: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 1999 : #3

Регулирование уровней
Владимир Островский

Задачи, которые ставятся перед звукорежиссером в процессе записи фонограмм, решаются в основном благодаря правильной расстановке микрофонов и регулированию уровней. В художественных и технологических целях используются также другие технические средства: ревербераторы, эквалайзеры, авторегуляторы и т.д.

В этой статье рассматриваются проблемы, возникающие в процессе регулирования и оценки уровней. Статья рассчитана, прежде всего, на звукорежиссеров, работающих на телевидении и радио, но, конечно, полезна и для звукорежиссеров, работающих в других областях.

Немного истории

В то время, когда передатчики располагались недалеко от студий и соединялись с ними медными проводами, главной задачей технических работников было поддержание громкости передач.

Для этой цели был придуман простой, надежный и дешевый прибор - VU-метр.

Разрабатывая этот прибор, конструкторы исходили из трех предпосылок: первая - звуковой сигнал несимметричен, т.е. амплитуда положительной полуволны может отличаться от амплитуды отрицательной полуволны; вторая - время, необходимое для ощущения громкости в нашем сознании (так называется аккомодация слуха) составляет 200 мс; третья - восприятие громкости человеком согласно закону Вебера-Фехнера осуществляется по логарифмическому закону.

На рис.1а показано распределение амплитуд и длительностей выбросов на фрагменте записи музыки Рихарда Вагнера (вступление к "Лоэнгрину", хорал скрипок в верхнем регистре, см. такты 5-7 в партитуре, рис. 1б). В VU-метре применен двухполупериодный выпрямитель, с помощью которого учитываются положительные и отрицательные амплитуды сигналов (рис.2): стрелка прибора достигает максимального значения при длительности сигнала не менее 200 мс и возвращается в исходное положение за те же 200 мс, если сигнал окончен, а шкала прибора проградуирована в логарифмическом масштабе, т.е. равномерно в дБ.

Шкала VU-метра охватывает диапазон уровней всего лишь от -20 дБ до +3 дБ. Показания прибора до известной степени пропорциональны уровню громкости. Однако существует мнение, что показания VU-метра сильно расходятся с субъективно воспринимаемой громкостью. Известно, что частотная характеристика индикации, обратная кривой чувствительности слуха, дала бы другую картину уровней, но это в большей степени соответствовало бы слуховому впечатлению.

Три причины обусловили появление квазипикового измерителя уровня: первая - внедрение на радио магнитной звукозаписи; вторая - использование многоканальных систем передачи с частотным разделением каналов для подачи центральных программ на передатчики; третья - значительное усложнение трактов вещания.

Что привнесла магнитная звукозапись

С внедрением магнитной звукозаписи появились шумы и нелинейные искажения магнитных лент. На рис.3 приведена зависимость искажений, вносимых магнитной лентой в зависимости от намагниченности.

Первые магнитные ленты типа "L", "C" и типа 1, имели собственные шумы порядка 40-45 дБ, а номинальная намагниченность выбиралась такой, чтобы искажения были не больше 3% (кривая 1). При перемодуляции 3дБ искажения на оригинале записи достигали 5%. Технология вещания требовала изготовления 3-4 дублей записи. Особенностью магнитной записи звука является то, что каждая последующая перезапись ухудшает шумы, и искажения увеличиваются примерно в 1,5 раза. Следовательно, при перемодуляции в 3 дБ первый дубль оригинала имел искажения 7,5%, а следующий дубль более 11%. Отечественная лента типа 2 была не намного лучше (кривая 2). Лента типа 6 (кривая 3) долгое время была основной на радиовещании, но и ее параметры требовали записи без перемодуляции. Для производства записей, поставляемых за рубеж в малом количестве, приобреталась лента PER-525 фирмы Agfa (кривая 4).

Еще хуже обстояло дело с записью звука на видеомагнитофонах "Кадр" и "Кадр-3М". На применявшихся тогда лентах, при номинальной намагниченности, искажения были 4,5-4,8%, а после копирования на выходе ТТЦ коэффициент гармоник на пиках достигал 15% и более.

При составлении правил эксплуатации технических средств исходили из того, что малые по длительности пики перемодуляции и соответствующие им большие искажения не слышны. На рис.4 приведены данные восприятия нелинейных искажений при изменении длительности сигнала от 20 до 200 мс, полученные З. Резвяковой при сравнении искаженного и неискаженного сигналов частотой 1000 Гц. Как видно из кривых, при 10%-искажениях 90% слушателей замечают искажения длительностью более 60 мс. Исследования, проведенные автором, показали, что выбросы сигналов за номинальный уровень по длительности распределяются следующим образом: 2,5% - одиночные выбросы длительностью менее 50 мс, а остальные - это групповые выбросы длительностью более 100 мс.

Таким образом, очевидно, что внедрение магнитной звукозаписи привело к появлению значительных искажений, особенно при перемодуляции, и потребовало появления квазипиковых измерителей уровня.

В настоящее время эта проблема потеряла свою остроту. Достигнут большой прогресс в технологии изготовления магнитных лент. Так, лучшую в мире аудиоленту выпускает фирма Quantegy (тип 478). При намагниченности 370 нВ/м Кг = 0,28% и доходит до 3% при перегрузке в 11,6 дБ. Превосходные данные имеет 2" лента GP9 для 24-канальной записи: при намагниченности 320 нВ/м коэффициент гармоник (Кг) = 0,06% и доходит до 3% при перегрузке в 17 дБ.

На телевидении также имеются большие достижения. Так, для видеомагнитофонов Betacam SP, которые находятся на эксплуатации в ТТЦ, оксидная лента при номинальной намагниченности имеет Кг=2%, а металлизированная < 1%. Искажения доходят до 3% при перегрузке в 8 дБ.

