Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1. Акустика

Вопросы: 1.Звуковые колебания и волны.

2. Особенности восприятия звука человеком.

Литература: 1. А.В. Выходец и др. «Радиовещательная и электроакустическая аппаратура». Москва. « Радио и связь» 1989г.

2.А.С.Ефимов и др. «Акустика» Справочник. Москва. «Радио и связь» 1989 г.

3.А.А.Заикин, В.М.Карташова, Ю.А.Ружицкий «Электроакустические и усилительные устройства» Москва. «Высшая школа».1984 г.

4.А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

5.Г.Кинг «Руководство по звукотехнике» Ленинград «Энергия» 1980 г.

1. Звуковые колебания и волны. Некоторые акустические определения

Природа звуковых волн такова, что при деформации среды в каком-либо элементарном участке в соседних с ним участках возникают последовательные во времени сжатия и разряжения среды, которые распространяются с определенной скоростью с (в воздухе около 331 м/с), образуя звуковую волну. Сами частицы среды при этом не покидают своего места, а лишь отклоняются в ту или иную сторону на очень незначительное расстояние. Длина звуковой волны л связана с частотой колебаний f и их периодом Т соотношением:

л =C/f =CT, (1.1)

где Т измерено в секундах, а f-- в герцах.

Различают сферическую, цилиндрическую и плоскую волну.

Поле сферической волны формируется при излучении звука точечным источником звука в неограниченном пространстве. Направление звуковых лучей совпадает с радиусами сферы. Интенсивность звука Йг с удалением от источника звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния:

Йг =Йй / r² (1.2)

где Ir -- интенсивность звука на расстоянии единицы длины от центра источника звука,

r -- расстояние фронта волны от этого центра,

а звуковое давление рг -- обратно пропорционально расстоянию:

Сr = С₁/r (1.3)

где С₁ -- звуковое давление на расстоянии единицы длины от центра источника звука.

Цилиндрическая волна имеет фронт волны цилиндрической формы, ось которой совпадает с осью источника звука. Интенсивность звука с расстоянием убывает обратно пропорционально расстоянию:

Ir =Й₁ /r (1.4)

а звуковое давление -- по закону:

Сr =С₁ / (1.5)

Плоская волна имеет фронт в виде плоскости, звуковые лучи идут параллельно друг другу. Энергия в плоской волне не расходится в стороны, интенсивность звука теоретически не зависит от расстояния, прошедшего волной, если пренебречь потерями на вязкость среды, молекулярное рассеяние, турбулентное затухание и дифракцию волн. В природе перечисленные виды волн в чистом виде встречаются в ограниченном пространстве.

Субъективными характеристиками звука являются: высота, громкость и тембр. Им соответствуют следующие акустические величины:

- громкости -- звуковое давление,

- высоте -- частота,

- тембру звука -- спектральный состав (совокупность синусоидальных составляющих сложного звука).

Громкость -- субъективное ощущение интенсивности звука. Она изменяется приблизительно пропорционально логарифму изменения интенсивности. Для сложного сигнала из-за эффекта маскировки имеет сложную зависимость. За уровень громкости любого звука (или шума) условились принимать уровень в децибелах равногромкого с ним чистого тона частотой 1000 Гц. За единицу уровня громкости принят фон.

Звуковое давление -- разность между статическим (атмосферным) давлением и давлением в данной точке звукового поля. Мгновенное звуковое давление -- звуковое давление в рассматриваемый момент времени. По аналогии с переменным током пользуются эффективным значением. За единицу звукового давления принят ньютон на метр квадратный (1 Н/м2) или как ее еще называют -- паскаль (Па).

Интенсивность звука -- количество звуковой энергии, проходящее в единицу времени через единичную площадь, расположенную перпендикулярно направлению распространения звука. Иными словами -- плотность звуковой энергии (мощность, приходящаяся на единицу поверхности). При интенсивности звука 10 Вт/м² или 130 дБ ощущение звука переходит в боль (болевой предел). Самая малая интенсивность звука, при которой мы его слышим, равна примерно 10^-12 Вт/м² (порог слышимости), что соответствует звуковому давлению около 2 *10^-5 Па. Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, т.е.:

1 = к.р². (1.6)

Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.

Тон -- это сигнал определенной частоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все составляющие которого имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.

Тембр -- субъективное отображение сложности воспринимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (мягкий, сочный, натуральный, живой, сухой, жесткий, металлический, ненатуральный и т.п.). Условием правильной передачи тембра звуков является неискаженная передача спектра сигнала.

Простейшим спектром обладает чистый тон -- встречается в электромузыкальных инструментах. Звуки музыкальных инструментов и голосов помимо основного тона содержат широкий спектр обертонов (высших тонов), причем различного состава, что прежде всего и определяет их различное звучание по тембру.

Особенности восприятия звука человеком (психоакустика)

Психоакустика -- область науки, которая изучает слуховые ощущения человека при воздействии звука на уши.

Люди, обладающие абсолютным (аналитическим) музыкальным слухом, с высокой точностью определяют высоту, громкость и тембр звука, способны запоминать звучание инструментов и распознавать их через некоторое время. Они могут правильно проанализировать прослушанное, правильно выделить отдельные инструменты.

Люди, не обладающие абсолютным слухом, могут определить ритм, тембр, тональность, но правильно произвести анализ прослушанного материала для них затруднительно.

При прослушивании высококачественной аудиоаппаратуры, как правило, мнения экспертов расходятся. Одни предпочитают высокую прозрачность и верность передачи каждого обертона, их раздражает отсутствие детализованности звучания. Другие предпочитают звучание размытого, нечеткого характера, быстро устают от изобилия подробностей в музыкальном образе. Кто-то заостряет внимание на гармонии в звучании, кто-то на спектральном балансе, а кто-то -- на динамическом диапазоне. Оказывается, все зависит от типохарактера индивида. Типохарактеры людей подразделяются на следующие дихотомии (парные классы): сенсорную и интуитивную, думающую и чувствующую, экстравертную и интровертную, решающую и воспринимающую.

