Характеристики качества звукового тракта

Тема: Компьютерная обработка аудиоданных

1 Характеристики звука

2 Синтез и методы обработки звука

3 Звуковые эффекты

4 Стандарт MIDI

5 Компьютерные звуковые платы и форматы звуковых файлов

 

Для создания звуков применяется имитационный синтез (имитация естественных звуков и акустических музыкальных инструментов) и чистый синтез (получение звуков не встречающихся в природе). В результате обработки также можно получить новые звуки из уже существующих. Имеются следующие виды работ со звуком: синтез, обработка и наложение звуковых эффектов. Реализация этих работ стала возможной, в первую очередь, в связи с развитием информационных технологий.

 

Характеристики звука

 

К основным характеристикам звука относятся:

· амплитуда - определяет наибольшую величину колебаний, т.е. громкость или силу звука;

· спектральный состав - определяет окраску или тембр звука;

· изменение амплитуды во времени (амплитудная огибающая).

Рисунок 1 - Фазы сигнала генератора огибающей

Примерный вид огибающей любого природного звука представлен на рисунке 1.

На огибающей обозначены фазы развития звука, принятые в акустике:

· атака (attack) - начальная фаза, подъем;

· остановка (hold) - короткая стабилизация после подъема;

· спад (decay) - фаза перехода звука в установившееся состояние;

· удержание (sustain) - фаза "поддержки";

· затухание (release) - послезвучание.

Представление звука в цифровом виде. Звук переводится в цифровой вид путем дискретизации реального сигнала по времени и квантования по уровню. В результате получается последовательность дискретных чисел, которые описывают процесс развития звука, определяя его состояние в определенные моменты времени. Измеренная величина существует в форме числа, поэтому копирование оцифрованного сигнала происходит без потери качества, так как переписывается лишь число. Для того чтобы без потерь оцифровать сигнал, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты сигнала (включая гармоники). Для качественной оцифровки частота дискретизации должна выбираться, исходя из полосы пропускания канала (для звуковой аппаратуры Hi-Fi - 20-25 кГц): стандартное значение в системе «компакт-диск» - 44.1 кГц. Там же используется 16-pазpядная оцифровка.

Устройство, осуществляющее дискретизацию звукового сигнала, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), в англоязычном варианте – Audio-to-Digital converter (ADC), международное обозначение – coder/decoder, codec. Принцип работы АЦП можно представить так: через определенные промежутки времени измеряется амплитуда сигнала и по числовому тракту передается последовательность чисел, несущих информацию об изменениях величины амплитуды. Во время оцифровки сигнала не происходит никакого его физического преобразования. С электрического сигнала как бы снимается отпечаток или образец, являющийся цифровой моделью колебаний напряжения в аудиотракте.

Одной из двух основных характеристик качества устройства, осуществляющего перевод непрерывного сигнала в дискретный (АЦП), является частота дискретизации (указывается в килогерцах (кГц)). Это то количество измерений амплитуды сигнала, которое способно осуществить устройство за одну секунду. В современных устройствах для качественного преобразования аналогового сигнала в цифровой применяют частоты более чем в два раза превышающие верхнюю границу звукового диапазона: 44,1 и 48 кГц. А в новом формате компакт-дисков «DVD» применяется частота сэмплирования 96 кГц. То есть за 1 секунду сигнал измеряется 96 тысяч раз! Во многих случаях (создание звука для мультимедийного приложения, запись голоса телефонного качества и т.д.) применяются меньшие частоты дискретизации, что позволяет сэкономить вычислительные ресурсы устройств и оперировать большими объемами информации. Общепринятыми в современной аудиоиндустрии частотами дискретизации являются: 8 кГц, 11,025 кГц (качество телефонной линии), 22,05, 24, 32 кГц, 44,1 кГц (качество СD), 48 кГц (качество DAT), 96 кГц (стандарт DVD).

Второй основной характеристикой, характеризующей качество АЦП, является его разрядность сэмплирования (указывается в битах). Этот параметр указывает, с какой точностью происходят измерения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, фактически определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. От этой точности зависит достоверность восстановления формы волны.

Чем больше разрядов в числе, тем точнее записываются результаты измерений, соответственно, тем шире передаваемый динамический диапазон – т.е. максимально возможная разность между двумя сигналами разной громкости, воспроизводимыми в пределах одного отсчета. При расчетах 1 бит (разряд) приравнивается к 6,01 дБ, таким образом получается, что при 20-битном представлении сигнала его динамический диапазон равен 120 дБ, а при 16-битной разрядности динамический диапазон равен 92 дБ.

Про ДЕЦИБЕЛ

В большинстве случаев измерений, встречающихся в работе звукорежиссера, приходится сталкиваться с очень интересным эффектом: все изменяется не на сколько-то единиц, а во сколько-то раз. Определение громкости звука основано на психофизическом законе, установленном в 1846 году Э.-Г. Вебером, который заложил основы "психометрии", т.е. количественных измерений ощущений. Поскольку ощущение является субъективным процессом, то абсолютные измерения силы ощущений невозможны, и Вебер перенес проблему в область измерения относительных величин и искал минимальные различия в ощущениях, которые можно зафиксировать.

Суть закона Вебера заключается в том, что чувствительность уха человека к звуку меняется, как логарифм интенсивности звука. Аналогичные соотношения были установлены Э.-Г. Вебером и Г.-Т. Фехнером и для других ощущений, даваемых органами чувств человека, - осязания и зрения.

