|
Скачать 1.64 Mb.
|
|
2.4.2, Линейные искажения Под линейными искажениями понимают искажения, обусловленные неравномерностью частотной характеристики тракта звукоусиления. Громкоговоритель, у которого неравномерность ча- 37 стотной характеристики не превышает ± 2 дБ во всем слышимом диапазоне частот, считается громкоговорителем высшего класса. Допуск ±5 дБ рассматривается еще как вполне удовлетворительный. Это объясняется тем, что каждому помещению свойственны колебания значений коэффициента передачи, которые по порядку величины могут превосходить указанный допуск1. К такого рода явлениям человек привыкает. Поскольку в той точке, где находится слушатель, спектры всех звуков претерпевают одни и те же изменения, человек научился абстрагироваться от этих изменений и правильно распознавать различные звуковые сигналы. Рис. 2.16. Спектры среднего относи- Рис. 2.17. Усредненные значения тельного уровня звукового давления «50%-ного уровня» по восьми во- для речи [37]: кальным произведениям [18] м-ужской; — — женской Рис. 2.18. Спектры среднего относительного уровня звукового давления для инструментальных групп [38] Рис. 2.19. Спектры среднего уровня для оркестровой музыки по данным различных авторов (пересчитаны к одному общему уровню) [18] 1 Не только могут, но всегда существенно превосходят. Достаточно сказать, что пик-фактор модуля передаточной функции обычного помещения составляет 15...20 дБ, и мы не замечаем обусловленных этим искажений только вследствие большой средней плотности «пиков» и «провалов» — средний интервал между ними составляет 2... 4 Гц. Важную роль играет также статистическая структура передаточной функции. Обо всем этом подробно рассказывается в § 5.1. — Прим. ред. 38 Сказанное не означает, что мы вообще не воспринимаем линейные отклонения. Как только такие отклонения вносятся «электроакустикой», мы их слышим и они нам неприятны, особенно при слушании музыки. Ведь концерты посещают, чтобы услышать неискаженное, естественное звучание оркестра и певцов. В системах, предназначенных в основном для повышения разборчивости речи, можно несколько поступиться натуральностью звучания. Для тех случаев, когда хотят скомпенсировать влияние помещения и электроакустических преобразователей или по каким-либо другим причинам изменяют частотную характеристику тракта усиления, на рис. 2.16—2.19 приведены усредненные спектры речи, пепия, инструментальных групп и оркестровой музыки. 2.4.3 Посторонние помехи Еще острее посетители концертов воспринимают изменения спектра, если последние имеют самостоятельный, не связанный с исполняемой программой, характер: щелчки, шорохи, нелинейные искажения, дребезг1. Во всех этих случаях спектр обогащается составляющими, не имеющими никакого отношения к исходному звучанию и обусловленными системой звукоусиления. Слушатель расценивает такого рода дефекты, как появление «нового сигнала», и если этот сигнал явно не относится к исполняемой программе, то слушатель отмечает «техническую неисправность». Посетители концертов очень чувствительны к рассматриваемым недостаткам и резко реагируют на них. В рамкаx данной книги будем полагать, что электрическая часть канала звукоусиления правильно спроектирована и постоянно контролируется. Таким образом, ограничимся только рассмотрением взаимодействия системы звукоусиления с помещением. Следует лишь отметить (см. рис. 2.15), что к усилительным устройствам систем озвучения предъявляются значительно более высокие требования по отношению сигнал-шум, чем это принято в технике передачи звука. На рис. 2.15 показано, сколь малые уровни звуковых давлений создаются при произнесении согласных. И эти слабые звуки должны быть еще хорошо слышны. В течение множества коротких промежутков времени уровень сигнала бывает ничтожно мал, и по сравнению с этим уровнем все помехи усилительного канала не должны быть слышимыми! Непосредственно в помещении, где исполняются музыкальные произведения, динамический диапазон, т. е. разность уровней между фортиссимо и пианиссимо, может многократно превышать динамический диапазон, принятый для студийных записей равным 60 дБ. Обычное и необходи- 1Авторы сводят в одну группу шумы и продукты нелинейных искажений. Строго говоря, эти две группы мешающих сигналов, обусловленных совершенно разными физическими причинами, следует различать. — Прим. ред. 39 мое в радиовещании и технике граммзаписи ограничение динамического дапазона до 40 дБ неприемлемо в системах звукоусиления. Системы звукоусиления не должны перегружаться при самых громких сигналах, их нельзя и «вводить» в самих тихих местах и тем не менее на пианиссимо — и в паузах тоже! — собственные шумы системы должны быть совершенно не слышны. Отношение сигнал-шум в таких системах должно составлять не менее 70 дБ (без устройств записи звука!) 