Рассмотрим некоторые особенности носителей записи.

Параметры аудиоаппаратуры, определяющие качество звучания

К важнейшим характеристикам тракта звуковоспроизведения (от микрофона в студии до громкоговорителей в месте прослушивания), определяющим качество восприятия, относят:

♦ переходное затухание между каналами, характеризующее их разделение,

♦ полоса эффективно воспроизводимых частот,

♦ неравномерность АЧХ,

♦ разбаланс амплитудных и фазовых характеристик каналов,

♦ отношение сигнал/шум (сигнал/помеха).

Переходное затухание

Переходное затухание на частотах ниже 150 Гц не играет роли, т.к. эта область частот не влияет на локализацию кажущихся источников звука (КИЗ). На частотах 300...8000 Гц разделение должно быть не менее 30 дБ. На частотах ниже 300 Гц и выше 8 кГц допускается плавное уменьшение переходного затухания со скоростью 6 дБ/окт.

Полоса эффективно воспроизводимых частот

Музыкальный сигнал является нестационарным, т.е. представляет собой непрерывный переходной процесс с широким спектром частот. Если записывающая и воспроизводящая электронная аппаратура обладает достаточной широкополосностыо (не менее 60 кГц) и малыми нелинейными искажениями, которые устанавливаются на очень коротких временных интервалах (менее 10 мкс), то музыка звучит прозрачно и детализовано. Применительно к усилителю мощности это означает, что он должен иметь ничтожно малые искажения на стационарном сигнале во всем диапазоне частот и хорошо передавать импульсный сигнал типа «меандр» — без изменения скважности, без выбросов и «подзвонки». К примеру, широко используемый усилитель в микросхемном исполнении К174УН7 при удачной разводке имеет нелинейные искажения менее 0,05%, в то же время при усилении сигнала типа «меандр» скважность с 2 изменяется почти до трех! Причем на любом уровне входного сигнала.

Ограниченный частотный диапазон сверху современных систем записи (20 кГц для CD, а для бытовых магнитофонов и того меньше) приводит к тому, что высшие гармоники многих инструментов, а также обертоны человеческого голоса, достигающие 50...60 кГц, безвозвратно теряются при записи. Хотя эти гармоники человек и не слышит, но создаваемые ими ощущения учитываются нашим мозгом, и их отсутствие воспринимается как некая форма искажений, что снижает время комфортного прослушивания.

Разбаланс амплитудных и фазовых характеристик каналов

Разбаланс амплитудных и фазовых характеристик каналов оказывает существенное влияние на точность формирования КИЗ и на стереопанораму в целом. Коррекцию АЧХ в месте прослушивания необходимо сначала попытаться сделать с помощью оптимального размещения АС (по высоте, удалением от стен, углов, направлением на слушателя с помощью наклона и т.д.). Вполне допустимо слегка подправить АЧХ громкоговорителей с помощью хорошего эквалайзера. При снятии АЧХ с расстояния около 1 м от АС в микрофоне преобладает прямой звук и можно считать, что мы снимаем АЧХ громкоговорителя. Если микрофон установлен в месте расположения слушателя, можно выявить нежелательные провалы или выпячивания звука, связанные с акустикой помещения.

Что касается ФЧХ, то она в значительной степени зависит от качества примененных головок громкоговорителей, от кроссовера, а также от правильности фазировки громкоговорителей. Иногда фази-ровку головок приходится подбирать по максимально плоской АЧХ и по наилучшему звучанию на слух.

Динамический диапазон

Отношение сигнал/шум определяет динамический диапазон. Полный динамический диапазон музыки, достигающий 60...80 дБ, пропустить через тракт звуковоспроизведения сложно. Например, по каналам звукового вещания можно передавать сигналы с динамическим диапазоном немногим более 40 дБ. Поэтому в звукозаписи прибегают к искусственному сжатию и ограничению динамического диапазона. Хотя вносимые таким образом искажения чаще всего носят линейный характер, они приводят к перераспределению энергии между спектральными составляющими, в результате чего звук становится «плоским» и неприятным. Этим недостатком страдают многие записи на грампластинках и, особенно, на компакт-дисках.

