все о профессиональном звуке

Аналоговые системы шумоподавления

В определении понятия "шумоподавитель", да и самого шумоподавления существует некоторая неясность. Этими терминами обозначаются два абсолютно разных понятия, одно из которых скорее относится к реставрационным работам, а второе – непосредственно к самой процедуре звукозаписи.

В первом случае речь идёт об улучшении звучания уже имеющегося материала, а во втором случае – о более качественном процессе записи нового. И, хотя эти два различных процесса имеют идентичные названия, физическая их сущность абсолютно разная. Даже несмотря на то, что основаны они, в сущности, на использовании одного и того же свойства человеческого слуха – эффекта маскировки.

Этот процесс уже неоднократно описывался, в том числе и на страницах нашего журнала, и поэтому здесь нет особого смысла подробно на нём останавливаться, но по мере необходимости мы вспомним те его особенности, которые будут использоваться в описываемых далее процессах.

Денойзеры

Итак, начнём с того процесса шумоподавления, который, собственно, и является именно шумоподавлением в его исходном смысле, то есть применяется для удаления шумов с уже готовых фонограмм.

Так как мы имеем дело с материалом, который мог быть записан давно и в неизвестных условиях, то очевидно, что скорее всего при производстве этих записей не было использовано какой-либо обработки для его последующего обесшумливания (маловероятно, чтобы при выпуске, скажем, пластинки, звукорежиссёр был столь любезен, что позаботился о её будущей реставрации…) Поэтому мы поневоле обрабатываем сигнал как бы "с одной стороны", а именно – при его воспроизведении. По принятой терминологии такие шумоподавители именно так и называются – single-ended, "односторонние".

Самым первым был простейший noise-gate, блокировавший прохождение сигналов в паузах фонограммы. Он действовал как простой выключатель – либо полность пропускал входной сигнал на выход, либо полностью же его подавлял.

Однако, несмотря на свою полезность во многих случаях, реального подавления шумов он не осуществлял. А иногда даже наоборот, делал их субъективно более заметными – когда после достигнутой его усилиями абсолютной тишины начинало звучать тихое место фонограммы, на котором шумы как раз наиболее заметны.

По мере развития схемотехники конструкции гейтов постепенно усложнялись, появилась возможность плавного их открытия и закрытия, но полностью устранить указанное явление тем не менее не удалось, и в настоящее время гейты для целей уменьшения шумов практически не применяются.

Чтобы избавиться от описанного эффекта и получить более приятное на слух уменьшение шумов, многими фирмами были разработаны самые различные системы шумоподавления, в основном для прослушивания записей с магнитофонов. Старшее поколение, наверно, ещё помнит такие названия как, например, DNL (Dynamic Noise Limiter), и многие другие.

Однако, несмотря на различные названия, все они работали примерно одинаково –происходило ослабление ВЧ-составляющих обрабатываемого сигнала в том случае, если само устройство обработки (а не звукорежиссер!) решало, что их уровень в исходном сигнале достаточно мал, и ими можно пренебречь.

По сути, это был самый обычный ВЧ-регулятор тембра, но работающий только на ослабление, по принципу "если высоких частот много, то их не трогаем, а если мало – то делаем ещё меньше".

Для прослушивания записей это давало приемлемый эффект, но применять такие устройства для профессиональной работы было проблематично. Ведь они "жили своей жизнью", а кому из звукорежиссёров понравится непредсказуемое изменение тембра фонограммы при записи или сведении?

Таким образом, описанные выше устройства хоть и обеспечивали в ряде случаев больший комфорт для слушателей, но тем не менее проблему реального уменьшения шумов не решали.

Реальный прорыв в этой области был достигнут после изобретения первого настоящего шумоподавителя, в котором для уменьшения шумов применялся скользящий адаптивный фильтр, который изменял полосу своего пропускания в зависимости от спектра обрабатываемого сигнала.