Люди с сенсорной доминантой обладают четкой дикцией, великолепно воспринимают все нюансы речевого или музыкального образа. Для них чрезвычайно важна прозрачность звучания, когда четко выделяются все звучащие инструменты.

Слушатели с интуитивной доминантой предпочитают размытый музыкальный образ, придают исключительно важное значение сбалансированности звучания всех музыкальных инструментов.

Слушатели с думающей доминантой предпочитают музыкальные произведения с высоким динамическим диапазоном, с четко обозначенной мажорной и минорной доминантой, с выраженным смыслом и структурой произведения.

Люди с чувствующей доминантой придают большое значение гармоничности в музыкальных произведениях, предпочитают произведения с небольшими отклонениями мажорности и минорности от нейтрального значения, т.е. «музыку для души».

Слушатель с экстравертной доминантой успешно выделяет сигнал из шума, предпочитает слушать музыку с высоким уровнем громкости, мажорность или минорность музыкального произведения определяет по частотному положению музыкального образа в данный момент.

Люди с интровертной доминантой значительное внимание уделяют внутренней структуре музыкального образа, мажорность-минорность оценивают, в том числе, и по смещению частоты одной из гармоник в возникающих резонансах, посторонние шумы затрудняют восприятие аудиоинформации.

Люди с решающей доминантой предпочитают в музыке закономерность, наличие внутренней периодичности.

Слушатели с воспринимающей доминантой предпочитают в музыке импровизацию.

Каждый по себе знает, что одна и та же музыка на одной и той же аппаратуре и в одном и том же помещении не всегда воспринимается одинаково. Вероятно, в зависимости от психоэмоционального состояния наши чувства то притупляются, то обостряются.

С другой стороны, трудно согласиться, что излишняя детализованность и натуральность звучания может раздражать усталого и обремененного заботами слушателя с сенсорной доминантой, что в таком состоянии он предпочтет музыку размытую и мягкую, грубо говоря, предпочтет слушать живые инструменты в шапке-ушанке.

В какой-то степени на качество звука оказывает влияние «качество» напряжения сети, которое в свою очередь зависит как от дня недели, так и от времени суток (в часы пиковой нагрузки напряжение сети наиболее «загрязнено»). От времени суток зависит и уровень шума в помещении, а значит и реальный динамический диапазон.

О влиянии окружающего шума хорошо запомнился случай 20-летней давности. Поздно вечером после деревенской свадьбы молодежь осталась помочь убрать со столов и перемыть посуду. Музыка была организована во дворе: электробаян с двухканальным усилителем и двумя колонками, четырехканальный усилитель мощности по схеме Шушурина, на вход которого был подключен электробаян, а на выходы -- две 3-полосные и две 2-полосные акустические системы. Магнитофон с записями, выполненными на 19 скорости со встречно-параллельным подмагничиванием. Около 2-х часов ночи, когда все освободились, молодежь собралась во дворе и попросила включить что-нибудь для души. Каково же было удивление музыкантов и присутствующих меломанов, когда зазвучало попурри на темы Битлс в исполнении группы STARS on 45. Для слуха, адаптированного к восприятию музыки в атмосфере повышенной зашумленности, звучание в ночной тишине стало удивительно чистым и нюансированным.

Восприятие по частоте

Человеческое ухо воспринимает колебательный процесс как звук только в том случае, если частота его колебаний находится в пределах от 16...20 Гц до 16...20 кГц. При частоте ниже 20 Гц колебания называют инфразвуковыми, выше 20 кГц -- ультразвуковыми. Звуки с частотой ниже 40 Гц в музыке встречаются редко, а в разговорной речи и вовсе отсутствуют. Восприятие высоких звуковых частот сильно зависит как от индивидуальных особенностей органов слуха, так и от возраста слушателя. Так, например, в возрасте до 18 лет звуки частотой 14 кГц слышат около 100%, в то время как в возрасте 50...60 лет -- только 20% слушателей. Звуки частотой 18 кГц к 18 годам слышит около 60%, а к 40...50 годам -- всего 10% слушателей. Но это вовсе не означает, что для людей пожилого возраста снижаются требования к качеству тракта звуковоспроизведения. Экспериментально установлено, что люди, едва воспринимающие сигналы частотой 12 кГц, очень легко распознают недостаток верхних частот в фонограмме.

Разрешающая способность слуха к изменению частоты около 0,3%. Например два тона 1000 и 1003 Гц, следующих один за другим, можно различить без приборов. А по биениям частот двух тонов человек может обнаружить разность частот до десятых долей герца. В то же время трудно различить на слух отклонение скорости воспроизведения музыкальной фонограммы в пределах ±2%.

Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону. Исходя из этого, все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе. Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты, музыкальности и тренированности его слуха, а также от интенсивности звука. При больших уровнях громкости звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые.

При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается, и тем больше, чем выше громкость звука, что связано с реакцией слуха на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией. По истечении определенного времени чувствительность восстанавливается. Систематическое и длительное прослушивание музыки с высоким уровнем громкости вызывает необратимые изменения в органах слуха, особенно страдает молодежь, пользующаяся наушниками (головными телефонами).

Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его оттенки позволяет различать многообразие музыкальных инструментов и голосов. Благодаря тембральной окраске их звучание становится многокрасочным и легко узнаваемым. Условием правильной передачи тембра является неискаженная передача спектра сигнала -- совокупности синусоидальных составляющих сложного сигнала (обертонов). Обертоны кратны частоте основного тона и меньше его по амплитуде. От состава обертонов и их интенсивности зависит тембр звука.

Тембр звука живых инструментов в значительной степени зависит от интенсивности звукоизвлечения. Например, одна и та же нота, сыгранная на фортепьяно легким нажатием пальца, и резким, имеет разные атаки и спектры сигнала. Даже не тренированный человек легко улавливает эмоциональное различие двух таких звуков по их атаке, даже если они переданы слушателю с помощью микрофона и уравновешены по громкости.

