Добавил:
Upload
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Muz_informatika (2) / Прошлогоднее, вырезанное / психоакустика
.txt Психоаку?стика — научная дисциплина, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком.
В аспекте сугубо музыкальном, основными задачами психоакустики являются следующие:
понять, как система слухового восприятия человека расшифровывает тот или иной звуковой образ;
установить основные соответствия между физическими стимулами и слуховыми ощущениями;
выявить, какие именно параметры звукового сигнала являются наиболее значимыми для передачи семантической (смысловой) и эстетической (эмоциональной) информации.
Содержание [убрать]
1 Предпосылки
2 Пределы восприятия звука
3 Что мы слышим
4 Эффект маскировки
4.1 Одновременная маскировка
4.2 Вре?менная маскировка
4.3 Постстимульное утомление
5 Фантомы
6 Психоакустика в программном обеспечении
7 См. также
8 Примечания
9 Литература
10 Ссылки
[править]Предпосылки
Во многих приложениях акустики и обработки звуковых сигналов необходимо знать, что люди слышат. Звук, который образуют волны давления воздуха, может быть точно измерен современным оборудованием. Однако понять, как эти волны принимаются и отображаются в нашем головном мозге — задача не такая простая. Звук — это непрерывный аналоговый сигнал, который (в предположении, что молекулы воздуха бесконечно малы) может теоретически переносить бесконечное количество информации (так как существует бесконечное число колебаний, содержащих информацию об амплитуде и фазе).
Понимание процессов восприятия позволяет учёным и инженерам сосредоточиться на возможностях слуха и не учитывать менее важные возможности других систем. Важно также отметить, что вопрос «что человек слышит» — не только вопрос о физиологических возможностях уха, но во многом также вопрос психологии, чёткости восприятия.
[править]Пределы восприятия звука
Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.
Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее — к нарушение слуха, контузия и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.[источник не указан 30 дней]
Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.
Кривая абсолютного порога слышимости является частным случаем более общих — кривых одинаковой громкости. Кривые одинаковой громкости — это линии, на которых человек ощущает звук разных частот одинаково громкими. Кривые были впервые получены Флетчером и Мансоном (H. Fletcher and W. A. Munson) и опубликованы в 1933 году в труде «Loudness, its definition, measurement and calculation»[1]. Позже более точные измерения выполнили Робинсон и Датсон (D. W. Robinson and R. S. Dadson)[2]. Полученные кривые значительно различаются, но это не ошибка, а разные условия проведения измерений. Флетчер и Мэнсон в качестве источника звуковых волн использовали наушники, а Робинсон и Датсон — фронтально расположенный динамик в безэховой комнате.
Измерения Робинсона и Датсона легли в основу стандарта ISO 226 в 1986 г. В 2003 году стандарт ISO 226 был обновлён с учётом данных, собранных из 12 международных студий.
Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки — так называемый микроволновый слуховой эффект, когда импульсное или модулированное излучение в микроволновом диапазоне воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.[3]
[править]Что мы слышим
Человеческий слух во многом подобен спектральному анализатору, то есть, ухо распознаёт спектральный состав звуковых волн без анализа фазы волны. В реальности фазовая информация распознаётся и очень важна для направленного восприятия звука, но эту функцию выполняют ответственные за обработку звука отделы головного мозга. Разница между фазами звуковых волн, приходящих на правое и левое ухо, позволяет определять направление на источник звука, причём информация о разности фаз имеет первостепенное значение, в отличие от изменения громкости звука воспринимаемого разными ушами. Эффект фильтрации передаточных функций головы также играет в этом важную роль. Человеческое ухо способно в норме воспринимать звук от 10-30 dB в интервале частот от 125 до 8000 hz.[источник не указан 30 дней]
[править]Эффект маскировки
В определённых случаях один звук может быть скрыт другим звуком. Например, разговор рядом с железнодорожными путями может быть совершенно невозможен, если мимо проезжает поезд. Этот эффект называется маскировкой. Говорят, что слабый звук маскируется, если он становится неразличимым в присутствии более громкого звука.
Различают несколько видов маскировки:
По времени прихода маскирующего и маскируемого звука:
одновре?менное (моноуральное) маскирование
вре?менное (неодновременное) маскирование
По типу маскирующего и маскируемого звуков:
чистого тона чистым тоном различной частоты
чистого тона шумом
речи чистыми тонами
речи монотонным шумом
речи импульсными звуками и т. п.
[править]Одновременная маскировка
Любые два звука при одновременном прослушивании оказывают влияние на восприятие относительной громкости между ними. Более громкий звук снижает восприятие более слабого, вплоть до исчезновения его слышимости. Чем ближе частота маскируемого звука к частоте маскирующего, тем сильнее он будет скрываться. Эффект маскировки не одинаков при смещении маскируемого звука ниже или выше по частоте относительно маскирующего. Низкочастотный звук маскирует высокочастотные. При этом важно отметить, что высокочастотные звуки не могут маскировать низкочастотный.
[править]Вре?менная маскировка
Это явление похоже на частотную маскировку, но здесь происходит маскировка во времени. При прекращении подачи маскирующего звука маскируемый некоторое время продолжает быть неслышимым. В обычных условиях эффект от временной маскировки длится значительно меньше. Время маскировки зависит от частоты и амплитуды сигнала и может достигать 100 мс.
В случае, когда маскирующий тон появляется по времени позже маскируемого, эффект называют пост-маскировкой. Когда маскирующий тон появляется раньше маскируемого (возможен и такой случай), эффект называют пре-маскировкой.
[править]Постстимульное утомление
Нередко после воздействия громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется «временный сдвиг порога слуховой чувствительности» или «постстимульное утомление». Сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причём наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокочастотные составляющие сигнала.
[править]Фантомы
Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.
Этот эффект используется в некоторых коммерческих звуковых системах, чтобы расширить область воспроизводимых низких частот, если невозможно адекватно воспроизвести такие частоты напрямую, например в наушниках. При долгом прослушивании это может быть вредно для слуха.[источник не указан 64 дня]
[править]Психоакустика в программном обеспечении
Психоакустические модели слуха позволяют с высоким качеством производить компрессию сигнала с потерей информации (когда восстановленный сигнал не совпадает с исходным), за счет того, что позволяют точно описать, что можно безопасно удалить из исходного сигнала — то есть, без значительного ухудшения качества звука. На первый взгляд может показаться, что вряд ли это позволит обеспечить сильное сжатие сигнала, однако программы, использующие психоакустические модели позволяют добиться уменьшения объемов файлов с музыкой в 10—12 раз, и при этом разница в качестве будет не очень значительна.
К таким видам компрессии относятся все современные форматы сжатия звука:
MP3 (практически то же самое что и Musicam (используется для цифрового аудиовещания в некоторых странах, в отличие от mp3 (Mpeg 1 Layer 3) считается более профессиональным алгоритмом сжатия (кодеком). Также известен как MPEG-1 Layer 2 и MP2)
Ogg Vorbis
WMA
AAC
Musepack
ATRAC используется в формате MiniDisc и в некоторых портативных MP3-плеерах Sony
Психоакустические процессоры
Михаил Чернецкий
В профессиональной аудиоаппаратуре один прибор обычно осуществляет какой-либо один вид обработки. Например, компрессор и гейт – динамическую обработку входного сигнала, эквалайзер – частотную, и т.д. Но есть класс приборов, сочетающих в себе несколько видов обработки, при этом они еще и взаимодействуют между собой, и часто весьма неочевидным
образом. Это психоакустические процессоры. Поэтому же, кстати, вокруг них столько различных легенд, чего не скажешь о других типах приборов.
К тому же, сами разработчики и изготовители сплошь и рядом настолько туманно описывают принцип действия и работу психоакустических процессоров, что понять что-либо об их реальном действии из прилагаемых в комплекте описаний практически невозможно.
Дело в том, что многие из психоакустических процессоров в своей работе используют очень тонкие, не всегда очевидные или просто малоизвестные многим особенности человеческого слуха: эффект Хааса, эффекты маскировки, интегрирующие свойства слуха и др. А некоторые процессоры психоакустической обработки даже добавляют к входному сигналу его гармоники, то есть вместо чистого сигнала "подсовывают" нашему слуху неправильный, "грязный" сигнал. Но мы слушаем результирующий сигнал с гораздо большим удовольствием, чем исходный чистый…
Все рассмотриваемые различные типы приборов, относящихся к классу психоакустических процессоров, можно условно разделить на два различных класса.
Первый, "классический", осуществляет обработку сигналов без изменения их пространственных характеристик. То есть если входной сигнал был "моно", то и на выходе прибора он останется монофоническим, а если входной сигнал был стереофоническим, то ни одна деталь в его стереообразе не
будет изменена – левый и правый сигналы стереопары в процессе обработки никак не взаимодействуют друг с другом.