Наиболее известное отечественное устройство такого рода – это динамический фильтр "Маяк", которым оснащались некоторые советские магнитофоны. К сожалению, из-за ряда конструктивных недоработок эти фильтры часто существенно портили звучание обрабатываемого сигнала, хотя при правильной настройке и регулировке они могут прекрасно работать. Это доказали западные производители, начавшие массовый выпуск таких устройств уже лет 20 тому назад, и не прекращающие его даже сейчас, в эпоху повального увлечения компьютерными обработками.

В самом деле, ведь компьютеры не особо потаскаешь с собой на концерт или дискотеку, как и в любое другое место, где может понадобиться шумоподавитель! Да и большинство программ просто не работают в реальном времени или не приспособлены для непосредственной обработки входящего сигнала и подачи его на выход без существенной задержки.

А если ещё учесть капризность их операционных систем, да и самого программного обеспечения…

Одним словом – сбрасывать со счетов аналоговые шумоподавители ещё рановато!

Итак – как же работает современный шумоподавитель, имеющий также общепринятое название denoiser? (Интересно, что компьютерные программы, основанные на аналогичном принципе, носят иное общее название – de-hisser, или иногда укороченно – de-hiss, а программы, имеющие название denoiser, в отличие от своих аналоговых тёзок, работают по совершенно иному принципу!)

Как уже сказано, сердцем денойзера является особый фильтр, изменяющий полосу своего пропускания в зависимости от спектра обрабатываемого сигнала. Управляющая этим фильтром электронная схема постоянно анализирует входной сигнал, и на основе этого анализа перестраивает параметры фильтра таким образом, чтобы обеспечить максимально благоприятные условия для передачи полезных составляющих сигнала, и одновременно – максимально ослабить его мешающие, шумовые компоненты.

Практически все серийно выпускаемые денойзеры в качестве самого фильтра применяют только один фильтр – фильтр низких частот (ФНЧ, или Lo-Pass). Он обрезает все высокочастотные помехи, которые лежат за пределами полосы частот, занимаемой полезным сигналом, и не маскируются им. Вот здесь, пожалуй, уже пришла пора немного вспомнить суть процесса маскировки. На рисунке 1 приводится один из примеров этого процесса.

Рис 1

Фото статьи

На этом рисунке приведены несколько колоколообразных кривых, показывающих величины маскировки в зависимости от величины тестового сигнала. В качестве него используется синусоидальный тон частотой 1000 Гц, а цифры на кривых – обозначают уровень тестового сигнала.

Рассмотрим для примера одну из кривых – например, ту, которая соответствует уровню тестового сигнала в 80 дБ, это вторая кривая сверху. Она показывает, что в описанных условиях все сигналы, лежащие ниже этой кривой, слухом не воспринимаются. Таким образом, сигнал помехи с частотой около 2 кГц и уровнем порядка 40 дБ, находящийся близко к тестовому, как бы "попадает в его тень" (полосу маскировки), и слухом не воспринимается. Если же сигнал помехи имеет частоту около 8 кГц и уровень всего в 10 дБ, то он уже не попадает в полосу маскировки, и будет вполне отчётливо восприниматься слухом.

Однако посмотрим внимательнее, а что это будет за сигнал?

При уровне полезного сигнала в 80 дБ приведённый выше сигнал помехи будет меньше него на целых 70 дБ. (Если изложить это в терминах искажений – то величина будет составлять всего 0,03%!)

Вполне очевидно, что столь малой величиной можно достаточно спокойно пренебречь. Таким образом, если в описанных условиях вместе с полезным сигналом будет присутствовать шум с уровнем порядка 10 дБ, и мы пропустим такой суммарный сигнал сквозь обрезной фильтр с граничной частотой около 6 кГц, – то, как следует из графика, шумов мы не услышим вообще!

Конечно, это отнюдь не означает, что шумы на самом деле полностью исчезли. Хоть фильтр и отсёк некоторую их часть, но не всю, и если внимательно исследовать обработанный сигнал спектроанализатором, то будет видно, что некоторые шумы всё же остались. Но при этом мы их совсем не слышим! А ведь именно это и было нашей главной целью, и мы её вполне успешно достигли.

После столь удачного старта невольно возникает вопрос: "А что, если добавить и второй перестраиваемый фильтр для удаления НЧ-составляющих шума?" Казалось бы, шумоподавитель должен стать ещё более эффективным?

