Уровень и динамический диапазон звукового сигнала

💸 Как сделать бизнес проще, а карман толще?

Тот, кто работает в сфере услуг, знает — без ведения записи клиентов никуда. Мало того, что нужно видеть свое раписание, но и напоминать клиентам о визитах тоже. Проблема в том, что средняя цена по рынку за такой сервис — 800 руб/мес или почти 15 000 руб за год. И это минимальный функционал. Нашли самый бюджетный и оптимальный вариант: сервис VisitTime.
⚡️ Для новых пользователей первый месяц бесплатно. А далее 290 руб/мес, это в 3 раза дешевле аналогов. За эту цену доступен весь функционал: напоминание о визитах, чаевые, предоплаты, общение с клиентами, переносы записей и так далее.
✅ Уйма гибких настроек, которые помогут вам зарабатывать больше и забыть про чувство «что-то мне нужно было сделать».
Сомневаетесь? нажмите на текст, запустите чат-бота и убедитесь во всем сами!

Источник звуковых колебаний излучает в окружающее пространство энергию. Количество звуковой энергии, проходящей за секунду через площадь в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковых колебаний, называют интенсивностью (силой) звука.

Когда мы ведем обычный разговор, мощность потока энергии приблизительно равен 10 мкВт. Мощность самых громких звуков скрипки может составлять 60 мкВт, а мощность звуков органа - от 140 до 3200 мкВт.

Человек слышит звук в чрезвычайно широком диапазоне звуковых давлений (интенсивностей). Одной из опорных величин этого диапазона является стандартный порог слышимости - эффективное значение звукового давления, создаваемого гармоническим звуковым колебанием частоты 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней чувствительностью слуха.

Порогу слышимости соответствует интенсивность звука Iзв0 = 10-12 Вт/м2 или звуковое давление pзв0 = 2Ч10-5 Па.

Верхний предел определяется значениями Iзв. макс. = 1 Вт/м2 или pзв. макс. = 20 Па. При восприятии звука такой интенсивности у человека появляются болевые ощущения.

В области звуковых давлений, существенно превышающих стандартный порог слышимости, величина ощущения пропорциональна не амплитуде звукового давления pзв, а логарифму отношения pзв/pзв0. Поэтому звуковое давление и интенсивность звука часто оценивают в логарифмических единицах децибелах (дБ) по отношению к стандартному порогу слышимости.

Диапазон изменения звуковых давлений от абсолютного порога слышимости до болевого порога составляет для разных частот от 90 дБ до 130 дБ.

Если ухо человека воспринимает одновременно два или несколько звуков различной громкости, то более громкий звук заглушает (поглощает) слабые звуки. Происходит так называемая маскировка звуков, и ухо воспринимает только один, более громкий, звук. Сразу после воздействия на ухо громкого звука снижается восприимчивость слуха к слабым звукам. Эта способность называется адаптацией слуха.

Таким образом, порог слышимости в значительной степени зависит от условий прослушивания: в тишине или же на фоне шума (или другого мешающего звука). В последнем случае порог слышимости повышается. Это свидетельствует о том, что помеха маскирует полезный сигнал.

Слуховой аппарат человека обладает определенной инерционностью: ощущение возникновения звука, а также его прекращения появляется не сразу.

Аудиосигнал является случайным процессом. Его акустические или электрические характеристики непрерывно изменяются во времени. Пытаться отследить случайные изменения реализаций этого хаоса - занятие, имеющее не много смысла. Обуздать его величество случай, придать ему черты детерминированности можно, используя усредненные параметры, такие, как уровень аудиосигнала.

Уровень аудиосигнала характеризует сигнал в определенный момент и представляет собой выраженное в децибелах выпрямленное и усредненное за некоторый предшествующий промежуток времени напряжение аудиосигнала.

Под динамическим диапазоном аудиосигнала понимают отношение максимального звукового давления к минимальному или отношение соответствующих напряжений. В таком определении нет сведений о том, какое давление и напряжение считается максимальным и минимальным. Наверное, поэтому определенный таким образом динамический диапазон сигнала, называется теоретическим. Наряду с этим динамический диапазон аудиосигнала можно определить и экспериментально как разность максимального и минимального уровней для достаточно длительного периода. Это значение существенно зависит от выбранного времени измерения и типа измерителя уровней.

Динамические диапазоны музыкальных и речевых акустических сигналов разных типов, измеренные с помощью приборов, составляют в среднем:

- 35 дБ для эстрадной музыки и солистов-вокалистов

При записи уровни необходимо регулировать. Объясняется это тем, что исходные (необработанные) сигналы зачастую имеют большой динамический диапазон (например, до 80 дБ у симфонической музыки), а в домашних условиях аудиопрограммы прослушиваются в диапазоне порядка 40 дБ.

Ручной регулировке уровней присущ недостаток. Время реакции звукорежиссера составляет около 2 с даже если партитура композиции ему заранее известна. Это приводит к погрешности в поддержании максимальных уровней музыкальных программ до 4 дБ в обе стороны.

Усилители, акустические системы да и уши человека нужно защищать от перегрузок, вызванных резкими скачкообразными изменениями амплитуды аудиосигнала - ограничивать сигнал по амплитуде.

Динамический диапазон сигнала нужно согласовывать с динамическими диапазонами устройств записи, усиления, передачи.

Для увеличения дальности действия FM радиостанций динамический диапазон аудиосигнала нужно сжимать. Для снижения уровня шума в паузах динамический диапазон желательно увеличивать.

