Энциклопедия Кольера - звука воспроизведение и запись

воспроизведение натуральных звучаний электромеханическими средствами и сохранение их в форме, позволяющей восстанавливать их с максимальной верностью оригиналу. Более подробная информация о физических принципах, лежащих в основе затрагиваемых ниже вопросов акустики, содержится в статье Ухо; Слух; Музыкальные Инструменты; Музыкальные Гаммы.

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА

Запись и воспроизведение звука это область, в которой наука сочетается с искусством (звукорежиссера). Здесь есть две важные стороны: верность воспроизведения (как отсутствие нежелательных искажений) и пространственно-временная организация звучаний, поскольку задача воспроизведения звука электромеханическими средствами состоит не только в том, чтобы воссоздать звук, максимально приближенный к воспринимаемому в студии или концертном зале, но и в том, чтобы преобразовать его с учетом той акустической обстановки, в которой он будет прослушиваться. В графическом представлении простейшую форму имеют звуковых колебания чистых тонов типа создаваемых камертоном. Им соответствуют синусоидальные кривые. Но большинство реальных звучаний имеет неправильную форму, которая однозначно характеризует звучание, так же, как отпечатки пальцев человека. Всякое звучание может быть разложено на чистые тона разных частот (рис. 1). Эти тона состоят из основного тона и обертонов (гармоник). Основным тоном (с низшей частотой) определяется высота ноты. По обертонам мы различаем музыкальные инструменты, даже когда на них берется одна и та же нота. Обертоны особенно важны тем, что они создают тембр инструмента и определяют характер его звучания.

Рис. 1. ФОРМА ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ и ее разложение на составные частоты, т.е. на основной тон и обертоны (гармоники).Диапазон основных тонов большинства источников звука довольно узок, благодаря чему можно легко понимать речь и улавливать мотив, даже если у воспроизводящей аппаратуры ограниченная частотная полоса. Полнота же звучания обеспечивается лишь при наличии всех обертонов, а для их воспроизведения необходимо, чтобы не искажались соотношения между уровнями основного тона и обертонов, т.е. частотная характеристика воспроизводящей системы должна быть линейной во всем диапазоне слышимых частот. Именно такую характеристику (наряду с отсутствием искажений) и имеют в виду, когда говорят о высокой точности звуковоспроизведения (системы hi-fi).

Громкость. Восприятие громкости звука зависит не только от его интенсивности, но и от многих других факторов, в число которых входят и субъективные, не поддающиеся количественной оценке. Важное значение имеет обстановка, окружающая слушателя, уровень внешнего шума, высота и гармоническая структура звучания, громкость предыдущего звучания, эффект "маскирования" (под впечатлением предыдущего звучания ухо становится менее чувствительным к другим звучаниям близкой частоты) и даже эстетическое отношение слушателя к музыкальному материалу. Нежелательные звуки (шумы) могут казаться более громкими, чем желательные той же интенсивности. Даже восприятие высоты звучания может зависеть от интенсивности звука. Восприятие различий в высоте музыкальных тонов определяется не абсолютной величиной частотных интервалов, а их отношением. Например, отношение двух частот, различающихся на октаву, в любой части звукоряда равно 2:1. Точно так же наша оценка изменений громкости определяется отношением (а не разностью) интенсивностей, так что изменения громкости воспринимаются как одинаковые, если одинаковы изменения логарифма интенсивности звука. Поэтому уровень громкости звука измеряется по логарифмической шкале (на практике в децибелах). Уши человека способны воспринимать звук в колоссальном диапазоне мощности от порога слышимости (0 дБ) до порога болевого ощущения (120 дБ), соответствующего отношению интенсивностей 1012. Современное оборудование способно воспроизводить изменения громкости в пределах порядка 90 дБ. Но воспроизводить весь диапазон слышимости практически и не требуется. Большинство слушает музыку примерно на уровне негромкой речи, и вряд ли кому-нибудь было бы по себе в домашних условиях при нормальной громкости оркестра или рок-группы. Поэтому необходимо регулировать диапазон громкости, особенно при воспроизведении классической музыки. Это можно делать, постепенно понижая громкость перед крещендо (по партитуре) при сохранении нужного динамического диапазона. Для других музыкальных материалов, таких, как роки поп-музыка, широко применяются компрессоры, автоматически сужающие динамический диапазон усиливаемых сигналов. Но в дискотеках уровень звука нередко превышает 120 дБ, что может вызвать повреждение слуха и привести к полной глухоте. В этом отношении группа повышенного риска поп-музыканты и звукооператоры. Особенно опасны наушники, так как они концентрируют звук. Большинство слушателей широковещательных программ предпочитают, чтобы все программы озвучивались примерно на одном и том же уровне громкости и им самим не нужно было регулировать громкость. Но громкость субъективное восприятие. Некоторым громкая музыка способна досаждать больше, чем речь, хотя неразборчивая речь иногда сильнее раздражает, чем музыка той же громкости.

