: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2003 : #8

Методология оценки качества звукотехнического оборудования
и алгоритмов обработки сигналов
Михаил Сергеев

Появилось однажды в конференции ProAUDIO сообщение (грамматика сохранена):

Здравствуйте.
Вот у меня вопрос к проффесионалам.
Какая професиональная аудио карта для звукозаписи на ваш взгляд самая лутчшая,в ценовой котегории "180-300$".
Вот с такими характеристиками:
"Качественные кодеки 24 бит/96кГц A/D с и 24 бит/96кГц D/A (а можно и 192кГц). Хотелось бы, чтобы у них был динам. диаппазон не менее 115дБ. Отношение сигнал/шум, не менее 110дБ И чем меньше будет "THD" карты, тем лутьше."

Можно назвать человеку некую марку, и пусть спрашивающий сам эту кашу расхлебывает. А может быть, стоит помочь ему, да и многим другим, разобраться, что есть что? На какие параметры следует обратить внимание, чем можно пренебречь, да и вообще - что делать?

Рис.1. Основные взаимодействия в аудиоиндустрии. Заказывает музыку и определяет правила игры тот, кто платит. В данном случае – слушатели и спонсоры.

Качество некоего объекта в широком смысле - это его способность удовлетворять запросы потребителя. Если рассматривать запись звука как бизнес, то увидим (см. рисунок 1) движение товаров и денег между "действующими лицами и исполнителями". Исполнители материализуют задуманное авторами, студия фиксирует результат, слушатели отдают свои кровные за музыку. Участвуют в процессе поставщики оборудования; незримы, но всегда рядом с нами и надзирающие органы: одни следят, чтобы гонорары и налоги были уплачены; другие пожарную и прочую безопасность проверяют, да и вообще за порядком приглядывают.

Кто же является пользователем, под кого строить студию, по кому сверять качество? Закон бизнеса прямолинеен: прав тот, кто платит. Деньги на студию приносит обычно исполнитель или спонсор, то есть Заказчик - Человек, Который Платит. И его интересы надо учитывать в первую очередь. Нельзя в то же время забывать и про действительного плательщика - слушателей. Если их не устроит продукция студии, то тираж будет пылиться на складе, и спонсоры забудут про такого исполнителя, а деньги в кассу больше не попадут… Возможен и третий вариант: условия работы в студии не удовлетворили исполнителя, и он забыл туда дорогу, а деньги свои унес в другое место - результат тоже отрицательный.

Итак, техника в студии должна удовлетворить:

• слушателей;
• исполнителей;
• спонсоров.

И нашим, как говорится, и нашим… К счастью, в основном требования всех перечисленных участников процесса совпадают. Хотя всем, как всегда, хочется иметь максимум удовольствия за минимальную цену.

Работа с микрофоном в помещении требует выполнения двух условий: должны быть обеспечены приемлемые время реверберации и уровень шума. Обе эти задачи решаются акустической обработкой: вводятся звукопоглощающие и изолирующие элементы. Акустический расчет студии особо сложным не назовешь, но и таблицей умножения здесь не обойдешься. Если денег в бюджете немерено, то из любого помещения можно сделать "конфетку". В реальной жизни есть ограничения: за одно заплатил, на другое может денег и не хватить. Готовы ли вы самостоятельно решить, нужна ли дополнительная кирпичная стенка и подвесной пол? И не упустите ли вы мелочи, такие, как уплотнение дверей или бесшумные лампы? Ведь именно они могут сыграть роль пресловутого гвоздя в ботинке и испортить впечатление.

Не забывайте и то, что заказчик платит не за аренду аппаратуры, а за право работать в студии, и оценивает он интегральное качество услуги. Если в студии иней, или стрелка термометра переваливает за 30^оС, а спичка гаснет от духоты, то количество микрофонов или отношение "сигнал/шум" уже мало кого интересуют. Это означает, что студия - это не только пульт и прочая звукотехническая аппаратура, это еще и система вентиляции и климат-контроль, освещение и прочие мелкие удобства.