Атака звука -- это начальная стадия, специфический переходной процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики: громкость, тембр, высота звука. Длительность атаки звука разных инструментов колеблется в пределах 0...60 мс. Например, у ударных инструментов она находится в пределах 0...20 мс, у фагота -- 20...60 мс. Характеристики атаки инструмента сильно зависят от манеры и техники игры музыканта. Именно эти особенности инструментов позволяют передать эмоциональное содержание музыкального произведения.

Тембр звука источника сигнала, находящегося на расстоянии от слушателя менее 3 м, воспринимается более «тяжелым». Удаление источника сигнала от 3 до 10м сопровождается пропорциональным уменьшением громкости, при этом тембр становится более ярким. С дальнейшим удалением источника сигнала потери энергии в воздухе растут пропорционально квадрату частоты и имеют сложную зависимость от относительной влажности воздуха. Потери энергии ВЧ-составляющих максимальны при относительной влажности в пределах от 8 до 30...40% и минимальны при 80%. Увеличение потерь обертонов приводит к снижению тембральной яркости.

Восприятие по амплитуде

Восприятие по амплитуде зависит от частоты и имеет значительный разброс, связанный с возрастными изменениями.

Чувствительность слуха к интенсивности звука носит дискретный характер. Порог ощущения изменения интенсивности звука зависит как от частоты, так и от громкости звука (на высоких и средних уровнях составляет 0,2...0,6 дБ, на низких уровнях доходит до нескольких децибел) и в среднем меньше 1 дБ.

Эффект Хааса (Haas)

Слуховому аппарату, как и любой другой колебательной системе, свойственна инерционность. Благодаря этому свойству короткие звуки длительностью до 20 мс воспринимаются более тихими, чем звуки длительностью более 150 мс. Одно из проявлений инерционности -- неспособность человека выявлять искажения в импульсах длительностью менее 20 мс. В случае прихода к ушам 2-х одинаковых сигналов, с временным интервалом между ними 5...40 мс, слух воспринимает их как один сигнал, при интервале более 40...50 мс -- раздельно.

Эффект маскировки.

Ночью, в условиях тишины, слышны писк комара, тиканье часов и другие тихие звуки, а в условиях шума трудно разобрать громкую речь собеседника. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Посторонние шумы, неизбежно присутствующие в месте прослушивания, маскируют в определенной мере основной сигнал и затрудняют его восприятие. Повышение порога слышимости одного тона (или сигнала) при одновременном воздействии другого тона (шума или сигнала) называют маскировкой.

Экспериментально установлено, что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими, иными словами, низкочастотные тоны сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот. Например, при одновременном воспроизведении звуков 440 и 1200 Гц с одинаковой интенсивностью, мы будем слышать только тон частотой 440 Гц и только выключив его, услышим тон частотой 1200 Гц. Степень маскировки зависит от соотношения частот и носит сложный характер, связанный с кривыми равной громкости.

Чем больше соотношение частот, тем меньше эффект маскировки. Это в значительной степени объясняет феномен «транзисторного» звучания. Спектр нелинейных искажений транзисторных усилителей простирается вплоть до 11 гармоники, в то время как спектр ламповых усилителей ограничивается 3...5 гармоникой. Кривые маскировки узкополосным шумом для тонов разных частот и уровней их интенсивности имеют разный характер. Четкое восприятие звука возможно в том случае, если его интенсивность превышает определенный порог слышимости. На частотах 500 Гц и ниже превышение интенсивности сигнала должно быть около 20 дБ, на частоте 5 кГц -- около 30 дБ, а на частоте 10 кГц -- 35 дБ. Эту особенность слухового восприятия учитывают при записи на носители звука. Так, если отношение сигнал/шум аналоговой грампластинки около 60...65 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45...48 дБ.

Эффект маскировки оказывает влияние на субъективно воспринимаемую громкость звука. Если составляющие сложного звука расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается их взаимная маскировка, то громкость такого сложного звука будет меньше громкостей его составляющих.

Если несколько тонов расположены по частоте настолько далеко, что их взаимной маскировкой можно пренебречь, то их суммарная громкость будет равна сумме громкостей каждой из составляющих.

Достижение «прозрачности» звучания всех инструментов оркестра или эстрадного ансамбля является сложной задачей, которая решается звукорежиссером -- умышленным выделением наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами.

Бинауральный эффект

Способность человека определять направление источника звука (благодаря наличию двух ушей) называется бинауральным эффектом. К уху, расположенному ближе к источнику звука, звук приходит раньше, чем ко второму уху, а значит, различается по фазе и амплитуде. При слушании реального источника сигнала бинауральные сигналы (т.е. сигналы, приходящие к правому и левому уху) статистически связаны между собой (коррелированны). Точность локализации источника звука зависит как от частоты, так и от его местонахождения (спереди или сзади слушателя). Дополнительную информацию о расположении источника звука (спереди, сзади, сверху) орган слуха получает, анализируя особенности спектра бинауральных сигналов.

До 150...300 Гц человеческий слух обладает очень малой направленностью. На частотах 300...2000 Гц, для которых длина полуволны сигнала соизмерима с «межушным» расстоянием, равным 20...25 см, существенны фазовые различия. Начиная с частоты 2 кГц направленность слуха резко убывает. На высших частотах большее значение приобретает разность амплитуд сигналов. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется, что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше.

При асимметричном расположении слушателя относительно громкоговорителей возникают дополнительные интенсивностные и временные разносы, которые приводят к пространственным искажениям. Причем, чем дальше КИЗ (кажущийся источник звука) от центра базы (ДL > 7 дБ или Дф > 0,8 мс), тем меньше они подвержены искажениям. При ДL > 20 дБ, Дф > 3...5 мс КИЗ превращаются в действительные (громкоговорители) и не подвержены пространственным искажениям.

Экспериментально установлено, что пространственные искажения отсутствуют (незаметны), если полоса частот каждого канала сверху ограничена частотой не менее 10 кГц, а высокочастотная (выше 10 кГц) и низкочастотная (ниже 300 Гц) часть спектра этих сигналов воспроизводится монофонически.