Балансировка звука. В основе хорошего звуковоспроизведения лежит сбалансированность разных источников звука. Проще говоря, в случае одного источника звука суть хорошего звуковоспроизведения в том, чтобы сбалансировать прямой звук, приходящий к микрофону, с влиянием окружающей акустики и обеспечить правильный баланс между прозрачностью звучания и его полнотой, допускающий нужную степень подчеркивания в тех местах, где это требуется.

Микрофонная техника. Первая задача звукорежиссера состоит в том, чтобы выбрать подходящее студийное помещение. Если приходится использовать неприспособленное помещение, то оно должно быть, как минимум, в 1,5 раза больше места, отводимого исполнителям. Следующий шаг выработка общей схемы расположения микрофонов. При воспроизведении музыкальных программ это необходимо сделать, консультируясь с дирижером и исполнителями. Микрофонов должно быть как можно меньше, поскольку наложение их звуковых полей способно снизить прозрачность звука. Правда, во многих случаях нужный эффект достигается только при использовании большого числа микрофонов. Комбинации музыкальных инструментов редко бывают настолько сбалансированы, чтобы это отвечало требованиям прослушивания в домашних условиях. Акустика жилого помещения может оказаться далекой от идеала. Поэтому необходимо ознакомить руководителя оркестра с требованиями балансировки при воспроизведении с помощью микрофонов. Организация воспроизводимых звучаний определяется типом микрофона, его приближенностью к источнику и обработкой его выходного сигнала. Вопрос о близости расположения микрофона к источнику звука нужно решать, учитывая соотношение между прямым и побочными звуками (включая реверберацию) других, более мощных инструментов и качество звука. Большинство инструментов дают разные звучания на разных расстояниях и в разных направлениях. Чтобы получить резкую "атаку", которая требуется от поп-музыки, и обеспечить хорошее различение инструментов, приходится прибегать к многомикрофонной схеме. При этом предъявляются высокие требования к звукорежиссеру; он должен иметь музыкальную подготовку или хотя бы уметь читать партитуру.

Бинауральный слух. Человек легко определяет направление на источник звука, поскольку звук обычно достигает одного уха раньше, чем другого. Мозг улавливает эту малую разницу во времени и небольшое различие в интенсивности звучания и по ним определяет направление на источник звука. Мы можем также определять, что звук пришел спереди, сзади, сверху или снизу. Это объясняется тем, что наши уши по-разному передают частотный состав звуков, приходящих в разных направлениях (а также тем, что слушатель редко держит голову абсолютно неподвижно и в вертикальном положении). Этим объясняется и то, что люди с глухотой на одно ухо сохраняют все-таки некоторую способность судить о направлении на источник звука. Бинауральный слух выработался у человека в качестве защитного механизма, но эта способность разделять звуки важное условие понимания музыки. Если эту способность использовать при звукозаписи, то увеличивается впечатление верности и чистоты при воспроизведении.

Стереофонический звук. Двухканальная стереофоническая система, рассчитанная на прослушивание через звуковые колонки, создает для бинаурального слуха раздельные звуковые потоки, которые несут информацию о направлении распространения первичного звука. В своей простейшей форме стереосистема состоит из двух микрофонов, расположенных рядом друг с другом и направленных под углом 45В° к источнику звука. Сигналы микрофонов подаются на две звуковые колонки, разнесенные примерно на 2 м и одинаково удаленные от слушателя. Такая система создает "звуковую сцену" между колонками, на которой локализуются источники звука, расположенные перед микрофонами. Возможность локализации перед микрофонами источников звука, их разделения и отделения от реверберации намного повышает естественность и чистоту воспроизведения. Такой подход дает удовлетворительные результаты только тогда, когда источник звука внутренне хорошо сбалансирован и благоприятны акустические условия. На практике обычно приходится использовать более двух микрофонов и микшировать (объединять) их сигналы для улучшения музыкального баланса, увеличения акустического разделения и придания звучанию необходимой степени атаки. Типичный комплект аппаратуры для классического оркестра состоит из стереопары микрофонов (для создания общей звуковой картины оркестра) и нескольких местных микрофонов, установленных ближе к отдельным группам инструментов. Выходные сигналы местных микрофонов тщательно микшируются с сигналом стереопары так, чтобы обеспечивалось необходимое акцентирование каждой группы инструментов без нарушения общего баланса. Кроме того, их выходные сигналы панорамируются в кажущееся положение, которое при использовании основной пары микрофонов соответствовало бы их реальному расположению на сцене. (Панорамирование это изменение углового направления на источник звука. Оно сочетается с регулировкой уровня посредством потенциометра.) Многомикрофонные схемы еще шире применяются в случае легкой, а тем более поп-музыки, где обычно обходятся без общих микрофонных систем. И действительно, нет смысла гоняться за нюансами, если результат может быть достигнут при использовании переносного оборудования со звуковыми колонками, разнесенными всего лишь на шаг. Кроме того, запись поп-музыки производится, как правило, не в натуральной форме. Каждая группа инструментов, а то и каждый музыкант обслуживается отдельным микрофоном. Все инструменты рок-ансамбля электронные. Звук разных инструментов, в том числе и клавишных синтезаторов, можно записывать либо с помощью микрофонов, установленных перед соответствующими колонками, либо путем прямой подачи сигналов первичных микрофонов на студийный пульт микширования. Эти сигналы могут быть либо сразу микшированы, либо предварительно записаны на отдельных дорожках многодорожечного магнитофона. Добавляется искусственная реверберация, осуществляется частотная коррекция и т.д. В результате оказывается мало сходства со звуком, воспринимаемым в студии, даже если все записывалось одновременно. Выходной сигнал панорамируется и регулируется (потенциометром) для создания определенного впечатления о положении источника звука, которое может совершенно не соответствовать фактическому положению музыкантов в студии. Но, что интересно, даже если стереофонический звук не соответствует реальной ситуации, он дает эффект, намного превосходящий эффект монофонического звука.

