Гари Дэвис, Ральф Джонс

Звук: теория, устройства, практические рекомендации

Мы продолжаем публикацию большого курса, в котором последовательно будут рассмотрены наиболее важные теоретические вопросы, возможности и особенности различной аудиотехники, а также современные устройства для работы со звуком. В четвертой главе курса обсуждается понятие "динамический диапазон", рассматриваются его значения для различных систем звукоусиления, звукозаписи, вещательных и др.

(продолжение, начало см. в “ЦВ” #4’2002, август, #5’2002, октябрь, #6'2002, декабрь, #1'2003 февраль.)

Глава 4

4.1. Динамический диапазон

Динамический диапазон определяет максимальное изменение уровня звука в аудиоматериале, он выражается в децибелах и равен разности между самой громкой и самой тихой частью аудиоматериала. Иногда на фоне шумов самая тихая часть музыкального фрагмента может оказаться неслышимой, в этом случае динамический диапазон будет определяться разностью между самой громкой частью музыкального произведения и уровнем шумов.

Динамический диапазон используется и для характеристики звуковых систем. Любая звуковая система имеет собственный шум, являющийся остаточным электронным шумом системы. Динамический диапазон звуковой системы равен разности между пиковым уровнем звука на выходе и уровнем внутренних шумов.

Динамический диапазон рок-н-рольной музыки

Для рок-н-рольной музыки характерен самый широкий динамический диапазон. Уровень звукового давления у микрофонов (не в аудитории) на таких концертах может изменяться от 40 дБ (что соответствует шуму в аудитории при кратковременных паузах в исполнении, улавливаемому микрофоном) до 130 дБ (это выше болевого порога, но звуки такой громкости исполнители издают в микрофон, а до слушателей они доходят менее громкими). Чтобы определить динамический диапазон такого концерта, следует из пикового уровня звукового давления вычесть уровень шумов:

Динамический диапазон = Пиковый уровень - Уровень шумов = 130 дБ - 40 дБ = 90 дБ.

Примечание. дБ - это отношение двух сигналов, и в этом случае мы описываем, как соотносятся сигналы 130 дБ SPL и 40 дБ SPL. Разница между ними составляет 90 дБ, но данное значение никак не связано с уровнем звука 90 дБ SPL, отнесенного к 0,0002 дин/см2. Динамический диапазон всегда указывается в дБ, его никогда не следует выражать в единицах дБ SPL, дБm, дБu, отнесенных к какому-то абсолютному значению.

Электрический динамический диапазон звуковой системы

Электрический уровень сигнала звуковой системы (в дБu) пропорционален уровню звукового давления (в дБ SPL) у микрофона. Реальные уровни электрического сигнала, определяются чувствительностью микрофонов, уровнем усиления предусилителей мощности и другой аппаратурой, но эти величины являются постоянными и соответствуют тем, что приведены в спецификациях.

При уровне звукового давления у микрофона 130 дБ SPL максимальные линейные уровни на выходе микшерного пульта могут достигать +24 дБu (12,3V), а максимальные уровни на выходе каждого усилителя мощности - пиковых значений 250 Вт (подобных усилителей может быть и несколько). При уменьшении уровня звука до 40 дБ SPL минимальный линейный уровень уменьшается до 66 дБu (388 мV), а уровень сигнала на выходе усилителя мощности снижается до 250 нВт.

При этом динамический диапазон аудиоматериала на выходе микшерного пульта остается таким же, как у сигнала, снимаемого с микрофона:
Динамический диапазон = Пиковый уровень - Уровень шумов = +24 дБu - (-66 дБu) = 90 дБ.

А что можно сказать относительно динамического диапазона на выходе усилителя мощности? Как соотносятся в децибелах 250 Вт и 250 нВт можно легко рассчитать, используя формулы, приведенные в главе 3:
дБ = 10 log (P1/P0)= 10 log (250/0,000000250) = 10 log (1000000000) =10 · 9 = 90 дБ.