Но хорошие ленты стоят дорого. Есть деньги - будет и качество.

Невозможно всю страну опутать медными проводами

Для обеспечения слышимости передач центрального вещания на территории всей страны строились новые передатчики, к которым нужно было подавать программы из Москвы. Использовать для этой цели медные соединительные линии стало нецелесообразным, и начали применять радиорелейные линии и многоканальные системы передач с частотным разделением каналов. По таким системам можно было организовать от 12 до 3600 и более телефонных каналов с полосой пропускания от 0,3 до 3,4 кГц.

Была разработана аппаратура АВ 2/3, с помощью которой объединялись два или три телефонных канала. По такой системе можно было передавать аналоговый сигнал в полосе 6,6-10 кГц. Для подачи телевизионных сигналов использовалось 1920 телефонных каналов; одновременно могли передаваться телефонные разговоры, сигналы тонального телеграфирования, факсимильного телеграфирования и метеослужбы, передачи данных, передачи газет и звукового вещания.

Одним из основных параметров, характеризующих качество этой сети, сетевых трактов и каналов, является шум, который в основном определяется загрузкой. Под загрузкой понимается совокупность действующих одновременно трактов и каналов различного типа в данной системе передачи. Загрузка характеризуется мощностью многоканального сигнала.

Для большинства старых систем величина допустимой мощности одного телефонного канала составляла 32 мкВт. Новые системы рассчитываются на большие мощности сигнала - 40 или 50 мкВт.

Имеющиеся данные показывают, что в большинстве случаев величины мощностей реальных индивидуальных и многоканальных сигналов превышают расчетные значения, положенные в основу разработки как действующих, так и перспективных систем передачи.

Когда по многим каналам сети одновременно идет синхронная передача одинаковых программ, мощности сигналов складываются арифметически и система перегружается.

Одной из особенностей звукового вещания является оценка качества передачи относительной максимальной мощностью передаваемого сигнала.

Относительной средней мощностью называется отношение измеренной мощности сигнала за заданный отрезок времени к мощности синусоидального сигнала с напряжением, равным наибольшему значению напряжения вещательного сигнала.

На рис.5 приведены распределения относительной средней мощности программ телевидения и центрального радиовещания.

Из кривых на рис.5 видно, что относительная средняя мощность (ОСМ) существенно зависит от структуры передаваемых программ. Отличие предельных значений ОСМ между сигналами звукового вещания и телевидения объясняется двумя причинами: первая - различным значением скважности звуковых сигналов; вторая - применением на телевидении фильмов, озвучание которых ведется без учета особенностей передачи их по вещательным каналам.

Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения, то естественно, что перемодуляция увеличивает загрузку каналов и вызывает появление дополнительных шумов.

Аппаратура АВ 2/3В в настоящее время кое-где еще используется. Однако количество магистральных сетей возросло. Передача центральных программ осуществляется в цифровой форме через спутники связи. Поэтому острота вопроса с загрузкой каналов существенно снизилась.

От простого к сложному

На заре радиовещания тракт был простым: микрофон, микрофонный усилитель, линейный усилитель, соединительная линия и передатчик. В конце 20-х начале 30-х годов на входе передатчиков устанавливали ограничитель максимальных уровней. В настоящее время вещание ведется по многим каналам проводной и радиосвязи, в каждом из которых одновременно работает большое число звеньев, оборудованных разнообразной аппаратурой. Растет число коллективных и индивидуальных установок спутникового вещания, внедряются широкополосные системы кабельного телевидения, развивается наземное телевидение в системах так называемого сотового телевидения (системы MMDS и LMDS). Начинают применяться лазерные передатчики и оптические приемники.

Особенностью функционирования систем вещания является то, что только согласованная работа всех участков вещательного процесса и всех технических звеньев, входящих в канал передачи, может обеспечить качественную передачу программ.

Сигналы естественных источников звучания часто характеризуются такими значениями параметров, довести которые до слушателей радиопередач нетронутыми не представляется возможным. Например, динамический диапазон уровней, достигающий 70 и более дБ - без значительного сжатия его передать нельзя. Частотный спектр сигналов приходится также ограничивать в соответствии с принятым для каждого канала классом качества передачи.

Обработка естественных сигналов должна быть такой, чтобы при ограниченных возможностях их передачи по радиотракту обеспечить хорошее звучание. Мощность многих промежуточных звеньев и мощных оконечных сооружений (радиостанций и мощных усилителей проводного вещания) строго ограничена, чтобы они не перегружались сигналами максимального уровня, которые приводят к появлению нелинейных искажений, а в каналах многоканальной связи - к переходным помехам. Недопустима также и недогрузка этих сооружений, так как при этом снижается эффективность их работы и увеличивается влияние помех передачи.

При перемодуляции радиостанций на 2 дБ - по приросту громкости это почти незаметно на слух - нелинейные искажения достигают 12% (при норме 2,5%). Коэффициент гармоник в диапазоне УКВ колеблется от 5% в низкоклассных приемниках до 1% в приемниках высшего класса, в престижных моделях тюнеров достигает значения 0,1%. Наибольшую трудность, с точки зрения получения малого значения коэффициента гармоник в диапазоне УКВ, представляет тракт усилителя промежуточной частоты. Ограниченность полосы пропускания тракта приводит к искажению спектра ЧМ-сигнала пропорционально девиации, т.е. максимальному уровню.

Соблюдение нормированного режима работы всех звеньев канала передачи требует от звукорежиссеров предельно тщательного регулирования уровней и стабильного коэффициента передачи применяемого оборудования.