В конце концов, мода, диктующая свои условия во всех сферах человеческой деятельности, в том числе и в звукозаписи, требует насыщенного, плотного звучания современной музыки, которое достигается резким сужением ее динамического диапазона.

Звуковая волна (огибающая громкости) фрагмента оперы С. Рахманинова " Алеко",

В классической музыке важны нюансы, танцевальная музыка должна быть " сильнодействующей".

Этим диктуется необходимость в применении устройств автоматической обработки уровней сигналов.

Устройства автоматической обработки уровней сигналов можно классифицировать по ряду критериев, наиболее важные среди них: инерционность срабатывания и выполняемая функция.

По критерию инерционности срабатывания различают безинерционные (мгновенного действия) и инерционные (с изменяющимся коэффициентом передачи) авторегуляторы уровня:

Когда на входе безинерционного авторегулятора уровень сигнала превышает номинальное значение, на выходе вместо синусоидального сигнала получается трапецевидный. Хотя безинерционные авторегуляторы просты, их применение приводит к сильным искажениям.

Инерционным называется такой авторегулятор уровня, у которого коэффициент передачи автоматически изменяется в зависимости от уровня сигнала на входе. Эти авторегуляторы уровня искажают форму сигналов только в течение незначительного интервала времени. Подбором оптимального времени срабатывания такие искажения можно сделать малоощутимыми на слух.

В зависимости от выполняемых функций инерционные авторегуляторы уровня подразделяют на:

-Устройства со сложным преобразованием динамического диапазона

Основной характеристикой устройства динамической обработки служит амплитудная характеристика - зависимость уровня выходного сигнала от уровня сигнала на входе.

Ограничитель уровня (лимитер) - это авторегулятор, у которого коэффициент передачи изменяется так, что при превышении номинального уровня входным сигналом уровни сигналов на его выходе остаются практически постоянными, близкими к номинальному значению. При входных сигналах, не превышающих номинального значения, ограничитель уровня работает как обычный линейный усилитель. Лимитер должен реагировать на изменение уровня мгновенно.

Автостабилизатор уровня предназначен для стабилизации уровней сигналов. Это бывает необходимо для выравнивания громкости звучания отдельных фрагментов фонограммы. Принцип действия автостабилизатора аналогичен принципу действия ограничителя. Отличие заключается в том, что номинальное выходное напряжения автостабилизатора приблизительно на 5 дБ меньше номинального выходного уровня ограничителя.

Компрессор - такое устройство, коэффициент передачи которого возрастает по мере уменьшения уровня входного сигнала. Действие компрессора приводит к повышению средней мощности и, следовательно, громкости звучания обрабатываемого сигнала, а также к сжатию его динамического диапазона.

Экспандер имеет обратную по отношению к компрессору амплитудную характеристику. Применяют его в том случае, когда необходимо восстановить динамический диапазон, преобразованный компрессором.

Компандер - система, состоящая из последовательно включенных компрессора и экспандера. Она используется для снижения уровня шумов в трактах записи или передачи звуковых сигналов.

Пороговый шумоподавитель (гейт) - это авторегулятор, у которого коэффициент передачи изменяется так, что при уровнях входного сигнала меньше порогового амплитуда сигнала на выходе близка к нулю. При входных сигналах, уровень которых превышает пороговое значение, пороговый шумоподавитель работает как обычный линейный усилитель.

Авторегуляторы для сложного преобразование динамического диапазона, имеют несколько каналов управления. Например, сочетание ограничителя, автостабилзатора, экспандера и порогового шумоподавителя позволяет стабилизировать громкость звучания различных фрагментов композиции, выдерживать максимальные уровни сигнала и подавлять шумы в паузах.

Структура устройств динамической обработки

Инерционный регулятор уровня имеет основной канал и канал управления. Если сигнал подается в канал управления со входа основного канала, мы имеем дело с прямой регулировкой, а если с выхода - с обратной.

Основной канал в схеме с прямой регулировкой включает в себя усилители звуковых частот, линию задержки и регулируемый элемент. Последний под воздействием управляющего напряжения способен изменять свой коэффициент передачи. Основной канал в схеме с обратной регулировкой содержит в себе все перечисленные элементы за исключением линии задержки.

Принципиально важные элементы канала управления - детектор и интегрирующая (сглаживающая) цепь. До тех пор пока напряжение на входе схемы не превышает порогового (опорного), канал управления не вырабатывает управляющего сигнала, и коэффициент передачи регулируемого элемента не изменяется. При превышении порога детектор вырабатывает импульсное напряжение, пропорциональное разности текущего значения сигнала и опорного напряжения. Интегрирующая цепь усредняет разностное напряжение и вырабатывает управляющее напряжение, пропорциональное уровню сигнала на входе канала управления.

Линия задержки, имеющаяся в основном канале схемы с прямой регулировкой, позволяет каналу управления работать с некоторым упреждением. Всплеск уровня сигнала будет обнаружен им раньше, чем сигнал достигнет регулируемого элемента. Поэтому существует принципиальная возможность устранения нежелательных переходных процессов. Перепады уровня могут быть обработаны практически идеально. Однако фазочастотная характеристика аналоговой линии задержки отлична от линейной. Различие фазовых сдвигов для разных спектральных составляющих сигнала приводит к искажению формы широкополосного сигнала при прохождении линии задержки. Цифровые линии задержки лишены этого недостатка, но для их применения сигнал необходимо сначала оцифровать. В виртуальных устройствах обработки сигнал обрабатывается в цифровой форме, а проблемы с алгоритмической реализацией функциональных элементов отсутствуют.