Электроакустические сигналы

Для начала нужно ввести некоторые определения, наиболее часто встречающиеся в специальной литературе. В первую очередь к таковым относится понятие сигнала.

Сигналом мы называем любую информацию, независимо от её физического вида: акустический (механический) сигнал — движение частиц воздушной или жидкой среды, несущее звук от источника к слушателю; электрический сигнал — сообщение, передающееся по проводникам в форме электрического тока; магнитный сигнал — информация, зафиксированная на ленте магнитофона в виде так называемой остаточной намагниченности; оптический сигнал, передающий изображение, и т. д. Надо сказать, что информация, производящая психофизические впечатления, в математической форме является величиной переменной. Действительно, постоянное атмосферное давление не вызывает слуховых ощущений, так же, как не вызывает зрительных ощущений полный постоянный мрак.

Простейшим информационным сигналом, знакомым каждому со школьной скамьи, является синусоидальное (циклическое, периодическое) колебание, характеризуемое частотой (или периодом), амплитудой и относительной фазой, когда идёт речь о временном сопоставлении двух сигналов (рис. 2-1).

Рис. 2-1

№ Х20

Механическим видом такого сигнала считаются, например, колебание маятника, фрагмент колебания камертона (именно фрагмент, потому что все, возбуждённые ударом, колебания камертона будут постепенно затухать, т. е. их амплитуда плавно уменьшится до нуля). В такой же математической форме представляется простейший акустический сигнал, чистый тон — звучание того же камертона.

Практически, все остальные сигналы, несущие какую-либо информацию, уже не описываются простейшими формами, а представлены спектром (рис. 2-2), в набор которого входит конечное или бесконечное число синусоидальных колебаний, суммированных при определённом соотношении их амплитуд, частот и фаз, а то и вовсе сложенных хаотично. Пример последнему — акустический шум.

Собственно амплитуда, как и вообще так называемое мгновенное значение простейшего колебания представляет интерес только для математиков и создателей технических устройств. В нашей практике актуальны энергетические, мощностные характеристики сигналов, косвенным приблизительным отражением которых является их индикация на шкале измерителей уровней при звукозаписи или передаче. Под уровнем понимается величина сигнала, соотнесённая с каким-либо эталоном. Так, если сигнал сложного спектра по своей суммарной, интегральной мощности равен эталонному, его уровень считается 100-процентным. Половина мощности соответствует 50 %, треть ~ 33 %, и т. д.

Надо сказать, что используемые в нашей практике измерители уровня сигналов интегрируют их мощность в течение очень малого времени, от сотен микросекунд до единиц миллисекунд, чтобы звукорежиссёр мог следить за текущей динамикой, так что видимый диапазон индикаций адекватен динамическому диапазону звукопередачи лишь с определёнными приближениями. Чем меньше время интегрирования, тем безынерционнее, точнее происходит измерение, что, впрочем, имеет скорее технический смысл, нежели отражает динамические свойства звука. Действительно, слыша crescendo в оркестровом tuttu вряд ли мы, в отличие от безынерционного измерителя, станем одновременно реагировать на vibrato флейт как на колебания суммарной громкости. Тем не менее, как будет показано ниже, точность индикации уровня звукопередачи важна для гарантии качества фонограммы.

Рис. 2-2

Учёт уровней звуковых сигналов в линейных процентных величинах не соответствует той шкале ощущений, что свойственна нашему слуху. Мы оцениваем изменения громкости в логарифмическом масштабе, и это позволяет нам воспринимать огромный, в арифметическом смысле, динамический диапазон звуков — с более чем миллионным перепадом. По-этому в электроакустике принята шкала отсчёта уровней, аналогичная слуховой: в относительных логарифмических единицах — децибелах (дБ). Ступенька такой шкалы в электроакустических измерениях составляет 20 lg A1/A2, где А1 и А2 — сопоставляемые величины, одна из которых, в боль-шинстве случаев А2, может являться эталонной, или, как выражаются инженеры, опорной. Поскольку в современной звукозаписывающей технике часто за опорный сигнал принимается максимально допустимый, то уровень текущего сигнала А1 в сравнении с ним может варьироваться в диапазо-неот О дБ до каких-либо отрицательных значений. Так, с из-вестным округлением, половина максимального уровня в логарифмическом масштабе равна величине в минус 6 дБ, треть — минус 10 дБ, четверть — минус 12 дБ, десятая часть — минус 20 дБ и т. д. Соответственно, увеличение уровня сигнала

по сравнению с его предыдущим значением отмечается, как прирост на то или иное количество «положительных» децибел (рис. 2-3).