Устройства же, принадлежащие к другому классу, предназначены именно для изменения "стереофоничности" сигналов: для расширения стереообраза, создания различного рода "псевдостереоэффектов", превращения моноисточников в стерео, и т.д. Как правило, все эти эффекты получаются при совместной обработке обоих сигналов стереопары. О них мы отдельно поговорим в конце статьи.
Итак – "классические", наиболее известные и распространённые психоакустические процессоры.
Энхансер (Enhancer)
Это один из самых первых психоакустических процессоров. Он выпускался и выпускается поныне многими фирмами, а в нашей стране этот класс устройств стал известен ещё по аппаратуре микросерии фирмы Alesis. Энхансер позволяет в ряде случаев сделать звучание более четким и "конкретным", звонким. Особенно хорош энхансер для обработки отдельных звуков, преимущественно с резкими атаками (ударные и т.п.). Многие довольно смутно представляют себе его работу, однако ничего сложного и таинственного в нем нет. По сути это гейт (или экспандер), но работающий только в высокочастотной области спектра. Большинство энхансеров выполнено по обобщенной структурной схеме, приведенной на рис.1.
Рис. 1. 1 – фильтр высоких частот (ФВЧ); 2 – управляющий элемент (VCA); 3 – сумматор; 4 – блок управления
Входной сигнал энхансера поступает на фильтр (1), выделяющий из всего звукового спектра только его высокочастотные составляющие. Затем этот отфильтрованный сигнал поступает на элемент (2), осуществляющий управление его амплитудой, после чего в сумматоре (3) добавляется к исходному сигналу.
Управляющее напряжение для VCA вырабатывается блоком управления (4) на основе анализа
ВЧ-составляющих входного сигнала.
Различные модели энхансеров отличаются между собой главным образом характеристиками фильтров ФВЧ, и алгоритмом работы и управления. Следует обратить особое внимание, что все без исключения энхансеры работают только "в плюс", т.е. могут только увеличивать долю ВЧ-составляющих в суммарном выходном сигнале.
Отличия в алгоритмах работы энхансеров разных фирм и моделей заключаются, в основном, в том, как именно блок управления реагирует на входной сигнал. Некоторые модели реагируют просто по принципу "есть высокие/нет высоких", т.е. если на входе есть ВЧ-составляющие, то их уровень энхансером дополнительно еще увеличивается, если же их нет, то энхансер не оказывает никакого воздействия на входной сигнал.
В более сложных моделях блок управления реагирует не на саму величину ВЧ-составляющих входного сигнала, а только на ее увеличение и/или на скорость этого увеличения. При этом в момент резкого нарастания ВЧ-составляющих на входе энхансера их уровень на выходе на короткое время также увеличивается. Это позволяет сделать работу энхансера менее заметной на слух, и более "живой" – ведь при этом подчеркиваются, становятся более четкими только моменты атаки ударных инструментов, а на общий сигнал работа прибора оказывает очень мало влияния. Благодаря этому лучше прорабатываются мелкие детали звуковой картины, звучание становится более акцентированным, отчетливым.
Максимайзер (Sonic Maximizer)
Это устройство (не путать с компьютерным Plug-in!), разработанное фирмой ВВЕ, имело лет десять-пятнадцать назад фантастическую популярность в нашей стране. Затем интерес к нему стал убывать, и сейчас уже очень редко где его можно встретить.
Во многом причины такой "скоропостижной смерти" кроются в незнании возможностей этого прибора, обусловленном крайне неудачным руководством к нему, мало что говорящим о его принципе действия и реальной конструкции.
В своей основе Sonic Maximizer похож на "классический" энхансер, но главное его отличие заключается в том, что максимайзер может работать как "в плюс", так и "в минус".
По структурной схеме Sonic Maximizer – это два обычных (типа shelf) регулятора тембра по низким и высоким частотам. Но при этом регулятор НЧ, который здесь называется Low Contour, – самый обычный, с ручным управлением. А вот к регулятору ВЧ пользователь не имеет непосредственного доступа, им управляет схема. Можно лишь устанавливать уровень "вмешательства" схемы в сигнал с помощью
регулятора Definition (четкость).
Примерная упрощенная структурная схема максимайзера показана на рис.2.
Рис. 2. 1 – регулятор тембра; 2 – регулятор тембра ВЧ; 3 – фильтр ВЧ; 4 – полосовой фильтр ВЧ; 5 – блок управления
Сигнал с входа устройства поступает на регуляторы тембра, и одновременно – на два фильтра – ФВЧ (3)
и полосовой(4). При этом ФВЧ, соответственно своему названию, выделяет только высокочастотные
составляющие, а полосовой фильтр ПФ – среднечастотные, лежащие ниже полосы пропускания ФВЧ. Сигналы этих двух полос звуковых частот поступают в блок управления (5), который сравнивает их величины, и на основе этого сравнения решает, что делать с ВЧ – поднимать или ослаблять. То есть, если прибор решит, что во входном сигнале уровень ВЧ слишком "задран" относительно середины, то он даст команду регулятору тембра высоких частот (2) ослабить верха, если же наоборот, середина излишне "задрана", а верх слишком слаб, – то поступит команда на подъем ВЧ. Регулировка эта осуществляется, к счастью, не скачком, а пропорционально разнице уровней СЧ и ВЧ.
Каким же именно образом, то есть насколько сильно осуществляется эта регулировка, решает опять же прибор, а не пользователь. Он может только установить предел глубины этой регулировки регулятором Definition. Между собой различные модели максимайзеров отличаются, главным образом, частотами раздела фильтров СЧ/ВЧ и динамическими характеристиками цепей управления. Работу регулятора тембра ВЧ индицируют светодиоды со значком (почему-то) фазы, указывающие, что сейчас происходит – подъем ВЧ (+) , или завал (-).
Так как все решает " железка", то это устройство очень легко и часто обманывается. Попробуйте подать ему на вход один только среднечастотный сигнал (например, флейты) – и послушайте результат. Шок гарантирован!
Очевидно, что наилучшее применение такого прибора, как максимайзер, – это корректирование баланса уже готовых и сведенных фонограмм для приведения их к единообразному характеру звучания, или же обработка любых иных широкополосных сигналов.
Виталайзер (Vitalizer)
Еще одно устройство, окутанное легендами... При этом их спектр весьма широк, от абсолютной веры во всемогущество виталайзера, до почти полного его неприятия. Между тем этот прибор, разработанный и выпускаемый немецкой фирмой SPL, – вполне достойное устройство, если применять его по назначению, и не требовать от него невозможного. (Впрочем, это относится и ко всей аппаратуре вообще…)
Виталайзеры выпускаются фирмой в нескольких моделях и под разными названиями, от просто Vitalizer до "страшного" названия Psycho Dynamic Processor. Однако реальные различия между ними, кроме отдельных или совмещенных стереоканалов, а также разноименных и частенько "заумных" надписей на одинаковых и простых по своей сути регуляторах, заключаются только в несколько отличающихся параметрах частотозадающих цепей. Поэтому ограничимся здесь рассмотрением лишь одной модели, с наиболее понятной лицевой панелью.
Структурная схема виталайзера здесь не приводится, так как все они, имеющиеся в фирменных руководствах, предназначены скорее для того, чтобы скрыть истинное устройство прибора, чем для того, чтобы более-менее понятно объяснить его. Поэтому описываю его устройство на основе собственного опыта по ремонту и модернизации этих приборов..
Модель Stereo Vitalizer включает в себя своеобразный "психоакустический эквалайзер" и так называемый Surround-Processor, который представляет собой достаточно тривиальный расширитель стереобазы (о них, как и обещано, – чуть позже). Но вот его эквалайзер рассмотрим поподробнее, так как это – штука довольно своеобразная, не совсем обычная.
Он состоит из двух частей, действующих практически независимо одна от другой. Общее у них только то, что, помимо отдельных регуляторов на различные полосы спектра, есть и общий регулятор Process, устанавливающий глубину влияния сразу всех темброобразующих цепей на обрабатываемый сигнал. Достигается это благодаря применению так называемого "параллельного" принципа построения тракта обработки.
При этом различные частотные составляющие сигнала эффектов сначала суммируются между
собой, и только затем добавляются к исходному сигналу.