Но звукорежиссер со звукоинженером едва ли сумеют построить студию - это работа для других специалистов. Наше дело - правильно поставить задачу и проконтролировать ее выполнение. Будем считать, что нам со строителями повезло: климат и акустические параметры студии удовлетворяют заказчика, точнее - исполнителей и (или) спонсора. Однако же главным в этой истории является слушатель, именно он потом купит или не купит фонограмму, и от него зависит финансовый успех предприятия - посмотрите еще раз внимательно на рисунок 1. Состав и марки студийного оборудования для слушателя, наверное, тоже важны, но едва ли они волнуют его больше, чем прошлогодняя динамика индекса Доу-Джонса. Слушатель получает сигнал, вот к его качеству мы и обратимся - не спеша и последовательно.

Отношения в треугольнике "владелец студии-системный интегратор (инсталлятор)-продавец" заслуживают отдельного разговора. Платить посреднику у нас не любят - велико искушение сберечь таким способом копеечку. Настолько ли велика работа - пробежать по магазинам, да составить список - чтобы самому с ней не справиться? Но не торопитесь…

Чем обеспечивается равновесие на рынке? Прежде всего, регулярностью отношений. Один раз можно "впарить", но повторить этот фокус многократно не удается - даже грабли чему-то да учат. Сколько раз в году владелец студии или ее звукоинженер совершает серьезные закупки оборудования? Правильно, один раз в жизни или чуть чаще. Какие чувства испытывает продавец, видя перед собой такого одноразового покупателя? Правильно - "впарить"! И шансов избежать ненужных трат у покупателя в этой ситуации нет никаких…

Рассмотрим другую пару "продавец - инсталлятор". Если инсталлятор нехорош, и результаты его работы не удовлетворили очередного заказчика, то следующего просто не будет, так что есть механизм авторегулирования. Вернется ли сам инсталлятор к продавцу, который подсунул ему нечто несусветное? Вот вам вторая цепь обратной связи, стабилизирующей систему. В данном случае вопрос оценки качества оборудования превращается в оценку профессионализма системного интегратора. Не нужно углубляться в маркетинговые исследования: найдите время и возможность съездить поглядеть на предыдущую работу инсталлятора. А еще лучше - послушать, ведь слушать - ваша профессия, тут вы играете на своем поле, и на мякине вас не проведешь.

Многие ли авторы и исполнители, а тем более - спонсоры, четко себе представляют, чем DSD отличается от 96 кГц/24 бит/5.1 или от 44,1 кГц/16 бит стерео? И все ли они знают, что 100 дБ - это 100 тысяч раз? И как со слухом у музыканта, 20 лет проработавшего в рок-группе? Зато он мир успел повидать и оброс убеждениями, что Lexicon и Pro Tools - это круто, а 192кГц/24 бит - "это вааще"! И если такой человек увидит в студии нечто с неизвестным ему логотипом или просто безымянное, то и включать не будет: побережет остатки слуха. По одежке встречают… Забывать про этот факт при выборе оборудования для студии не следует.

Рынок оборудования для звукозаписи существует давно, на нем уже сложилось определенное равновесие: если пульт покупают за 10 тысяч - значит, он этих денег стоит, и входят в сумму, кроме НДС и НСП, как чисто технические его свойства, так и престиж торговой марки. Но и молиться на марку тоже не следует. Многие брэнды существуют сегодня отдельно от производства, и всяк желающий за скромное вознаграждение может украсить плоды своего труда известным логотипом.

В то же время, именно известные производители создают действительно хорошее оборудование. Те, кто знаком с производством, знают, сколько сил и средств приходится вкладывать в разработки. Сто потов сойдет с инженера, а финансовый директор перенесет пару инфарктов, пока идея превращается в "железо". А про цену доводки качества до оценки "отлично" просто молчу. И продается такое оборудование недешево - чудес не бывает.

Итак, муки творчества позади, и настал торжественный момент: выпущена первая партия аппаратов. Что дальше?

Первыми покупателями обычно являются конкуренты… Одни добросовестно изучают и учатся, другие - разбирают и копируют. Понятно, что копирование гораздо дешевле разработки, но и результат оказывается соответствующий: чудес не бывает. Именно поэтому не следует сломя голову бежать за дешевыми поделками (или даже подделками), которых полно на рынке.