Соответствие величин дБ SPL и дБu, дБm или дБW сохраняется на всех участках звуковой системы от источника звука у микрофона до выхода на систему громкоговорителей. При изменении уровня звука на 90 дБ, электрическая мощность изменится на столько же. В электрической цепи, которая возбуждается данным звуком (предполагается, что усиление носит линейный характер, т.е. в системе не применяется компрессия, эквализация, ограничение и отсечку сигналов) разность между двумя уровнями звукового давления, выраженная в децибелах, всегда соответствует разности мощностей в дБm или разности напряжений в дБu. Такое соотношение характерно для систем любого типа: звукоусиления, звукозаписи, вещательных.

Акустический динамический диапазон системы

Мы описали динамический диапазон аудиоматериала, который поступает на микрофон, и динамический диапазон электрического сигнала, который проходит через микшерный пульт и усилители мощности, а что можно сказать относительно звука на выходе системы громкоговорителей? Как вы, наверное, могли бы уже предположить, он должен иметь такой же динамический диапазон. Если громкоговорители не в состоянии передать полный динамический диапазон, то они не смогут воспроизводить самые низкие уровни мощности, либо будут искажать звук на пиковых уровнях сигнала (эти недостатки могут присутствовать одновременно). Реальные уровни звука, которые должны воспроизводить громкоговорители определяются расстоянием между ними и публикой, а также требуемой громкостью звучания. Предположим, что мы не хотим, чтобы у наших слушателей лопнули барабанные перепонки, и за достаточный для точной передачи исполнения пиковый уровень принимаем 120 дБ SPL. В этом случае на данной сценической площадке громкоговорители должны сообща генерировать 130 дБ SPL (если вы проведете необходимые расчеты, то получите именно это значение). Мы также знаем, что, если громкоговорители генерируют 130 дБ SPL на пиках, то они смогут поддерживать 40 дБ SPL на самых тихих фрагментах, т. е. обеспечивать заданное значение динамического диапазона 90 дБ.

Нам известно, что звуковая волна, соответствующая пиковому уровню, ослабляется в процессе распространения на 10 дБ (т.е. со 130 дБ SPL до 120 дБ SPL). Но точно также будет снижаться и уровень звукового давления, соответствующий тихим фрагментам (с 40 дБ до 30 дБ), и публика может их не услышать, так как в этом случае уровень звука становится ниже уровня шума в зрительном зале. Именно поэтому часто применяют электронную регулировку динамического диапазона, включающую компрессию самых громких пиков, в результате которой повышается общий уровень звуков, и тихие фрагменты звучат громче.

4.2. Запас динамического диапазона

Средний электронный линейный уровень звука в концертной системе, описанной в разделе 4.1, равен +4дБu (1,23 V) и совпадает со средним уровнем звука (110 дБ SPL) у микрофона. Этот средний уровень обычно называют "номинальным уровнем" аудиоматериала. Запас динамического диапазона определяется разностью между номинальным и пиковым (максимальным) уровнем звука в аудиоматериале. Зная уровни звука у микрофона, рассчитаем запас, который должна иметь данная концертная звуковая система.

Запас = Пиковый уровень - Номинальный уровень = 130 дБ SPL - 110 дБ SPL = 20 дБ. Запас динамического диапазона всегда выражается в простых дБ потому, что он описывает соотношение уровней, а не абсолютные их значения.

Электрический запас, расчет которого приведен ниже, также равен 20 дБ.
Запас = Пиковый уровень - Номинальный уровень = +24дБu - (+4дБu) = 20 дБ. Здесь запас также равен 20 дБ, а не 20дБu. Запас усилителя с максимальной мощностью 250 Вт и минимальной 2,5 Вт также составит 20 дБ, что можно рассчитать, используя следующие уравнения (см. главу 3):
дБ = 10log (P1/P2) = 10log(250/2,5 Вт) = 10log(100) = 10·2 = 20 дБ.