Погрешность оценки азимута источника звука в горизонтальной плоскости спереди составляет 3...4⁰, сзади и в вертикальной плоскости -- примерно 10... 15°, что объясняется экранирующим действием ушных раковин.

Особенности субъективного восприятия стереофонических фонограмм.

В отличие от монофонического стереофоническое звучание имеет объемность (естественную акустическую перспективу), стереофоническую разрешающую способность (определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства) и акустическую атмосферу (эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия в первичном помещении).

В процессе слияния звучаний двух громкоговорителей образуется кажущийся источник звука (КИЗ) в том случае, если сигналы, излучаемые обоими громкоговорителями, статистически связаны (коррелированны).

Если говорить об эффекте «присутствия» как о воссоздании первичного поля, то следует иметь в виду, что в большинстве случаев оно вообще отсутствует (за исключением бифонических записей).

Совокупность КИЗ, различающихся положением в пространстве, называют пространственной звуковой панорамой или стереопанорамой. В общем случае положения КИЗ в субъективном слуховом пространстве не совпадает с положениями действующих источников звука.

Лекция 2. Стереофония

Вопросы: Интенсивностная, временная, смешанная стереофонии.

Процессоры пространственной обработки сигналов.

Литература: А.А.Петров «Звуковая схемотехника для радиолюбителей» Москва. «Радио и связь» 2004г.

Разновидности стереофонии

Различают интенсивностную, временную и смешанную стереофонию.

Интенсивностная стереофония (?ф = 0)

Перемещение КИЗ в зависимости от разности уровней AL и величины угла между направлениями на громкоговорители имеет сложный характер: влево/вправо, в глубину, в высоту.

Рис.1. Смещение КИЗ в глубину и зависимость величины подъема КИЗ от угла направления на громкоговорители.

При приближении слушателя к громкоговорителям на расстояние у < В наблюдается уменьшение S при неизменном ?L. Смещение КИЗ в глубину и зависимость величины подъема КИЗ от угла направления на громкоговорители показаны на рис. 1,а.

Максимальный подъем КИЗ имеет место при нахождении слушателя в центре базы и равен В/2. При удалении, равном В2/, т.е. при угле между направлениями на громкоговорители, равном 90°, подъем КИЗ составляет 0,3В (рис. 1,6). При угле меньше 30^е подъем КИЗ практически не ощущается. Поэтому с учетом этого эффекта фронтальные громкоговорители следует располагать несколько ниже головы слушателя, а тыловые -- на уровне головы.

Временная стереофония (AL = О)

Перемещение КИЗ для сигналов с достаточно однородным спектром мощности имеет практически линейную зависимость до величины S = 0,8В/2 при изменении ?ф от 0 до 0,8...1,2 мс. Дальнейшее увеличение ?ф до 6...8 мс вызывает медленное перемещение КИЗ на участке (0,8... 1,0)В/2. Для сигналов с неравномерным распределением мощности по частоте (например, скрипка) монотонное перемещение КИЗ наблюдается только для сдвигов, не превышающих 0,5... 1,0 мс. При дальнейшем увеличении сдвига до 6...8 мс смещение КИЗ носит колебательный характер (с неоднократным возвращением КИЗ к центру базы).

Смешанная стереофония

При смешанной стереофонии наблюдается линейная взаимокомпенсация временного сдвига О...1,2 мс интенсивностной разностью 0...7 дБ. Опережающий и задержанный сигналы создают единый устойчивый КИЗ при ?ф < 3...4 мс, при этом положение КИЗ на линии базы громкоговорителей определяется значениями ?L и ?ф. При увеличении задержки между сигналами громкоговорителей до 7... 15 мс локализация КИЗ затрудняется, звучание приобретает гулкость, объемность и размытый характер. Для источников звука, расположенных в позициях громкоговорителей, различия в канальных сигналах велики: ?L > 20 дБ, ?ф > 3...5 мс. В этом случае КИЗ превращается в действительный, не подверженный пространственным искажениям.

Для взаимозаменяемости ?L и ?ф при локализации КИЗ часто используют коэффициент эквивалентности:

Кэ = ?L / ?ф = 10 … 13 дБ / мс.

В диапазоне частот 300...5000 Гц оба фактора примерно в одинаковой степени оказывают влияние на локализацию КИЗ. На частотах выше 5 кГц оценка азимута в основном определяется величиной ?L.

Наличие отраженного звука (реверберации) в помещении прослушивания практически не влияет на азимутальное положение КИЗ, однако величина реверберации влияет на протяженность КИЗ. Объясняется это тем, что повторения звука в интервале времени от 1,5 до 30...50 мс подавляются слуховой системой -- эффект предшествования.

Процессоры пространственной обработки сигналов.

Процессоры пространственной обработки сигналов - чаще не совсем строго называемые просто ревербераторами - являются неотъемлемой частью любой современной студии и концертного зала. Своим появлением они обязаны повсеместному внедрению электроники - микрофонов, усилителей, и пр. - в практику звукозаписи и звукоусиления. Как только музыка вышла за пределы оперной сцены и академических концертных залов - начались поиски новых выразительных средств и художественных приемов, для получения оригинальных звучаний и создания спецэффектов. На этом пути ревербераторы были самым первым и естественным шагом. Действительно, ведь далеко не каждый зал обладает реверберацией - к примеру - как в Домском соборе или Тадж-Махале Системы искусственной реверберации сняли эти ограничения. Путем моделирования, простого копирования, или синтеза характеристик не существующих в реальности помещений - стало возможно практически в любом месте получить нужные вам звучания. Современные процессоры позволяют, кроме разнообразных видов реверберации, более-менее похожих на естественные, создавать и целый ряд звучаний, которые в принципе невозможно получить в естественных условиях, но без которых палитра выразительных средств современной музыки стала бы сильно обедневшей - таких, как GATE REVERB, INVERS REVERB, и некоторых других.

