Александр Загуменнов - Компьютерная обработка звука

• объединение функций эквалайзера и быстрого преобразования Фурье (спектральный анализ);

• выравнивание различий в уровнях;

• преобразование частоты дискретизации;

• экономия времени по сравнению с аналоговыми методами обработки;

• визуальный контроль результатов на экране видеомонитора.

Обязательное и очень важное требование к стереофонической записи – совместимость, то есть возможность ее воспроизведения в монофоническом режиме. При суммировании сигналов левого и правого каналов в монофоническом канале должны сохраняться все технические и художественные свойства записи (уровень громкости, музыкальный баланс, прозрачность, тембровая окраска звучания и др.), за исключением лишь пространственной локализации отдельных звуковых источников.

Совместимость стереофонических записей необходима для того, чтобы при параллельном существовании двух систем – стерео и моно – слушатели, располагающие обычной монофонической аппаратурой (например, монофоническими радиоприемниками), могли бы прослушивать стереофонические записи с удовлетворительным качеством, потеряв при этом лишь пространственный эффект.

Для правильного понимания проблем обработки звука необходимо различать первичные и вторичные акустические сигналы. К первичным относятся сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пение, речь, а также шумовые сигналы и т. п. В рамках этой книги фонограмму мы тоже рассматриваем как первичный акустический сигнал, который будем называть исходным сигналом. Ко вторичным относятся сигналы, воспроизводимые электроакустическими устройствами, то есть первичные акустические сигналы, прошедшие по электроакустическим трактам.

К параметрам, определяющим акустические сигналы, относятся значения уровня в частотном и временном представлениях, средние значения уровней, динамический диапазон, форма спектра и занимаемая полоса частот, а также время корреляции.

Слушатель всегда имеет собственное представление о «хорошем звуке», сформированное личным опытом, и оценивает звучание по многим субъективным критериям. Поэтому, говоря о свойствах звука, необходимо определить также критерии оценки, согласованные с субъективным восприятием звука.

Рассмотрим основные понятия, определяющие первичный акустический сигнал.

Динамический диапазон и уровни

Уровень акустического сигнала непрерывно изменяется во времени. Интервал таких изменений может быть довольно широким. На рис. 1.7 показана возможная зависимость уровня сигнала от времени.

Рис. 1.7. Зависимость уровня сигнала от времени: L – уровень сигнала; t – время; T – длительность сигнала; D – динамический диапазон

Разность между максимальным и минимальным уровнями (по мощности) называют динамическим диапазоном. Обычно единицей измерения динамических диапазонов является децибел (дБ). Диапазон в децибелах определяют как 20 десятичных логарифмов от квадрата максимального размаха (разности уровней) сигнала.

Сама по себе громкость звука определяется только как субъективный параметр. Но на практике уровни громкости также измеряют в децибелах.

Динамические диапазоны разных акустических сигналов существенно различаются. Некоторые из них приведены в табл. 1.1.

Следует различать динамические диапазоны первичного акустического сигнала и электроакустического тракта.

Частотный диапазон и спектры

Спектры акустических сигналов (форма и относительные мощности отдельных компонентов, полоса частот) для разных источников звука сильно отличаются. Любой сигнал можно представить в виде значений его уровня в любой момент времени. Такое представление называют импульсным. Другая форма представления сигнала – частотная. В этом случае сигнал изображают непрерывной совокупностью гармонических колебаний. Спектр звукового сигнала – это совокупность звуковых гармонических колебаний. Формально определением спектра является специальное интегральное преобразование, выполняемое на бесконечно большом отрезке времени. На практике временные интервалы, на которых определяют спектры сигналов, ограничены, но они все же должны быть намного больше обратного значения возможной полосы частот сигнала.

Зависимость амплитуды гармонического сигнала от частоты называют частотной характеристикой. Частотные характеристики реальных сигналов с ростом частоты спадают. Под полосой частот сигнала понимают тот интервал, где уровень частотных компонентов превышает некоторое заданное значение, например -60 дБ. За пределами этого интервала значения уровня частотных составляющих принимаются за 0.

К временным (импульсным) характеристикам относятся волновая форма сигнала и время корреляции. Корреляция – это достаточно сложный и важный параметр, заимствованный из теории вероятности. Дело в том, что любой несущий информацию сигнал следует рассматривать как случайный процесс. Белым шумом называют такой случайный сигнал, в котором все последующие значения уровня никак не зависят от предыдущих. Белый шум имеет нулевое среднее значение размаха сигнала и бесконечно широкий спектр. Реальные сигналы отличаются от белого шума тем, что последующие значения зависят от предыдущих. Такая зависимость и называется корреляцией, а среднее значение интервала времени, в пределах которого эта зависимость сохраняется, называется временем корреляции. Время корреляции, в частности, важно учитывать потому, что оно определяет время взаимодействия (интерференции) с отраженными сигналами, а следовательно, и интенсивность интерференционных помех.

Волновая форма сигнала дает возможность определить резкие переходы интенсивности звукового сигнала.

Возможны самые разнообразные нарушения точности передачи сигнала через электроакустические тракты. Основные из них: потеря акустической перспективы, смещение уровней, ограничение динамического и частотного диапазонов сигнала, помехи и искажения. Поэтому основной задачей электроакустических систем, в частности систем обработки звука, является максимальное достижение идентичности характеристик первичных и вторичных акустических сигналов. Совершенно очевидно, что для этого необходима обширная гамма средств, конкретно воздействующих на тот или иной параметр акустического сигнала.

Первичный акустический сигнал обладает широким спектром, и для его правильной передачи электроакустический тракт должен иметь достаточно широкий частотный диапазон. Системы обработки звука при этом должны соответственно работать во всем диапазоне.