1. 2 .4.4 Окрашивание звучания при склонности систем звукоусиления к самовозбуждению Главной проблемой техники озвучения является окрашивание звука, наблюдаемое при склонности системы к самовозбуждению и при введении искусственной реверберации. Вой или свисты в системе усиления, которые всегда могут возникать, так как громкоговоритель и микрофон находятся в одном и том же помещении, слышал каждый из нас. В связи с этим очень важны средства подавления и устранения опасности самовозбуждения системы в результате акустической обратной связи. Такие средства подробно обсуждаются в гл. 5. На практике при возникновении самовозбуждения уменьшают^ на несколько децибел коэффициент передачи усилителя. Хотя при этом самовоз* суждение исключается, тем не менее частота, на которой оно наблюдалось при полном коэффициенте передачи, представляет собой и при сниженном усилении постоянный источник помех. Время реверберации на этой частоте больше, чем на всех остальных частотах. Таких дискретных частот может наблюдаться несколько. Время затухания колебаний на них оказывается больше, чем у других составляющих спектра сигнала. Такое возрастание длительности отзвука воспринимается как окрашивание звучания. Проведенные Куттруффом соответствующие расчеты и субъективные исследования позволили установить, при каком снижении общего коэффициента усиления системы относительно его значения при самовозбуждении слушатели еще воспринимают окрашивание звучания [43, 441 Результаты представлены на рис. 2.20. В Рис. 2.20. Относительное число экспер* тов, которые при заданном снижении общего коэффициента усиления от порога самовозбуждения едва восприни« мают окрашивание звучания (а) и ощущают сильное окрашивание (б) [44] 1 Приводимые здесь цифры явно устарели. Современные высококачественные системы записи-—воспроизведения звука, в которых применяется эффективное компандерное шумопонижение, обеспечивают динамический диапазон до 80 дБ, а новейшие цифровые системы — даже до 90... 96 дБ. — Прим. ред. ходе экспериментов микрофон находился от громкоговорителя на расстоянии, превышающем радиус гулкости, т. е. практически воспринимал лишь отраженный звук. Как видно из рисунка, можно ограничиться снижением коэффициента усиления (относительно порога самовозбуждения) на 5 дБ. Очень часто считают достаточным снизить усиление на 3 дБ. Надо иметь, кроме того, в виду, что среднее значение достижимого усиления для всех частот слышимого диапазона должно лежать примерно на 12 дБ ниже порога самовозбуждения (см. гл. 5). Из сказанного следует, что на основе рассматриваемых явлений (когда усиление в системе близко к самовозбуждению) нельзя добиться ни эффективного звукоусиления, ни увеличения времени реверберации. Устойчивость системы звукоусиления можно обеспечить только применением направленных электроакустических преобразователей, а увеличение времени реверберации — с помощью специальных схем. Но и при использовании таких, описываемых в дальнейшем средств должны выполняться сформулированные выше условия, если необходимо исключить окрашивание звучания. При усилении звука микрофон чаще всего располагают в такой близости от источника, что он воспринимает преимущественно прямой звук. Микрофон оказывается при этом достаточно да» леко от громкоговорителя и не составляет труда поддерживать обратное воздействие на микрофон в тех границах, о которых говорилось выше и в пределах которых отсутствует окрашивание звучания. 2.4.5. Окрашивание звучания при реверберации Для музыкальных программ может оказаться желательным увеличение времени реверберации средствами электроакустики. При реализации такой задачи надо отчетливо представлять себе, что искусственно создаваемая реверберация не должна привносить тембральное окрашивание, отличное от того, которое обусловлено естественным реверберационным процессом в помещении. Это важно в тех случаях, когда искусственно вводимая реверберация теоретически вообще не обладает «окраской», т, е. время реверберации совершенно не зависит от частоты. Даже при этом условии слушатель воспринимает дополнительный ревербе-рационный процесс как чуждый, если собственный отзвук помещения имеет иную окраску. Необходимо либо подмешивать естественный реверберационный сигнал самого помещения к искусственно создаваемому, по возможности используя таким образом помещение как источник реверберационного сигнала и лишь «удлиняя» последний, либо несколько раньше излучать в помещении искусственный реверберационный сигнал (разумеется, не до при- 41 хода прямого звука) с тем, чтобы он с самого начала воспринимался как собственный отзвук помещения. Согласно исследованиям [80] для того, чтобы исключить окрашивание, плотность собственных частот реверберационных систем (эхо-комнат, листовых и электронных ревербераторов) должна быть выше трех на 1 Гц. Рисунок 2.21 иллюстрирует влияние этой плотности как функции частоты для нескольких примеров. Рис. 2.21. Область тембрального окрашивания некоторых систем искусственной реверберации в зависимости от частоты и числа собственных частот в полосе 1 Гц [80] 2.5. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛУХА 2.5.1. Временные параметры слуха В литературе можно часто встретиться с понятием постоянных времени слуха. Цвикер [27] показал, что правильнее было бы говорить о граничных временных интервалах, определяющих переход от одних закономерностей слухового восприятия к другим. Он указывает на наличие трех таких временных параметров, составляющих около 200, 20 и 2 мс в зависимости от того, идет ли речь об интегрировании слухового раздражения, о различении двух сигналов или о маскировке. Очевидно, что во всех случаях интересующие нас параметры определяются обработкой информации в нервной системе. Если бы динамические свойства слуха формировались только элементами, способными накапливать энергию, то мы вообще не могли бы воспринимать короткие звуковые сигналы с длительностью, меньшей постоянных времени релаксации) уха. Различия в огибающей процесса установления колебаний воспринимаются нами, если длительность процесса превышает 0,25 мс [45]. Это означает, что за такой короткий промежуток времени информация об изменениях сигнала достигает внутреннего уха. Предшествующие внутреннему уху массы и гибкости слухового канала, барабанной перепонки и косточек среднего уха, если и влияют в силу своей инерционности на распространение сигнала, то их влияние сказывается в области еще меньших времен. Обнаружение этого самого короткого из известных граничного временного интервала еще раз подтверждает то, что было сказано в § 2.4 применительно к тембральному окрашиванию звучания: наш слух особенно остро реагирует на новые сигналы из-за изменения их спектрального состава. То же относится (не следу-42 ет об этом забывать) и к нежелательным звукам, создаваемым системами звукоусиления, таким как потрескивания и коммутационные щелчки. 2.5.2. Процессы установления Чрезвычайно малое время, необходимое для восприятия ухом появившегося звука, объясняет, почему процессы установления играют решающую роль в распознавании музыкальных инструментов и речи. Если, например, в звучании взятой на фортепиано ноты исключить процесс установления тона и послушать установившийся звук и его постепенное замирание, то при этом нельзя будет идентифицировать звучание фортепиано. Аналогичный эксперимент можно было бы проделать почти со всеми инструментами. Только по спектру установившегося звучания их невозможно узнать. Лоттермозер показал, что важнейшую роль в нашем слуховом восприятии играют колебания частоты (а следовательно, и высоты тона) в процессе установления звука [29]. В связи с этим в каналах звукоусиления не должно быть элементов, которые влияли бы на процесс установления сигналов. Все промежуточные электрические и акустические инерционные устройства не должны изменять характера временных процессов, протекающих за 0,25 мс или за большее время. Обычные электродинамические громкоговорители не отвечают этому требованию. Поэтому для высококачественного воспроизведения стереофонических записей предпочтительнее использовать головные телефоны, обспечивающие более чистое и естественное звучание. Необходимо также внимательно относиться к выбору автоматических регуляторов уровня (компрессоры, экспандеры), следя за тем, чтобы они не искажали процесса установления сигналов. Особенно короткие времена установления — от 2 до 40 мс — имеют начальные и конечные звуки речи. Гласные длятся от 50 до 300 мс, но за это время их спектр сильно изменяется. Времена установления звучания музыкальных инструментов недавно были исследованы заново [46]. Наименьшее время установления — около 20 мс — имеют медные духовые инструменты (трубы); время установления деревянных духовых инструментов (включая флейты) составляет от 50 до 100 мс. Звучание смычковых инструментов устанавливается тоже очень быстро, в пределах 20 мс, если звук извлечен щипком. При использовании смычка время'установления возрастает до 100 ... 150 мс. При проектировании преобразователей и усилителей необходимо стремиться к тому, чтобы они не искажали процесса установления сигналов. 