На динамический диапазон большое влияние оказывают помехи: фон сети частотой 50 Гц, фон частотой 100 Гц из-за недостаточно отфильтрованного напряжения источника питания или неудачной трассировки печатных плат, разного рода шумы. Шумы и помехи сокращают динамический диапазон звукового тракта.

Для борьбы с шумами магнитной ленты разработано и используется большое количество различных шумоподавителей: пороговых, динамических (DNL, «Маяк» и т.п.), компандерных (Dolby, dbx, ANRS и др.). Следует отметить, что шумоподавители типа dbx к настоящему времени из бытовых магнитофонов практически исчезли. Одна из причин — запись, сделанная с Dolby-В при небольшом завале в области ВЧ сносно звучит и на магнитофонах без шумопода-вителя, а вот запись, компрессированная системой dbx, без декодирования звучит ужасно.

Борьба с фоном и наводками достигается правильным выбором конструкции и расчетом силового трансформатора, его экранированием; экранированием чувствительных цепей, узлов, правильным выбором точек заземления, разделением слаботочных и сильноточных земель и т.п.

Кроме самого тракта на динамический диапазон большое влияние оказывает уровень шума и помех в помещении прослушивания, который достигает 40...50 дБ, в то время как музыку мы слушаем с максимальным уровнем громкости порядка 80...90 дБ. Акустические шумы и др. помехи маскируют обертоны, если уровень последних меньше уровня шумов и помех. В результате маскировки часть обертонов не будет восприниматься слухом, и тембр звучания будет обедненным.

Шум в студии складывается из следующих основных составляющих: шум, проникающий из смежных помещений, с улицы; шум от систем кондиционирования и вентиляции; шумы технического оборудования. Для изоляции от внешних шумов стены делают двойными, с воздушной прослойкой.

Рассмотрим некоторые особенности носителей записи.

В грамзаписи максимальный уровень сигнала определяется глубиной канавки, с которой нет проблем, особенно после внедрения технологии DMM фирмы «Тельдек», предусматривающей прямую запись на металлический диск, с которого производится тиражирование грампластинок без промежуточных матриц. Следует отметить, что на пластинках отечественного производства отмечалась недостаточная глубина сигналов в области низших частот.

В магнитной записи основное препятствие для расширения динамического диапазона представляет сам носитель. При этом возникающие при перегрузке так называемые «мягкие» искажения менее заметны на слух, чем те, что возникают при перегрузке транзисторного усилителя или цифрового тракта.

В цифровой обработке музыки сигнал, превысивший цифровой максимум, просто обрезается. Поскольку реальный музыкальный сигнал содержит пики на 6...9 дБ превышающие среднюю амплитуду, мастеринг-инженеру приходится выбирать одно из двух зол: либо что-то делать с пиками, изменив реальную динамику программы; либо оставить пики, и тогда средняя громкость сигнала окажется на уровне —17...23 дБ и даже ниже! В этом случае запись проигрывает в цифровом разрешении сигналов среднего уровня. При уровне же сигнала ниже -50 дБ искажения CD превышают 1%, т.е. превышают допустимый порог, и далее стремятся к 40%, т.к. возрастает относительный размер ступеньки. Уменьшить эти искажения можно путем интерполяции — введения дополнительных отсчетов.

Существуют следующие меры борьбы с перегрузкой цифрового тракта:

♦ аналоговый динамический ограничитель перед АЦП;

♦ нелинейный ограничитель (soft clipping) уровня перед АЦП;

♦ программно реализуемая динамическая обработка (Samplitude Master) после ЦАПа, с помощью которой восстанавливается форма ограниченного сигнала, т.е. уменьшается спектр высших гармоник.

Чтобы избавиться от ВЧ-мусора на выходе ЦАП используют ФНЧ. Поскольку реальные фильтры вносят недопустимо большие фазовые искажения инженеры еще на заре эпохи CD придумали хитроумное решение — увеличить частоту дискретизации цифрового сигнала в 8, 16, 32, 64 и более раз, т.е. произвести ее передискретизацию с помощью цифровых фильтров-интерполяторов, управляемых быстродействующими процессорами по специально разработанным программам, позволяющим максимально восстанавливать изначальную форму звукового сигнала. Сочетание многозвенного интерполятора и цифрового ФНЧ называют фильтром передискретизации.

