Глава 4. Обработка звуковых сигналов

К,Р.Б 10 8

б -4 -2 -О

0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 f, кГц Рис. 4.12. К вопросу использования фильтра присутствия

ческого диапазона, фильтры присутствия (презенс-фильтры), вокал-стрессоры.

Сжиматель динамического диапазона, включенный в тракт микрофона солиста, увеличивает среднюю мощность электрического сигнала и тем самым позволяет приподнять голос солиста над звучанием сопровождающего ансамбля.

С помощью фильтра присутствия формируют некоторое подобие певческой форманты. Фильтр присутствия содержит несколько переключаемых контуров, поднимающих АЧХ в сравнительно узкой полосе частот (рис. 4.12), причем высоту подъема АЧХ можно изменять ступенями, обычно через 2 дБ, в пределах от нуля до 10 дБ. Чаще всего контуры имеют средние частоты: 0,1; 1,4; 2,1; 2,8 и 4 кГц. Параметры контура подбирают в соответствии с голосовыми данными певца. С помощью фильтра присутствия удается выделить, сделать более рельефным звучание солирующего инструмента, повьюить разборчивость актерской речи.

Широкие возможности формирования желаемой АЧХ дает многополосный регулятор АЧХ - эквалайзер. Это слово в переводе с английского означает выравниватель, корректор. Количество частотных полос в эквалайзере достигает 27-30, а пределы регулирования коэффициента передачи в каждой полосе ±20 дБ.

При использовании эквалайзера можно более точно сымитировать певческие форманты. Вырезание узкой полосы из спектра бывает необходимо для устранения некоторых дефектов речи. Заметим попутно, что иногда эквалайзер используют при звукоусилении для выравнивания общей АЧХ системы громкоговорители - помещение и уменьшения влияния акустических недостатков помещения на качество звуковоспроизведения.

Более совершенным устройством изменения характера, обогащения звучания певческих голосов, придания им большей выразительности, имитации эффекта носкости признан вокалстрессор. Вокалст-рессор - сочетание комбинированного автоматического регулятора уровня и эквалайзера.

Экв -

Рис. 4.13. Структурная схема вокалстрессора

В состав вокалстрессора F769X-R фирмы Audio Design (Великобритания) входят три автоматических регулятора: сжиматель, расширитель и ограничитель. Расширитель действует при малых входных уровнях и выполняет функцию шумоподавителя, сжиматель - на средних уровнях, ограничитель - при превышении номинального уровня. Эквалайзером подбирают желаемую форму АЧХ.

Чаще всего подобные устройства имеют гибкую структуру, т.е. дают возможность соединять его основные звенья: сжиматель и эквалайзер в различных сочетаниях (рис. 4.13, а-в).

При их соединении по схеме а эквалайзером вначале подчеркивают или имитируют певческую форманту, а затем уменьшают динамический диапазон полученного сигнала. Некоторые звукорежиссеры предпочитают обратный порядок операций: по схеме б - сначала сжатие динамического диапазона, а затем подчеркивание певческой форманты. В схеме в эквалайзер вводят в управляющую цепь, состоящую из выпрямителя (В) и интегратора (И), и полученным управляющим напряжением регулируют коэффициент передачи управляемой цепи (Уц).

Параметры сжимателя и расширителя по желанию звукорежиссера или звукооператора изменяются в широких пределах. Для расширителя предусмотрены два режима регулирования времени срабатывания - ручной и автоматический. Во втором случае этот параметр устанавливается цифровым процессором, реагирующим на динамику изменения входного сигнала.

Коэффициент расширения динамического диапазона расширителя (отношение динамических диапазонов на входе и выходе автоматического регулятора) изменяется в пределах от 1:1,2 до 1:10 и даже до 1:40. Коэффициент сжатия динамического диапазона сжимателя регулируют в пределах от 1:1 до 20:1.

Генераторы вибрато. Одним из выразительных средств, способствующих обогащению звучания певческого голоса, служит вибрато. Голос хорошего певца слегка колеблется, ритмично и плавно пульсирует. Это и есть вибрато. Вибрато - результат периодического изме-

нения интенсивности, частоты и спектра звука. Для слуха наиболее приятны пульсации с частотой 5...7 Гц. Более редкие колебания воспринимаются как качание, изменение высоты тона, более частые -как дрожание голоса ( блеяние барашка ). Наиболее яркое ощущение вызывает вьюотное (частотное) вибрато, при котором утомительное для восприятия постоянное воздействие тона заменяется его периодическими колебаниями. При этом, однако, сохраняется ощущение устойчивости высоты тона. Хорошее вибрато придает звуку певческого голоса большую уверенность и определенность.