На рис 4.1. приведена схема, на которой показаны значения динамического диапазона и его запаса для типичной звуковой системы. Указанное отношение сигнал : шум соответствует разности между номинальным уровнем сигнала и уровнем шумов.

Правда, следует учитывать, что сумма отношения сигнала к шуму и запаса не всегда равна динамическому диапазону. Дело в том, что динамический диапазон соответствует разности между самым громким и самым тихим фрагментами аудиоматериала, который состоит из сигналов определенной структуры и является относительно узколополосным, а шум является псевдослучайным широкополосным сигналом.

С другой стороны, отношение сигнала к шуму определяется номинальным уровнем сигнала и уровнем собственных шумов. Если это значение добавляется к запасу, который представляет собой разность между этим номинальным уровнем и максимальным уровнем, то полученная величина в дБ может оказаться меньше динамического диапазона (т. е. допускается наличие различимого на слух сигнала, который лежит ниже уровня собственных шумов системы).

Но как определить, на сколько уровень звуков в аудиоматериале может быть ниже уровня собственных шумов, чтобы первые оставались различимы на слух. В значительной степени это зависит от характера аудиоматериала, природы шума, а также от способности слушателей к восприятию звуков. Поэтому все-таки предпочтительнее определять динамический диапазон исходя из уровня собственных шумов, хотя это не всегда справедливо, но зато позволяет получать надежные результаты.

От запаса динамического диапазона зависит, будет ли звуковая система справляться с пиковыми уровнями звука в аудиоматериале. Так, две системы с разными динамическими диапазонами могут одинаково хорошо работать номинальными уровнями звука, но только та из них, которая обладает большим динамическим диапазоном, сможет без искажений передавать пиковые уровни звуков.

Требования к динамическому диапазону зависят от назначения системы. Для звуковой системы громкой связи, которая должна работать в условиях шумного производства с высокими номинальными уровнями звука, чтобы перекрыть шум от работающих станков, достаточно иметь запас в несколько децибел (до 6 дБ). Данная система предназначена только для воспроизведения речи или предупреждающих сигналов, уровень звука которых можно контролировать и удерживать в очень узком диапазоне. Если номинальный уровень для системы внутренней связи будет равен 110 дБ SPL, то при запасе 6 дБ пиковые значения составят 116 дБ SPL, что всего на несколько децибел меньше болевого порога. Если запас такой системы был бы таким же, как у концертной звуковой системы, описанной выше (20 дБ), то пиковые уровни звука достигали бы 130 дБ SPL, и после первых нескольких объявлений по громкой связи рабочие подали бы жалобу по поводу невыносимых условий труда.

А вот звуковая система, предназначенная для усиления симфонической музыки, должна иметь запас динамического диапазона более 20 дБ. Дело в том, что при среднем уровне звуков, издаваемых оркестром 90 дБ, пиковые значения, соответствующие звукам некоторых инструментов (литаврами, скрипками и др.) могут достигать 120 дБ SPL. Поэтому для таких систем необходим запас динамического диапазона 30 дБ, и если он будет меньше, при максимальном уровне звуков будут слышны искажения. Присутствие последних возможно и допустимо на громких концертах рок-н-рольной музыки с плотным звуком, но почитателей классической музыки с натренированным слухом даже кратковременное искажение звучания будет раздражать, и такая звуковая система не устроит ни исполнителей, ни публику.

Однако это не означает, что для симфонической музыки потребуется больше усилителей мощности и громкоговорителей, чем для рок-н-рольной. Такого же или даже меньшего количества аппаратуры будет вполне достаточно, но ее нужно настроить так, чтобы запас динамического диапазона составлял 10 дБ.

