Динамическая обработка звуковых сигналов

Динамическая обработка предназначена для сокращения динамического диапазона звуковых сигналов. Звуковые сигналы в радиовещании, телевидении и звукозаписи всегда подвергаются такой обработке, независимо аналоговые они или цифровые. Это связано с тем, что часто динамический диапазон природных звуков, звуков музыки и речи значительно шире динамического диапазона электроакустических трактов современной аппаратуры. Если не использовать динамическую обработку и передавать полностью натуральный динамический диапазон оркестра (70…80 дБ), то чтобы не мешали шумы помещения, уровень сигнала пианиссимо должен быть не ниже 40 дБ SPL. Фортиссимо при этом будет достигаться при уровне звукового давления 120 дБ SPL, что близко к болевому порогу.

 Динамическая обработка звуковых сигналов позволяет слушать радио и телевизионные передачи со звуковым давлением не выше 100 дБ SPL в обычных жилых помещениях, в которых обычно уровень шума не менее 40…50 SPL и, даже в автомобилях, где уровень шума значительно больше. Без такой обработки при пиковом звуковом давлении не выше 80 дБ SPL (как в театре) звукозаписи можно было бы слушать только в полной тишине, закрыв окна и двери, иначе любой посторонний шум заглушит тихие места фонограммы. 28 Динамическая обработка звуковых сигналов производиться с помощью лимитеров, максимайзеров, компрессоров, экспандеров и гейтов. Это все пороговые устройства, в которых при достижении сигнала установленного уровня их коэффициент передачи меняется скачком. Таким способом можно как сжать, так и расширить динамический диапазон сигнала.

В системах передачи звуковых сигналов по линиям связи сокращение и обратное расширение динамического диапазона производится с помощью компандерной системы компрессирования. На входе линии устанавливается компрессор, а на выходе – экспандер, поэтому в такой системе сигнал компрессирован только в линии связи. Названия приборов такие же, как и при динамической обработке, но принцип их работы совершенно иной, на это нужно обратить внимание. 2.2. Динамический диапазон сигналов и трактов Человек слышит звук в чрезвычайно широком диапазоне звуковых давлений. Этот диапазон простирается от абсолютного порога слышимости до болевого порога 140 дБ

SPL относительно нулевого уровня, за который принято давление 0,00002 Па (рис.2.1.). Зона риска на этом рисунке обозначает область звуковых давлений, которые при длительном воздействии могут привести к полной потери слуха. Болевой порог для тональных звуков зависит от частоты, для звуков с произвольным спектром за болевой порог принят уровень давления 120 дБ SPL. В тишине чувствительность слуха человека повышается, а в атмосфере громких звуков – понижается, слух адаптируется к окружающей звуковой среде, поэтому динамический диапазон слуха не такой большой – около 70..80 дБ. Сверху он ограничен давлением 100 дБ SPL, а снизу шумом с уровнем -30…35 дБ SPL. Этот динамический диапазон может сдвигаться вверх и вниз до 20 дБ. Для комфортного восприятия музыки рекомендуется, чтобы звуковое давление не превышало 104 дБ SPL в домашних условиях и 112 дБ SPL, в специально оборудованных помещениях.

Динамический диапазон музыки определяется отношением в децибелах самого громкого звука (фортиссимо) и самого тихого звука (пианиссимо). Динамический диапазон симфонической музыки составляет 65…75 дБ, а на концертах рок-музыки он возрастает до 105 дБ, при этом пики звуковых давлений могут достигать 122…130 дБ SPL. Динамический диапазон вокальных исполнителей — не превышает 35…45 дБ (рис.2.1). Шум помещения маскирует звук и этим уменьшает динамический диапазон. Влиянием шума можно полностью пренебречь, если его уровень на 10…20 дБ SPL ниже минимального уровня музыкальных звуков. В студиях звукозаписи уровень шума не превышает 20…30 дБ SPL, ночью в квартирах «тихих» домов этот уровень равен 40 дБ.

SPL, любой разговор увеличивает уровень шума до 60дБ SPL. Именно поэтому тихая музыка часто тонет в шумах помещения прослушивания и невольно возникает желание увеличить громкость. Музыкальный и речевой сигналы представляют собой последовательность быстро нарастающих и более медленно затухающих звуковых импульсов (рис.2.2.). Такой сигнал характеризуется среднеквадратическим и пиковым значениями уровней, разность этих уровней называется пик-фактором. Прямоугольная волна (меандр) имеет единичный пик-фактор 0 дБ, пик-фактор синусоиды равен 3 дБ. Фонограммы музыкальных и речевых сигналов имеют пик-фактор до 20 дБ и более. Время определения пик-фактора связано временем интегрирования при вычислении среднеквадратического значения сигнала, и обычно, оно равно 50 мс. Эмоциональную музыку с широким динамическим диапазоном и большим пик-фактором можно слушать только на высококачественной дорогой аппаратуре с хорошими акустическими колонками. На дешевых плеерах с наушниками и в автомобилях из-за шумов динамический диапазон сокращается и она звучит просто отвратительно. Поэтому широким спросом такие записи не пользуются и, неизбежно, с каждым годом динамический диапазон и пик-фактор фонограмм преднамеренно изготовителями уменьшается (рис.2.3.). На современных CD дисках в 30 Рис.2.2. Фрагменты фонограмм музыкальных отрывков различной длительности 400мс 60мс 70мс 0 3 6 9 12 15 18 1985 1990 1995 2000…2007 дБ Рис. 2.3.

Пик-фактор CD дисков. в большинстве случаев динамический диапазон не превышает 20 дБ, а пик-фактор- чуть больше 3 дБ, что вполне достаточно для танцевальной музыки. На рис.2.4. приведена картинка современной фонограммы с компакт диска. Динамический диапазон микрофонов определяется так же, как это обычно делается в электрических трактах. Верхняя граница ограничивается допустимой величиной нелинейных искажений, а нижняя — уровнем собственных шумов. Современные студийные микрофоны допускают максимальное звуковое давление 125…145 дБ SPL, при этом нелинейные искажения не превышают 0,5% … 3%. Уровень собственных шумов микрофонов составляет 15…20 дБА, динамический диапазон – от 90 до 112 дБА, а отношение сигнал/шум- от 70 до 80 дБА. Эти микрофоны с запасом перекрывают весь диапазон слуха человека от 120 дБ SPL до уровня шума студии 20 дБ SPL. В современных студиях запись производится с использованием 22 или 24 разрядных АЦП, иногда используется квантование с плавающей запятой, поэтому проблем с динамическим диапазоном не возникает. Стоит такая аппаратура крайне дорого.