Громче и дальше

При приеме передач следует различать две области слышимости. Первая область, близлежащая, является областью надежного приема. Она характеризуется тем, что радиопередачи в ней отчетливо прослушиваются, причем всякие помехи - атмосферные, индустриальные, работа других станций - не мешают уверенному приему.

Вторая область отличается тем, что в ней радиопередачи слышны плохо, а помехи сильно мешают приему.

Передавать электрические колебания звуковой частоты по эфиру в чистом виде не представляется возможным. Поэтому используются колебания высокой частоты (несущая), модулированные звуковым сигналом. До модуляции существующие раздельно колебания высокой частоты (несущей) и низкочастотные колебания звуковой частоты превращаются в процессе модуляции в модулированное высокочастотное колебание, состоящее в простейшем случае (при модуляции однотонным сигналом) из трех колебаний высокой частоты, которые одновременно излучаются передатчиком. Помимо несущего колебания, появляются еще два дополнительные боковые колебания, хотя и с заметными меньшими амплитудами. Колебания несущей частоты не содержат в себе никаких "следов" звука, их роль в приемнике сводится лишь к созданию биений с боковыми колебаниями, а биения необходимы для воспроизведения в приемнике передаваемых звуков.

Полезная мощность (мощность боковой полосы) составляет в передатчике небольшую величину от мощности несущей частоты.

На рис.6 изображено отношение этих мощностей при различных значениях коэффициента модуляции. Как видно на рис.6, даже при модуляции, равной 100%, на долю полезной мощности приходится только 34%, а 66% мощности составляют колебания несущей частоты; при модуляции в 50% полезная мощность составляет лишь около 11%.

Другими словами, дальность действия передатчика зависит от мощности несущей частоты и от величины коэффициента модуляции. Чем больше модуляция, тем больше изменяется ток в антенне передатчика и тем больше получается дальность действия передатчика.

Поэтому правила эксплуатации технических средств требуют от звукорежиссеров, чтобы в любом фрагменте передач модуляция доходила до 100%, а персонал, обслуживающий передатчик, лишали, бывало, и премии, если модуляция была занижена.

Однако громкость приема у слушателя зависит не от одиночных пиков, достигающих 100% модуляции, а от средней модуляции. Так, например, речевой сигнал имеет пик-фактор 10 дБ с вероятностью 0,9. Пик-фактором называется разность между максимальным и средним уровнями речевого сигнала. Так как 10 дБ - это троекратное отношение, при 100% модуляции речи средняя модуляция составит одну треть = 33%. Поэтому предпринимают меры для уменьшения пик-фактора и увеличения средней модуляции. Это реализуется применением авторегуляторов уровня (ограничителей и компрессоров), а звукорежиссер при записи должен сжимать динамический диапазон.

Однако требование, чтобы любой фрагмент передачи доходил до стопроцентной модуляции, привело к недовольству слушателей. На радио стали приходить письма с жалобами на то, что трудно слушать передачи, в которых чередуется речь и музыка. Дело в том, что энергия музыкальных сигналов (например, эстрадного оркестра) примерно в два раза больше энергии речевых сигналов. Поэтому, если слушатель установит громкость на музыкальном сигнале, то последующее речевое сообщение будет восприниматься тихо, и наоборот, если громкость была установлена на речевом сигнале, то музыка будет чрезмерно громкой.

В особенности это проявляется в вечернее время, когда люди смотрят телевизор. Поэтому в правилах технической эксплуатации технических средств появилось разрешение на громких музыкальных фрагментах доводить максимальный уровень до -6 дБ.

В связи с этим особое внимание следует обратить на передачи, в которых речь идет на фоне музыки. Если музыка звучит громко, то она маскирует речь, и понять смысл речи иногда становится невозможным. От звукорежиссера при записи таких смешанных программ требуется большое чувство такта и меры.

Что показывает стрелка измерителя уровня?

Подавляющее большинство специалистов, профессионально работающих с измерителем уровня ИУ, не знают, что показывает стрелка измерителя, и, следовательно, не могут правильно регулировать уровни.

Под "показаниями стрелки" будем понимать и показания ИУ с оптическим отсчетом, и следы на электронно-лучевой трубке, и светящийся столбик на газоразрядных трубках, и указатели на светодиодах.

Для измерений по показаниям стрелки необходимо знать временные (динамические) характеристики ИУ.

Измерители уровня характеризуются четырьмя динамическими характеристиками. Основой является время интеграции, характеризующее способность ИУ реагировать на звуковые сигналы малой длительности.

С помощью специального датчика импульсов подадим на вход ИУ синусоидальный сигнал 1000 Гц неизменного уровня (рис.7). Если этот уровень будет соответствовать нормированному значению напряжения для данного тракта (так называемый номинальный уровень) и длительность сигнала будет больше 200 мс, то стрелка отклонится до отметки 0 дБ или 100%.

По мере уменьшения длительности импульса (при условии, что его уровень остается неизменным), стрелка ИУ начнет недопоказывать номинальный уровень. Время интеграции нормируется для длительности импульсов в 3, 5 и 10 мс.

Таким образом, видно, что чем меньше длительность импульса, тем больше недопоказывает ИУ.

В соответствии с рекомендациями международных радиовещательных организаций время интеграции ИУ нормировано и составляет 5 мс и с точностью до -2 дБ (80%).

Время срабатывания измерителя - интервал времени между моментом подачи сигнала номинального уровня на вход ИУ и тем моментом, когда стрелка доходит до отметки -1 дБ.

Время срабатывания обусловливается инерцией электромеханической системы прибора в пределах от 100 - 200 мс. Если время срабатывания будет большим, то значительно труднее получить требуемое значение времени интеграции.