Вспомним о том, что 10 дБ эквивалентно 10-кратному увеличению мощности. Как же увеличить запас динамического диапазона системы на 10 децибел? Выше мы указывали, что пиковые значения уровня звука могут достигать 120 дБ SPL. Увеличить максимальный уровень мы не можем, но, снизив номинальное значение со 100 дБ SPL до 90 дБ SPL, обеспечим повышение запаса динамического диапазона на 10 дБ. Полученная звуковая система для оркестра, выдержит пиковый уровень 117 дБ SPL (с запасом 27 дБ), при этом половину усилителей и громкоговорителей можно будет отключить, так как 3 дБ соответствует 50% мощности.

4.3. Выбор динамического диапазона для реальной звуковой системы

Какими же критериями следует руководствоваться при выборе динамического диапазона и его запаса? При создании звуковой системы нужно учитывать, с какими аудиоматериалами ей предстоит работать. Правда, порой вследствие различных практических и финансовых ограничений приходится идти на компромиссы.

Нужно ли стремиться к максимальному динамическому диапазону?

Динамический диапазон системы можно расширить либо за счет увеличения максимального уровня звука, либо за счет уменьшения уровня фонового шума. Иногда для этой цели применяют акустическую обработку, которая наряду с увеличением динамического диапазона уменьшает избыточное эхо, поэтому ее часто используют в системах, используемых в концертных залах. В портативных звуковых системах уменьшить уровень фонового шума практически невозможно, поэтому для них приемлем только один вариант - увеличение уровня звука.

Повышение максимального уровня звука, который способна обеспечить звуковая система, увеличивает ее стоимость в экспоненциальной зависимости, так как для увеличения уровня звука на каждые 3 дБ потребуется двукратное повышение мощности усилителей и громкоговорителей. Конечно, можно к тем же усилителям мощности подключить более чувствительные громкоговорители, но скорей всего именно такие устройства уже используются в системе, к тому же чувствительные громкоговорители стоят дороже и гораздо больше по размеру. Можно также использовать направленные громкоговорители (например, рупорные колонки с меньшим углом рассеивания), которые фокусируют всю мощность в меньшем объеме пространства, и соответственно обеспечивают больший уровень звукового давления. Ну а если это невозможно, придется увеличивать количество усилителей или подбирать более мощные устройства.

Если звуковая система не соответствует требованиям

Если динамический диапазон аудиоматериала превышает максимальный динамический диапазон системы, появляются искажения на пиковых уровнях звука и громкоговорители могут выйти из строя, а тихие фрагменты будут не слышны из-за того, что они окажутся ниже уровня электрических и акустических шумов.

Давайте рассмотрим, подобную ситуацию на примере концертной системы, которую мы рассматривали в разделе 4.1. Диапазон акустических уровней у микрофона составлял от 40 дБ SPL до 130 дБ SPL, а динамический диапазон - 90 дБ. Соответствующие уровни сигнала на микшерном пульте изменялись в пределах от -66 дБu (388 мV) до +24 дБu (12,3 V), т. е. его динамический диапазон также был равен 90 дБ. Наконец, минимальный выход усилителя мощности составлял 0,25 мВт, а максимальный -- 250 Вт, поэтому и здесь значение динамического диапазона сохранялось, равным 90 дБ.

Пример. Предположим, что описанную звуковую систему перевозят на двух грузовиках. Но тот грузовик, на котором везли электронику, застрял в пробке на шоссе, и, чтобы не сорвать концерт, в последнюю минуту пришлось взять в аренду местную звуковую систему с меньшим грмокоговорителей. В этой звуковой системе цепь предусилителя для микрофонов шумит сильнее, а мощность выходного линейного усилителя микшера меньше, чем у той аппаратуры, что застряла на шоссе. Зато арендованные усилители мощности обеспечивают нужную нам мощность. Итак, при измерении арендованной аппаратуры мы обнаруживаем, что электронный уровень собственных шумов у нее составляет -56 дБu (1,23 мV), а пиковый выходной уровень - +18 дБ (6,16 V). Каков будет динамический диапазон собранной системы?

