Выбор динамического диапазона для реальной звуковой системы

Какими же критериями следует руководствоваться при выборе динамического диапазона и его запаса? При создании звуковой системы нужно учитывать, с какими аудиоматериалами ей предстоит работать. Правда, порой вследствие различных практических и финансовых ограничений приходится идти на компромиссы.

Нужно ли стремиться к максимальному динамическому диапазону?

Динамический диапазон системы можно расширить либо за счет увеличения максимального уровня звука, либо за счет уменьшения уровня фонового шума. Иногда для этой цели применяют акустическую обработку, которая наряду с увеличением динамического диапазона уменьшает избыточное эхо, поэтому ее часто используют в системах, используемых в концертных залах. В портативных звуковых системах уменьшить уровень фонового шума практически невозможно, поэтому для них приемлем только один вариант - увеличение уровня звука.

Повышение максимального уровня звука, который способна обеспечить звуковая система, увеличивает ее стоимость в экспоненциальной зависимости, так как для увеличения уровня звука на каждые 3 дБ потребуется двукратное повышение мощности усилителей и громкоговорителей. Конечно, можно к тем же усилителям мощности подключить более чувствительные громкоговорители, но скорей всего именно такие устройства уже используются в системе, к тому же чувствительные громкоговорители стоят дороже и гораздо больше по размеру. Можно также использовать направленные громкоговорители (например, рупорные колонки с меньшим углом рассеивания), которые фокусируют всю мощность в меньшем объеме пространства, и соответственно обеспечивают больший уровень звукового давления. Ну а если это невозможно, придется увеличивать количество усилителей или подбирать более мощные устройства.

Если звуковая система не соответствует требованиям

Если динамический диапазон аудиоматериала превышает максимальный динамический диапазон системы, появляются искажения на пиковых уровнях звука и громкоговорители могут выйти из строя, а тихие фрагменты будут не слышны из-за того, что они окажутся ниже уровня электрических и акустических шумов.

Давайте рассмотрим, подобную ситуацию на примере концертной системы, которую мы рассматривали в разделе 4.1. Диапазон акустических уровней у микрофона составлял от 40 дБ SPL до 130 дБ SPL, а динамический диапазон - 90 дБ. Соответствующие уровни сигнала на микшерном пульте изменялись в пределах от -66 дБu (388 мV) до +24 дБu (12,3 V), т. е. его динамический диапазон также был равен 90 дБ. Наконец, минимальный выход усилителя мощности составлял 0,25 мВт, а максимальный -- 250 Вт, поэтому и здесь значение динамического диапазона сохранялось, равным 90 дБ.

Пример. Предположим, что описанную звуковую систему перевозят на двух грузовиках. Но тот грузовик, на котором везли электронику, застрял в пробке на шоссе, и, чтобы не сорвать концерт, в последнюю минуту пришлось взять в аренду местную звуковую систему с меньшим грмокоговорителей. В этой звуковой системе цепь предусилителя для микрофонов шумит сильнее, а мощность выходного линейного усилителя микшера меньше, чем у той аппаратуры, что застряла на шоссе. Зато арендованные усилители мощности обеспечивают нужную нам мощность. Итак, при измерении арендованной аппаратуры мы обнаруживаем, что электронный уровень собственных шумов у нее составляет -56 дБu (1,23 мV), а пиковый выходной уровень - +18 дБ (6,16 V). Каков будет динамический диапазон собранной системы?

1. Нам известно, что самым слабым звеном данной системы является не динамический диапазон, а электронная цепь.
Динамический диапазон = Пиковый уровень - Уровень собственных шумов = = +18 дБu -(-56 дБu) = 74 дБ.
Динамический диапазон этой системы составит всего 74 дБ.

2. Акустический динамический диапазон музыкального выступления остался равным 90 дБ, (см. рис. 5.1.1), поэтому 16 дБ (0 дБ - 74 дБ = 16 дБ) в данной звуковой системе "потеряется".

Рис. 5.2.1 Компрессия с коэффициентом 2:1 аудиоматериала с динамическим диапазоном 90 дБ.

На выходе микшерного пульта пиковые значения, соответствующие самым громким фрагментам, будут воспроизводиться неадекватно, а самые тихие фрагменты с низким уровнем сигналов станут неразличимы на фоне шумов. Поэтому для усиления или воспроизведения звука с высоким качеством, звуковая система должна эффективно работать на низких уровнях громкости и иметь высокую мощность.

Как согласовать выступление с широким динамическим диапазоном с системой с ограниченным динамическим диапазоном

До сих пор мы рассматривали линейные зависимости, когда при изменении уровня сигнала на входе на 2 дБ его изменение на выходе составляли те же 2 дБ. Однако так происходит не всегда. Как же будет меняться динамический диапазон музыкального выступления, если при изменении входного уровня сигнала на 2 дБ, его уровень на выходе изменится только на 1 дБ. Как видно из представленной на рис. 5.2.1 схемы, он уменьшится в два раза (с 90 дБ до 45 дБ).

Именно такую операцию выполняет устройство, предназначенное для обработки сигнала, называемое "компрессор". Если для компрессора задано относительно небольшое сжатие 2:1, то на выходе уровни сигналов будут в два раза меньше, чем на входе. Такое сжатие вполне допустимо при воспроизведении музыки, но часто используют компрессию и с более высокими коэффициентами.

В примере, приведенном выше, нам надо было изменить динамический диапазон выступления с 90 дБ до 74 дБ, т.е. уменьшить его всего на 16 дБ. Для этого, как показано на рис. 5.2.2, можно установить коэффициент сжатия компрессора 1,21:1 и получить нужный динамический диапазон 74 дБ. Возможно, при этом придется отрегулировать реальные уровни сигналов, что также показано на рисунке 5.2.2. Данный вариант обработки сигнала предпочтительнее, чем его сжатие с коэффициентом 2:1, так как обеспечивает не только согласование динамического диапазона с ограничениями звуковой системы, но и сохраняет естественное звучание аудиоматериала.