Рис. 2-3

Измерители текущего уровня реальных сигналов, как правило, не реагируют на короткие всплески последних, так называемые пики, и предоставленные звукорежиссёру индикаторы показывают усреднённые значения уровней. Между тем, величина пиковых значений бывает очень существенна; для их практической оценки следует помнить о таком параметре натуральных акустических сигналов, как пик-фактор. Он отражает степень превышения пиковых значений сигналов того или иного рода над его средними значениями.

Величина пик-фактора может превышать 20 дБ.

Период колебаний является величиной производной; традиционно оперируют обратным понятием — частотой, измеряемой в герцах (ГЦ). Для музыкального слуха, на первых порах, частоту акустических сигналов можно ассоциировать с высотой звуков, если, конечно, говорить об основных тонах звучаний, без учёта обертонов, гармоник натурального ряда, хорошо известных людям, получившим музыкальное образование. И хотя психоакустики доказали отсутствие абсолютных интервальных соотношений частот и высот звуков вдоль всей темперированной шкалы, на практике можно полагать, что октавное повышение адекватно удвоению частоты сигнала, а октавное понижение — её делению пополам. В особенности это справедливо для звуков среднего регистра, от малой до третьей октавы. Для оценки частоты звукового сигнала музыканты пользуются точкой отсчёта в 440 герц, что соответствует камертонному ля первой октавы.

К слову, способность человеческого слуха отмечать равными относительные интервалы звуков, независимо от

регистра, лишний раз доказывает логарифмическую природу нашего восприятия. И здесь, как при оценке динамических диапазонов, вся область рационально слышимых частот из 18-20 тысяч герц превращается в какой-нибудь десяток октав.

В главе «ФОНОКОЛОРИСТИКА» читатель получит подробные сведения о спектрах сигналов и о практическом отношении к частотам и частотным диапазонам.

О фазовых характеристиках сигналов в нашей практике можно говорить, рассматривая, по меньшей мере, их пару. Фаза — понятие временное, показывающее, насколько один сигнал отстаёт от другого или опережает его, но такая оценка актуальна только при сравнении тональных сигналов с равными частотами, или двух одинаковых по частоте спектральных компонент сложных сигналов.

Рис. 2-4

На рисунках 2-4 и 2-5 даны в тригонометрическом представлении пары одинаковых сигналов А и В. В первом случае

эти два сигнала являются синфазными — увеличение и уменьшение мгновенных значений во времени совпадает. При их сложениии итоговый сигнал А+В оказывается вдвое большим каждого из исходных. Несложно убедиться в том, что взаимное фазовое смещение любого из сигналов смешиваемой пары приведёт к заметному уменьшению их суммы (рис. 2-5).

В школьном курсе физики рассматривалось явление интерференции колебаний и волн, подробно поясняющее наши примеры.

ческих нарушений или неудачной установки микрофонов, она сказывается на чёткости стереофонического изображения (смотри главу «ФОНОГРАФИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ»),

вплоть до полной её неопределённости, а при монофоническом воспроизведении стереозаписи, когда суммируются сигналы левого и правого стереоканалов, противофаза, благодаря интерференции, может привести если не к полному пропаданию звука, то, по меньшей мере, к сильному нарушению громкостных или тембровых качеств.

Рис. 2-5

Экстремальным случаем в звукорежиссёрской практике считается взаимный фазовый сдвиг изоморфных сигналов на 180°, так называемая «противофаза». Вследствие техни-

Рис. 2-6

Практический контроль фазовых соотношений осуществляется с помощью так называемых кореллометров или гониометров, отражающих тенденцию преимущественного совпадения или антисовпадения фаз спектральных компонент двух сложных сигналов.

На рисунке 2-6 приведены две гониограммы двухканаль-ного стереофонического сигнала, левая из которых, согласно международному стандарту, принятому для грамзаписи, иллюстрирует преимущественную противофазность, а правая — преимущественную синфазность стереопары. Сказанное отображается вертикальной или горизонтальной ориентацией гониограмм, соответственно тенденциям фазовых взаимоотношений.

Величина сигнала

Электронные устройства могут генерировать синусоидальные колебания заданной амплитуды и частоты или иные колебания различного рода (в том числе и шум); их вид адекватно изображается на экране специального прибора— осциллографа, с помощью которого технические сотрудники студий исследуют интересующие их параметры сигналов.

К характеристикам сложных реальных сигналов, с которыми постоянно имеют дело звукорежиссёры, следует отнести так называемую огибающую амплитуд, иллюстрирующую сигнал в его динамическом развитии (рис. 2-7).

Рис. 2-7

Информация, которую можно черпать из рисунка огибающей, увеличенного до деталей, позволяет судить о характере и времени атаки (нарастания) и затухания звуков; эти данные бывают актуальны при использовании приборов для динамической обработки сигналов (рис. 2-8).

Рис. 2-8