Для того чтобы как можно полнее разобраться в этих и других эффектах, вспомним - каким образом создается реверберация в реальных помещениях, и из каких основных частей состоит собственно сам реверберационный процесс.

На рис.1 схематически изображен разрез зрительного зала (вид сверху).

В точке А находится источник сигнала (исполнитель), а в точке В - находится приемник сигнала (слушатель).

Очевидно, что звук от исполнителя до слушателя может доходить многими путями - прямой звук (обозначен цифрой “0”), и звук, отраженный от стен и других отражающих поверхностей (цифры 1 и 2). Правда, на этом рисунке не отображены отражения от потолка и пола - но, при желании, вы можете сделать это сами для любого интересующего вас помещения.

В результате, с учетом всех существующих в данном месте отражений сигналов, процесс затухания звука в помещении будет иметь вид, похожий на изображенный на рис.2.

На этом графике по горизонтали отложено время, а по вертикали - интенсивность звука. Рассмотрим подробнее каждую из его составляющих.

Прямой звук (линия “0” на рис.1) - несет информацию только о расположении источника слева или справа от слушателя. Какой-либо иной пространственной информации в нем не содержится.

Первичные отражения (линии 1 на рис.1) - несут информацию о размерах помещения и месте расположения в нем исполнителя. Называются так потому, что эти сигналы претерпевают по пути к слушателю только одно отражение от ограждающих поверхностей. Как правило, эти звуки приходят к слушателю также спереди, со стороны исполнителя. Именно они вносят наибольший вклад в пространственное ощущение акустики зала. (Строго говоря, существуют также и первичные отражения от задней стены. Однако, наличие их хоть сколько-нибудь значительной, ощутимой на слух величины является серьезным дефектом концертного зала, т.к. звук при этом начинает “лупить в затылок”, что весьма неприятно. К сожалению, это - довольно широко распространенное явление во многих залах, особенно - с гладкой и плоской сплошной задней стеной.) Иногда - в случае большого количества первичных (по своей сути) отражений - их еще дополнительно “сортируют” по времени прихода к слушателю. При этом к собственно первичным (ранним) отражениям иногда относят те, для которых интервал между временем их прихода к слушателю и прямым звуком не превышает 60 миллисекунд. Это связано с интегрирующими свойствами нашего слуха, который звуки, находящиеся в пределах этого интервала воспринимает более-менее слитно, как единое целое. Эта группа отражений повышает субъективно воспринимаемую громкость звука, и в хороших залах они имеют довольно значительную величину, благодаря специально принятым при постройке мерам.

Вторичные и последующие отражения (линии 2 на рис.1) - это звуки, уже “переотраженные”, от одной стены - ко второй, от второй - к третьей, и так далее. По мере возрастания номера отражения - изменяется их АЧХ, отражения рассеиваются, “расщепляются”, увеличивается их число, и в конце концов - отзвуки уже перестают восприниматься по отдельности, сливаются в один сплошной, плавно затухающий отзвук (“хвост”) - собственно реверберацию.

Очевидно, что затухание звука - это процесс по самой своей сути, строго говоря, бесконечный. Поэтому для того, чтобы иметь возможность сравнивать между собой различные реверберационные процессы, для определения времени реверберации было предложено измерять так называемое RT60, иначе часто называемое временем стандартной реверберации. Это - время, за которое уровень затухающего (реверберирующего) сигнала уменьшается на 60 дБ.

Однако, помещения, имеющие одинаковые величины RT60, сплошь и рядом звучат абсолютно по-разному. Почему? А дело в том, что при измерении RT60 не учитываются частотные характеристики помещения. Более точную картину можно получить, если измерять RT60 по отдельности в нескольких частотных полосах. Вот тогда - будет возможно исследовать частотную характеристику реверберации, которая в общем случае должна быть несколько различной для разных видов музыки. Однако в большинстве залов эта характеристика близка к линейной, с небольшим уменьшением времени реверберации на низших и высших частотах, чтобы не “бубнило” и не “цыкало”.

Еще одной важной характеристикой реверберации является ее спектральная плотность. Этот параметр имеет размерность 1/Гц, и определяет, сколько пиков и провалов в АЧХ реверберации приходится на частотную полосу в 1Гц. Не вдаваясь излишне в теоретические дебри, скажем только, что чем больше этот параметр - тем плотнее, насыщеннее реверберационный отзвук помещения, и тем менее он “окрашен”. (Вспомните явно и сильно окрашенный отзвук в ванной, или любой другой пустой комнате!) Ведь если просто сложить два сигнала с небольшим сдвигом во времени, то получится эффект “Flanger”. Его АЧХ имеет вид “гребенки”, с чередующимися пиками и провалами. Как это звучит - все прекрасно знают. Но то, что хорошо в качестве эффекта - абсолютно неприемлемо в реверберации как таковой. Если же складываться будет множество сигналов, с различными задержками - то количество пиков и провалов в суммарной АЧХ будет увеличиваться, и они будут располагаться (в идеале) случайным образом. При этом отдельные элементы получающейся “гребенки” становятся более узкими и менее заметными на слух, “усредняются”, и звук становится менее окрашенным и более плотным, ровным. Для увеличения этой плотности (“диффузности”) необходимо, чтобы в создании реверберации принимало участие как можно большее число отражений сигналов от отражающих поверхностей. Поэтому в хороших залах вы не встретите простых плоских стен - для улучшения диффузности получаемого звукового поля их всегда делают изломанными, чтобы как можно больше увеличить число отражений.

В своем развитии системы искусственной реверберации прошли длинный и непростой путь. Исторически - первыми “искусственными ревербераторами” были эхо-камеры (“Echo chamber”). Они представляют собой систему из громкоговорителя и микрофона, размещенных в специальном помещении “сильно неправильной” формы с большим временем реверберации. В них получается “настоящий”, очень красивый реверберирующий отзвук, но изменение его параметров - практически невозможно, и осуществляется с большими трудностями. К тому же такую систему просто физически невозможно взять с собой - ни на концерт, ни на гастроли...