Однако, это не так! Во-первых, кривые маскировки для частот, лежащих ниже полезной (на графике – они левее частоты тестового сигнала), имеют гораздо более резкий спад. На практике это означает, что частота среза фильтра, который ограничивал бы полосу пропускания снизу, должна быть гораздо ближе к частоте полезного сигнала, чем в ранее рассмотренном примере. Это влечёт за собой неизбежное увеличение сложности управляющей схемы. Казалось бы, само по себе и не очень страшно, если не считать существенного удорожания прибора.

Но, кроме точности управления фильтром по частоте, необходимо ещё обеспечить и достаточное быстродействие, чтобы при быстро возникающем низкочастотном звуке его начальная часть (атака) не была бы "съедена" прибором. А вот это уже попросту невозможно, так как при большой скорости изменения АЧХ фильтра он будет сам вносить искажения в сигнал, поскольку скорость его перестройки становится уже сопоставимой со скоростью изменения низкочастотного сигнала, точнее – с его периодом…

Все вышеизложенные причины и привели к тому, что во всех денойзерах отдельного фильтра для обрезки НЧ-шумов нет. И даже, если на каком-нибудь шумоподавителе доведётся увидеть надпись вроде Multiband Denoiser, – не стоит обольщаться, нет там никакой многополосности!

Впрочем, не стоит и особо огорчаться – вспомните про очень малую чувствительность нашего слуха к низкочастотным сигналам!

Таким образом, АЧХ денойзера имеет вид АЧХ НЧ-фильтра, частота среза которого изменяется от некоторого начального значения до полной полосы частот всего звукового диапазона. Она тем шире, чем больше уровень входного сигнала, и чем выше наивысшая частота, присутствующая во входном сигнале. Это иллюстрирует рисунок 2, на котором сплошной линией изображена АЧХ денойзера в отсутствие сигнала, либо при наличии только слабых низкочастотных сигналов.

Рис. 2 АЧХ ФНЧ

Фото статьи

Пунктирными линиями здесь же изображены те АЧХ, которые будут иметь место при более сильных или более широкополосных сигналах, а стрелкой - направление изменения АЧХ при увеличении уровня и/или расширении спектра входного сигнала.

Однако любым прибором, даже самым автоматизированным, всё же необходимо и управлять! Ведь сколь бы умным ни был разработчик денойзера, и как бы ни пытался он предусмотреть все возможные варианты его работы – очевидно, что этого всё равно добиться не удастся. И поэтому для обеспечения возможности успешно работать с самыми различными звуковыми сигналами в хороших приборах, помимо автоматики, предусматриваются и некоторые ручные регулировки.

Обычно их три: начальная частота среза фильтра при отсутствии сигнала Cut-off, скорость закрывания фильтра Release, и регулятор чувствительности Threshold. Иногда ещё к ним добавляется возможность изменения жёсткости порога срабатывания – переключатель Soft/Hard.

Как правило, в серьёзных моделях денойзеров, кроме собственно адаптивного фильтра, бывает добавлено ещё и устройство для уменьшения шумов в паузах сигнала. Ведь некоторая часть шумов (низкочастотных) проходит и сквозь закрытый фильтр, так как его полоса пропускания снизу ограничена некоторой частотой, от нескольких сотен герц до одного килогерц. Вот для дополнительного уменьшения этих шумов паузы и предназначен обычно применяемый для этого экспандер. Это всегда так называемый экспандер вниз, по английской терминологии – downward expander.

Его органы управления чаще всего не отличаются особой оригинальностью, и включают в себя регуляторы чувствительности (порога срабатывания) Threshold, скорости закрывания экспандера Release, и регулятор степени ослабления Ratio.

Конечно, кроме серьёзных приборов, которые можно настроить и успешно применить для обработки практически любых сигналов, производители предлагают и множество дешёвых упрощённых моделей, которые имеют существенно урезанный набор возможностей. Обычно при этом обещаются "золотые горы" – мол, "автоматика возьмёт всё на себя"! Однако частотная обработка сигналов, а тем более фильтрация, частным применением которой и является денойзер, крайне плохо поддаётся автоматизации, поэтому – будьте осторожны!