1. Нам известно, что самым слабым звеном данной системы является не динамический диапазон, а электронная цепь.
Динамический диапазон = Пиковый уровень - Уровень собственных шумов = = +18 дБu -(-56 дБu) = 74 дБ.
Динамический диапазон этой системы составит всего 74 дБ.

2. Акустический динамический диапазон музыкального выступления остался равным 90 дБ, (см. рис. 4.1), поэтому 16 дБ (0 дБ - 74 дБ = 16 дБ) в данной звуковой системе "потеряется".

На выходе микшерного пульта пиковые значения, соответствующие самым громким фрагментам, будут воспроизводиться неадекватно, а самые тихие фрагменты с низким уровнем сигналов станут неразличимы на фоне шумов. Поэтому для усиления или воспроизведения звука с высоким качеством, звуковая система должна эффективно работать на низких уровнях громкости и иметь высокую мощность.

Как согласовать выступление с широким динамическим диапазоном с системой с ограниченным динамическим диапазоном

До сих пор мы рассматривали линейные зависимости, когда при изменении уровня сигнала на входе на 2 дБ его изменение на выходе составляли те же 2 дБ. Однако так происходит не всегда. Как же будет меняться динамический диапазон музыкального выступления, если при изменении входного уровня сигнала на 2 дБ, его уровень на выходе изменится только на 1 дБ. Как видно из представленной на рис. 4.2 схемы, он уменьшится в два раза (с 90 дБ до 45 дБ).

Именно такую операцию выполняет устройство, предназначенное для обработки сигнала, называемое "компрессор". Если для компрессора задано относительно небольшое сжатие 2:1, то на выходе уровни сигналов будут в два раза меньше, чем на входе. Такое сжатие вполне допустимо при воспроизведении музыки, но часто используют компрессию и с более высокими коэффициентами.

В примере, приведенном выше, нам надо было изменить динамический диапазон выступления с 90 дБ до 74 дБ, т.е. уменьшить его всего на 16 дБ. Для этого, как показано на рис. 4.3, можно установить коэффициент сжатия компрессора 1,21:1 и получить нужный динамический диапазон 74 дБ. Возможно, при этом придется отрегулировать реальные уровни сигналов, что также показано на рисунке 4.3. Данный вариант обработки сигнала предпочтительнее, чем его сжатие с коэффициентом 2:1, так как обеспечивает не только согласование динамического диапазона с ограничениями звуковой системы, но и сохраняет естественное звучание аудиоматериала.

Ну а как быть, если компрессию применять нежелательно, чтобы исключить связанные с ней побочные эффекты, которые проявляются в увеличении громкости тихих фрагментов и появлению линейных искажений на низких частотах. В этом случае можно выбрать другой подход: использовать компрессию только для сигналов, уровень которых превышает заданное пороговое значение. При этом сигналы ниже этого уровня сжиматься не будут и, если пороговый уровень близок к номинальному уровню сигналов в аудиоматериале, основная часть выступления будет звучать естественно. Зато для сигналов с уровнем выше порогового значения можно использовать такое сжатие, которое необходимо для предотвращения их "срезания". Рис. 4.4 иллюстрирует применение компрессии с коэффициентом 1,43:1 в отношении сигналов, уровень которых превышает пороговое значение +4дБu. Этот способ позволил снизить требования к запасу динамического диапазона, но поскольку динамический диапазон снизился до 84 дБ, тихие фрагменты выступления будут передаваться не лучшим образом (в шумах потеряется 10 дБ аудиоматериала). Если пороговый уровень сигналов был бы ниже, а коэффициент компрессии - выше, то удалось бы сохранить больший динамический диапазон, и общий уровень сигнала на компрессоре оставался бы выше уровня собственных шумов микшерного пульта.