Время возврата стрелки - интервал времени между моментом выключения непрерывного сигнала номинального уровня и моментом, когда стрелка дойдет до отметки -20 дБ (10%). Время возврата нормируется для ИУ первого типа (предназначенного для оперативной регулировки уровнем), устанавливаемых на микшерных пультах 1,7±0,3 с, а для ИУ второго типа, предназначенных для установки в тракте вещания (для оценки диаграммы уровней) 3±1 с. Считывание показаний стрелки происходит в момент начала возврата стрелки.

Переброс стрелки - разность между максимальным показанием при скачкообразной подаче непрерывного сигнала на вход ИУ и его показанием в стационарном режиме, т.е. после окончания процесса успокоения подвижной системы. Величина переброса стрелки должна быть не более 1 дБ. В безынерционных системах (ИУ с электронно-лучевой или газоразрядной трубкой и на светодиодах) переброса не бывает.

На рис.8 изображен исходный сигнал и его вид после двухполупериодного выпрямления. Красная линия показывает ход стрелки VU-метра. С появлением сигнала (нулевой момент времени) стрелка начинает движение и достигнет максимального показания через 200 мс. Так как уровень сигнала после 200 мс уменьшается, то стрелка возвращается в исходное состояние. На отдельные короткие пики (в момент времени 270 мс) она не реагирует и только в случае, когда длительность импульса превысит 420 мс, она несколько увеличит показания, а затем снова вернется в исходное положение.

Зеленая линия показывает ход стрелки квазипикового ИУ со временем срабатывания 150 мс. Дойдя до максимума (с учетом переброса стрелки), она будет возвращаться до уровня -20 дБ за 1,7 с. Встречающиеся на пути короткие сигналы длительностью 5 мс не изменят ее показания.

Черная линия показывает ход стрелки безынерционного квазипикового измерителя. Первый максимум будет достигнут через 10 мс. Затем он поднимется в момент 90 мс, и далее стрелка будет возвращаться к значению -20 дБ за 1,7 с.

Таким образом, видно, что стрелка показывает условную огибающую в зависимости от динамических параметров ИУ и структуры звукового сигнала.

На рис.8 видно также, что сигналы малых уровней практически не учитываются в показаниях стрелки. Должно пройти 1,7 с, чтобы стрелка начала реагировать на сигналы меньших уровней.

В аппаратных записи ИУ включен не на выходе микшерного пульта, а на выходе магнитофона. Это сделано для контроля уровней, уже записанных на магнитной ленте. Так как расстояние между головками записи и воспроизведения составляет 55 мм, то на скорости 38,1 см/с появляется дополнительная задержка в показаниях ИУ около 150 мс. Поэтому примерно в течение 0,5 с может произойти перемодуляция, которая не будет фиксироваться ИУ.

В таблице 1 приведены максимальные показания, фиксируемые ИУ в зависимости от времени интеграции.

Ручные регуляторы уровня

Для ручного регулятора уровня применяются четырехполюсники с переменным затуханием. С помощью регуляторов уровня звукорежиссер осуществляет наиболее важные операции по созданию звуковой картины: поддерживает оптимальное соотношение громкостей отдельных источников звука и регулирует динамический диапазон звуковых сигналов.

К ручным регуляторам уровня предъявляются специальные требования.

Рабочий диапазон регулируемого затухания составляет 100 дБ, а в конце доходит до бесконечности. Шаг регулирования, рекомендованный МККР, составляет около 0,5 дБ. В области больших затуханий допустимо увеличивать шаг регулирования до 3 дБ. Для повышения точности регулирования уровня, приближающегося к максимальному (номинальному), шаг регулирования не должен быть больше 0,5 дБ. Регулятор не должен вносить заметных амплитудно-частотных искажений и помех.

К конструктивным требованиям относятся надежность электрического контакта, легкость хода, защита от внешних помех, пыли и влаги.

В современных пультах применяют только регуляторы с возвратно-поступательным движением фейдера. Шкала регулятора имеет длину 100 - 140 мм и градуируется в децибелах.

Установочная величина уровня, соответствующая номинальному уровню сигнала, обозначается 0 дБ. Уровням меньше установочного соответствуют положительные деления шкалы, больше установочного - отрицательные. Как правило, шкала имеет оцифрованные деления через 10 дБ (изредка через 6 дБ).

Возрастающие требования к студийному оборудованию, его автоматизация, расширение эксплуатационных возможностей, приводят к необходимости применения электронных регуляторов уровня (ЭРУ). Для ЭРУ не требуется точных механических и сложных контактных устройств, обеспечивающих регулировку сопротивления без тресков и щелчков. В ЭРУ просто осуществить сочетание ручной и автоматической регулировок уровней в процессе обработки многоканальных записей, освободив звукорежиссера от выполнения ряда механических операций. Автоматическую регулировку уровня в любом числе каналов можно производить по заранее заданной программе в процессе воспроизведения, что позволяет улучшить его качество при упрощении обслуживания.

Основным способом ручного сжатия динамического диапазона является плавное уменьшение усиления за несколько тактов до появления громкого сигнала (определяемое по партитуре или в результате репетиции), и затем после громкого сигнала плавное выведение усиления до номинального значения. Целесообразно совместное использование регулятора громкости и экспандера, чтобы при полностью выведенном регуляторе громкости экспандер оказывал максимальное воздействие на сигнал, а при меньшей громкости влияние экспандера постепенно уменьшалось. При минимальной громкости он не действует. В результате получают сжатую программу, тихие места которой подняты над уровнем помех.