Итак – регулятор Bass. Его отличие от обычных: во-первых, он работает только "в плюс", т.е. на подъем – независимо от того, куда он повернут от нулевого положения, вправо или влево. Во-вторых, в зависимости от направления поворота этого регулятора, сигнал НЧ-составляющих подмешивается к исходному сигналу то синфазно, то противофазно. Естественно, что во втором случае сначала происходит ослабление НЧ, и только при дальнейшем вращении этого регулятора в том же направлении – начинается подъем НЧ. Очевидно, что результирующая АЧХ при этом будет существенно отличаться от получающейся в первом случае.
Кроме различия в АЧХ, проявляются и различия в ФЧХ. Во втором случае (сложение с противофазой) – фаза результирующего сигнала на низких частотах отстает (запаздывает) от соответствующей фазы
во входном сигнале, что в ряде случаев может использоваться для корректировки временного положения в общей звуковой картине звучания отдельных инструментов, имеющих преимущественно низкочастотный спектр. То есть, можно несколько "разделить", "развести" по временной оси к примеру, звучание бас-гитары и большого барабана, или, наоборот, совместить их, исходя из того, что в данный момент
необходимо.
Регулировка тембра на средних и высоких частотах в виталайзере осуществляется двумя регуляторами – Mid-High Tune и Harmonics.
Первый из этих регуляторов – это регулятор ВЧ-тембра, однако весьма необычный. Дело в том, что, в силу особой конструкции виталайзера, при установке общего регулятора Process в максимальное положение результирующая АЧХ приобретает плавный, пологий спад в направлении от низких частот к высоким, т.е. чем выше частота входного сигнала, тем более он ослабляется на выходе. Максимальная величина этого ослабления, правда, относительно невелика, и составляет около 6 дБ. Упомянутый же регулятор Mid-High Tune позволяет поднимать самые высокие частоты, начиная от частоты около 20 кГц, и... вниз! Единственный момент, который делает работу со всеми виталайзерами несколько непривычной, – это то, что регулятор Mid-High Tune установлен "наоборот".
Т.е. его крайнее левое положение соответствует подъему самых верхних частот, а крайнее правое, наоборот, – самых низких. (Очень похоже на то, что у фирмы просто не хватило денег для заказа необходимых, довольно "экзотических" переменных резисторов…)
Этот регулятор, по сути, представляет собой электронный аналог резонансного контура, настроенного на частоту 24 кГц. И изменение полосы частот, в которых осуществляется коррекция АЧХ, производится путем изменения добротности этого контура (т.е. ширины полосы захватываемых им частот звукового сигнала), а не частоты его настройки. При высокой добротности осуществляется подъем только наивысших частот звукового спектра, который лишь чуть затрагивается в своей самой высокочастотной области достаточно узкой резонансной кривой этого контура. При снижении добротности (повороте ручки Mid-High Tune в сторону более низких частот) – полоса "захватываемых" этим контуром частот расширяется вниз, и осуществляется подъем не только наивысших составляющих спектра, но и более низких.
Таким образом, при использовании этого регулятора удается поднять самые верхние частоты, и одновременно – ослабить уровень "верхней середины", которая столь часто так сильно досаждает во многих отечественных записях (те самые, печально знаменитые "русские 6 кГц"…).
Второй регулятор виталайзера – ручка Harmonics. Это регулятор уровня выходного сигнала встроенного в виталайзер эксайтера, подмешиваемого в общий сигнал эффекта. Вообще-то, этот эксайтер – один из самых простейших, и кроме регулятора уровня имеет только регулятор частоты настройки, совмещенный конструктивно с ручкой регулятора Mid-High Tune.
Некоторые из моделей виталайзеров имеют еще дополнительно и кнопку Solo, позволяющую снимать с них только сигнал эффекта, и осуществлять смешивание его с прямым сигналом во внешних устройствах, например, в микшерном пульте.
Эксайтер (Exciter)
С момента своего появления в конце 70-х годов эксайтер был и остается самым популярным психоакустическим процессором. Можно сказать, что с него, собственно, и началась эра психоакустических процессоров как таковых. Выпускаемые, кроме своего "прародителя", американской фирмы Aphex, еще многими фирмами, эти приборы имеют во многом схожие структуры. Однако большинство опубликованных в открытой печати их структурных схем имеют множество ошибок – возможно, случайных (или умышленных – как знать!), поэтому на рисунке 3 приведена слегка упрощённая блок-схема российского эксайтера, разработанного автором и выпускаемого московской фирмой Long. От наиболее известного в нашей стране эксайтера (Aphex Aural Exciter тип C) эта модель отличается существенно более широким набором пользовательских функций.
Поступающий на вход эксайтера сигнал разветвляется на два: один из них поступает непосредственно на выходной сумматор, а второй направляется в цепи обработки, после которых он добавляется к прямому, необработанному сигналу. (Эксайтер, как и рассмотренный выше виталайзер, тоже построен по параллельному принципу.)
Рис. 3. 1 – входной регулируемый усилитель; 2 – специальный фильтр ВЧ; 3 – генератор гармоник; 4 – сумматор сигнала; 5 – выходной сумматор
В цепи обработки сигнал вначале поступает на входной регулируемый усилитель (1), с помощью
которого можно подобрать необходимую величину загрузки (уровень возбуждения) генератора гармоник (3), находящегося после специального ВЧ-фильтра (2). Этот фильтр имеет особые АЧХ и ФЧХ, позволяющие при дальнейшем суммировании обработанного и прямого сигналов получить "растяжку" коротких импульсов и, как следствие, несколько увеличить их субъективно воспринимаемую громкость. В фильтре имеются: регулятор частоты настройки Tune, позволяющий выбрать для обработки желаемую часть спектра входного звукового сигнала; регулятор добротности Peaking, позволяющий создать дополнительный акцент в звучании; переключатель Vox/Wide, кардинальным образом изменяющий характер работы и, соответственно, звучания эксайтера, особенно в области средних частот.
Прошедший фильтрацию сигнал опять, в свою очередь, разветвляется на два. Один поступает прямо на сумматор сигнала эффекта (4), а второй подается на управление генератором гармоник (3). Вот в этом генераторе на основе информации, извлекаемой из входного сигнала, и осуществляется самое главное – генерация высших гармоник. При этом синтезируется, главным образом, вторая гармоника – как
самая благозвучная (октава), а также еще некоторые, но существенно меньшие по амплитуде.
Синтезированные гармоники через регулятор Brightness, позволяющий установить их желаемую величину в общем сигнале эффекта, подаются на сумматор сигнала эффекта (4).
Затем полностью сформированный сигнал эффекта с помощью регулятора Mix подмешивается к
исходному (входному) сигналу в выходном сумматоре (5). Ручкой Mix устанавливается нужная величина эффекта действия эксайтера.
По звуку эксайтер относится к той, любимой профессиональными звукорежиссерами группе устройств, работа которых незаметна до тех пор, пока их не выключишь. При его включении из звука уходят "вата" и "муть", звучание становится четким и прозрачным.
Так как действие его основано на довольно сложном процессе, учитывающем комплексный характер восприятия звуков человеческим ухом, то в силу сложности этого процесса все попытки как-то охарактеризовать производимый эксайтером эффект носят преимущественно описательный характер. (Кстати, это вообще одна из отличительных черт всех психоакустических процессоров – сложность, а то и невозможность с помощью цифровых параметров описать их работу.) Поэтому не удивляйтесь, если в рекламных материалах, или даже в самом руководстве на процессор, будет куча ненужных цифр (вес, размеры, потребляемая мощность и т.д.), и ни одной цифры, характеризующей то единственное, что вас на самом деле интересует – звук. В случае с эксайтером, единственная цифра, имеющая отношение к
делу, – это диапазон перестройки фильтра (частота настройки). В большинстве моделей это диапазон от 700 Гц до 7 кГц, в описанном выше приборе пределы регулирования несколько шире – от 450 Гц до 8 кГц.
Применение эксайтера придает прозрачность и четкость любому звучанию, при его включении звук как бы "раскрывается". Значительно улучшаются проработка и восприятие мельчайших деталей и нюансов звукового сигнала, звук становится живым и естественным, начинает "дышать". Вокал после обработки его эксайтером приобретает повышенную четкость и полетность, ударные инструменты (особенно тарелки) – начинают звучать лучше, чем "живые". Прекрасно звучит с эксайтером и акустическая гитара.
Применив эксайтер для обработки суммарного сигнала на концерте, вы удивитесь – как хорошо, оказывается, может звучать эта акустическая система. Практически не существует ни одного музыкального инструмента или звуковоспроизводящей системы, звучание которых нельзя было бы улучшить эксайтером!
Спектральный процессор Долби (Dolby Spectral Processor)
Еще один очень интересный прибор, который просто нельзя не упомянуть, – это Dolby Spectral Processor Model 740.