А теперь немного подумаем. Если можно для ликвидации шумов применять фильтр с изменяемой полосой пропускания, то, очевидно, можно получить то же самое, если набором фиксированных фильтров сначала поделить сигнал на узкие полосы, а потом пропускать или блокировать его отдельные составляющие? Именно на таком принципе основана работа всех компьютерных программ-денойзеров, о которых упоминалось чуть выше. В них входной сигнал, прошедший сквозь очень большое число очень узкополосных фильтров, подаётся на такое же количество нойз-гейтов, т.е. сигнал каждой отдельной полосы подаётся на свой собственный индивидуальный гейт. Затем выходы всех индивидуальных гейтов суммируются – и очищенный сигнал готов!

Из самого принципа действия сразу же становится очевидной нереальность любой попытки изготовить такой денойзер в аналоговом виде. В самом деле, ведь число индивидуальных полосовых фильтров может составлять несколько десятков тысяч! А к ним надо ещё и столько же гейтов, да потом всю эту кучу отдельных полосок надо умудриться как-то сложить вместе…

Поэтому и не существует такого рода денойзеров в ином виде, нежели чем только в цифровом, воплощённых в "железе", или же чисто программных.

Основная проблема в таких шумоподавителях – это нереальное количество органов управления, т.е. тех параметров, которые надо задать для того, чтобы "процесс пошёл". Ведь гейтов – тысячи, да для каждого по несколько регулировок… Из этого положения был найден довольно изящный выход: наиболее критичные в установке параметры, которыми являются пороги срабатывания гейтов, устанавливаются сами.

Делается это очень просто – перед началом работы программы-денойзера на подлежащем обработке материале выбирается маленький его кусочек, не содержащий полезного сигнала. Естественно, что в этом месте будут присутствовать только шумы. Этот образец шума и используется для настройки порогов гейтов.

Перед началом процесса программа анализирует спектр шума, пропуская его сквозь набор фильтров. После этого запоминается значение уровня шума в каждой полосе (его АЧХ), и эта величина становится эталонной при решении программой вопроса – яляется ли сигнал в данной полосе полезной информацией, или же просто шумом?

Если сигнал меньше значения, определённого на этапе анализа эталонного образца, он считается шумом, гейт этой полосы закрывается, и сигнал на выход не проходит.

Если же входной сигнал превышает эталонную величину, он считается полезным, и беспрепятственно проходит на выход.

Так как все фильтры, входящие в набор, являются фиксированными, то единственный явный параметр управления ими, к которому пользователь имеет доступ, – это простое указание количества полос, на которое будет разделён обрабатываемый сигнал. (Иногда, правда, бывает возможность несколько модифицировать и характеристики самих фильтров.) Практически все остальные параметры влияют только на работу виртуальных гейтов.

Практически всегда есть возможность в графическом виде скорректировать АЧХ шума, используемую для настройки порогов гейтов, и изменить их общую чувствительность. Также возможно и видоизменять амплитудную характеристику процесса открывания/закрывания гейтов, выбирая более мягкий или более резкий характер перехода из одного состояния в другое, и регулировать степень её крутизны. При этом пороговый ограничитель шума может переходить из режима работы гейта в режим работы экспандера. По своей сути они очень близки, но экспандер звучит несколько более естественно.

Так как общее количество полос, на который делится сигнал, чрезвычайно велико, то установить вручную динамические параметры (скорость открывания и закрывания гейтов) для каждой полосы нереально. Поэтому эти параметры чаще всего имеют некоторую обобщённую регулировку, а точное индивидуальное значение для каждой из полос устанавливается в зависимости от этого обобщённого параметра по алгоритму, который задается разработчиком. (Это же, кстати, справедливо и для некоторых других параметров, которые должны быть различными в различных полосах, но не имеют индивидуальных установок).

Различием этих зависимостей в значительной степени и объясняется тот факт, что программы с идентичным числом полос фильтрации и похожими общими установочными параметрами могут давать в итоге своей работы весьма сильно различающиеся результаты.