2.5.3, Временные пороги восприятия Для распознавания высоты тона требуется несколько большее время, чем упомянутый выше интервал времени, необходимый для распознавания различий в огибающей процесса установления зву-* ка и равный 0,25 мс. На средних и высоких частотах это время составляет около 4 мс, что объясняется необходимостью прослушать хотя бы несколько периодов колебаний, чтобы сделать выводы относительно высоты тона. Интересно, что даже тональные импульсы, имеющие, разумеется, широкополосный спектр, позволяют правильно воспринимать высоту тона. Согласно данным [45] если короткий тональный импульс имеет плавную огибающую для того, чтобы спектр частот вблизи тона заполнения был по возможности узким, то для распознавания высоты тона на частоте 1000 Гц достаточно всего четырех периодов, а на частоте 100 Гц — даже одного периода. Само собой разумеется, что в области низких частот временной порог восприятия тона несколько превышает 4 мс. У всех звуковых сигналов, с которыми встречаются при звукоусилении, в том числе и у низкочастотных сигналов, всегда имеются и высокочастотные составляющие, так что для правильного распознавания источников сигнала имеют значение временные интервалы порядка 1 мс. Можно возразить, что так не может быть, поскольку свойственная человеку разрешающая способность восприятия высоты тона требует большего времени для распознавания. Отингер [47], результаты которого хорошо согласуются с данными исследований, проведенных в Дрездене [48], установил, од« на ко, что соотношение погрешностей, согласно которому M>l/Af (М — время распознавания, Af — ширина полосы пропускания ка-передачи), не распространяется на ухо. Наше ухо представ-собой анализирующее устройство, которое прежде всего контролирует спектр во всей полосе частот слышимого диапазона (и делает это за малые времена), а затем сосредоточивает все свои разрешающие способности в области максимального возбуждения. Все это происходит так быстро, что выходит за рамки теоремы неопределенностей, справедливой для технических средств (см. также [7, с..469, 470]). 2.5.4. Постоянная времени слуха Инерционность уха проявляется в наибольшей степени не в тех случаях, когда речь идет о распознавании вновь поступающих сигналов, а при оценке уже воспринятых слуховых раздражений. При этом наше ухо пытается усреднять ощущение за возможно больший промежуток времени с тем, чтобы, в конце концов, вообще исключить необходимость в оценке восприятия. Все сказанное приобретает значение при формировании ощущения громкости звука. Через определенное время после включения источника, непрерывно излучающего шум, громкость достигает постоянного значе-ния. С физической точки зрения можно себе представить, что при этом устанавливается равновесие между энергией, подводимой к внутреннему уху, и энергией, которая там поглощается. При коротких импульсах подводимая энергия прежде всего накапливается во всех реактивных элементах уха и, в частности, в столбиках жидкости внутреннего уха. Согласно такому представлению граничное время восприятия громкости характеризуется тем, что при коротких импульсах вся подводимая энергия накапливается в механических реактивных элементах уха, а при более длительных раздражениях устанавливается равновесие между подводимой и поглощяемой мощностями. Результаты всех исследований в данной oбласти говорят о том, что при коротких импульсах впечатление о силе звука определяется в основном энергией сигнала, а при более продолжительных звуках — МОЩНОСТЬЮ [7, с. 472]. Та-кого рода особенности слуха можно с достаточной точностью опи-сать с помощью его постоянной времени (время релаксации). Граничное время, которое различные авторы приводят для перехода от накопления энергии в реактивных элементах к ее поглощению, изменяется в широких пределах и составляет от 10 до 200 мс. Получаемые результаты существенно зависят от условий проведения экспериментов [51, 52]. Наибольшие ошибки возникают в тех случаях, когда короткие импульсы сравниваются с длительным возбуждением. Эксперты в данном случае сравнивают по существу не уровень громкости, а длительности звучаний, и импульсы систематически оцениваются как более тихие. Стремясь получить достоверные соотношения, Низе [53, 75] ограничился сопоставлением импульсов, отношение длительностей которых не превышало 1:2. Исследуя также, при какой длительности импульсов и паузы между ними два одинаковых импульса формируют единое впечатление громкости, соответствующее их общей энергии, или же каждый импульс воспринимается со своей громкостью, он пришел к выводу, что постоянная времени, равная 25 мс, хорошо описывает энергетические свойства слуха. В международном масштабе была согласована постоянная времени 35 мс исходя в основном из того, что на практике редко имеют дело с длительными, стационарными сигналами. Реальные сигналы можно скорее рассматривать как последовательности импульсов. Главным здесь был вопрос о том, в какой степени последовательности импульсов могут формировать единое ощущение громкости [75]. |
|
Поиск на сайте Главная страница Литература Доклады Рефераты Курсовая работа Лекции |