Вибрато встречается не только в певческом голосе. Некоторые драматические артисты прибегают к вибрато с целью выражения сильных эмоций. К нему часто прибегают и инструменталисты - скрипачи, виолончелисты, трубачи, чтобы придать звучанию инструментов вибрирующий характер, сходный с вибрато певческого голоса.

Вибрато опытных певцов отличается приятной, ласкающей слух плавностью. Выражено оно не сильно. Поэтому создается впечатление, что звук голоса льется непрерывной струей, лишь слегка пульсирующей. Пульсации делают голос живым, одухотворенным.

Если вибрато нет, голос кажется сухим, безжизненным, по образному выражению вокалистов, прямым как палка .

У неопытных певцов вибрато бывает грубоватым, резким, что создает впечатление прерывистого звука. Такое вибрато музыканты называют тремоляцией голоса . Кроме того, вибрато плохих певцов лишено ритмичности, что создает впечатление неустойчивости, неопределенности вьюоты тона. Зная этот порок, певцы, обладающие слабой техникой, предпочитают вообще не пользоваться этим приемом.

Для уменьшения этого недостатка певческого или инструментального звучания пользуются особыми электронными устройствами -генераторами вибрато. Генератор вибрато, как правило, представляет собой мультивибратор или его цифровой аналог, колебания которого накладываются на исходный сигнал, как бы модулируют его по частоте (реже по амплитуде или по фазе). Этим создается окраска звучания, свойственная естественному вибрато. Частотный диапазон генератора обычно устанавливается в пределах от 4 до 7 Гц.

Кроме изменения частоты предусматривается изменение интенсивности колебаний. Обязательно требование симметрии девиации. Асимметрия девиации вызывает общие изменения средней высоты тона. Желательно, чтобы при увеличении напряжения сигнала, обусловленном возрастанием громкости, величина девиации плавно возросла. Это существенно улучшает выразительность эффекта, усиливает впечатление громкого звука, придавая ему более напряженный и яркий характер.

Эксайтер. Особым устройством преобразования спектра является эксайтер (от английского exa/f - сгущать, повышать, возбуждать). Это

своеобразный синтезатор спектра. Содержащийся в нем цифровой процессор на основе анализа низкочастотных составляющих спектра воссоздает их вьюокочастотные гармоники. Тем самым спектр сигнала обогащается новыми составляющими и расширяется в сторону более высоких частот. Эксайтер применяют при реставрации старых фонограмм, записанных с узкой полосой частот, например при перезаписи старых грампластинок. С помощью эксайтера исходный спектр расширяется примерно вдвое.

Следует иметь в виду, что старые фонограммы отличаются увеличенным уровнем помех. Поэтому перед расширением спектра нужно принять меры к его уменьшению.

Упомянем оригинальный прием снижения уровня помех монофонических грампластинок. Сигнал с монофонической фонограммы воспроизводится стереофоническим звукоснимателем. Обе стороны канавки грампластинки модулированы сигналом одинаково, следовательно, коррелированы. Механические неоднородности сторон канавки, обусловливающие шум, различны, не коррелированы. Анализирующее устройство выделяет коррелированные напряжения и подавляет некоррелированные. Это приводит к улучшению отношения сигнал-помеха.

Устройства изменения высоты тона. Надобность в изменении вьюоты тона (изменении тональности звучания - транспонировании) вызвана несколькими причинами.

При принятой технологии записи эстрадных исполнителей вначале подготавливают фонограмму оркестрового сопровождения. Лишь затем под готовую фонограмму записывают голос певца-солиста. При такой технологии исключается необходимость новой записи оркестра при повторной записи голоса, если солист допустил художественные или технические ошибки. Но ко времени записи голоса солиста может случиться, что его звуковьюотный диапазон несколько изменился и аккомпанемент необходимо транспонировать в иную тональность. Чтобы не повторять запись оркестра (ансамбля), что требует дополнительных затрат времени и средств, сигнал записанной оркестровой фонограммы преобразуют аппаратурными, техническими средствами.

Казалось бы, транспонировать спектр сигнала можно методом ге-теродинирования, смещая частоту исходного сигнала в ту или иную сторону с помощью вспомогательной частоты F: F.=F.+F.. Но применение этого метода нарушает исходный гармонический строй. Поясним это примером.