Однако, несмотря на различные результаты работы программных денойзеров, единый принцип их работы обеспечивает и одинаковые же артефакты, то есть искажения исходного сигнала. Связано это с самой сущностью процесса – с разделением сигнала на большое количество очень узких полос.

При этом, вследствие поочерёдного исчезновения из звукового сигнала отдельных узких полос его составляющих, сигнал приобретает весьма характерный "фленджерный" призвук. К сожалению, это явление принципиально неустранимо, хотя тщательным подбором параметров работы программы-денойзера оно может быть сделано достаточно малозаметным.

Компандерные системы шумопонижения

Вторая большая группа устройств шумопонижения предназначена, главным образом, для расширения динамического диапазона трактов записи-воспроизведения, хотя иногда они применяются и в трактах приёма-передачи – например, радиомикрофонов.

В отличие от ранее рассмотренных, эти системы абсолютно ничего не изменяют в исходном сигнале. Они только улучшают условия передачи сигнала через тот тракт, в котором установлены. И уменьшить уровень шумов непосредственно в обрабатываемом ими сигнале нельзя.

Так как любой тракт передачи сигналов имеет две стороны – приёмную и передающую, или, иначе говоря, вход и выход – то, очевидно, что для его улучшения необходимо обрабатывать (кодировать) сигнал как на входе, так и на выходе. Именно так это и производится в реальности.

В слове "кодировать" нет ничего страшного! В данном случае это просто означает некоторую дополнительную обработку сигнала. На входе сигнал подвергается компрессированию, а на выходе – экспандированию, причём оба этих процесса могут ещё быть и частотно-зависимыми.

От объединения частей слов КОМПрессор и экспАНДЕР и родилось общее название таких систем – компандерные системы шумопонижения.

Компандер – это общее название устройств, применяемых для расширения динамического диапазона путём компрессии сигнала на входе и последующего его экспандирования на выходе.

Ранее уже говорилось, что компандерные системы могут быть как "просто компандерными", так и частотно-зависимыми. Было разработано огромное количество такого рода систем, из которого реально в настоящее время используются только две: dbx и Dolby. Рассмотрим вначале наиболее распространённую частотно-независимую систему компандирования – dbx.

Здесь следует, пожалуй, ещё обратить внимание на тот не вполне очевидный факт, что широкополосные, "частотно-независимые" компандерные системы не улучшают соотношение сигнал/шум передающего тракта, а только расширяют его динамический диапазон! Хотя иногда, благодаря опять же эффекту маскировки, субъективно и может показаться, что это не так.

В этой системе используется классический широкополосный компандер с коэффициентом 2, то есть на входе системы (например, при записи) сигнал кодируется (компрессируется) с коэффициентом сжатия (Ratio) равным 2, а на выходе (при воспроизведении) – декодируется (разжимается, или экспандируется) с коэффициентом, обратным компрессированию, и равным 0,5. Таким образом, в сквозном тракте не происходит изменения амплитудных (как, впрочем, и иных) характеристик сигнала.

Что же происходит с сигналом и шумами в такой системе? Посмотрим на примере. Скажем, система dbx используется совместно с магнитофоном, имеющим отношение сигнал/шум = 60 дБ. При записи сигнала с максимально допустимым уровнем он не обрабатывается компандером, и на выходе тракта для него будет получено такое же соотношение сигнал/шум, 60 дБ.

А вот при записи сигналов с меньшими уровнями, картина будет уже иной. Если мы подадим сигнал с уровнем -30 дБ, то компрессор сожмёт его вдвое, и на его выходе будет получен уровень -15 дБ. Для него соотношение уровней сигнала и шума тракта будет уже не -30 дБ, как было бы без компандера, а целых 45 дБ! На выходе тракта экспандер вернёт уровень сигнала к его первоначальному значению, но полученное после компрессии отношение сигнал/шум уже не изменится, т.е. в выходном сигнале будут присутствовать и полезный сигнал с уровнем -30 дБ, и сигнал шума, лежащий на 45 дБ ниже него. Иначе говоря, с помощью компандера dbx в данном примере получено увеличение динамического диапазона на 15 дБ.