Квадрафония. Улучшенное приближение к реальности можно получить методом квадрафонии, при котором четыре канала подключаются к четырем колонкам, попарно размещенным впереди слушателей и позади них. В простейшем варианте квадрафоническую систему можно рассматривать как две стереофонические, включенные навстречу друг другу. Сложные системы с матрицированием могут воспроизводить четыре канала с одной дорожки фонограммы при сохранении совместимости с воспроизведением стереозаписи.

Звуковое окружение. В телевидении важное значение имеет так называемая система звукового окружения. Стереофонический звуковой сигнал с левым (А) и правым (В) каналами матрицируется путем их суммирования (в фазе), что дает сигнал М (моносигнал), и вычитания (сложения в противофазе), что дает сигнал S (стереосигнал). Сигнал А + В соответствует средней точке источника звука и совместим с монофоническими системами воспроизведения, а сигнал А В несет информацию направленности. Система звукового окружения формирует также разностную компоненту М S, которая содержит "внесценический" звук, а также реверберацию, и передается на колонки, размещенные сзади слушателя. Система звукового окружения проще квадрафонической системы, но позволяет получить эффект погруженности в звуковую среду с помощью обычного стереосигнала.

Стереозвук для телевидения. Стереофоническая запись звука применяется в видеокассетах и в телевещании (особенно спутниковом) для телевизоров, снабженных специальным декодером. Может показаться, что стереозвук не очень подходит для телевидения, поскольку, как отмечалось выше, для эффективной стереофонии требуются две колонки, расположенные на расстоянии примерно 2 м друг от друга. Кроме того, из-за малых размеров экрана взгляд телезрителя направлен в основном в его центр, так что требуется иллюстрация расстояния по глубине, а не по ширине. Тем не менее, когда мы смотрим телевизор, мы знаем, что видим лишь малый сегмент источника звука. Точно так же, как в реальной жизни, когда, глядя в определенном направлении, мы не можем выключить звуки нашего окружения, нет ничего неестественного в том, что звуковая картина выходит за пределы телевизионного экрана.

Коррекция звука. Как это ни парадоксально, но в аппаратуре с высокой верностью воспроизведения обычно предусматриваются устройства для искажения звука. Они называются эквалайзерами и предназначены для выравнивания (путем устранения дефектов) амплитудно-частотной характеристики сигнала. Коррекцию частотной характеристики проводят также для внесения в нее искажений, обеспечивающих нужную пространственно-временную организацию звучаний. Примером может служить т.н. "фильтр присутствия", который изменяет кажущееся расстояние до источника звука. Наш слух связывает ощущение близости (присутствия) с преобладанием частот в полосе от 3 до 5 кГц, соответствующей шипящим звукам (сибилянтам). В музыке подъем характеристики в полосе от 3 до 5 кГц может создать эффект атаки, хотя и ценой огрубления звука. Другой тип частотного корректора, позволяющего создать эффект присутствия, это параметрический эквалайзер. Такое устройство позволяет ввести на частотной характеристике подъем или провал, регулируемый в пределах 14 дБ. При этом частоту и ширину полосы можно изменять в пределах всего спектра звуковых частот. Такой вид регулирования частотной характеристики может выполняться весьма точно и использоваться, например, для коррекции акустического резонанса в студии или в зале либо для подавления грохота или шипения. Еще более сложный вид коррекции частотной характеристики осуществляется графическим эквалайзером. При таком способе весь звуковой спектр делится на узкие полосы с центральными частотами, разделенными с интервалами в октаву или треть октавы. Для каждой полосы имеется свой регулировочный движок, дающий увеличение или уменьшение примерно до 14 дБ. Название "графический" связано с тем, что при выполнении коррекции положение регулировочных движков на пульте приблизительно соответствует форме частотной характеристики. Графические эквалайзеры особенно подходят для компенсации акустического окрашивания резонансами в студии или зале для прослушивания. Колонки, дающие плоскую амплитудно-частотную характеристику в безэховой камере, в других условиях могут звучать совсем по-иному. Графические эквалайзеры позволяют улучшить озвучивание в таких случаях.