Проблемы, возникающие при регулировании уровней

В процессе подготовки и проведения записей у звукорежиссеров возникает множество проблем. Рассмотрим три из них.

Основной целью звукорежиссера на радио и телевидении является такая запись, чтобы параметры звучания исходных сигналов были оптимальными для передачи их по радиоканалу. Поэтому необходимо учесть акустические особенности помещения прослушивания и сохранить у слушателей в максимально возможной мере художественную ценность передачи.

Однако, приступая к записи, звукорежиссер заранее не знает, по какому радиоканалу она будет транслироваться и на какие условия прослушивания (квартира, автомобиль или небольшой зал) она должна быть рассчитана.

В то же время требования к обработке сигнала в значительной степени зависят от дальнейшего использования записи.

Так, например, полоса воспроизводимых частот УКВ/FM радиостанций примерно в 3 раза шире полосы частот, воспроизводимых АМ передатчиками. Динамический диапазон для записей на диск может достигать 50-60 дБ, для жилых помещений 25-35 дБ, для автомобилей желательно порядка 15 дБ.

Финансовые ограничения не позволяют делать записи одного и того же произведения специально для прослушивания в различных условиях.

Поэтому звукорежиссеры делают оригинал записи с максимально возможным качеством (так сказать, "для потомков"), оставляя техникам дальнейшую обработку с помощью авторегуляторов, установленных на выходе телерадиоцентра.

Однако применение авторегуляторов приводит к изменению музыкального баланса, подчеркиванию низких частот, появлению специфических искажений, и, кроме того, осуществляется сжатие динамического диапазона даже тех записей, которые этого не требуют.

Правильнее было бы, чтобы авторегулятор находился в студийной аппаратной и звукорежиссер имел бы возможность подключать его либо к выходу микшерного пульта, либо на отдельные группы инструментов. Звукорежиссер должен пользоваться авторегулятором как музыкальным инструментом, выбирая степень сжатия и ведя частотную обработку в зависимости от звучания после авторегулятора.

Второй проблемой, возникающей при регулировании уровней, является оценка минимального уровня. Если понятие "максимальный уровень" нормировано и все его понимают одинаково, то понятие "минимальный уровень" расплывчато и не имеет однозначного толкования.

Чтобы после громкого сигнала ИУ показал уровень тихого сигнала, его длительность должна быть 3-4 с. За это время стрелка дойдет до -40 дБ, а дальше неизвестно, либо сигнал стал еще меньше, либо наступила музыкальная пауза. Поэтому шкалы некоторых ИУ имеют диапазон 60 дБ. Наличие акустических систем, использующихся для контроля звучания, не всегда помогают отличить паузу от малого уровня. Шкала ИУ в 40 дБ была принята для того, чтобы минимальный уровень был бы не меньше -40 дБ, т.е. звукорежиссер должен поддерживать минимальный уровень в пределах -35-40 дБ.

Некоторые авторы определяют минимальный уровень как уровень, лежащий выше шумов. Конечно, желательно, чтобы полезный сигнал был больше уровня шумов на 6-10 дБ, но шум - это не бритва, срезающая полезный сигнал. Так, например, профессор Генрих Нейгауз имел такую технику игры, что извлекал тихие звуки (ниже уровня шумов зала) даже при сложных пассажах, и публика была в восторге от его концертов. Его динамический диапазон составлял 50 дБ при том, что большинство пианистов имело диапазон не более 40-42 дБ.

Третьей проблемой является выбор уровня громкости акустического контроля при записи оригинала.

Обычно в студийных аппаратных уровень громкости устанавливается порядка 92-96 дБ, а уровень громкости прослушивания радиопередач в жилом помещении обычно не превышает 70-75 дБ. Это приводит к тому, что музыкальный баланс, установленный в студийной аппаратной, резко нарушается: у слушателей пропадают низкие частоты. Прослушивание с большой громкостью во время записи звукорежиссеры объясняют желанием услышать искажения и помехи, которые могут возникнуть в процессе записи.

На самом деле это утверждение спорно. Дело в том, что, когда музыканты приходят в студийную аппаратную прослушать запись, они не успевают адаптироваться, и, если музыка звучит тихо, им кажется, что запись сделана неудачно. Достаточно увеличить громкость прослушивания, и их впечатление резко меняется. Как же быть? Как совместить сохранение музыкального баланса у слушателя и большой уровень громкости при контроле записи?

Это можно сделать тремя способами. Первый - включить на входе акустических систем "фильтр уха", который будет подавлять низкие частоты в зависимости от уровня сигнала в соответствии с кривыми равной громкости. Второй - установить музыкальный баланс при громкости 70-75 дБ, а затем, не изменяя его, слушать с громкостью 92-100 дБ. При этом надо привыкнуть к избытку низких и высоких частот. И третий - с помощью эквалайзера или другого корректирующего устройства, включенного на входе акустической системы, подобрать нужную коррекцию низких частот так, чтобы переход на уровень громкости в 70-75 дБ не вызывал ощутимую потерю низких частот. Такие методы использовали звукорежиссеры во Франции, на радио в Болгарии, а у нас применял выдающийся звукорежиссер Виктор Бабушкин.

Инерционность и обусловленная ею погрешность регулирования уровней

Анализ 1500 фонограмм, взятых из фонотеки Государственного Дома Радиовещания и Звукозаписи, показал, что только 32% фонограмм соответствуют нормируемым уровням, 33% составили фонограммы с перемодуляцией и 35% - с недомодуляцией.

Поддержание уровней в процессе записи фонограмм и в процессе вещания затруднено рядом причин, основными из которых являются:

1) инерционность ИУ, обусловленная их временем срабатывания,
2) время реакции звукорежиссеров на перемодуляцию,
3) характер изменения вещательного сигнала во времени.