Для более слабых сигналов эта величина будет большей. Так, сигнал с уровнем -50 дБ после компрессора будет иметь уровень -25 дБ, т.е. для него соотношение сигнал/шум будет не 10 дБ, как было бы без обработки, а целых 35 дБ!

Сигнал же с уровнем -60 дБ, при попытке записать его без dbx, попросту был бы равен шумам, а с компандером он на выходе всего тракта будет иметь соотношение сигнал/шум в добрых 30 дБ!

К сожалению, "обратной стороной медали" применения широкополосного компандера является возникновение так называемого модуляционного шума.

В самом деле, при входном сигнале 0 дБ выходной шум имеет уровень -60 дБ, при входном уровне -30 дБ уровень выходного шума будет равен -75 дБ, а при входе в -60 дБ шумы на выходе будут -90 дБ. Это, конечно, не очень уж и большие величины, но в ряде случаев они вполне могут быть отчётливо слышны. Поэтому при использовании dbx и подобных систем для записи сигналов с относительно нешироким спектром рекомендуется ограничивать полосу выходного сигнала в соответствии с шириной спектра полезного сигнала. Особенно это относится к записи низкочастотных сигналов.

Существуют две основные версии системы шумоподавления dbx, носящие названия "Тип 1" и "Тип 2". Каких-либо особых, принципиальных различий между ними нет, единственное заключается в полосе сигнала, который "видится" управляющими схемами (детекторами) компрессора и экспандера.

Тип 1 имеет наиболее широкополосный вход детектора, и предназначен для работы с катушечными магнитофонами на скоростях 38 и 76см/с.

Тип 2 предназначен для работы с более узкополосными трактами, вроде кассетных магнитофонов, телефонных линий, видеомагнитофонов, и т.д. и т.п. Для уменьшения погрешностей его работы, которые могут быть вызваны внеполосными помехами и случайными выпадениями ВЧ-составляющих записанного сигнала, на его вход подаётся более узкая полоса сигнала, чем в Тип 1. Она специально ограничивается особыми входными фильтрами.

Однако всё вышесказанное об ограничении полосы частот относится только к схемотехнике цепей управления, и никак не связано с собственно звуковым трактом. В любом случае, им обрабатывается полная полоса частот звукового сигнала.

В завершение разговора о системе dbx, хотелось бы отметить одно очень важное её качество, а именно – отсутствие явно выраженного порога срабатывания. Это качество выгодно отличает систему dbx от остальных, используемых в настоящее время. Благодаря ему записи, сделанные с применением dbx, практически всегда без особых проблем воспроизводятся на других аппаратах, чего нельзя сказать о другом лидере рынка компандерных систем шумопонижения – системах Dolby.

Из всего их множества есть реальный смысл рассмотреть только две, наиболее распространённые в настоящее время, – Dolby B и Dolby SR. Ранее имевшая большое распространение система Dolby А сейчас практически вытеснена из профессиональной области более качественной и более современной Dolby SR, а применяющаяся в кассетной аппаратуре Dolby С – это, по сути, два включённых последовательно компандера системы Dolby В.

Общим для всех систем Dolby является применение частотно-зависимой обработки, что в большинстве случаев даёт более заметное улучшение качества работы, чем при использовании dbx.

Так как работа Dolby В неоднократно описывалась в различной литературе, рассмотрим её особенности вкратце.

Как и dbx, Dolby В тоже использует компрессирование сигнала, но с двумя отличиями. Во-первых, обрабатывается только высокочастотная составляющая входного сигнала. Во-вторых (и это гораздо важнее) – обрабатываются только те сигналы, которые лежат ниже определённого порога. Эти меры, вместе взятые, позволяют существенно уменьшить главные недостатки системы dbx – наличие и заметность модуляционного шума, да и самой работы системы шумопонижения.

Вообще говоря, все шумы наиболее заметны именно в высокочастотной области, и особенно – при отсутствии в этом месте спектра составляющих полезного сигнала. А при такой ситуации выходной сигнал Dolby В в области высоких частот как раз максимально ослаблен его экспандером, и шумы существенно ослаблены. А так как НЧ-сигналы компандером Dolby В не обрабатываются вообще, то и модуляционный шум, как таковой, попросту отсутствует.

