Запись

Л/вх -40 дБ т

-40 дБ

Л/вых

Воспроизведение А

Л/вх -40 дБ -г

-40 дБ

А/вых

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

Эти недостатки в значительной степени устранены в шумоподави-теле Долби, названном по имени автора - инженера радиовещательной компании BBS-Dolby.

Существует ряд разновидностей этой системы, характеризующихся сложностью их исполнения. Принцип работы системы Долби-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 равным 10 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 пропускания 30...80, 80...3000 Гц, 3000...20 ООО и 9000...20 ООО Гц. В сходной по принципу работы системе Телефун-кен 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 в пределах 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.

В пределах полосы пропускания каждого из компандеров отношение максимальной и минимальной частот значительно меньше, чем в однополосном 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 ком-пандирование 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 частот, обеспечивающий 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 порядка 15 дБ, в диапазоне 2000... 10 ООО 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 около 24 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.

180°

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

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 вьюокочастотной 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 на 180°, Один из сигналов подается в канал обработки, где составляющие вьюоких 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 среза 4,5 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

Глава 4. Обработка звуковых сигналов

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 и, следовательно, уровня шумов.

Шумоподавитель DNL улучшает отношение сигнал-шум на частоте 6 кГц примерно на 5 дБ, а на частотах выше 10 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, в области частот примерно 300-600 Гц, и вьюокая, 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 в оперных 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

4.4. Устройства обработки для получения специальных звуковых эффектов -] 37

лишь тем голосам, в которых хорошо развита вьюокая 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 тьюяч герц объясняется то обстоятельство, что хороших певческих женских голосов заметно больше, чем мужских. В женских голосах высокая певческая форманта играет менее важную роль, чем в мужских, так как спектры меццо-сопрано или сопрано и без 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 и музыкальные 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 инструмента. 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 зву-ко-техники 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-