Вторую группу пользователей тоже покупателями не назовешь. Известно много случаев, когда оборудование передавалось студиям бесплатно, хотя и не безвозмездно. В чем смысл? Во-первых, очередному покупателю можно будет с полным основанием сказать, что студия "РРР" уже пользуется и страшно довольна. Во-вторых, конструктивные отзывы пользователей - вещь небесполезная.

Появление нового товара на рынке обычно сопровождает рекламная кампания. Ах, тут высокие технологии, концептуально новый звук, широчайшие технологические возможности, и стопка восторженных отзывов от тех, кто уже успел попользоваться. Что же, не похвалишь - не продашь, но как не утонуть в этом море елея и красивых цифр?

Повторюсь, качество - это способность удовлетворять потребности. Определение дает нам только фундамент, для получения оценки надо выделить составляющие качества - создать систему параметров. Эта система должна быть полной, но включать в себя только те показатели, которые отражают значимые свойства объекта; критерии качества должны быть измеримы.

У студийного оборудования три пользователя: инсталляторы, исполнители и слушатели, которые участвуют в процессе последовательно. Итак, как в шахматах…

Конструктивные особенности оборудования первыми видят инсталляторы, именно у них и возникают вопросы по этому поводу. Ставится прибор в стойку, или он предназначен для размещения на столе - вопрос вкуса и местных условий, и едва ли возможно объективно оценить преимущества того или иного решения.

И не давайте себя втянуть в дискуссию по принципиальным вопросам! Теоретически известно, что напряженность электромагнитного поля внутри системного блока компьютера довольно высока, и можно улучшить отношение "сигнал/шум", убирая подальше АЦП/ЦАП.

А на практике оказывается, что бывают конвертеры хорошие и посредственные, а бывают внешние и встраиваемые. Отдельной группой стоят отличные - их делают внешними не только из-за помех в системном блоке. Внешнее исполнение позволяет использовать собственное качественное питание, появляется место для хороших разъемов; имеет значение и возможность не экономить каждый миллиметр пространства.

Столь же неоднозначно мое отношение к блочно-модульным конструкциям. Заманчивая возможность "выдернуть" битый модуль и мгновенно заменить исправным при внимательном рассмотрении оказывается не бесплатной: именно разъемы часто оказываются причиной отказа.

Рис.2. Уровни сигналов. Уровень сигнала не может превысить порог ограничения LMAX и опуститься ниже уровня шума N. Динамический диапазон сигнала D=SMAX – SMIN всегда меньше отношения "сигнал/шум" S/N=LMAX–N.

В число значимых для инсталляторов свойств аппаратуры я бы отнес наличие балансных входов и выходов, в этом случае гораздо проще решается вопрос коммутации. Опыт показывает, что и небалансные соединения позволяют получить приемлемую помехозащищенность, но поработать над этим вопросом приходится серьезно.

Нужно ли думать обо всем этом звукорежиссеру, или решение технических задач поручить специалисту, а самому просто пользоваться готовым? Вот мы и добрались до наших вопросов.

Почти вековая история звуковой индустрии дала нам набор параметров качества: отношение "сигнал/шум", диапазон частот воспроизводимых сигналов, нелинейные искажения, линейные искажения, рассогласование параметров каналов, входные и выходные сопротивления, уровни сигналов. Были еще детонация и отклонение скорости воспроизведения, благополучно забытые при переходе на цифровые технологии. Забытыми оказались и остальные параметры… Не грех и вспомнить!

Что такое динамический диапазон? Отношение максимального и минимального уровней сигналов. Если, например, уровень сигнала изменяется в пределах от -60 до +7 дБ, то его динамический диапазон равен 67 дБ.

Чем ограничены максимальное и минимальное значения уровней сигнала?

Предположим, что мы имеем некое устройство. Уровень сигнала на его выходе (см. рисунок 2) можно уменьшить только до определенного предела, потому что всегда присутствует шум, ниже которого не опуститься. При увеличении уровня сигнала рано или поздно начнут расти нелинейные искажения, и, наконец, наступит ограничение амплитуды. Эти границы и дают нам параметр отношение "сигнал/шум", то есть разность уровней максимального сигнала и шума на выходе устройства.

Уровень полезного сигнала должен быть меньше максимально допустимого и больше, чем уровень шума, то есть отношение "сигнал/шум" всегда оказывается больше, чем динамический диапазон.