При работе компандера в присутствии полезных ВЧ-сигналов шум очень хорошо маскируется ими, и крайне малозаметен.

Наличие же явного порога срабатывания позволяет не обрабатывать сигналы большого уровня, ведь на большой громкости гораздо заметнее различные побочные эффекты и артефакты, возникающие в процессе работы компандера. Если же высокоуровневые сигналы не обрабатывать, ничего нежелательного и неприятного с ними не произойдёт. А на тихих сигналах, которые как раз и обрабатываются Dolby В, всё намного менее заметно.

Вместе взятые описанные выше отличия системы Dolby В позволили сделать её работу в подавляющем большинстве случаев практически незаметной на слух. Однако расплачиваться за это пришлось существенным уменьшением подавления шумов – в то время, как для системы dbx эта величина составляет в среднем около 30 дБ, то для Dolby В – это всего порядка 10 дБ.

Наличие же порога срабатывания значительно повышает требования к точности поддержания коэффициента передачи в тракте. Всем, очевидно, хорошо знакомы по звуковому сопровождению на ТВ примеры работы систем Dolby В со сбитыми или неправильно настроенными опорными уровнями, когда звук имеет явно "зажёванный" характер. К аналогичным же дефектам могут привести и кратковременные снижения уровня записанного на ленте сигнала по причине неравномерности рабочего слоя, а также вследствие его механического повреждения или неполадок в тракте воспроизведения.

Однако в профессиональной звукозаписи системы Dolby В и аналогичные им имеют довольно ограниченное применение, и практически полностью вытесняются системой Dolby SR и её упрощённым вариантом Dolby S, применяемым, в основном, в кассетных магнитофонах.

Чем же принципиально отличается Dolby SR от всех остальных систем? Это различие отражено в самом её названии, в буквах SR, Spectral Recording – "спектральная запись". В этой системе сигналы записываются не "впрямую", а с учётом не только их уровня, но и спектрального состава. Рассмотрим всем хорошо известные кривые равной громкости на рисунке 3.

Рис 3 Кривые равной громкости

Фото статьи

Из всего их семейства нас будут интересовать только две, соответствующие максимальному и минимальному уровням слышимости.

Очевидно, что все реально воспринимаемые нами звуки будут находиться в области, ограниченной этими двумя кривыми. Более громкие находятся за пределами болевого порога, а более тихие нам попросту не слышны (рисунок 4).

Рис 4 «Окно слышимости»

Фото статьи

Вот в соответствии с этим "окном слышимости" и построена работа системы Dolby SR. При её разработке было учтено, что самые низкочастотные и самые высокочастотные звуки, которые находятся по краям звукового диапазона, даже при довольно значительных их абсолютных уровнях, тем не менее, не будут слышны, или, если и будут слышны, то крайне незначительно.

При обработке входного сигнала, помимо особого компрессирования, Dolby SR ещё и изменяет его АЧХ – так, чтобы она в максимально возможной мере совпадала с соответствующей кривой равной громкости.

Например, что будет, если для сигнала малого уровня преобразовать его АЧХ таким образом, чтобы она совпала с низшей из кривых равной громкости, т.е. поднять среднечастотную область?

На рисунке 5 приведены две АЧХ – исходного сигнала (прямая пунктирная линия), и его же – после указанной обработки (верхняя пунктирная кривая).

Рис 5 Две АЧХ

Фото статьи

Теперь добавим к полученному рисунку АЧХ обработанного сигнала ровный широкополосный шум, т.е. имитируем прохождение сигнала через тракт записи-воспроизведения, где этот шум неизбежно появится:

На рисунке 6 двумя пунктирными линиями изображены два сигнала. Верхняя кривая – это спектр входного сигнала, преобразованный кодером системы Dolby SR, а нижняя прямая – спектр шумов передающего тракта.