В проигрывателях первых поколений с шумами квантования боролись подмешиванием белого шума (диттера), который достаточно эффективно их маскировал. В новейших моделях все чаще применяют интерполяцию сигналов малого уровня, позволяющее искусственно повысить разрядность сигнала до 18...20 бит, что уменьшает шумы квантования и позволяет отказаться от подмешивания белого шума. Качество звучания во многом определяется степенью линейности звукового тракта и акустическими свойствами помещения прослушивания.

Виды искажений

Различают следующие виды искажений:

♦ частотные (амплитудно-частотные),

♦ фазовые,

♦ нелинейные,

♦ интермодуляционные (комбинационные),

♦ динамические.

Частотные искажения возникают из-за совокупности различия коэффициентов передачи отдельных элементов тракта на разных частотах, вследствие чего нарушается соотношение амплитуд отдельных составляющих, а соответственно, и тембр звучания. Ограничение частот снизу делает звучание резким, ограничение сверху — приглушенным. Обычно частотные искажения начинают замечать, когда изменение амплитуд в частотном спектре звука превышает 30 . 40% (около 3 дБ). Наибольшая чувствительность слуха к отклонению АЧХ находится в области частот 800...5000 Гц. АЧХ реальных головок, а в результате и громкоговорителей в целом, сильно изрезана пиками и особенно провалами. В результате в воспроизводимом сигнале часть обертонов «вырезается», а пики воспринимаются как внесенные гармоники (обертоны). При снятии АЧХ пики и провалы в частотной характеристике уже 1/8 октавы принято не учитывать. Это одно из объяснений того, что при «одинаковых» АЧХ громкоговорители имеют различие в тембре звучания.

Частотные искажения всего тракта аппаратуры высококачественного звуковоспроизведения в области средних частот не должны превышать 1...2 дБ.

Большие фазовые искажения вносят головки громкоговорителей Фазовые искажения связаны с частотными. Дополнительные искажения вносят элементы коррекции АЧХ и разделительные фильтры акустических систем (кроссоверы). И первый, и второй вид искажений носит линейный характер.

Из-за нелинейной зависимости между напряжением и током, током и намагниченностью и т.п. (радиолампы, транзисторы, диоды, трансформаторы, индуктивности и т.п.), а также несовершенства конструкций головок громкоговорителей даже в одном звуковом тоне возникает целая группа гармоник, частоты которых кратны частоте основного тона. Величину нелинейных искажений измеряют в процентах. Коэффициент нелинейных искажений показывает, какую долю по напряжению составляют вновь появившиеся гармоники. Наибольший вклад нелинейных искажений вносят громкоговорители (до 5...7% при номинальной мощности [6]). Причем, если в области средних и высших частот искажения вносят сами головки, то в области низших частот (до 300...400 Гц) вносимые искажения во многом зависят от акустического оформления. На слух нелинейные искажения не заметны, если их величина не превышает 3...5% (сильно зависит от спектра гармоник). Поэтому полезно иметь громкоговорители с запасом по мощности.

Более сложная картина наблюдается при воспроизведении двух сигналов. К совокупности нелинейных искажений отдельных сигналов добавляются так называемые интермодуляционные или комбинационные искажения, представляющие собой сигналы с частотами равными сумме и разности частот основных сигналов. Чувствительность слуха к интермодуляционным искажениям очень высока. Наибольшие интермодуляционные искажения (до 25%) возникают в самих головках громкоговорителей, работающих от УМЗЧ с выходом по напряжению При работе от УМЗЧ с выходом по току коэффициент интермодуляционных искажений примерно на порядок меньше [7].

Динамические искажения возникают в УМЗЧ и проявляются в выбросах выходного напряжения (или тока) на фронтах сигнала. Звучание утрачивает естественность, становится жестким