Рис.3. Высокочастотные помехи: а – форма сигнала, б – спектр сигнала. Импульсные помехи имеют очень широкий спектр, интермодуляция на нелинейных элементах системы способна перенести эти помехи в звуковую область спектра.

Например, для линейной ИКМ 44/16 теоретически достижимое отношение "сигнал/шум" составляет 98,5 дБ RMS. Если же вы в таблице видите "С/Ш = 100 дБ", то не верьте глазам своим… Дело в том, что измерения уровня синусоидального сигнала не оставляют простора для экспериментов, а к измерениям уровня шума следует тщательно подготовиться. Начнем с вольтметра: он может показывать среднее, квазипиковое или среднеквадратичное значение напряжения сигнала. Которое из них нас интересует?

Профессионалы ориентируются при анализе шумов на среднеквадратичное значение. А что нам показывает измеритель уровня сигнала, например, в Sound Forge? Нетрудно установить - амплитудное, желающие могут это сами легко проверить, в большинстве звуковых редакторов имеется программа для вычисления среднеквадратичного значения.

В каком диапазоне частот следует измерять шум? "20…20000 Гц", - да, можно и так. И получим для ИКМ 44/16 те самые 98,5 дБ RMS. А можно еще учесть частотную зависимость чувствительности слуха, то есть перед измерением пропустить сигнал через псофометрический фильтр. Этот фильтр ослабляет низшие и высшие спектральные составляющие сигнала, а среднечастотные - усиливает. В результате получим RMS IEC по кривой A, чаще всего именно это значение и используют для оценки шума.

Все получается красиво, до тех пор, пока в окрестностях не появится цифровое или импульсное оборудование. В этом случае нельзя запираться в звуковом диапазоне частот, и просто необходимо заглянуть хотя бы в "ближайшее зарубежье" (см. рисунок 3). Дело в том, что высокочастотные импульсные помехи влияют на звучание: как только на их пути встретится нелинейность, интермодуляция приведет к появлению помех и в слышимой области спектра. А нелинейностей в звуковых трактах предостаточно: от активных элементов (транзисторы и лампы) до контактов. Получается, что надо измерять шумы и помехи и за пределами рабочего диапазона частот.

Что в итоге? Для вычисления отношения "сигнал/шум" могут быть использованы различные величины: чаще всего RMS IEC "A", встречается RMS 20…20000 Гц. Если же в описании не сказано, о какой именно величине идет речь, то цена такой информации невысока. Если и сказано, то ситуация меняется мало: хорошо бы еще знать уровень всех помех, и этим список пожеланий не исчерпывается.

Таблица 1. Результаты измерений параметров конвертеров. Параметр Устройство 1 Устройство 2 SNR, дБ 93,071 98,146 THD, % 0,00194 0,00127 THD+N, % 0,00222 0,00124 IMD, % 0,0039 0,0015

Рис.4. Фрагмент сигнала с тестового диска А. Парсонса. Короткое и редкое амплитудное ограничение (выделено цветом) вполне допустимо при записи

Если речь идет о цифровой аппаратуре, то динамический диапазон ограничен не столько шумами, сколько искажениями, которые увеличиваются при уменьшении уровня кодируемого сигнала. В результате реально доступный для использования динамический диапазон для ИКМ 44/16 едва достигает 50 дБ. И обратите внимание: звук будет тем лучше, чем выше (в рамках разумного) уровень сигнала на входе АЦП. И не бойтесь амплитудного ограничения (рисунок 4): если это изредка происходит, то на слух заметить искажения будет практически невозможно. Но оцифровывать сигнал нам пока еще нечем, сначала надо выбрать аппарат и купить его. Что выбрать? Попали мне на глаза результаты тестирования конвертеров (таблица 1).

Напрашивается вывод: устройство 2 явно выигрывает. Но не будем торопиться, а пройдемся по этим данным спокойно и последовательно. Утверждение, что отношение "сигнал/шум" равно 98,146 дБ означает, что погрешность измерений уровня не превышала 1/1000 дБ, или 0,01%. Разработчик такого точного вольтметра может шагать за Нобелевской премией, но осторожно и закоулками, обходя, например, французскую Академию наук: там изобретателей "вечных двигателей" не жалуют.