Этот процессор, по своей сути, является одной из разновидностей многополосных компрессоров, но он обрабатывает только сигналы низкого уровня, и не затрагивает сильные сигналы. А ведь вся психоакустика как раз и имеет дело преимущественно со слабыми сигналами! Кстати, основная продукция фирмы Dolby (компандерные системы шумоподавления для звукозаписи) осуществляет обработку сигналов именно в области слабых уровней.
По утверждению фирмы, при разработке этого процессора ими был использован опыт работы со слабыми сигналами, накопленный в процессе работы по созданию системы шумоподавления Dolby SR.
Другое название Dolby Spectral Processor Model 740 – это Low-level EQ, низкоуровневый эквалайзер.
Прибор содержит два идентичных канала, с возможностью их объединения в стереопару (Stereo-Link). Каждый канал включает в себя трехполосный кроссовер с регулируемыми частотами раздела: от 75 Гц до 1 кГц для разделения НЧ/СЧ, и от 500 Гц до 8 кГц – для разделения СЧ/ВЧ.
В каждой полосе включен особый, очень "хитрый" компрессор. Подробности его устройства, к сожалению, фирмой не раскрываются, так же как и его характеристики. Вообще, следует заметить, что конструкция Dolby Spectral Processor Model 740 - очень сильно засекречена. В нём, например, используются эксклюзивные, по особому заказу специально разработанные фирмой Sony, и поставляемые только одной лишь фирме Dolby аналого-цифровые микросхемы, даже само упоминание о которых полностью отсутствует в открытой печати. Поэтому, если кто-либо будет утверждать, что создал полный функциональный аналог Model 740 – не верьте!
Для трех компрессоров каждого канала имеется один, общий для всех, регулятор порога срабатывания, от -60 до -40 дБ. При работе компрессора сигналы с уровнями ниже пороговых могут подниматься на величину вплоть до 20 дБ. Величину требуемого максимального подъема можно установить самим с помощью отдельных для каждой полосы регуляторов. При этом все сигналы, имеющие большой уровень, абсолютно не затрагиваются.
Это позволяет эффективно "вытащить" даже самые мелкие детали звуковой картины, которые часто маскируются сильными звуками, и попросту теряются на их фоне. Кроме этого, следует учитывать, что для слабых звуков АЧХ слуха существенно нелинейна, то есть слабые низко- и высокочастотные составляющие могут просто пропасть.
Пример этого можно наблюдать на затихающих концовках песен – ведь на "фейдах" первыми пропадают именно сигналы, лежащие на краях звукового диапазона. Dolby Spectral Processor поможет и здесь, сделав затухания более ровными, не изменяющими свою тембральную окраску даже в самых тихих местах!
Дополнительным достоинством этого процессора является то, что он совершенно не изменяет максимального уровня сигнала.
Помимо всего описанного, в процессор встроен и шумоподавитель классического типа, со скользящим (следящим) фильтром. Конечно, не следует ожидать от него выдающихся результатов при попытке очиc-тить им фонограммы от сильных шумов, ведь и сама фирма называет этот шумоподавитель "нежным".
Да и предназначен он, главным образом, для уменьшения уровня шумов, которые может "вытащить" в процессе своей работы сам процессор при подъеме им слабых сигналов.
После обработки этим процессором звук становится более конкретным, различимым даже в мельчайших деталях. При этом общая динамика сигнала практически не затрагивается, не изменяется характер переходных процессов на атаках музыкальных инструментов, но само звучание приобретает плотность и "сочность", улучшается даже восприятие реверберации, особенно в тихих местах, где она часто маскируется более громкими звуками.
Стереопроцессоры
Пора, однако, уже и выполнить обещание, данное в начале статьи, и хоть немного поговорить о процессорах, изменяющих стереофонические характеристики сигналов. К сожалению, в нашей стране они в своём "железном" виде практически неизвестны – единственным, наверное, исключением, является Edison. Поэтому расскажу, в основном, не о приборах как таковых, а о принципах их работы. Многие из психоакустических процессоров, к тому же, имеют свои программные аналоги (см. предыдущий номер журнала), и принципы обработки звука в них остаются такими же, как в аппаратных процессорах. Меняется только технология реализации – компьютерная программа с алгоритмами математической обработки цифровых данных вместо электронных схем. А уж как разработчики программ любят морочить голову пользователям!.. Так-что, просто необходимо хоть немного рассказать именно о принципах работы тех или иных эффектов.
Рис. 4
Исторически первыми появились процессоры для превращения моносигналов в "якобы-стерео", т.е. устройства псевдостереоэффектов. Практически все они работают по принципу намеренного искажения АЧХ стереотракта. При этом входной монофонический сигнал подаётся на устройство с двумя каналами, но с одним входом – общим для обоих каналов. Для получения псевдостереоэффекта эти два канала чаще всего имеют взаимно-обратные, зеркально-симметричные частотные характеристики. Так, если на какой-то частоте в левом канале имеется подъём АЧХ, то в правом – в этом же месте находится аналогичный по величине провал в АЧХ. На рисунке 4 изображен примерный вид этих характеристик.
Получающийся с помощью устройств псевдостереосигнал, конечно же, не становится истинным стереофоническим, а всего лишь "размазывается" по стереобазе, утрачивает чёткую пространственную локализацию, как-бы приобретает некоторую "ширину". Отличаются такого рода устройства главным образом частотами сочетаний пиков и провалов в АЧХ и их количеством и величиной. Благодаря зеркальной симметрии характеристик левого и правого каналов при их сложении в "моно" полностью осстанавливаются все параметры исходного сигнала, что обеспечивает стопроцентную моносовместимость такого рода обработок.
Рис. 5
Конечно, кроме моносовместимых, существует и множество иных способов "стереофонизации" моносигналов, основанных на добавлении к обрабатываемому звуку различным образом модулированных или сдвинутых по частоте и/или задержанных сигналов. Однако, из-за ограниченной, но всё ещё обязательной в профессиональном применении моносовместимости, они здесь не рассматриваются.
Кроме устройств для превращения моносигналов в стереофонические, имеется и довольно обширный класс устройств для увеличения "стереофоничности" сигналов, которые уже изначально являются истинно стереофоническими. Как правило, все они работают также практически по одному принципу – путём
перекрёстного суммирования в левом и правом каналах сигналов другого канала, перевёрнутых по фазе на 180о°, т.е. в противофазе. На рисунке 5 изображена примерная структурная схема такого рода расширителей стереобазы.
Входной сигнал левого канала поступает на одноименный выход без изменения, а в правый канал – через фазоинвертор и регулятор уровня его подмешивания в правый канал; аналогичные действия совершаются и с сигналом правого канала. Регулятор уровней перекрёстного подмешивания противофазных сигналов в выходные каналы как раз и является регулятором степени производимого эффекта WIDTH – ширины стереобазы.
Естественно, что приведённая схема, хоть и является наиболее широко применяемой, вовсе не является "истиной в последней инстанции", и приведена лишь для иллюстрации самого принципа построения подобных "расширялок". В зависимости от конкретной реализации, к ней может быть добавлено и множество самых различных узлов. Например, перед фазоинверторами могут быть установлены различного рода фильтры. На практике наиболее часто встречаются те из них, которые ограничивают спектр обрабатываемого сигнала "снизу", в области низких частот. При этом в результирующем сигнале расширения стереообраза на басах не происходит, а расширяется лишь его средне- и высокочастотная части, что более благоприятно для слуха.
Для применения в радиовещании иногда добавляются и некоторые элементы автоматического регулирования степени расширения в зависимости от тех или иных параметров входного сигнала. Из возможных вариантов упомяну лишь наиболее употребительный, при котором степень расширения стереообраза зависит от величины стереофоничности входного сигнала. При этом, в случае чистого моно на входе, расширитель отключается вообще, что позволяет избежать неприятных для слуха противофазных сигналов, неизбежно возникающих на выходе при обработке простого дикторского текста с микрофона.
Конечно, приведёнными примерами всё многообразие "псевдостерео"-процессоров и расширителей стереобазы далеко не исчерпывается, но именно такие имеют наиболее широкое распостранение. Помните, что, независимо от того, какими именно вы пользуетесь, всегда необходимо проверять получившийся сигнал с помощью гониометра или коррелометра, а то ведь можно так "понарасширять"!
За рамками нашего обзора осталось ещё довольно много устройств для обработки стереообразов: основанные на эффекте Хааса, на применении HRTF, различного рода "бифонические" процессоры, процессоры "псевдо-квадро", и пр. Но такого рода обработки чаще всего являются встроенными в различную домашнюю аппаратуру, и применяются у конечного пользователя, – а, значит, для звукорежиссёров попросту недоступны.