В попытках преодолеть эти трудности была создана первая электронная, а точнее - электронно-механическая система, пружинный ревербератор (“Spring reverb”). Его параметры сравнительно легко изменялись, размеры - были просто мизерными по сравнению с эхо-камерой, и эти ревербераторы в свое время имели огромное распространение. Однако создаваемый ими звук сильно уступал по качеству реальному. Ведь в пространстве помещения звук распространяется по трем осям - длине, ширине, высоте, а в пружине - только по длине. Вследствие этого реверберирующий отзвук был одномерным, т.е. более “тонким”, “жидким”.

Во “втором поколении” искусственных ревербераторов - листовом ревербераторе (“Plate reverb”) этот недостаток был в значительной мере преодолен путем замены пружины металлическим листом. При этом колебания в листе распространялись уже по двум осям - длине и ширине. Это, конечно, еще не три, как в реальном помещении, но все же - прогресс был значителен. Создаваемый этими ревербераторами звук был настолько хорош, что они практически завоевали весь “звуковой мир”, и во многих местах прекрасно работают и поныне. К сожалению, листовые ревербераторы имеют два принципиально неустранимых недостатка. Это весьма высокая чувствительность к акустическим помехам, и большие размеры, ведь - типичный размер применяемого в них стального листа составляет 1х2м! Естественно, что этим практически исключалась сама возможность использования этого типа ревербераторов в концертной, и тем более - гастрольной деятельности. А жаль, вещь хорошая!

Однако - пока успешно развивались различного рода акустико-механические ревербераторы, “электронщики” тоже не сидели сложа руки. Первые (условно!) “чисто электронные” ревербераторы использовали тракт записи-воспроизведения магнитофонов со сквозным каналом. Сигнал, снятый с выхода усилителя воспроизведения, подавался “назад” - на вход усилителя записи. Регулируя его уровень, можно было менять время затухания получаемого отзвука, т.е. как-бы “время реверберации”. Конечно, в системах с одной головкой воспроизведения получалась не настоящая реверберация, а просто ряд затухающих повторений исходного сигнала, т.е. обычное эхо.

Вот здесь - хотелось бы сделать маленькое отступление. Так как довольно долгое время в нашей - да и не только - стране этот вид “ревербераторов” имел наиболее широкое распространение, то создаваемый ими эффект многие и называли, и продолжают называть реверберацией. Неверно! Это - именно эхо, и ничего более! Или, по нашей традиции использовать иностранные слова вместо своих собственных - дилей, от английского Delay - задержка. Реверберация - это именно слитное послезвучание, в котором невозможно различить отдельные повторы. Если же четко слышен ряд отдельных повторов исходного сигнала - тогда это дилей. Вместо “длинного” слова “реверберация” иногда ее называют по-простому “холл”. Это не совсем верно, т.к. холл - это всего лишь один из режимов работы современных цифровых ревербераторв, но - не смертельно. А вот путаница в терминологии может слабонервного звукорежиссера довести и до инфаркта, если доведется услышать требование музыканта - “сделай мне на гитару ревер, но без холла...”. (Это, кстати, не выдумка автора, а вполне реальная фраза, услышанная в одной из студий). Давайте лучше называть вещи такими, какие они есть. Это и ваше время сэкономит, и работать будет легче...

Но - вернемся к теме. Ни о какой диффузности, настоящей реверберации в простейших “одноголовочных” устройствах и речи быть не могло. (Кстати, в англоязычной литературе этот класс устройств имел совсем другое название - “Echo Machine”, дословно - “машинка для создания эхо”.) Однако постепенно число головок воспроизведения увеличивалось, усложнялись алгоритмы создания обратной связи, и некоторые модели таких ревербераторов имели весьма хорошее (конечно, по тому времени) звучание - например, HOLLYWOOD, и некоторые другие. Но - прогресс в развитии микроэлектроники привел к “естественной смерти” этого класса устройств, и к полной замене их цифровыми ревербераторами.

По своей сути - цифровые ревербераторы являются просто твердотельными аналогами магнитофонных ревербераторов, только значительно более сложными. Для того, чтобы проще было понять процесс их работы, посмотрим на примерную упрощенную структуру “магнитофонного ревербератора” на рисунке внизу.

Сигнал с входа подается на головку записи 1, записывается на пленку, и затем воспроизводится с нее головками 2 и 3. Сигналы с головок 2 смешиваются в нужной пропорции в микшере, и через регулятор тембра в цепи обратной связи (позволяющий изменять частотную характеристику получаемой реверберации) подаются снова на запись. Этим создается основной реверберационный “хвост”. Сигналы с головок 3 также смешиваются в своем микшере, и подаются на выход всего устройства через регулятор баланса, позволяющий регулировать соотношение прямого (“Dry”) и реверберирующего (“Wet”) сигналов для установления требуемого уровня реверберации.

В цифровых ревербераторах также имеются все эти элементы, только некоторые из них носят другие названия.

“Сердцем” любого цифрового процессора является многоотводная цифровая линия задержки - “Multi-tap digital delay line”, на которую подается оцифрованный входной сигнал. (Эта линия выполняет функцию, аналогичную роли ленты в магнитофоне.) Для создания реверберации сигнал снимается со многих точек этой линии, называемых “отводами” (или, по-простому, “съемами”). Английское название этих отводов - “Tap” (отвод, ответвление). Каждая из этих точек съема сигналов с линии задержки выполняет роль головки воспроизведения в магнитофоне - 2 или 3. Естественно, что в случае с цифровыми процессорами полностью отсутствует главное ограничение магнитофонной техники - на количество головок. Ведь каждая из них имеет какой-то конечный размер, который невозможно уменьшать до бесконечности! А “в цифре” это количество может быть сколь угодно большим. Все ограничивается только мощностью самого процессора и быстродействием памяти. Очевидно, что эти величины на много порядков превосходят достижимые в магнитофонах, вследствие чего последние и вымерли, не выдержав конкуренции с более совершенной цифровой техникой.

