Запас динамического диапазона

Средний электронный линейный уровень звука в концертной системе, описанной в разделе 3.5, равен +4дБu (1,23 V) и совпадает со средним уровнем звука (110 дБ SPL) у микрофона. Этот средний уровень обычно называют "номинальным уровнем" аудиоматериала. Запас динамического диапазона определяется разностью между номинальным и пиковым (максимальным) уровнем звука в аудиоматериале. Зная уровни звука у микрофона, рассчитаем запас, который должна иметь данная концертная звуковая система.

Запас = Пиковый уровень - Номинальный уровень = 130 дБ SPL - 110 дБ SPL = 20 дБ. Запас динамического диапазона всегда выражается в простых дБ потому, что он описывает соотношение уровней, а не абсолютные их значения.

Электрический запас, расчет которого приведен ниже, также равен 20 дБ.

Запас = Пиковый уровень - Номинальный уровень = +24дБu - (+4дБu) = 20 дБ. Здесь запас также равен 20 дБ, а не 20дБu. Запас усилителя с максимальной мощностью 250 Вт и минимальной 2,5 Вт также составит 20 дБ, что можно рассчитать, используя следующие уравнения:

дБ = 10log (P1/P2) = 10log(250/2,5 Вт) = 10log(100) = 10·2 = 20 дБ.

На рис 5.1.1. приведена схема, на которой показаны значения динамического диапазона и его запаса для типичной звуковой системы. Указанное отношение сигнал: шум соответствует разности между номинальным уровнем сигнала и уровнем шумов.

Правда, следует учитывать, что сумма отношения сигнала к шуму и запаса не всегда равна динамическому диапазону. Дело в том, что динамический диапазон соответствует разности между самым громким и самым тихим фрагментами аудиоматериала, который состоит из сигналов определенной структуры и является относительно узколополосным, а шум является псевдослучайным широкополосным сигналом.

Рис. 5.1.1 Динамический диапазон и запас

С другой стороны, отношение сигнала к шуму определяется номинальным уровнем сигнала и уровнем собственных шумов. Если это значение добавляется к запасу, который представляет собой разность между этим номинальным уровнем и максимальным уровнем, то полученная величина в дБ может оказаться меньше динамического диапазона (т. е. допускается наличие различимого на слух сигнала, который лежит ниже уровня собственных шумов системы).

Но как определить, на сколько уровень звуков в аудиоматериале может быть ниже уровня собственных шумов, чтобы первые оставались различимы на слух. В значительной степени это зависит от характера аудиоматериала, природы шума, а также от способности слушателей к восприятию звуков. Поэтому все-таки предпочтительнее определять динамический диапазон исходя из уровня собственных шумов, хотя это не всегда справедливо, но зато позволяет получать надежные результаты.

От запаса динамического диапазона зависит, будет ли звуковая система справляться с пиковыми уровнями звука в аудиоматериале. Так, две системы с разными динамическими диапазонами могут одинаково хорошо работать номинальными уровнями звука, но только та из них, которая обладает большим динамическим диапазоном, сможет без искажений передавать пиковые уровни звуков.

Требования к динамическому диапазону зависят от назначения системы. Для звуковой системы громкой связи, которая должна работать в условиях шумного производства с высокими номинальными уровнями звука, чтобы перекрыть шум от работающих станков, достаточно иметь запас в несколько децибел (до 6 дБ). Данная система предназначена только для воспроизведения речи или предупреждающих сигналов, уровень звука которых можно контролировать и удерживать в очень узком диапазоне. Если номинальный уровень для системы внутренней связи будет равен 110 дБ SPL, то при запасе 6 дБ пиковые значения составят 116 дБ SPL, что всего на несколько децибел меньше болевого порога. Если запас такой системы был бы таким же, как у концертной звуковой системы, описанной выше (20 дБ), то пиковые уровни звука достигали бы 130 дБ SPL, и после первых нескольких объявлений по громкой связи рабочие подали бы жалобу по поводу невыносимых условий труда.

А вот звуковая система, предназначенная для усиления симфонической музыки, должна иметь запас динамического диапазона более 20 дБ. Дело в том, что при среднем уровне звуков, издаваемых оркестром 90 дБ, пиковые значения, соответствующие звукам некоторых инструментов (литаврами, скрипками и др.) могут достигать 120 дБ SPL. Поэтому для таких систем необходим запас динамического диапазона 30 дБ, и если он будет меньше, при максимальном уровне звуков будут слышны искажения. Присутствие последних возможно и допустимо на громких концертах рок-н-рольной музыки с плотным звуком, но почитателей классической музыки с натренированным слухом даже кратковременное искажение звучания будет раздражать, и такая звуковая система не устроит ни исполнителей, ни публику.

Однако это не означает, что для симфонической музыки потребуется больше усилителей мощности и громкоговорителей, чем для рок-н-рольной. Такого же или даже меньшего количества аппаратуры будет вполне достаточно, но ее нужно настроить так, чтобы запас динамического диапазона составлял 10 дБ.

Вспомним о том, что 10 дБ эквивалентно 10-кратному увеличению мощности. Как же увеличить запас динамического диапазона системы на 10 децибел? Выше мы указывали, что пиковые значения уровня звука могут достигать 120 дБ SPL. Увеличить максимальный уровень мы не можем, но, снизив номинальное значение со 100 дБ SPL до 90 дБ SPL, обеспечим повышение запаса динамического диапазона на 10 дБ. Полученная звуковая система для оркестра, выдержит пиковый уровень 117 дБ SPL (с запасом 27 дБ), при этом половину усилителей и громкоговорителей можно будет отключить, так как 3 дБ соответствует 50% мощности.