В аспекте сугубо музыкальном, основными задачами психоакустики являются следующие:
понять, как система слухового восприятия человека расшифровывает тот или иной звуковой образ;
установить основные соответствия между физическими стимулами и слуховыми ощущениями;
выявить, какие именно параметры звукового сигнала являются наиболее значимыми для передачи семантической (смысловой) и эстетической (эмоциональной) информации.
Содержание [убрать]
1 Предпосылки
2 Пределы восприятия звука
3 Что мы слышим
4 Эффект маскировки
4.1 Одновременная маскировка
4.2 Вре?менная маскировка
4.3 Постстимульное утомление
5 Фантомы
6 Психоакустика в программном обеспечении
7 См. также
8 Примечания
9 Литература
10 Ссылки
[править]Предпосылки
Во многих приложениях акустики и обработки звуковых сигналов необходимо знать, что люди слышат. Звук, который образуют волны давления воздуха, может быть точно измерен современным оборудованием. Однако понять, как эти волны принимаются и отображаются в нашем головном мозге — задача не такая простая. Звук — это непрерывный аналоговый сигнал, который (в предположении, что молекулы воздуха бесконечно малы) может теоретически переносить бесконечное количество информации (так как существует бесконечное число колебаний, содержащих информацию об амплитуде и фазе).
Понимание процессов восприятия позволяет учёным и инженерам сосредоточиться на возможностях слуха и не учитывать менее важные возможности других систем. Важно также отметить, что вопрос «что человек слышит» — не только вопрос о физиологических возможностях уха, но во многом также вопрос психологии, чёткости восприятия.
[править]Пределы восприятия звука
Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать звук частотой выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.
Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Но барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Уровень давления звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 дБ (20 микропаскаль), а определение верхнего предела слышимости относится скорее к порогу дискомфорта и далее — к нарушение слуха, контузия и т. д. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.[источник не указан 30 дней]
Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается в диапазоне выше 2 кГц.
Кривая абсолютного порога слышимости является частным случаем более общих — кривых одинаковой громкости. Кривые одинаковой громкости — это линии, на которых человек ощущает звук разных частот одинаково громкими. Кривые были впервые получены Флетчером и Мансоном (H. Fletcher and W. A. Munson) и опубликованы в 1933 году в труде «Loudness, its definition, measurement and calculation»[1]. Позже более точные измерения выполнили Робинсон и Датсон (D. W. Robinson and R. S. Dadson)[2]. Полученные кривые значительно различаются, но это не ошибка, а разные условия проведения измерений. Флетчер и Мэнсон в качестве источника звуковых волн использовали наушники, а Робинсон и Датсон — фронтально расположенный динамик в безэховой комнате.
Измерения Робинсона и Датсона легли в основу стандарта ISO 226 в 1986 г. В 2003 году стандарт ISO 226 был обновлён с учётом данных, собранных из 12 международных студий.
Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки — так называемый микроволновый слуховой эффект, когда импульсное или модулированное излучение в микроволновом диапазоне воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.[3]
[править]Что мы слышим
Человеческий слух во многом подобен спектральному анализатору, то есть, ухо распознаёт спектральный состав звуковых волн без анализа фазы волны. В реальности фазовая информация распознаётся и очень важна для направленного восприятия звука, но эту функцию выполняют ответственные за обработку звука отделы головного мозга. Разница между фазами звуковых волн, приходящих на правое и левое ухо, позволяет определять направление на источник звука, причём информация о разности фаз имеет первостепенное значение, в отличие от изменения громкости звука воспринимаемого разными ушами. Эффект фильтрации передаточных функций головы также играет в этом важную роль. Человеческое ухо способно в норме воспринимать звук от 10-30 dB в интервале частот от 125 до 8000 hz.[источник не указан 30 дней]
[править]Эффект маскировки
В определённых случаях один звук может быть скрыт другим звуком. Например, разговор рядом с железнодорожными путями может быть совершенно невозможен, если мимо проезжает поезд. Этот эффект называется маскировкой. Говорят, что слабый звук маскируется, если он становится неразличимым в присутствии более громкого звука.
Различают несколько видов маскировки:
По времени прихода маскирующего и маскируемого звука:
одновре?менное (моноуральное) маскирование
вре?менное (неодновременное) маскирование
По типу маскирующего и маскируемого звуков:
чистого тона чистым тоном различной частоты
чистого тона шумом
речи чистыми тонами
речи монотонным шумом
речи импульсными звуками и т. п.
[править]Одновременная маскировка
Любые два звука при одновременном прослушивании оказывают влияние на восприятие относительной громкости между ними. Более громкий звук снижает восприятие более слабого, вплоть до исчезновения его слышимости. Чем ближе частота маскируемого звука к частоте маскирующего, тем сильнее он будет скрываться. Эффект маскировки не одинаков при смещении маскируемого звука ниже или выше по частоте относительно маскирующего. Низкочастотный звук маскирует высокочастотные. При этом важно отметить, что высокочастотные звуки не могут маскировать низкочастотный.
[править]Вре?менная маскировка
Это явление похоже на частотную маскировку, но здесь происходит маскировка во времени. При прекращении подачи маскирующего звука маскируемый некоторое время продолжает быть неслышимым. В обычных условиях эффект от временной маскировки длится значительно меньше. Время маскировки зависит от частоты и амплитуды сигнала и может достигать 100 мс.
В случае, когда маскирующий тон появляется по времени позже маскируемого, эффект называют пост-маскировкой. Когда маскирующий тон появляется раньше маскируемого (возможен и такой случай), эффект называют пре-маскировкой.
[править]Постстимульное утомление
Нередко после воздействия громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется «временный сдвиг порога слуховой чувствительности» или «постстимульное утомление». Сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причём наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокочастотные составляющие сигнала.
[править]Фантомы
Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.
Этот эффект используется в некоторых коммерческих звуковых системах, чтобы расширить область воспроизводимых низких частот, если невозможно адекватно воспроизвести такие частоты напрямую, например в наушниках. При долгом прослушивании это может быть вредно для слуха.[источник не указан 64 дня]
[править]Психоакустика в программном обеспечении
Психоакустические модели слуха позволяют с высоким качеством производить компрессию сигнала с потерей информации (когда восстановленный сигнал не совпадает с исходным), за счет того, что позволяют точно описать, что можно безопасно удалить из исходного сигнала — то есть, без значительного ухудшения качества звука. На первый взгляд может показаться, что вряд ли это позволит обеспечить сильное сжатие сигнала, однако программы, использующие психоакустические модели позволяют добиться уменьшения объемов файлов с музыкой в 10—12 раз, и при этом разница в качестве будет не очень значительна.
К таким видам компрессии относятся все современные форматы сжатия звука:
MP3 (практически то же самое что и Musicam (используется для цифрового аудиовещания в некоторых странах, в отличие от mp3 (Mpeg 1 Layer 3) считается более профессиональным алгоритмом сжатия (кодеком). Также известен как MPEG-1 Layer 2 и MP2)
Ogg Vorbis
WMA
AAC
Musepack
ATRAC используется в формате MiniDisc и в некоторых портативных MP3-плеерах Sony
Психоакустические процессоры
Михаил Чернецкий
В профессиональной аудиоаппаратуре один прибор обычно осуществляет какой-либо один вид обработки. Например, компрессор и гейт – динамическую обработку входного сигнала, эквалайзер – частотную, и т.д. Но есть класс приборов, сочетающих в себе несколько видов обработки, при этом они еще и взаимодействуют между собой, и часто весьма неочевидным
образом. Это психоакустические процессоры. Поэтому же, кстати, вокруг них столько различных легенд, чего не скажешь о других типах приборов.
К тому же, сами разработчики и изготовители сплошь и рядом настолько туманно описывают принцип действия и работу психоакустических процессоров, что понять что-либо об их реальном действии из прилагаемых в комплекте описаний практически невозможно.
Дело в том, что многие из психоакустических процессоров в своей работе используют очень тонкие, не всегда очевидные или просто малоизвестные многим особенности человеческого слуха: эффект Хааса, эффекты маскировки, интегрирующие свойства слуха и др. А некоторые процессоры психоакустической обработки даже добавляют к входному сигналу его гармоники, то есть вместо чистого сигнала "подсовывают" нашему слуху неправильный, "грязный" сигнал. Но мы слушаем результирующий сигнал с гораздо большим удовольствием, чем исходный чистый…
Все рассмотриваемые различные типы приборов, относящихся к классу психоакустических процессоров, можно условно разделить на два различных класса.
Первый, "классический", осуществляет обработку сигналов без изменения их пространственных характеристик. То есть если входной сигнал был "моно", то и на выходе прибора он останется монофоническим, а если входной сигнал был стереофоническим, то ни одна деталь в его стереообразе не
будет изменена – левый и правый сигналы стереопары в процессе обработки никак не взаимодействуют друг с другом.