Существуют устройства, которые позволяют применять компрессию с очень высоким коэффициентом сжатия (8:1 - 20:1 или даже ?:1) в отношении сигналов, имеющих уровень выше порогового значения. Эти устройства называют "ограничители", а операцию, которую они выполняют, - "ограничение". Например, установлены пороговое значение уровня сигнала +15 дБu и коэффициент сжатия 10:1. В этом случае до тех пор, пока уровень сигнала на входе компрессор будет меньше +15 дБu, на выходе компрессора он останется таким же, как на входе, а когда уровень входного сигнала станет больше +15 дБu, на выходе он изменится, но очень незначительно. Если коэффициент сжатия равен 10:1, то при изменении уровня сигнала на входе на 10 дБ, его изменение на выходе составит 1 дБ, т.е. входной сигнал с уровнем +25 дБu на выходе станет равным +16 дБu.

В качестве компрессора или ограничителя можно использовать различные устройства, которые называют "ограничители-компрессоры".

В своих рассуждениях мы сделали одно серьезное допущение: предположили, что компрессор установлен после микрофонного предусилителя микшерного пульта до выходного каскада и что весь шум, а также проблемы, связанные с запасом динамического диапазона в микшерном пульте, проявляются после компрессора. Но часто источником шума являются микрофонные предусилители, а усилители в микшерном пульте могут оказаться уязвимым звеном в отношении запаса динамического диапазона. Справиться с этими проблемами поможет установка компрессора во входном каскаде. Порой возникает ситуация, когда микшерный пульт имеет большие запас и динамический диапазон, а его ограничение связано с системой усилители мощности/громкоговорители. В этом случае ограничитель нужно установить в любой точке цепи до усилителей мощностей.

Иногда компрессор и экспандер (расширитель) применяют для преодоления ограничений динамического диапазона только на отдельном участке звуковой системы. Это приходится делать при использовании аналогового ленточного рекордера, динамический диапазон которого в большей степени ограничен уровнем собственных шумов и искажениями, вызванными намагничиванием пленки, чем электроникой. В этом случае для уменьшения потерь при воспроизведении аудиоматериала используют шумоподавление. Компандерная система шумоподавления, (рис. 4.5) позволяет сохранить динамический диапазон оригинального материала в процессе записи и воспроизведения за счет сжатия динамического диапазона перед записью на ленту и соответствующего его расширения при считывании аудиоматериала с ленты. Такими системами оснащены многие и профессиональные и бытовые магнитофоны.

А. Аудиоматериал с широким динамическим диапазоном (порядка 100 дБ).
Б. После сжатия с коэффициентом 2:1 динамический диапазон аудиоматериали уменьшается в два раза
(50 дБ).
В. После расширения (декодирования) с коэффициентом 1:2 динамический диапазон аудиоматериала восстанавливается и становится равным исходному (100 дБ).

Каким должен быть запас динамического диапазона?

Необходимый запас динамического диапазона определяется разностью между номинальными (средними) и максимальными (пиковыми) уровнями сигналов, присутствующих в аудиоматериале. Он зависит от типа аудиоматериала и устанавливается с учетом стоящих задач и той суммы, которую можно израсходовать на усилители. Чтобы обеспечить естественное звучание музыки, желательно иметь запас от 10 дБ до 20 дБ. Для систем звукоусиления, особенно при большом количестве усилителей, запас динамического диапазона в 10 дБ запаса обычно бывает достаточен. Для заводских систем громкой связи, которые должны обеспечивать хорошую слышимость на фоне постоянного шума, а также ограничивать максимальные уровни сигналов, как правило, выбирают запас 5- 6 дБ. Для достижения таких низких значений запаса динамического диапазона используют сжатие с очень большим коэффициентом или существенно ограничивают уровни сигналов, поэтому сообщения могут звучать несколько неестественно, но зато будут очень хорошо слышны.