Откинем тысячные доли децибела, останется 93 и 98: разница 5 дБ. Много это или мало? С одной стороны, 5 дБ - это больше, чем 2,5 раза по мощности, почти как легковушка против автобуса. С другой стороны, возможность заметить эти шумы на слух такая же, как у "Запорожца" обогнать "Порше".

Параметры этих устройств близки к предельно достижимым, и оба могут звучать великолепно. Откуда же тогда взялось пожелание участника конференции: "динам. диаппазон не менее 115 дБ. Отношение сигнал/шум, не менее 110дБ"? Думаю, здесь мы видим "плоды просвещения" в виде рекламы.

Обсуждать нелинейные искажения на уровне тысячных долей процента и вовсе не хочется: эта величина лежит далеко за порогом заметности на слух. И если устройство с К_г = 0,001% звучит лучше, чем другое, с К_г = 0,002%, то причину следует искать не в линейности, а в чем то другом.

Рассуждать о величинах искажений можно долго, но смысла в этом нет: формально пороги заметности на слух давно уже преодолены, и если звук получается "какой-то не такой", то дело тут не в коэффициенте гармоник или шумах, а в других процессах или явлениях. Например, при контроле линейности измеряют коэффициент гармоник. Подразумевается, что гармоники сигнала попадут в полосу пропускания устройства, то есть при частоте дискретизации 44,1 кГц имеет смысл измерять Кг на частотах, не превышающих 7 кГц, в этом случае третья гармоника (7 х 3 = 21 кГц) еще попадет в полосу пропускания. А основные нелинейности в цифровых системах проявляются на гораздо более высоких частотах, близких к половине частоты дискретизации. Нелинейность на этих частотах уже никто не измеряет - и совершенно напрасно. В качестве примера был взят двухтоновый сигнал. На рисунке 5 приведены спектры сигнала до и после ресемплирования. С коэффициентом гармоник тут не подступишься, но нелинейные искажения видны отчетливо.

Рис.5. Спектр сигнала до обработки (а) и после (б). В спектре сигнала появились новые составляющие, налицо нелинейность, но гармоник здесь нет.

Вернемся еще раз к нашему примеру. Хочется автору вопроса получить 96 кГц, не возражает он и против 192 кГц. Позвольте вопрос: зачем? При 48 кГц можно работать с сигналами до 20 кГц, увеличение до 192 кГц расширяет полосу частот почти до 100 кГц - это следствие теоремы Котельникова/Найквиста. Нужна ли в звуковых приложениях такая полоса? Доводилось слышать рассуждения, что у карт с более высокой частотой дискретизации и все остальные параметры лучше. Готов поверить, при условии, что цена остается за скобками. А в реальной жизни, где деньги еще играют свою роль, при неизменной стоимости за повышение частоты дискретизации приходится чем-то расплачиваться.

Для того, чтобы обнаружить искажения сигнала, нужно отчетливо понимать, что же с ним происходит в интересующем нас устройстве, - именно этот путь является теоретически правильным, но практически неосуществимым - нюансы алгоритмов обработки сигналов никто обычно не раскрывает. Поэтому не стоит углубляться в теоретизирование по поводу. Не нужно долго мусолить таблицу с параметрами, гораздо полезнее проверить теорию практикой - включить и послушать.

Начну с того, что слух капризен, а способности человека поистине безграничны, в том числе - способность к самовнушению. Человек может убедить себя, что видит в чужом глазу отсутствующую там соринку, а в своем не замечать и бревна. Одни, как дети, искренне радуются обновке, не обращая внимания на "бревна", и вольно или невольно агитируют окружающих: делай как я, будешь таким же счастливым. Другие ищут скрытые изъяны, и находят - как ту соринку. Так что к любым субъективным оценкам оборудования нужно относиться аккуратно. Я уже не говорю о нередкой ситуации, когда восторженная оценка щедро оплачена…

Уменьшить роль случайностей и самовнушения помогает правильно организованное прослушивание. Мне кажется удобной такая последовательность действий.

1. Прослушивать известную фонограмму. Когда помнишь каждую ноту, каждое движение звука, нетрудно заметить искажения, но подстерегает другая опасность - слух умеет восстанавливать потери знакомого материала.
2. Послушать неизвестную или хорошо забытую фонограмму.
3. Повторить п.1 и п.2, концентрируя внимание на разных признаках звучания. Точно и надежно слух оценивает пространственные характеристики, легко заметить характерные признаки деградации: теряется глубина сцены, исчезает объемность, ухудшается разделение кажущихся источников звука.