Пусть в спектре исходного сигнала имеются две составляющие, находящиеся в октавном соотношении, т.е. с частотами F и 2F. При смещении на AF получатся частоты F + AF и 2F + AF , т.е. октавный интервал будет нарушен. То же случится со всеми другими музыкальными интервалами. Для устранения этого недостатка необходимо.

Рис. 4.14. Блок вращающихся головок для изменения высоты тона

чтобы смещение каждой частоты ДЯ, было пропорционально этой частоте F,. Выполнить это условие простыми аппаратурными средствами невозможно. Заметим попутно, что на речевых сигналах такой прием допустим, но при смещении частоты не более чем на несколько герц.

Транспонировать звучание в иную тональность можно, изменив скорость движения фонограммы. Если увеличить скорость, то спектр сместится в область более вьюоких частот, если уменьшить - в область более низких частот. Соответственно изменится вьюота тона. Такая возможность имеется в современных монтажных магнитофонах. Однако при этом изменяется длительность звучания: при изменении высоты звука на полтона - на 6 %, на тон - на 12 %, на два - на 26 %. Хотя возможности такого способа ограничены, пределы такого транспонирования звука практически вполне достаточны.

Изменение скорости протяжки звуконосителя используется также для создания голосов сказочных персонажей. В давней радиопостановке Золотой ключик , известной нескольким поколениям, звучание голоса деревянного человечка Буратино, голоса кукол, наводящий ужас низкий голос хозяина театра Карабаса-Барабаса были созданы трансформацией голоса всего одного актера Литвинова. Такой же прием иногда используется в эстрадных записях для имитации эффектной, виртуозной игры пианиста. Пьеса исполняется на октаву ниже нотной записи и записывается на вдвое пониженной против номинальной скорости записи, а затем воспроизводится на номинальной скорости.

Для изменения тональности без изменения длительности звучания используют магнитофон с вращающимся блоком головок или особое цифровое устройство - гармонайзер.

Идея действия магнитофона с вращающимся блоком головок иллюстрируется рис. 4.14. Здесь 1 - вращающийся барабан с воспроиз-

водящими магнитными головками 2; 3 - контактное кольцо, к которому подключены головки; 4 - щетка; 5 - направляющие ролики.

Чтобы понять принцип действия устройства, представим, что на ленте записаны импульсы, следующие с какой-то частотой. Если барабан неподвижен, то одна из головок будет считывать импульсы с той частотой, с какой они были записаны. Если барабан вращается по часовой стрелке, то головка как бы догоняет импульсы, записанные на фонограмме, и за прежний промежуток времени головки считают меньшее количество импульсов, т.е. их частота уменьшится. Если барабан с головками вращается против часовой стрелки (против направления движения фонограммы), то за тот же промежуток времени будет считано больше импульсов, чем при неподвижном барабане, т.е. частота следования воспроизводимых импульсов увеличится по сравнении с исходной.

Изменения частоты при постоянной скорости вращения барабана будут пропорциональны частотам записанных сигналов, и нарушения соотношения частот, а следовательно, нарушения гармонического строя не произойдет.

Естественно, что описанный эффект получают в настоящее время с помощью цифровых устройств. Сигнал превращают в цифровую форму и записывают в ячейки памяти. При считывании выборок некоторые записанные значения повторяются либо, наоборот, пропускаются. Результатом является повышение или понижение вьюоты тона воспроизводимых сигналов. Это, а также многие другие преобразования производятся гармонайзером - многофункциональным программируемым цифровым устройством.

Устройство такого вида кроме основной функции - смещения спектра - выполняет ряд других операций: имитирует процесс реверберации, осуществляет задержку сигнала, создает иллюзию звучания различных ударных инструментов в различных ритмах и т.д.

В гармонайзерах обычно применяют универсальный цифровой интерфейс электронных музыкальных инструментов (Musical Instrument Digital Interface - MIDI).

4.5. Особенности цифровой обработки звуковых сигналов

В мировой практике производства звукотехнической аппаратуры закрепились показатели цифровых сигналов, приведенные в табл. 4.2-

Требования к студийной аппаратуре ЗВ для удобства обмена фонограммами определяются международными стандартами. Частота дискретизации сигнала в бытовой аппаратуре, включая компакт-диск, выбрана из условия совместимости со стандартами видеозаписи, что обеспечивает возможность цифровой звукозаписи на аналоговом ви-