Если с третьим фактором все очевидно и не требует особых разъяснений, то первая и вторая причины приводят к временному сдвигу между огибающими исходного и обработанного сигналов, который вызывает появление погрешностей при оценке и регулировании уровней.

Инерционность ИУ обусловливает возникновение систематической погрешности. Влияние времени реакции звукорежиссеров имеет более сложную зависимость. Время реакции звукорежиссеров складывается из латентного периода (время от момента появления сигнала до начала движения для регулирования уровня) и времени моторного компонента (длительности перемещения регулятора усиления).

Время реакции звукорежиссера может оказывать различное влияние на точность поддержания уровней при записях фонограмм и в процессе вещания. Во время записи звукорежиссер, благодаря предварительным репетициям, может в какой-то степени предвидеть изменение исходного сигнала. Поэтому он может подготовиться к необходимому корректировочному движению, которое нужно произвести в определенный момент для того, чтобы минимизировать ошибку регулирования уровней. Благодаря опыту у звукорежиссеров складываются свои способы реагирования на информацию от индикатора уровня, визуально считывая показания ИУ. Однако часто оказывается, что в реальном процессе регулирования усиления звукорежиссер ориентируется не только на показания индикатора, но и на звучание. Причем звучание может быть для него гораздо более важной информацией, чем показания индикатора.

Во время записей фонограмм от звукорежиссеров требуется, одновременно с регулированием уровней, выполнение и ряда других действий: слежение за партитурой, введение частотной коррекции, выбор величины реверберации и т.п. Известно, что в этих случаях какое-либо одно действие может оказаться тормозом другого, т.е. выступать по отношению к нему в качестве помехи.

При поддержании уровней на выходе телерадиоцентра звукорежиссер и оператор в подавляющем большинстве случаев не имеют возможности предвидения и должны ждать, пока изменение уровня исходного сигнала будет отмечено ИУ. В результате при слежении произойдет ошибка, которая зависит от временной задержки измерителя и ответной реакции звукорежиссера.

Можно ввести понятие "погрешность регулирования уровней", то есть отношение значения сигнала, показываемого ИУ, к фактическому значению сигнала, который в данный момент записывается на ленту или поступает в передающий вещательный тракт.

Экспериментально было определено время реакции звукорежиссеров высшей категории и наиболее квалифицированных операторов при регулировании уровней в вещательной аппаратной. Результаты измерений, обработанные методами математической статистики, подчиняются нормальному закону распределения, и получена достоверность Р = 0,98 с точностью не менее 10%.

Время реакции звукорежиссеров на перемодуляцию было в пределах от 2,6 до 5,5 с, а операторов от 3,7 до 6,0 с.

Проведенные опыты позволяют предполагать, что время реакции может меняться в широких пределах в зависимости от характера исходного сигнала и состояния звукорежиссеров. Под "состоянием" понимается характеристика его индивидуальных возможностей, позволяющих ему успешно решать задачи контроля и управления. Такая характеристика является многокомпонентной и представляет собой набор показателей, описывающих множество физиологических и психологических параметров.

Было установлено, что регулирование максимальных уровней звукорежиссерами и операторами происходит волнообразно, рис.9.

Волнообразный характер регулирования не зависит от распределения уровней исходного сигнала, а обусловливается временем реакции и отсутствием опорного напряжения, с которым можно было бы сравнивать достаточность уменьшения или увеличения уровня в любой момент времени в процессе его регулирования.

Реакция звукорежиссеров на отдельные редкие выбросы уровней оказалась более быстрой, чем на частые выбросы, идущие подряд. Экспериментально доказано, что с увеличением длительности однообразной информации возрастают пороги обнаружения сигналов и уменьшается точность слежения. Особое место занимает регулирование уровней "живых" передач, например, парного дикторского чтения информационного материала. Не столько различная сила голоса каждого диктора, но главным образом пики, свойственные голосу и речевой манере данного диктора, делают совершенно невозможным регулирование уровней "живых" передач с удовлетворительной для практики точностью.

Теоретические исследования автора, подтвержденные экспериментальной проверкой, показали, что звукорежиссеры и операторы при работе в вещательной аппаратной, а также при записях по трансляции или с транспункта музыкальных программ, могут гарантировать поддержание уровней не точнее, чем в диапазоне 8 дБ (±4 дБ).

Поддерживать уровни на "живых" речевых передачах с необходимой для практики точностью в настоящее время можно только применяя авторегуляторы.

Волнообразное регулирование уровней может приводить в зависимости от структуры исходного сигнала к значительным погрешностям. Как видно на рис.9, звукорежиссер увеличивает усиление в моменты, когда на вход ИУ поступает сигнал, амплитуда которого превышает номинальный уровень.

Авторегуляторы, их плюсы и минусы

Авторегуляторы нашли широкое применение в радиовещании и телевидении. Они устанавливаются в различных звеньях тракта и выполняют определенные функции. Например, на передатчиках и станциях проводного вещания устанавливаются ограничители максимального уровня; в междугородных каналах подачи программ используются компандерные системы (компрессор-экспандер) для улучшения помехозащищенности; в центральных аппаратных на транспунктах и выездных станциях телевидения и звукозаписи применяются либо ограничители максимального уровня, либо компрессоры, и, наконец, в студийных аппаратных используются и ограничители, и компрессоры.

На рис.10 приведены амплитудные характеристики обычных усилителей (а), компрессора (б), ограничителя (в) и экспандера (г).

