуще

лишь тем голосам, в которых хорошо развита высокая форманта. Певцу, обладающему ею, легко овладеть отличной дикцией, его хорошо слышно в большом зале. С нею голос– яркий, звучный, без нее – глухой, тусклый. Физиологическая причина носкости голоса со сформированной высокой формантой та, что ее частоты приходятся на область наибольшей чувствительности слуха человека.

Повышенной чувствительностью слуха человека к звукам с частотами несколько тысяч герц объясняется то обстоятельство, что хороших певческих женских голосов заметно больше, чем мужских. В жен-

ибез того богаты составляющими высоких частот и потому обладают хорошей носкостью. Зато в мужских голосах высокая форманта обязательна.

Носкостью, полетностью обладают не только певческие голоса, но

имузыкальные инструменты, даже не создающие большой акустической мощности. Таковы, например, скрипки великих итальянских мастеров Амати, Гварнери, Страдивари.

Современные методы исследования позволяют оценить носкость числом, используя явление маскировки звука. В схему измерения входят генератор белого шума, магнитофон с фонограммой исследуемого звука, смеситель, головные телефоны и измеритель уровня. Шум и сигнал подаются через смеситель на головные телефоны и измеритель уровня. Белый шум представляет собой как бы звуковую завесу, которую должно преодолеть звучание голоса или инструмен-

та. Уровень шума поддерживается постоянным, например 80 дБ, а уровень голоса певца уменьшают до тех пор, пока голос не станет едва слышен на фоне шума. Этот уровень – порог слышимости голоса в шуме. В данном случае его называют коэффициентом носкости (полетности) голоса. Этот коэффициент показывает, на сколько децибелов уровень голоса певца может быть ниже уровня шума, чтобы не быть замаскированным шумом. У хороших певцов этот показатель равен 25…30 дБ, у певцов-любителей 15…20 дБ. Коэффициент носкости известного тенора С.Я. Лемешева составил 28 дБ. Если из

хорошего, «звонкого» голоса электрическим фильтром вырезать певческую форманту, коэффициент носкости упадет с 25…30 дБ до

12…15 дБ.

Хороший певческий голос вырабатывают многими годами обучения, даже при наличии природных певческих данных. Развитие звукотехники вывело на концертные эстрады множество«микрофонных» певцов, не обладающих голосовыми данными. Чтобы как-то украсить их голос, сделать его приемлемым для большой аудитории, прибегают к звукоусилению и электронным устройствам, которые служат своеобразными голосовыми «протезами». Это – сжиматели динами-

Рис. 4.12. К вопросу использования фильтра присутствия

ческого диапазона, фильтры присутствия (презенс-фильтры), вокалстрессоры.

Сжиматель динамического диапазона, включенный в тракт микрофона солиста, увеличивает среднюю мощность электрического сигнала и тем самым позволяет«приподнять» голос солиста над звучанием сопровождающего ансамбля.

С помощью фильтра присутствия формируют некоторое подобие певческой форманты. Фильтр присутствия содержит несколько переключаемых контуров, поднимающих АЧХ в сравнительно узкой полосе частот (рис. 4.12), причем высоту подъема АЧХ можно изменять ступенями, обычно через 2 дБ, в пределах от нуля до 10 дБ. Чаще всего контуры имеют средние частоты: 0,1; 1,4; 2,1; 2,8 и 4 кГц. Параметры контура подбирают в соответствии с голосовыми данными певца. С помощью фильтра присутствия удается выделить, сделать более рельефным звучание солирующего инструмента, повысить разборчивость актерской речи.

Широкие возможности формирования желаемой АЧХ дает многополосный регулятор АЧХ – эквалайзер. Это слово в переводе с английского означает выравниватель, корректор. Количество частотных полос в эквалайзере достигает27–30, а пределы регулирования коэффициента передачи в каждой полосе ±20 дБ.

При использовании эквалайзера можно более точно сымитировать певческие форманты. Вырезание узкой полосы из спектра бывает необходимо для устранения некоторых дефектов речи. Заметим попутно, что иногда эквалайзер используют при звукоусилении для выравнивания общей АЧХ системы«громкоговорители – помещение» и уменьшения влияния акустических недостатков помещения на качество звуковоспроизведения.

Более совершенным устройством изменения характера, обогащения звучания певческих голосов, придания им большей выразительности, имитации эффекта носкости признан вокалстрессор. Вокалстрессор – сочетание комбинированного автоматического регулятора уровня и эквалайзера.