Устройства же, принадлежащие к другому классу, предназначены именно для изменения "стереофоничности" сигналов: для расширения стереообраза, создания различного рода "псевдостереоэффектов", превращения моноисточников в стерео, и т.д. Как правило, все эти эффекты получаются при совместной обработке обоих сигналов стереопары. О них мы отдельно поговорим в конце статьи.
Итак – "классические", наиболее известные и распространённые психоакустические процессоры.
Энхансер (Enhancer)
Это один из самых первых психоакустических процессоров. Он выпускался и выпускается поныне многими фирмами, а в нашей стране этот класс устройств стал известен ещё по аппаратуре микросерии фирмы Alesis. Энхансер позволяет в ряде случаев сделать звучание более четким и "конкретным", звонким. Особенно хорош энхансер для обработки отдельных звуков, преимущественно с резкими атаками (ударные и т.п.). Многие довольно смутно представляют себе его работу, однако ничего сложного и таинственного в нем нет. По сути это гейт (или экспандер), но работающий только в высокочастотной области спектра. Большинство энхансеров выполнено по обобщенной структурной схеме, приведенной на рис.1.
Рис. 1. 1 – фильтр высоких частот (ФВЧ); 2 – управляющий элемент (VCA); 3 – сумматор; 4 – блок управления
Входной сигнал энхансера поступает на фильтр (1), выделяющий из всего звукового спектра только его высокочастотные составляющие. Затем этот отфильтрованный сигнал поступает на элемент (2), осуществляющий управление его амплитудой, после чего в сумматоре (3) добавляется к исходному сигналу.
Управляющее напряжение для VCA вырабатывается блоком управления (4) на основе анализа
ВЧ-составляющих входного сигнала.
Различные модели энхансеров отличаются между собой главным образом характеристиками фильтров ФВЧ, и алгоритмом работы и управления. Следует обратить особое внимание, что все без исключения энхансеры работают только "в плюс", т.е. могут только увеличивать долю ВЧ-составляющих в суммарном выходном сигнале.
Отличия в алгоритмах работы энхансеров разных фирм и моделей заключаются, в основном, в том, как именно блок управления реагирует на входной сигнал. Некоторые модели реагируют просто по принципу "есть высокие/нет высоких", т.е. если на входе есть ВЧ-составляющие, то их уровень энхансером дополнительно еще увеличивается, если же их нет, то энхансер не оказывает никакого воздействия на входной сигнал.
В более сложных моделях блок управления реагирует не на саму величину ВЧ-составляющих входного сигнала, а только на ее увеличение и/или на скорость этого увеличения. При этом в момент резкого нарастания ВЧ-составляющих на входе энхансера их уровень на выходе на короткое время также увеличивается. Это позволяет сделать работу энхансера менее заметной на слух, и более "живой" – ведь при этом подчеркиваются, становятся более четкими только моменты атаки ударных инструментов, а на общий сигнал работа прибора оказывает очень мало влияния. Благодаря этому лучше прорабатываются мелкие детали звуковой картины, звучание становится более акцентированным, отчетливым.
Максимайзер (Sonic Maximizer)
Это устройство (не путать с компьютерным Plug-in!), разработанное фирмой ВВЕ, имело лет десять-пятнадцать назад фантастическую популярность в нашей стране. Затем интерес к нему стал убывать, и сейчас уже очень редко где его можно встретить.
Во многом причины такой "скоропостижной смерти" кроются в незнании возможностей этого прибора, обусловленном крайне неудачным руководством к нему, мало что говорящим о его принципе действия и реальной конструкции.
В своей основе Sonic Maximizer похож на "классический" энхансер, но главное его отличие заключается в том, что максимайзер может работать как "в плюс", так и "в минус".
По структурной схеме Sonic Maximizer – это два обычных (типа shelf) регулятора тембра по низким и высоким частотам. Но при этом регулятор НЧ, который здесь называется Low Contour, – самый обычный, с ручным управлением. А вот к регулятору ВЧ пользователь не имеет непосредственного доступа, им управляет схема. Можно лишь устанавливать уровень "вмешательства" схемы в сигнал с помощью
регулятора Definition (четкость).
Примерная упрощенная структурная схема максимайзера показана на рис.2.
Рис. 2. 1 – регулятор тембра; 2 – регулятор тембра ВЧ; 3 – фильтр ВЧ; 4 – полосовой фильтр ВЧ; 5 – блок управления
Сигнал с входа устройства поступает на регуляторы тембра, и одновременно – на два фильтра – ФВЧ (3)
и полосовой(4). При этом ФВЧ, соответственно своему названию, выделяет только высокочастотные
составляющие, а полосовой фильтр ПФ – среднечастотные, лежащие ниже полосы пропускания ФВЧ. Сигналы этих двух полос звуковых частот поступают в блок управления (5), который сравнивает их величины, и на основе этого сравнения решает, что делать с ВЧ – поднимать или ослаблять. То есть, если прибор решит, что во входном сигнале уровень ВЧ слишком "задран" относительно середины, то он даст команду регулятору тембра высоких частот (2) ослабить верха, если же наоборот, середина излишне "задрана", а верх слишком слаб, – то поступит команда на подъем ВЧ. Регулировка эта осуществляется, к счастью, не скачком, а пропорционально разнице уровней СЧ и ВЧ.
Каким же именно образом, то есть насколько сильно осуществляется эта регулировка, решает опять же прибор, а не пользователь. Он может только установить предел глубины этой регулировки регулятором Definition. Между собой различные модели максимайзеров отличаются, главным образом, частотами раздела фильтров СЧ/ВЧ и динамическими характеристиками цепей управления. Работу регулятора тембра ВЧ индицируют светодиоды со значком (почему-то) фазы, указывающие, что сейчас происходит – подъем ВЧ (+) , или завал (-).
Так как все решает " железка", то это устройство очень легко и часто обманывается. Попробуйте подать ему на вход один только среднечастотный сигнал (например, флейты) – и послушайте результат. Шок гарантирован!
Очевидно, что наилучшее применение такого прибора, как максимайзер, – это корректирование баланса уже готовых и сведенных фонограмм для приведения их к единообразному характеру звучания, или же обработка любых иных широкополосных сигналов.
Виталайзер (Vitalizer)
Еще одно устройство, окутанное легендами... При этом их спектр весьма широк, от абсолютной веры во всемогущество виталайзера, до почти полного его неприятия. Между тем этот прибор, разработанный и выпускаемый немецкой фирмой SPL, – вполне достойное устройство, если применять его по назначению, и не требовать от него невозможного. (Впрочем, это относится и ко всей аппаратуре вообще…)
Виталайзеры выпускаются фирмой в нескольких моделях и под разными названиями, от просто Vitalizer до "страшного" названия Psycho Dynamic Processor. Однако реальные различия между ними, кроме отдельных или совмещенных стереоканалов, а также разноименных и частенько "заумных" надписей на одинаковых и простых по своей сути регуляторах, заключаются только в несколько отличающихся параметрах частотозадающих цепей. Поэтому ограничимся здесь рассмотрением лишь одной модели, с наиболее понятной лицевой панелью.
Структурная схема виталайзера здесь не приводится, так как все они, имеющиеся в фирменных руководствах, предназначены скорее для того, чтобы скрыть истинное устройство прибора, чем для того, чтобы более-менее понятно объяснить его. Поэтому описываю его устройство на основе собственного опыта по ремонту и модернизации этих приборов..
Модель Stereo Vitalizer включает в себя своеобразный "психоакустический эквалайзер" и так называемый Surround-Processor, который представляет собой достаточно тривиальный расширитель стереобазы (о них, как и обещано, – чуть позже). Но вот его эквалайзер рассмотрим поподробнее, так как это – штука довольно своеобразная, не совсем обычная.
Он состоит из двух частей, действующих практически независимо одна от другой. Общее у них только то, что, помимо отдельных регуляторов на различные полосы спектра, есть и общий регулятор Process, устанавливающий глубину влияния сразу всех темброобразующих цепей на обрабатываемый сигнал. Достигается это благодаря применению так называемого "параллельного" принципа построения тракта обработки.
При этом различные частотные составляющие сигнала эффектов сначала суммируются между
собой, и только затем добавляются к исходному сигналу.