Рис 6 АЧХ +шум

Фото статьи

А теперь посмотрим, что получится с нашими сигналами после восстановления на приёмной стороне (на выходе Dolby SR) исходной линейной АЧХ:

На рисунке 7 верхняя пунктирная прямая изображает спектр записанного сигнала после его восстановления декодером Dolby SR, а нижняя пунктирная кривая – это спектр шума тракта, получающийся после декодера.

Рис 7 Линейная АЧХ + шум по минимальной из кривых

Фото статьи

Для наглядности здесь же приведена низшая из кривых равной громкости, соответствующая порогу слышимости (сплошная кривая).

Видно, что, помимо восстановления исходного сигнала, при этом произошло и перераспределение спектра шумов. В области НЧ и ВЧ – уровень сигнала шума даже повысился! Казалось бы – парадокс! Нет, ведь из-за малой чувствительности слуха на краях диапазона мы эти шумы не услышим, и увеличение их абсолютного уровня никакого влияния на собственно звук не окажет. А вот в области средних частот, где чувствительность уха максимальна, шум стал значительно меньше, и благодаря этому общий уровень воспринимаемых ухом шумов значительно ослабится.

Таков, вкратце, основной принцип работы системы Dolby SR в той его части, которая касается изменения ею АЧХ тракта передачи в паре кодер-декодер.

Конечно, кроме изменения АЧХ в системе Dolby SR, также производится и компрессирование сигнала в кодере с последуюющим его экспандированием в декодере, однако эта часть, в связи с её очень большой сложностью, для более-менее внятного описания потребовала бы, как минимум, целого номера журнала. Отметим лишь, что, строго говоря, невозможно выделить в аппаратной реализации Dolby SR отдельные корректоры АЧХ и отдельные компрессоры и экспандеры. Все эти функции выполняются одними и теми же узлами – частотно-зависимыми компрессорами. Для этого фирма Dolby разработала особую конструкцию такого компрессора, который совмещен со скользящим фильтром, аналогичным применяемым в денойзерах. При его работе одновременно изменяется и АЧХ сигнала, и осуществляется его компрессия и экспандирование.

Конечно, в реальных системах АЧХ не столь точно соответствуют кривым равной громкости, и имеют более гладкий, упрощённый характер. Но это не изменяет самой сути процесса, а, точнее-того грустного факта, что все системы компандерного шумопонижения несовместимы между собой. И если в стенах одной студии это обычно не является проблемой, то при необходимости передать фонограмму в другое место возможно возникновение различных сложностей.

Особенно это касается всех разновидностей систем Dolby, которые являются очень чувствительными к амплитуде сигнала, и при несоответствии опорных уровней Dolby в трактах записи и воспроизведения различных аппаратов может произойти непоправимое ухудшение звука. Поэтому, если потребуется передать куда-либо фонограмму, – подумайте как следует, стоит ли рисковать? Может, лучше в этом случае отключить все системы шумопонижения?

Кстати, иногда даже при работе с многодорожечным магнитофоном уместно вместо компандеров просто поставить по персональному денойзеру на каждую дорожку. Причём часто это даже позволяет получить лучшие результаты…

19 июня 2020

Михаил Чернецкий

Пока никто еще не оставлял комментарии. Вы можете быть первым.

Возможность оставлять комментарии доступна только для зарегистрированных пользователей.

Новые статьи

Звукорежиссеры на Национальном открытом чемпионате творческих компетенций Artmasters

30 октября 2020

148 конгресс AES - научные результаты

12 августа 2020

Стереофонические микрофонные системы

01 июля 2020

Аналоговые системы шумоподавления

19 июня 2020

Результаты XVIII Всероссийского Конкурса творческих работ студентов-звукорежиссеров им. В.Б. Бабушкина

02 мая 2020

Dolby Atmos приходит в живой звук

29 апреля 2020

Участники XVIII Всероссийского Конкурса студентов-звукорежиссеров им В.Б. Бабушкина

17 марта 2020

Восемнадцатый Всероссийский конкурс творческих работ студентов-звукорежиссеров имени В.Б. Бабушкина

04 февраля 2020

147 конгресс AES – научные результаты

14 декабря 2019

Методы экспертной оценки качества звучания записей

26 октября 2019