Характеристика обычного усилителя (рис.10, а) имеет два характерных участка: ниже точки g - линейный участок, выше точки g - участок, где нарушается линейность из-за перегрузки усилителя. Амплитудные характеристики авторегуляторов нелинейны, но это не означает, что происходит нелинейное преобразование мгновенных значений сигнала. Наоборот, вносимые ими нелинейные искажения малы, это достигается за счет того, что изменение напряжения или тока, управляющих коэффициентом усиления, происходит за время, которое значительно превышает период колебаний сигнала. Такие авторегуляторы относятся к классу инерционных. Как видно на рис. 10, б, с увеличением входного напряжения от Uвх 1 до Uвх 2 коэффициент усиления уменьшается, что характерно для компрессора. Наоборот, расширитель имеет характеристику, при которой коэффициент усиления увеличивается с ростом входного сигнала. Амплитудная характеристика ограничителя от точки 0 до точки g совпадает с характеристикой усилителя, а далее коэффициент передачи уменьшается и выходное напряжение остается постоянным при увеличении входного. Точка g соответствует порогу ограничения и выбирается равной номинальному выходному уровню.

Ограничитель максимального уровня может использоваться в двух режимах работы: так называемом "сторожевом", когда на его вход поступает номинальный максимальный уровень, и в режиме сжатия, когда на его вход подается уровень больше номинального.

В "сторожевом" режиме он реагирует на отдельные выбросы.

Существенным преимуществом авторегуляторов является их малая инерционность: время срабатывания для лимитеров и компрессоров колеблется в пределах 0,5 - 2 мс (иногда до 5 мс). После срабатывания проходит определенное время до восстановления нормального усиления. Это время для ограничителей выбирается равным 0,1-4 с, а для компрессоров 0,15-3 с. На рис.11 показано изменение коэффициента передачи ограничителя в момент срабатывания. Выброс (к примеру, 4 дБ) в течение 1 мс снижает усиление ограничителя на те же 4 дБ, а затем в течение 2 с усиление доходит до нормального. Но если за эти 2 с будет еще один выброс, то процесс повторится, в результате чего сигнал на выходе ограничителя будет меньше номинального. Кроме того, выбросы регулирования первого авторегулятора приводят к срабатыванию авторегуляторов, последовательно включенных в вещательный тракт. Поэтому в авторегуляторах второго поколения устанавливались безынерционные ограничители (пикосрезатели), которые срезали все выбросы больше, чем 1-1,5 дБ.

Когда ограничитель работает в режиме сжатия (или используется компрессор), не только усиливаются слабые сигналы, но и возрастают шумы. Поэтому в авторегуляторах второго поколения применялись пороговые шумоподавители, которые примерно с уровня -40 -50 дБ подавляли шумы.

При компрессии сигнала его громкость возрастает, и начинают подчеркиваться низкие частоты. Звук начинает "бубнить". Для повышения разборчивости речи перед авторегулятором включают корректирующий контур, создающий спад амплитудно-частотной характеристики до -20 дБ на частоте 100 Гц относительно частоты 1000 Гц и подъем до 5 дБ в области частот 4-5 кГц.

Существенным недостатком авторегуляторов первого и второго поколения являлось то, что наличие выброса уровня, обусловленного сильным звукоизвлечением одного из музыкальных инструментов оркестра, приводит к общему изменению звучания всего оркестра, т.е. к нарушению музыкального баланса. В авторегуляторах были установлены одни и те же временные параметры, при которых сравнивались разнообразные исходные сигналы. Это равносильно тому, что швейная промышленность выпускала бы костюмы только 52 размера. Кому-то они были бы впору, кому-то - велики, а кому-то - малы.

Звуки речи, например, имеют время установления 6-120 мс, кларнета - 50-70 мс, саксофона - 36-40 мс. В то же время электромузыкальные инструменты, некоторые типы ударных инструментов, импульсные шумы имеют время установления меньше 5 мс. Для таких сигналов ограничение без значительных выбросов возможно, если время установления ограничителя не превышает 100-200 мкс.

Поэтому авторегуляторы третьего поколения осуществляют регулировку в раздельных полосах частот и с различными временными характеристиками.

В настоящее время выпускаются 2-, 3-, 4- и даже 10-полосные авторегуляторы, а также дорогие специализированные высококачественные компрессоры. В них предусматривается возможность установки скорости нарастания и спада коэффициента усиления и номинального значения уровня входного сигнала. В каждой полосе можно независимо установить коэффициент усиления, порог и время срабатывания.

С помощью таких авторегуляторов сегодня возможно решать многие творческие задачи.

Музыкальные оттенки и динамический диапазон

Динамический диапазон звучания оркестра - это разница между наиболее громкими и наиболее тихими звуками при исполнении данного произведения.

Изменение громкости звучания оркестра в пределах его динамического диапазона называется динамикой. Она является одним из основных выразительных средств музыки.

Единственным средством оценки громкости пока является слух, а единицами измерения служат динамические оттенки (градации громкости) звука.

В старинной музыке (до XVIII века) было, по существу, всего два динамических оттенка - "громко" и "тихо". В современной музыке различают до восьми динамических оттенков - от ррр до fff. Указанные восемь динамических оттенков не обязательно используются во всех музыкальных произведениях - их количество в одном произведении может быть меньшим.

Другие способы оценки громкости в большей или меньшей степени приближаются к оценке органами слуха и являются вторичными.