Уровень звука. Звуковой материал почти любого вида записываемый, усиливаемый или передаваемый по радио или телевидению нуждается в регулировке громкости. Это нужно для того, чтобы 1) не выйти за пределы динамического диапазона системы; 2) выделить и сбалансировать из эстетических соображений различные звучания данного источника звука; 3) установить диапазон громкости основного материала; 4) согласовать уровни громкости материала, записанного в разное время. Регулировку громкости лучше всего проводить, прослушивая материал через хорошую колонку и учитывая при этом показания измерителя уровня. Одних же показаний измерителя уровня при монтаже фонограмм недостаточно в силу субъективного характера восприятия звука. Такой измеритель нужен для калибровки слуха.

Микширование сигналов микрофонов. При монтаже фонограммы обычно производится микширование выходных сигналов микрофонов и других преобразователей звука, число которых при записи может достигать 40. Микширование производится двумя основными способами. При микшировании в режиме реального времени можно для упрощения сгруппировать микрофоны, относящиеся, например, к вокальной группе, и регулировать уровень их звучания групповым звукомикшером. В другом варианте сигналы отдельных микрофонов направляются на входы многоканального магнитофона для последующего сведения в один стереофонический сигнал. Второй способ позволяет точнее выбирать точки микширования, работая не в присутствии музыкантов, причем на многодорожечных магнитофонах можно воспроизводить одни дорожки при одновременной синхронной записи на других. Поэтому изменения можно вносить в нужные места фонограммы без переписывания всей программы. Все это можно делать без копирования оригинальной записи, так что она остается образцом для сравнения до окончательного микширования.

Автоматизированное микширование звука. Чтобы обеспечить высокую точность на заключительной операции перехода от многих дорожек записи к одной, некоторые звукорежиссерские пульты оснащают автоматическими микшерами. В таких системах в компьютер вводятся данные всех электронных регуляторов уровня при первой попытке микширования. Затем запись воспроизводится с автоматическим выполнением этих функций микширования. В ходе воспроизведения могут быть произведены нужные регулировки и скорректированы параметры программы компьютера. Такой процесс повторяется до достижения нужного результата. После этого выходной сигнал сводится в программную стереофонограмму.

Автоматическое управление. Автоматическое микширование не следует путать с автоматическим управлением, которое выполняется с использованием ограничителей и компрессоров, поддерживающих звуковой сигнал в требуемых пределах. Ограничитель это устройство, которое пропускает программу без изменений, пока не достигается некоторый порог. Когда же сигнал на входе превышает данный порог, коэффициент усиления системы понижается и сигнал более не усиливается. Ограничители обычно используются в передатчиках для защиты электронных схем от перегрузки, а в ЧМ-передатчиках для предотвращения чрезмерной девиации частоты с наложением на соседние каналы. Компрессоры, т.е. регуляторы, автоматически осуществляющие сужение динамического диапазона усиливаемых сигналов, действуют аналогично ограничителям, понижая коэффициент усиления системы, но делают это менее резко. Упрощенные компрессоры имеются во многих кассетных магнитофонах. Компрессоры же, используемые в профессиональной звукозаписи, снабжаются органами управления для оптимизации их действия. Но никакое автоматическое регулирование не в состоянии заменить тонкости и остроты восприятия, присущих человеку.

Динамическое шумоподавление. При аналоговой звукозаписи всегда возникают трудности с шумами, в основном в форме шипения. Для подавления системного шума записывать программу всегда следует при достаточно высоком уровне громкости. Для этого применяется метод компандирования, т.е. сужения динамического диапазона программы при записи и расширения его при воспроизведении. Это позволяет повышать средний уровень при записи, а при воспроизведении понижать уровень сравнительно тихих пассажей (и вместе с ними шума). При разработке эффективной системы компандирования возникают трудности двоякого рода. Одна из них это трудность согласования компрессора и экспандера во всем диапазоне частот и громкости. Другая предотвращение повышения и понижения уровня шума вместе с уровнем сигнала, так как это делает шум более заметным. В системах шумоподавления Долби весьма остроумно решаются эти проблемы несколькими разными способами. В них учитывается эффект "маскирования": чувствительность слуха на той или иной частоте существенно понижается во время и непосредственно после более громких звучаний на близких частотах (рис. 2).