Децибел – это некая относительная величина. Для расчета этой единицы применяются следующие формулы:

N=20*lg(U2/U1)

Где U1 - опорное напряжение; U2 - измеряемое напряжение; N - их соотношение в децибелах.

При измерении динамического диапазона (разница между максимальным и минимально возможными уровнями инструмента или какого-либо устройства) используется формула

D = 20lg(Pmax/Pmin)

Где Pmax и Pmin — максимальное и минимальное звуковые давления.

В практических целях при определении динамического диапазона источника звука используют уровни звукового давления, вычисляя их разность. Например, так как максимальный уровень звучания рояля составляет 80 дБ, а минимальный — 35 дБ, то говорят, что его динамический диапазон составляет 80 – 35 = 45 дБ. При этом 80 дБ и 35 дБ — это уровни звукового давления относительно условного нулевого акустического уровня (порога слышимости). В таблице приведены параметры, характеризующие динамический диапазон некоторых источников звука.

 

Источник звука	Уровень, дБ	Динамический
минимальный	максимальный	диапазон, дБ
Гитара
Пение женское			20 — 35
Пение мужское			20 — 45
Орган
Виолончель
Рояль
Эстрадный оркестр			45 — 55
Симфонический оркестр			60 — 75

 

Следует отметить, что если в звуковом тракте есть цифровые устройства с разной разрядностью, то разрядность всей системы вычисляется по минимальному значению.

Вывод цифрового звука осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), в англоязычном варианте – Digital-to Audio Converter (DAC), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал необходимой амплитуды. А в акустических системах этот сигнал преобразуется в звуковые волны, которые мы слышим.

 

Характеристики качества звукового тракта

Под звуковым трактом подразумевается любое цифровое или аналоговое устройство или их совокупность, осуществляющие прием, преобразование и воспроизведение звука. Основные параметры, которые характеризуют качество звукового тракта или отдельных его составляющих, это: коэффициент нелинейных искажений, отношение сигнал/шум, амплитудно-частотная характеристика.

1. Коэффициент нелинейных искажений (измеряется в процентах). Является прямым показателем чистоты звучания. Характеризует степень, в которой устройство добавляет свои собственные призвуки к оригинальному сигналу. В идеале чистый сигнал (например, сгенерированная синусоидальная волна) не имеет гармоник, но в результате нелинейности звукового тракта, через который он пропускается, к исходному чистому сигналу добавляются дополнительные гармоники. Поэтому отношение уровня исходного сигнала к уровню побочных гармоник называют еще коэффициентом гармоник (Total Harmonic Distortion, THD). Нелинейные (гармонические) искажения становятся отчетливо слышны, если их коэффициет превышает 3%. В pяде случаев этот показатель указывается для pазличных гаpмоник (на слух наибольшие искажения вносят нечетные гаpмоники высших поpядков).

У современной высококачественной аппаратуры коэффициент нелинейных искажений составляет десятые или сотые доли процента. Значение этого коэффициента позволяет проранжировать устройства по качеству:

1% – не очень чистый звук.

0,1% – нормальное звучание.

0,01% – звучание класса Hi-Fi.

0,002% – чистое прозрачное звучание класса Hi-Fi, Hi-End.

2. Отношени сигнал/шум (Signal To Noise Ratio, SNR) – величина собственного шума устройства по отношению к уровню сигнала, измеряется в дБ, другое название – Уровень шума (Noise Level), указывается то же самое значение в дБ, только отрицательное. Отношение сигнал/шум показывает, насколько сильно шумит само аудиоустройство по отношению к максимальному уровню сигнала, при котором не наступают гармонические искажения.

65 дБ – удовлетворительно только для очень дешёвых устройств.

80...85 дБ – характеристики бытовой аудиоаппаратуры.

90...100 ДБ – обычная величина для Hi-Fi и Hi-End аппаратуры.

В некоторых случаях непосредственно связан с такой характеристикой, как динамический диапазон (Dynamic Range) – разница между наибольшим и наименьшим уровнями сигнала, в пределах которой сохpаняются основные хаpактеpистики тpакта. Снизу обычно огpаничен уpовнем шума, свеpху – номинальным уpовнем – разница между наибольшим и наименьшим уровнями сигнала, в пределах которой сохpаняются основные хаpактеpистики тpакта. При этом номинальный входной и выходной уpовень (Input/Output Level) рассматривается как величина сигнала на входе и выходе тpакта, до котоpого он сохpаняет указанные паpаметpы. Указывается в вольтах и обычно пpинимается за 0 дБ. Таким обpазом, pабочие уpовни сигнала имеют отpицательный, либо нулевой уpовень.

3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – диапазон частот, в котором сигнал сохраняет свои изначальные характеристики. Указывается в герцах и характеризует реалистичность звучания. Качественная аппаратура класса Hi-Fi имеет стандартную АЧХ 20 Гц – 20 кГц, что соответствует крайним значениям частотного диапазона, которые в состоянии воспринять человеческое ухо. Если нижняя граница имеет значение большее 20 Гц (напр., 50-60 Гц), то в результате звук потеряет низкочастотную составляющую, будет звучать недостаточно «массивно» и «плотно». Если верхняя граница АЧХ находится ниже 20 кГц (напр., 16 Гц), то станет ощутимым недостаток высоких частот в сигнале, гармоник, создающих тембральную окраску звука, сигнал потеряет «яркость». Фоpма амплитудно-частотной хаpактеpистики (АЧХ) – гpафик зависимости амплитуды сигнала на выходе от его частоты пpи неизменной амплитуде сигнала на входе. Тpакты с гоpизонтальной внутpичастотного диапазона АЧХ называют частотно-независимыми.