Рис. 4.13. Структурная схема вокалстрессора

В состав вокалстрессора F769X-R фирмы «Audio Design» (Великобритания) входят три автоматических регулятора: сжиматель, расширитель и ограничитель. Расширитель действует при малых входных уровнях и выполняет функцию шумоподавителя, сжиматель – на средних уровнях, ограничитель – при превышении номинального уровня. Эквалайзером подбирают желаемую форму АЧХ.

Чаще всего подобные устройства имеют гибкую структуру, т.е. дают возможность соединять его основные звенья: сжиматель и эквалайзер в различных сочетаниях (рис. 4.13, а–в).

При их соединении по схеме а эквалайзером вначале подчеркивают или имитируют певческую форманту, а затем уменьшают динамический диапазон полученного сигнала. Некоторые звукорежиссеры предпочитают обратный порядок операций: по схеме б – сначала сжатие динамического диапазона, а затем подчеркивание певческой форманты. В схеме в эквалайзер вводят в управляющую цепь, состоящую из выпрямителя (В) и интегратора (И), и полученным управляющим напряжением E у регулируют коэффициент передачи управляемой цепи (Уц).

Параметры сжимателя и расширителя по желанию звукорежиссера или звукооператора изменяются в широких пределах. Для расширителя предусмотрены два режима регулирования времени срабатывания – ручной и автоматический. Во втором случае этот параметр устанавливается цифровым процессором, реагирующим на динамику изменения входного сигнала.

Коэффициент расширения динамического диапазона расширителя (отношение динамических диапазонов на входе и выходе автоматического регулятора) изменяется в пределах от 1:1,2 до 1:10 и даже до 1:40. Коэффициент сжатия динамического диапазона сжимателя регулируют в пределах от 1:1 до 20:1.

Генераторы вибрато. Одним из выразительных средств, способствующих обогащению звучания певческого голоса, служит вибрато. Голос хорошего певца слегка колеблется, ритмично и плавно пульсирует. Это и есть вибрато. Вибрато – результат периодического изме-

140 Глава 4. Обработка звуковых сигналов

нения интенсивности, частоты и спектра звука. Для слуха наиболее приятны пульсации с частотой 5…7 Гц. Более редкие колебания воспринимаются как качание, изменение высоты тона, более частые – как дрожание голоса(«блеяние барашка»). Наиболее яркое ощущение вызывает высотное (частотное) вибрато, при котором утомительное для восприятия постоянное воздействие тона заменяется его периодическими колебаниями. При этом, однако, сохраняется ощущение устойчивости высоты тона. Хорошее вибрато придает звуку певческого голоса большую уверенность и определенность.

Вибрато встречается не только в певческом голосе. Некоторые драматические артисты прибегают к вибрато с целью выражения сильных эмоций. К нему часто прибегают и инструменталисты – скрипачи, виолончелисты, трубачи, чтобы придать звучанию инструментов вибрирующий характер, сходный с вибрато певческого голоса.

Вибрато опытных певцов отличается приятной, ласкающей слух плавностью. Выражено оно не сильно. Поэтому создается впечатление, что звук голоса льется непрерывной струей, лишь слегка пульсирующей. Пульсации делают голос живым, одухотворенным.

Если вибрато нет, голос кажется сухим, безжизненным, по образному выражению вокалистов, «прямым как палка».

У неопытных певцов вибрато бывает грубоватым, резким, что создает впечатление прерывистого звука. Такое вибрато музыканты называют «тремоляцией голоса». Кроме того, вибрато плохих певцов лишено ритмичности, что создает впечатление неустойчивости, неопределенности высоты тона. Зная этот порок, певцы, обладающие слабой техникой, предпочитают вообще не пользоваться этим приемом.

Для уменьшения этого недостатка певческого или инструментального звучания пользуются особыми электронными устройствами– генераторами вибрато. Генератор вибрато, как правило, представляет собой мультивибратор или его цифровой аналог, колебания которого накладываются на исходный сигнал, как бы модулируют его по частоте (реже по амплитуде или по фазе). Этим создается окраска звучания, свойственная естественному вибрато. Частотный диапазон генератора обычно устанавливается в пределах от 4 до 7 Гц.

Кроме изменения частоты предусматривается изменение интенсивности колебаний. Обязательно требование симметрии девиации. Асимметрия девиации вызывает общие изменения средней высоты тона. Желательно, чтобы при увеличении напряжения сигнала, обусловленном возрастанием громкости, величина девиации плавно возросла. Это существенно улучшает выразительность эффекта, усиливает впечатление громкого звука, придавая ему более напряженный и яркий характер.

Эксайтер. Особым устройством преобразования спектра является эксайтер (от английского exait – сгущать, повышать, возбуждать). Это