Однако - это не относится к пружинным и листовым ревербераторам. Хотя они во многом и потеснены “цифрой”, однако их звучание имитируется, в той или иной мере, практически всеми цифровыми ревербераторами. Но об этом - чуть позже. Да и сами они еще, впрочем, применяются довольно широко.

В меню каждого цифрового ревербератора можно увидеть такое множество самых различных названий предлагаемых эффектов, что глаза разбегаются. Какой же выбрать? И чем, в сущности, они все различаются?

Как правило, несмотря на множество названий, число основных алгоритмов реверберации в каждом процессоре относительно невелико, и даже в самых дорогих моделях обычно не превышает трех - пяти. Число же созданных на их основе пресетов (пользовательских и заводских) может быть просто огромным!

И отличаются все они только вариациями параметров исходных алгоритмов. (Это, кстати, объясняет - почему в недорогих ревербераторах частенько гигантское количество программ, с весьма “эффектными” названиями, звучат уж очень одинаково...)

Обычно - это несколько (2 - 3) видов реверберации помещений (варианты названий - Hall, Reverb, Room, и др.), плюс... имитация наших старых знакомых, пружинного и листового ревербераторов - Spring и Plate соответственно. Да-да, это именно они! Только “упакованные” в цифры. Ну, и, естественно (куда ж без него!) наше старое знакомое эхо ленточного ревербератора, под названием Delay (задержка), а иногда - и просто эхо (Echo). Вот и все основные алгоритмы. Все - без исключения - рабочие программы создаются исключительно путем изменения множества параметров, входящих в эти алгоритмы, а также сочетания нескольких одновременно работающих алгоритмов для получения сложных, составных комбинированных звуков. Например, реверберация и эхо одновременно: Reverb + Echo.

Следует заметить, что большинство программ имеют в своей основе какой-либо набор характеристик существующих залов, только несколько модифицированный и “разъятый” на составные части - отдельно информация о структуре ранних отражений, отдельно - о самой реверберации.

Несколько особняком стоят программы, эмулирующие акустику реальных помещений - например, такие, как широко известный Тадж-Махал. В этих случаях возможности пользователя для изменения звучания чаще всего сильно ограничены - ведь не может же Тадж-Махал быть размером с кухню!

Итак - параметры... Здесь следует сразу оговориться, что последующее изложение не претендует на исчерпывающую полноту, т.к. у многих производителей (а если честно - то, увы, у подавляющего большинства!) одни и те же самые параметры именуются настолько по-разному, что “с ходу” далеко не всегда можно сразу разобраться, о чем вообще речь идет!

В соответствии с реверберацией реальных помещений все доступные для изменения пользователем параметры можно разделить на две основные группы - управление ранними отражениями (“Early reflections”) и собственно реверберационным “хвостом” (“Reverb”).

Посмотрите еще раз на отдельно взятые ранние (первичные) отражения:

Очевидно даже из рисунка, что простор для изменения параметров звука - огромен. На самом же деле он еще больше, ведь не все можно отразить визуально, да к тому же - на одной картинке!

К сожалению, есть только один параметр, более-менее одинаково называющийся у разных изготовителей - “Pre-Delay”, интервал времени между приходом к слушателю (точнее, в данном случае - поступлением на выход процессора) прямого, необработанного сигнала, и моментом появления самого первого задержанного (“отраженного”) сигнала. Хотя и здесь, что называется, “возможны варианты” - встречается также название “IniDelay”.

Следующим важным параметром является характер затухания сигналов ранних отражений, их огибающая - “Liveness”. (Хотя иногда этим термином обозначается лишь регулировка тембра звука ранних отражений по ВЧ.)

Еще один параметр, имеющий “физически” разное применение, это плотность структуры ранних отражений, их диффузность - “Diffusion”. Это различие объясняется тем, что в дорогих моделях изменяется то, что и написано: так как большая диффузность должна создаваться путем увеличения количества самих отражений, то в них именно так и происходит. Каждый одиночный импульс на рис.4 при увеличении этого параметра как бы “распадается” на пачку (“cluster”) из нескольких близко расположенных. К сожалению, в недорогих моделях часто делается по-другому: просто изменяются интервалы между самими отражениями. При этом отзвук становится, конечно, более плотным, но и - более коротким и окрашенным. Иногда этот параметр называется также “Density”.

Естественно также, что необходимо иметь и возможность регулировать громкость ранних отражений, этот параметр чаще всего именуется “ER Level”, или “InitLevel”, хотя бывают и другие обозначения.

В большинстве процессоров имеется возможность выбирать нужный вам вид ранних отражений из нескольких наборов - “Shape”. (англ. “модель”, “образец”), иногда - “ER Type”. Некоторые модели процессоров позволяют пользователю создавать и свои наборы ранних отражений. Это часто используется для создания специальных “нелинейных” эффектов - типа “Gate Reverb”. При этом для каждого единичного отражения вы сами можете установить его время задержки относительно прямого сигнала - Delay, уровень - Level, и положение в стереопанораме - Pan. Но об этом подробнее - чуть далее.

Если посмотреть повнимательнее на собственно реверберационный хвост на рис.2 - то можно заметить, что его единственное, в сущности, отличие от ранних отражений заключается в большей “слитности”. Отдельные повторения сигналов в нем так находятся так близко, что сливаются друг с другом, становятся практически неразличимыми. Во всем остальном - с точки зрения управляющих параметров - они одинаковы.

Точно также для реверберационной части должна быть предусмотрена возможность регулирования времени задержки “REV Delay”, однако здесь существует опять-таки разнобой: в некоторых процессорах это время отсчитывается относительно прямого сигнала, а в некоторых - относительно ранних отражений. Вот и разберись тут...

Аналогично предыдущему, бывают и регуляторы диффузности “Diffusion”, и выходного уровня отдельно для реверберации “Reverb Level”. Хотя иногда последний устанавливается не в “абсолютном виде”, а относительно уровня ранних отражений.