Итак – регулятор Bass. Его отличие от обычных: во-первых, он работает только "в плюс", т.е. на подъем – независимо от того, куда он повернут от нулевого положения, вправо или влево. Во-вторых, в зависимости от направления поворота этого регулятора, сигнал НЧ-составляющих подмешивается к исходному сигналу то синфазно, то противофазно. Естественно, что во втором случае сначала происходит ослабление НЧ, и только при дальнейшем вращении этого регулятора в том же направлении – начинается подъем НЧ. Очевидно, что результирующая АЧХ при этом будет существенно отличаться от получающейся в первом случае.
Кроме различия в АЧХ, проявляются и различия в ФЧХ. Во втором случае (сложение с противофазой) – фаза результирующего сигнала на низких частотах отстает (запаздывает) от соответствующей фазы
во входном сигнале, что в ряде случаев может использоваться для корректировки временного положения в общей звуковой картине звучания отдельных инструментов, имеющих преимущественно низкочастотный спектр. То есть, можно несколько "разделить", "развести" по временной оси к примеру, звучание бас-гитары и большого барабана, или, наоборот, совместить их, исходя из того, что в данный момент
необходимо.
Регулировка тембра на средних и высоких частотах в виталайзере осуществляется двумя регуляторами – Mid-High Tune и Harmonics.
Первый из этих регуляторов – это регулятор ВЧ-тембра, однако весьма необычный. Дело в том, что, в силу особой конструкции виталайзера, при установке общего регулятора Process в максимальное положение результирующая АЧХ приобретает плавный, пологий спад в направлении от низких частот к высоким, т.е. чем выше частота входного сигнала, тем более он ослабляется на выходе. Максимальная величина этого ослабления, правда, относительно невелика, и составляет около 6 дБ. Упомянутый же регулятор Mid-High Tune позволяет поднимать самые высокие частоты, начиная от частоты около 20 кГц, и... вниз! Единственный момент, который делает работу со всеми виталайзерами несколько непривычной, – это то, что регулятор Mid-High Tune установлен "наоборот".
Т.е. его крайнее левое положение соответствует подъему самых верхних частот, а крайнее правое, наоборот, – самых низких. (Очень похоже на то, что у фирмы просто не хватило денег для заказа необходимых, довольно "экзотических" переменных резисторов…)
Этот регулятор, по сути, представляет собой электронный аналог резонансного контура, настроенного на частоту 24 кГц. И изменение полосы частот, в которых осуществляется коррекция АЧХ, производится путем изменения добротности этого контура (т.е. ширины полосы захватываемых им частот звукового сигнала), а не частоты его настройки. При высокой добротности осуществляется подъем только наивысших частот звукового спектра, который лишь чуть затрагивается в своей самой высокочастотной области достаточно узкой резонансной кривой этого контура. При снижении добротности (повороте ручки Mid-High Tune в сторону более низких частот) – полоса "захватываемых" этим контуром частот расширяется вниз, и осуществляется подъем не только наивысших составляющих спектра, но и более низких.
Таким образом, при использовании этого регулятора удается поднять самые верхние частоты, и одновременно – ослабить уровень "верхней середины", которая столь часто так сильно досаждает во многих отечественных записях (те самые, печально знаменитые "русские 6 кГц"…).
Второй регулятор виталайзера – ручка Harmonics. Это регулятор уровня выходного сигнала встроенного в виталайзер эксайтера, подмешиваемого в общий сигнал эффекта. Вообще-то, этот эксайтер – один из самых простейших, и кроме регулятора уровня имеет только регулятор частоты настройки, совмещенный конструктивно с ручкой регулятора Mid-High Tune.
Некоторые из моделей виталайзеров имеют еще дополнительно и кнопку Solo, позволяющую снимать с них только сигнал эффекта, и осуществлять смешивание его с прямым сигналом во внешних устройствах, например, в микшерном пульте.
Эксайтер (Exciter)
С момента своего появления в конце 70-х годов эксайтер был и остается самым популярным психоакустическим процессором. Можно сказать, что с него, собственно, и началась эра психоакустических процессоров как таковых. Выпускаемые, кроме своего "прародителя", американской фирмы Aphex, еще многими фирмами, эти приборы имеют во многом схожие структуры. Однако большинство опубликованных в открытой печати их структурных схем имеют множество ошибок – возможно, случайных (или умышленных – как знать!), поэтому на рисунке 3 приведена слегка упрощённая блок-схема российского эксайтера, разработанного автором и выпускаемого московской фирмой Long. От наиболее известного в нашей стране эксайтера (Aphex Aural Exciter тип C) эта модель отличается существенно более широким набором пользовательских функций.
Поступающий на вход эксайтера сигнал разветвляется на два: один из них поступает непосредственно на выходной сумматор, а второй направляется в цепи обработки, после которых он добавляется к прямому, необработанному сигналу. (Эксайтер, как и рассмотренный выше виталайзер, тоже построен по параллельному принципу.)
Рис. 3. 1 – входной регулируемый усилитель; 2 – специальный фильтр ВЧ; 3 – генератор гармоник; 4 – сумматор сигнала; 5 – выходной сумматор
В цепи обработки сигнал вначале поступает на входной регулируемый усилитель (1), с помощью
которого можно подобрать необходимую величину загрузки (уровень возбуждения) генератора гармоник (3), находящегося после специального ВЧ-фильтра (2). Этот фильтр имеет особые АЧХ и ФЧХ, позволяющие при дальнейшем суммировании обработанного и прямого сигналов получить "растяжку" коротких импульсов и, как следствие, несколько увеличить их субъективно воспринимаемую громкость. В фильтре имеются: регулятор частоты настройки Tune, позволяющий выбрать для обработки желаемую часть спектра входного звукового сигнала; регулятор добротности Peaking, позволяющий создать дополнительный акцент в звучании; переключатель Vox/Wide, кардинальным образом изменяющий характер работы и, соответственно, звучания эксайтера, особенно в области средних частот.
Прошедший фильтрацию сигнал опять, в свою очередь, разветвляется на два. Один поступает прямо на сумматор сигнала эффекта (4), а второй подается на управление генератором гармоник (3). Вот в этом генераторе на основе информации, извлекаемой из входного сигнала, и осуществляется самое главное – генерация высших гармоник. При этом синтезируется, главным образом, вторая гармоника – как
самая благозвучная (октава), а также еще некоторые, но существенно меньшие по амплитуде.
Синтезированные гармоники через регулятор Brightness, позволяющий установить их желаемую величину в общем сигнале эффекта, подаются на сумматор сигнала эффекта (4).
Затем полностью сформированный сигнал эффекта с помощью регулятора Mix подмешивается к
исходному (входному) сигналу в выходном сумматоре (5). Ручкой Mix устанавливается нужная величина эффекта действия эксайтера.
По звуку эксайтер относится к той, любимой профессиональными звукорежиссерами группе устройств, работа которых незаметна до тех пор, пока их не выключишь. При его включении из звука уходят "вата" и "муть", звучание становится четким и прозрачным.
Так как действие его основано на довольно сложном процессе, учитывающем комплексный характер восприятия звуков человеческим ухом, то в силу сложности этого процесса все попытки как-то охарактеризовать производимый эксайтером эффект носят преимущественно описательный характер. (Кстати, это вообще одна из отличительных черт всех психоакустических процессоров – сложность, а то и невозможность с помощью цифровых параметров описать их работу.) Поэтому не удивляйтесь, если в рекламных материалах, или даже в самом руководстве на процессор, будет куча ненужных цифр (вес, размеры, потребляемая мощность и т.д.), и ни одной цифры, характеризующей то единственное, что вас на самом деле интересует – звук. В случае с эксайтером, единственная цифра, имеющая отношение к
делу, – это диапазон перестройки фильтра (частота настройки). В большинстве моделей это диапазон от 700 Гц до 7 кГц, в описанном выше приборе пределы регулирования несколько шире – от 450 Гц до 8 кГц.
Применение эксайтера придает прозрачность и четкость любому звучанию, при его включении звук как бы "раскрывается". Значительно улучшаются проработка и восприятие мельчайших деталей и нюансов звукового сигнала, звук становится живым и естественным, начинает "дышать". Вокал после обработки его эксайтером приобретает повышенную четкость и полетность, ударные инструменты (особенно тарелки) – начинают звучать лучше, чем "живые". Прекрасно звучит с эксайтером и акустическая гитара.
Применив эксайтер для обработки суммарного сигнала на концерте, вы удивитесь – как хорошо, оказывается, может звучать эта акустическая система. Практически не существует ни одного музыкального инструмента или звуковоспроизводящей системы, звучание которых нельзя было бы улучшить эксайтером!
Спектральный процессор Долби (Dolby Spectral Processor)
Еще один очень интересный прибор, который просто нельзя не упомянуть, – это Dolby Spectral Processor Model 740.