Рис. 5.2.2 Сжатие с коэффициентом 1,21:1 аудиоматериала с динамическим диапазоном 90 дБ

Ну а как быть, если компрессию применять нежелательно, чтобы исключить связанные с ней побочные эффекты, которые проявляются в увеличении громкости тихих фрагментов и появлению линейных искажений на низких частотах. В этом случае можно выбрать другой подход: использовать компрессию только для сигналов, уровень которых превышает заданное пороговое значение. При этом сигналы ниже этого уровня сжиматься не будут и, если пороговый уровень близок к номинальному уровню сигналов в аудиоматериале, основная часть выступления будет звучать естественно. Зато для сигналов с уровнем выше порогового значения можно использовать такое сжатие, которое необходимо для предотвращения их "срезания". Рис. 5.2.3 иллюстрирует применение компрессии с коэффициентом 1,43:1 в отношении сигналов, уровень которых превышает пороговое значение +4дБu. Этот способ позволил снизить требования к запасу динамического диапазона, но поскольку динамический диапазон снизился до 84 дБ, тихие фрагменты выступления будут передаваться не лучшим образом (в шумах потеряется 10 дБ аудиоматериала). Если пороговый уровень сигналов был бы ниже, а коэффициент компрессии - выше, то удалось бы сохранить больший динамический диапазон, и общий уровень сигнала на компрессоре оставался бы выше уровня собственных шумов микшерного пульта.

Рис. 5.2.3 Сжатие сигналов аудиоматериала, превышающих пороговый уровень, с коэффициентом 1,43:1

Существуют устройства, которые позволяют применять компрессию с очень высоким коэффициентом сжатия (8:1 - 20:1 или даже?:1) в отношении сигналов, имеющих уровень выше порогового значения. Эти устройства называют "ограничители", а операцию, которую они выполняют, - "ограничение". Например, установлены пороговое значение уровня сигнала +15 дБu и коэффициент сжатия 10:1. В этом случае до тех пор, пока уровень сигнала на входе компрессор будет меньше +15 дБu, на выходе компрессора он останется таким же, как на входе, а когда уровень входного сигнала станет больше +15 дБu, на выходе он изменится, но очень незначительно. Если коэффициент сжатия равен 10:1, то при изменении уровня сигнала на входе на 10 дБ, его изменение на выходе составит 1 дБ, т.е. входной сигнал с уровнем +25 дБu на выходе станет равным +16 дБu.

В качестве компрессора или ограничителя можно использовать различные устройства, которые называют "ограничители-компрессоры".

В своих рассуждениях мы сделали одно серьезное допущение: предположили, что компрессор установлен после микрофонного предусилителя микшерного пульта до выходного каскада и что весь шум, а также проблемы, связанные с запасом динамического диапазона в микшерном пульте, проявляются после компрессора. Но часто источником шума являются микрофонные предусилители, а усилители в микшерном пульте могут оказаться уязвимым звеном в отношении запаса динамического диапазона. Справиться с этими проблемами поможет установка компрессора во входном каскаде. Порой возникает ситуация, когда микшерный пульт имеет большие запас и динамический диапазон, а его ограничение связано с системой усилители мощности/громкоговорители. В этом случае ограничитель нужно установить в любой точке цепи до усилителей мощностей.

Иногда компрессор и экспандер (расширитель) применяют для преодоления ограничений динамического диапазона только на отдельном участке звуковой системы. Это приходится делать при использовании аналогового ленточного рекордера, динамический диапазон которого в большей степени ограничен уровнем собственных шумов и искажениями, вызванными намагничиванием пленки, чем электроникой. В этом случае для уменьшения потерь при воспроизведении аудиоматериала используют шумоподавление. Компандерная система шумоподавления, (рис. 5.2.4) позволяет сохранить динамический диапазон оригинального материала в процессе записи и воспроизведения за счет сжатия динамического диапазона перед записью на ленту и соответствующего его расширения при считывании аудиоматериала с ленты. Такими системами оснащены многие и профессиональные и бытовые магнитофоны.

Рис. 5.2.4 Компандерная система шумоподавления позволяет преодолеть ограничения динамического диапазона

А. Аудиоматериал с широким динамическим диапазоном (порядка 100 дБ).

Б. После сжатия с коэффициентом 2:1 динамический диапазон аудиоматериали уменьшается в два раза (50 дБ).

В. После расширения (декодирования) с коэффициентом 1:2 динамический диапазон аудиоматериала восстанавливается и становится равным исходному (100 дБ).

Каким должен быть запас динамического диапазона?

Необходимый запас динамического диапазона определяется разностью между номинальными (средними) и максимальными (пиковыми) уровнями сигналов, присутствующих в аудиоматериале. Он зависит от типа аудиоматериала и устанавливается с учетом стоящих задач и той суммы, которую можно израсходовать на усилители. Чтобы обеспечить естественное звучание музыки, желательно иметь запас от 10 дБ до 20 дБ. Для систем звукоусиления, особенно при большом количестве усилителей, запас динамического диапазона в 10 дБ запаса обычно бывает достаточен. Для заводских систем громкой связи, которые должны обеспечивать хорошую слышимость на фоне постоянного шума, а также ограничивать максимальные уровни сигналов, как правило, выбирают запас 5- 6 дБ. Для достижения таких низких значений запаса динамического диапазона используют сжатие с очень большим коэффициентом или существенно ограничивают уровни сигналов, поэтому сообщения могут звучать несколько неестественно, но зато будут очень хорошо слышны.