Поэтому правильно будет называть значения, полученные с помощью различных приборов, не просто динамическим диапазоном, а динамическим диапазоном квазипиковых уровней - если речь идет об оценке с помощью ИУ. Но и этого недостаточно. Должны быть введены также следующие градации: измеряемый максимальный динамический диапазон уровней, статистический динамический диапазон уровней. В зависимости от тех или иных практических задач необходимо пользоваться соответствующим видом оценки динамического диапазона. Например, измеренный с помощью квазипикового ИУ максимальный динамический диапазон составляет 60 дБ. Но максимальных выбросов бывает всего один или два за все время звучания. Если сжать такой музыкальный фрагмент в два раза, то мы не получим практически выигрыша по громкости, потому что энергия выбросов сигнала очень мала. Этот же музыкальный фрагмент имеет статистический динамический диапазон уровней 42 дБ. Под статистическим диапазоном уровней понимают 98% энергии сигнала, а длительности максимальных и минимальных уровней, суммарно составляющие 2%, во внимание не принимаются.

В больших концертных залах и в больших студиях для уверенного различения оттенков одного от другого необходима разница громкости в 6-10 фон (фон - единица измерения уровня громкости, совпадающая с уровнем в децибелах на частоте 1000 Гц - прим. ред.).

В отдельных случаях эта разница может быть большей, но для различения оттенков она будет избыточной. Известно, что разница громкости зависит от уровня громкости, спектра и от времени реверберации помещения. Учитывая, что для уверенного различения динамических оттенков в среднем регистре громкости достаточна разница 6 фон, получим динамический диапазон оркестра (3 х 6) + (4 х 10) =

58 фон. Часто в литературе приводится значение (7 х 10) = 70 фон. Однако не всегда поясняется, что эти данные соответствуют громкости, а размерность в упомянутых источниках приведена в децибелах, что соответствует уровням громкости. На самом деле динамический диапазон оркестра может достигать 100 и более децибел. Например, оркестровое tutti с последующей паузой. Динамический диапазон звучания оркестра 58-70 фон передать по каналам вещания нельзя. Поэтому некоторые исследователи утверждают, что достоверная художественная передача музыки по вещательному каналу вообще невозможна. Это мнение разделяют и многие работники радиовещания. Однако оставалось неизвестным, какой же должна быть разница в градациях громкости, чтобы в жилом помещении слушатель мог с уверенностью различать динамические оттенки.

Автором было проведено экспериментальное исследование допустимой динамики звучания в жилых помещениях. Результаты исследований приведены в таблице 2.

(В партитурах композиторов-романтиков: Вагнера, Берлиоза, Чайковского и др., встречаются и более "гипертрофированные" динамические обозначения, например, pppp или ffff. Но с технической точки зрения реальный динамический диапазон в этих произведениях не выходит за рамки, указанные в таблице - прим. ред.)

Значения градаций громкости, приведенные в табл.2, довольно близко совпадают с аналогичными данными, полученными другими исследователями. Так, например, Скучик, Федкеллер и Цвикер, Ржевкин и др. указывают, что на средних частотах человек уверенно различает громкость при ее изменении на 25%, т.е. на один фон, а на низких частотах - при изменении на 2 фона.

Разница градаций громкости (табл. 2), необходимая для уверенного различения динамических оттенков, в больших залах и студиях значительно больше, чем в жилых помещениях.

Максимально допустимый динамический диапазон в жилых помещениях составляет 40-45 фон. Превышение этого значения приводит к неприятному звучанию.

Для уверенного различения динамических оттенков в жилых помещениях достаточна разница градаций громкости 3 фона. Таким образом, для воспроизведения всех восьми оттенков от ррр до fff достаточно 24 фона. Следовательно, имеется возможность осуществления передач через УКВ/FM станции такого динамического диапазона, который обеспечит у слушателей уверенное различение всех динамических оттенков симфонического оркестра. Приблизиться к такой передаче можно и в диапазоне длинных и средних волн при использовании приемников с широкой полосой пропускания для местного приема.

Так как громкость зависит от силы звука и его спектра, а также от времени реверберации помещения, то ограничение спектра звучания приводит и к искажению динамики. Компрессоры должны быть установлены в студийной аппаратной, и степень компрессии должна выбираться в зависимости от времени реверберации студии, в которой производится запись.

Чем больше время реверберации студии, тем больше должна быть компрессия!

На рис.12 приведено распределение диапазонов квазипиковых уровней музыкальных передач на выходе АЦ ГДРЗ на программе "Маяк". Как видно на рис.12, имеются записи с диапазоном уровней 30-35 дБ. На рис.13 приведено распределение диапазонов квазипиковых уровней на выходе приемника при приеме программы "Маяк": видно, что установленные в тракте авторегуляторы примерно на 5 дБ увеличивают компрессию сигнала.

Полученные результаты хорошо коррелируют с санитарными нормами на громкость прослушивания в жилых помещениях, в которых из-за несовершенства звукоизоляции стен и перекрытий уровень шума составляет 30-40 дБ, а максимальный уровень звукового давления при прослушивании не должен превышать 80 дБ, чтобы не создавать неудобств соседям.

Даже если каким-то чудом удалось бы в комнату площадью 20-25 м2 усадить полный симфонический оркестр, то музыканты играли бы значительно тише, чем в большом зале. Меломанам и любителям симфонической музыки ничего другого не остается, как слушать классическую музыку в концертных залах и в консерватории.

Звукорежиссер работает на таком участке творческого процесса, где техника и искусство дополняют друг друга. Следовательно, звукорежиссер призван объединять в своем лице и художника и техника - чем выше будет его техническая подготовка, тем успешнее он будет решать творческие задачи с помощью технических средств.

Владимир Семенович Островский 50 лет проработал на радио. Из них 36 лет занимался разработкой аппаратуры и исследованиями в области вещания, много лет читал лекции в институте усовершенствования работников радио и телевидения.

Редакция благодарит за помощь в подготовке статьи музыковеда Анастасию Меерзон.