Этот процессор, по своей сути, является одной из разновидностей многополосных компрессоров, но он обрабатывает только сигналы низкого уровня, и не затрагивает сильные сигналы. А ведь вся психоакустика как раз и имеет дело преимущественно со слабыми сигналами! Кстати, основная продукция фирмы Dolby (компандерные системы шумоподавления для звукозаписи) осуществляет обработку сигналов именно в области слабых уровней.
По утверждению фирмы, при разработке этого процессора ими был использован опыт работы со слабыми сигналами, накопленный в процессе работы по созданию системы шумоподавления Dolby SR.
Другое название Dolby Spectral Processor Model 740 – это Low-level EQ, низкоуровневый эквалайзер.
Прибор содержит два идентичных канала, с возможностью их объединения в стереопару (Stereo-Link). Каждый канал включает в себя трехполосный кроссовер с регулируемыми частотами раздела: от 75 Гц до 1 кГц для разделения НЧ/СЧ, и от 500 Гц до 8 кГц – для разделения СЧ/ВЧ.
В каждой полосе включен особый, очень "хитрый" компрессор. Подробности его устройства, к сожалению, фирмой не раскрываются, так же как и его характеристики. Вообще, следует заметить, что конструкция Dolby Spectral Processor Model 740 - очень сильно засекречена. В нём, например, используются эксклюзивные, по особому заказу специально разработанные фирмой Sony, и поставляемые только одной лишь фирме Dolby аналого-цифровые микросхемы, даже само упоминание о которых полностью отсутствует в открытой печати. Поэтому, если кто-либо будет утверждать, что создал полный функциональный аналог Model 740 – не верьте!
Для трех компрессоров каждого канала имеется один, общий для всех, регулятор порога срабатывания, от -60 до -40 дБ. При работе компрессора сигналы с уровнями ниже пороговых могут подниматься на величину вплоть до 20 дБ. Величину требуемого максимального подъема можно установить самим с помощью отдельных для каждой полосы регуляторов. При этом все сигналы, имеющие большой уровень, абсолютно не затрагиваются.
Это позволяет эффективно "вытащить" даже самые мелкие детали звуковой картины, которые часто маскируются сильными звуками, и попросту теряются на их фоне. Кроме этого, следует учитывать, что для слабых звуков АЧХ слуха существенно нелинейна, то есть слабые низко- и высокочастотные составляющие могут просто пропасть.
Пример этого можно наблюдать на затихающих концовках песен – ведь на "фейдах" первыми пропадают именно сигналы, лежащие на краях звукового диапазона. Dolby Spectral Processor поможет и здесь, сделав затухания более ровными, не изменяющими свою тембральную окраску даже в самых тихих местах!
Дополнительным достоинством этого процессора является то, что он совершенно не изменяет максимального уровня сигнала.
Помимо всего описанного, в процессор встроен и шумоподавитель классического типа, со скользящим (следящим) фильтром. Конечно, не следует ожидать от него выдающихся результатов при попытке очиc-тить им фонограммы от сильных шумов, ведь и сама фирма называет этот шумоподавитель "нежным".
Да и предназначен он, главным образом, для уменьшения уровня шумов, которые может "вытащить" в процессе своей работы сам процессор при подъеме им слабых сигналов.
После обработки этим процессором звук становится более конкретным, различимым даже в мельчайших деталях. При этом общая динамика сигнала практически не затрагивается, не изменяется характер переходных процессов на атаках музыкальных инструментов, но само звучание приобретает плотность и "сочность", улучшается даже восприятие реверберации, особенно в тихих местах, где она часто маскируется более громкими звуками.
Стереопроцессоры
Пора, однако, уже и выполнить обещание, данное в начале статьи, и хоть немного поговорить о процессорах, изменяющих стереофонические характеристики сигналов. К сожалению, в нашей стране они в своём "железном" виде практически неизвестны – единственным, наверное, исключением, является Edison. Поэтому расскажу, в основном, не о приборах как таковых, а о принципах их работы. Многие из психоакустических процессоров, к тому же, имеют свои программные аналоги (см. предыдущий номер журнала), и принципы обработки звука в них остаются такими же, как в аппаратных процессорах. Меняется только технология реализации – компьютерная программа с алгоритмами математической обработки цифровых данных вместо электронных схем. А уж как разработчики программ любят морочить голову пользователям!.. Так-что, просто необходимо хоть немного рассказать именно о принципах работы тех или иных эффектов.
Рис. 4
Исторически первыми появились процессоры для превращения моносигналов в "якобы-стерео", т.е. устройства псевдостереоэффектов. Практически все они работают по принципу намеренного искажения АЧХ стереотракта. При этом входной монофонический сигнал подаётся на устройство с двумя каналами, но с одним входом – общим для обоих каналов. Для получения псевдостереоэффекта эти два канала чаще всего имеют взаимно-обратные, зеркально-симметричные частотные характеристики. Так, если на какой-то частоте в левом канале имеется подъём АЧХ, то в правом – в этом же месте находится аналогичный по величине провал в АЧХ. На рисунке 4 изображен примерный вид этих характеристик.
Получающийся с помощью устройств псевдостереосигнал, конечно же, не становится истинным стереофоническим, а всего лишь "размазывается" по стереобазе, утрачивает чёткую пространственную локализацию, как-бы приобретает некоторую "ширину". Отличаются такого рода устройства главным образом частотами сочетаний пиков и провалов в АЧХ и их количеством и величиной. Благодаря зеркальной симметрии характеристик левого и правого каналов при их сложении в "моно" полностью осстанавливаются все параметры исходного сигнала, что обеспечивает стопроцентную моносовместимость такого рода обработок.
Рис. 5
Конечно, кроме моносовместимых, существует и множество иных способов "стереофонизации" моносигналов, основанных на добавлении к обрабатываемому звуку различным образом модулированных или сдвинутых по частоте и/или задержанных сигналов. Однако, из-за ограниченной, но всё ещё обязательной в профессиональном применении моносовместимости, они здесь не рассматриваются.
Кроме устройств для превращения моносигналов в стереофонические, имеется и довольно обширный класс устройств для увеличения "стереофоничности" сигналов, которые уже изначально являются истинно стереофоническими. Как правило, все они работают также практически по одному принципу – путём
перекрёстного суммирования в левом и правом каналах сигналов другого канала, перевёрнутых по фазе на 180о°, т.е. в противофазе. На рисунке 5 изображена примерная структурная схема такого рода расширителей стереобазы.
Входной сигнал левого канала поступает на одноименный выход без изменения, а в правый канал – через фазоинвертор и регулятор уровня его подмешивания в правый канал; аналогичные действия совершаются и с сигналом правого канала. Регулятор уровней перекрёстного подмешивания противофазных сигналов в выходные каналы как раз и является регулятором степени производимого эффекта WIDTH – ширины стереобазы.
Естественно, что приведённая схема, хоть и является наиболее широко применяемой, вовсе не является "истиной в последней инстанции", и приведена лишь для иллюстрации самого принципа построения подобных "расширялок". В зависимости от конкретной реализации, к ней может быть добавлено и множество самых различных узлов. Например, перед фазоинверторами могут быть установлены различного рода фильтры. На практике наиболее часто встречаются те из них, которые ограничивают спектр обрабатываемого сигнала "снизу", в области низких частот. При этом в результирующем сигнале расширения стереообраза на басах не происходит, а расширяется лишь его средне- и высокочастотная части, что более благоприятно для слуха.
Для применения в радиовещании иногда добавляются и некоторые элементы автоматического регулирования степени расширения в зависимости от тех или иных параметров входного сигнала. Из возможных вариантов упомяну лишь наиболее употребительный, при котором степень расширения стереообраза зависит от величины стереофоничности входного сигнала. При этом, в случае чистого моно на входе, расширитель отключается вообще, что позволяет избежать неприятных для слуха противофазных сигналов, неизбежно возникающих на выходе при обработке простого дикторского текста с микрофона.
Конечно, приведёнными примерами всё многообразие "псевдостерео"-процессоров и расширителей стереобазы далеко не исчерпывается, но именно такие имеют наиболее широкое распостранение. Помните, что, независимо от того, какими именно вы пользуетесь, всегда необходимо проверять получившийся сигнал с помощью гониометра или коррелометра, а то ведь можно так "понарасширять"!
За рамками нашего обзора осталось ещё довольно много устройств для обработки стереообразов: основанные на эффекте Хааса, на применении HRTF, различного рода "бифонические" процессоры, процессоры "псевдо-квадро", и пр. Но такого рода обработки чаще всего являются встроенными в различную домашнюю аппаратуру, и применяются у конечного пользователя, – а, значит, для звукорежиссёров попросту недоступны.
Соседние файлы в папке Прошлогоднее, вырезанное