Что касается регулировок тембра - вот тут уже начинаются значительные отличия от имеющихся в ранних отражениях. Вызывается это тем, что они (отражения) поступают напрямую на выход процессора, и на этом их “жизненный путь” в ревербераторе окончен. Длительный же реверберационный “хвост” возможно получить только путем подачи выходного задержанного сигнала снова на вход, чтобы получить последовательность плавно затухающих во времени повторений исходного сигнала. (Этот процесс регулируется параметром “Decay”, или “REV Time” - время реверберации.) Очевидно, что если в цепь обратной связи включить эквалайзер, то будет возможно получить различное время реверберации на разных частотах. Как правило, такой эквалайзер есть во всех современных процессорах.

Разнообразие параметров регулирования АЧХ обратной связи - также, весьма велико. От простейшего регулятора уровня ВЧ “Hi Ratio”, только уменьшающего уровень этих составляющих, до весьма сложных четырех-полосных регуляторов кроссоверного типа. В этом случае устанавливаются как частоты раздела (LO-Xovr, LM-Xovr, HI-Xovr), так и уровень сигналов в каждой полосе (xLOW, xLOMID, xHIGH). При этом регулятор в одной из полос (как правило, на средних частотах) отсутствует, и уровни всех остальных сигналов устанавливаются относительно этого, являющегося для них опорным.

В сложных регуляторах - как правило, возможно не только ослабление сигнала в полосах, но и его усиление, причем эти параметры устанавливаются не так, как мы все привыкли измерять АЧХ - в децибелах, а как множитель относительно общего времени реверберации, показывающий - во сколько раз изменится время реверберации на этой частоте относительно общего.

К сожалению, такие возможности - это редкость, и бывают только в дорогих моделях. В наиболее распространенных процессорах среднего класса чаще всего предусмотрена только возможность регулировать уровень НЧ и ВЧ составляющих обратной связи - “LowRatio” и “HighRatio” соответственно. (Возможные варианты - “Bass Decay”, “Treble Decay”, и некоторые другие.)

Иногда вместо “регуляторов тембра” в цепи обратной связи устанавливаются перестраиваемые обрезные фильтры, ограничивающие полосу частот в обратной связи - НЧ (“HPF”, или “Hi-Pass”), и ВЧ (“LPF”, или “Low-Pass”).

Нет, это не ошибка! Ведь фильтр “Hi-Pass” пропускает высокие частоты, т.е. соответственно обрезает - низкие. И наоборот, “Low-Pass” пропускает низкие частоты, обрезая высокие.

Существует также ряд так называемых “глобальных” регулировок, изменяющих одновременно целый ряд параметров. К ним относится, например, регулировка “Size”, изменяющая размер имитируемого ревербератором помещения. Достаточно часто этот параметр индицируется в метрах - он показывает наибольший линейный размер этого помещения. Как правило, этот регулятор является как-бы “мастер-регулятором” для зависимых от него параметров - таких, как “Spread” и “Shape” - в тех моделях, где последний является регулятором, а не переключателем выбора исходного алгоритма.

В некоторых процессорах имеются алгоритмы, позволяющие синтезировать не существующее в реальности, а придуманное вами помещение. Установите сами его размеры - ширину “Width”, глубину “Depth”, высоту “Height”. Почувствуйте себя строителем!

В таких случаях предусматривается также ряд параметров “помещения”, отсутствующих в других программах. Например (так как звук в помещении распространяется по трем осям - длине, ширине, высоте) - можно выбрать степень “заглушенности” отдельно для каждой пары ограждающих поверхностей - горизонтальных “Height Decay”, и двух вертикальных - по ширине “Width Decay”, и глубине “Depth Decay”. Так как речь может идти только об ослаблении звука, то, естественно, эти коэффициенты всегда меньше единицы. Иногда возможно даже подобрать “Wall Roughness” - степень “неровности” стен!

Кроме описанных выше регуляторов, влияющих на сам характер получаемой искусственной реверберации, в хороших моделях предусматривается также ряд регулировок, позволяющих изменять восприятие этой реверберации, а иначе говоря - опять же регуляторов тембра, только на выходе процессора. Иногда это простейший общий выходной эквалайзер, а иногда - возможно отдельно изменять тембры звучания ранних отражений и собственно реверберационного “хвоста”. Очень полезен может быть включенный на входе процессора эквалайзер (“Pre-Effect EQ”), или же перестраиваемый обрезной фильтр, для удаления из обрабатываемого сигнала нежелательных составляющих (например, мощных НЧ-сигналов). К сожалению, этот фильтр крайне редко встречается...

Несколько особняком стоят параметры стереорежима. Дело в том, что, чисто принципиально, невозможно создать “настоящий” стерео-ревербератор, в котором получаемый с его помощью эффект зависел бы от пространственного расположения источников входных сигналов в стереопанораме. (Что бы ни утверждали рекламные обещания!) Процессоры, именуемые “истинно стереофоническим” на самом деле просто имеют два независимых канала для раздельной обработки сигналов левого и правого каналов. И ничего более! Поэтому честнее было бы называть все электронные ревербераторы “псевдо-стереофоническими”, но это - как вы сами понимаете - “не звучит”. (Хотя и является абсолютно правильным). А раз “псевдо” - значит, должны быть и соответствующие регулировки. И они бывают на самом деле, только редко. Одна из возможных - это, естественно, регулятор ширины стереобазы получаемого сигнала, “Reverb Width”. Кроме него, иногда встречается регулятор “независимости” каналов - ведь в хорошем ревербераторе, по сути, находятся два независимых процессора, для левого и правого каналов. И чтобы получить сложный, красивый пространственный выходной сигнал - необходимо подавать часть выходного сигнала каждого канала на вход другого. ( Параметр “Cross-Feedback”, “X-Feed” и др.) Иногда это просто “общий” выключатель “On/Off”, а иногда этот параметр входит составной частью в какой-либо алгоритм, и может плавно регулироваться в числе других, доступных вам параметров.