При организации прослушиваний нужно помнить, что "холодное" устройство звучит немного иначе, чем поработавшее. Особенно изменения заметны в первые часы работы, поэтому едва ли нужно заниматься прослушиванием только что вынутого из упаковки аппарата, сначала надо его "прогреть". Полезно повторить прослушивания в разное время суток, слух утренний отличается от вечернего, и на сытый желудок многое видится иначе, чем до обеда. Полезно оценить возможности и свойства аппарата на месте его постоянной прописки, то есть в студии. Это позволит выявить проблемы, связанные с взаимодействием оборудования.

Всякое прослушивание субъективно, обобщая показания нескольких экспертов, мы выигрываем в одном, но теряем в другом, об этом надо помнить, приглашая друзей или коллег "послушать и высказаться". В моей практике был характерный случай. В одной из анкет с оценками вижу сплошные двойки: звук плохой, ужасный и безобразный. Попросив эксперта пояснить, что же ему так не понравилось, получил ответ, который запомнил навсегда: "Вагнер?! На синтезаторе?!". В одном из фрагментов, представляющем "электронную музыку", звучало сочинение этого композитора, и никто до того момента претензий не предъявлял. И вдруг такая реакция… А еще говорят, что не все любят ноту "си"…

Сложная это вещь - восприятие звука человеком. Посмотрите на оценки, которые дали двум устройствам (1 и 2) четыре эксперта (А, Б, В и Г). Прослушан каждый аппарат был по четыре раза, в результате мы имеем 16 оценок, они в таблице 2. Здесь знаком "+" обозначен случай, когда эксперт заметил искажения, а знаком "-" - когда не заметил.

Искажения отмечены ровно в 25% ответов экспертов, но проценты разные: к аппарату 1 только эксперт А имеет претензии всегда, а к аппарату 2 - каждый эксперт, но только в одном из четырех случаев. Средний результат получается для этих аппаратов одинаковым, но интуитивно понятно, что звучат они по-разному.

Что же получается в итоге? Цифры лукавы, прослушивания необъективны - для неподготовленного человека, именно это я хотел если не доказать, то показать. Были времена, когда искажения были большими, и именно тогда были разработаны методы оценки качества, сформулированы требования к параметрам. Ныне времена иные, и от борьбы с искажениями мы переходим к борьбе за качество звука, пора менять подход, методологию. Никаких революционных перемен ждать не следует, но тонкости становятся все тоньше, а нюансы - запутаннее. Шашкой теперь не порубаешь, нужно потратить годы на изучение технологии и оборудования звукозаписи, чтобы обойти все подводные камни и не попасться на рекламные фокусы. Инсталлятору фундаментальная подготовка в этой области необходима, звукоинженеру - полезна, а для звукорежиссера - представляется мне излишней. Лучше делать то, что ты делать мастер. Собственно это я и хотел донести до уважаемых читателей. Так что не стреляйте в технаря-специалиста, вам же дороже выйдет.

Дать развернутую картину состояния дел современной аудиотехники и технологии работы со звуком необходимо, но едва ли можно ужать этот материал до размеров журнальной статьи, но будет издатель - будет и книга.

И, в заключение, несколько соображений, надеюсь, небесполезных как технарям, так и творческим работникам.

Не забывайте старый принцип: "не вливают вино молодое в мехи ветхие". Все в студии должно быть на высоте: нет смысла покупать хороший дорогой пульт, если в качестве источника сигнала будет использована пластмассовая самоиграйка, а готовый материал - записываться на мини-диск или компакт-кассету.

Стоимость аксессуаров составляет обычно примерно 10% общей стоимости. Экономить на проводах и разъемах - неразумно.

Потери качества нужно предупреждать, а не лечить.

Профессионал - этот тот человек, который взятую на себя работу делает хорошо и в срок. Без профессионалов в студии не обойтись: как вы будете выглядеть перед заказчиком, если в самый ответственный момент "зафонит" микрофон или слетят криво поставленные левые "винды"? И как и чем с вами в этом случае расплатятся?