Устройства вывода звуковой информации

Микрофоны двустороннего направления. В микрофонах - приемниках градиента давления сила, действующая на движущуюся систему микрофона, определяется разностью звуковых давлений на двух сторонах диафрагмы. То есть, звуковое поле действует на две стороны диафрагмы. Характеристика направленности имеет вид восьмерки. Двусторонние микрофоны удобны, например, для записи разговора двух собеседников, сидящих друг напротив друга.

Микрофоны одностороннего направления. Односторонняя направленность достигается в микрофонах комбинированного типа. Их диаграммы направленности близки по форме к кардиоиде, поэтому нередко их называют кардиоидными. Модификации микрофонов, имеющих еще меньшую направленность, чем кардиоидные, называют суперкардиоидными и гиперкардиоидными, однако эти разновидности, в отличие от кардиоидного микрофона, также чувствительны к сигналам с противоположной стороны. Эти микрофоны имеют определенные преимущества в эксплуатации: источник звука располагается с одной стороны микрофона в пределах достаточно широкого пространственного угла, а звуки, распространяющиеся за его пределами, микрофон не воспринимает.

5. Уровень шумов

Уровень собственных шумов микрофона Nш  определяется отношением эффективного напряжения на выходе микрофона при  отсутствии звукового поля Uш к  напряжению U1 при наличии звукового  поля с эффективным давлением  в 0,1 н/м²:

Nш = 20 lg Uш/U1, дБ.

Напряжение  Uш обусловлено главным образом тепловыми шумами в компонентах электрической схемы микрофона.

Применение микрофонов в культуре

Техническая документация и паспорт микрофона  могут содержать дополнительные параметры и графики его испытаний  – кривые его частотной характеристики и направленности.

Микрофоны могут  быть ручными, крепиться на стойках  и растяжках, петличными, настольными, накамерными и т. д. Самый распространенный тип – ручной. Применяется в  театрах, концертах, репортажах и т. п. Сама микрофонная головка –  капсюль может иметь форму  шара, цилиндра. Корпус микрофона (или  рукоятка) имеет на конце разъем (как правило XLR) для подключения кабеля, направленность кардиоидная или суперкардиоидная.

Большую популярность на радио и TV завоевали сравнительно новые типы микрофонов – настольные (PZM, таблетка) и петличный. Планшетный микрофон, как и напольный, используется в театрах; представляет собой плоскую или чуть выпуклую пластину с большой мембраной, ненаправленная характеристика (точнее в виде полусферы), снимает звук со всех участников сцены, «круглого стола» и др. программ. Петличные микрофоны, т. н. «лавалье» имеют миниатюрную и высокочувствительную головку и закрепляются на одежде с помощью зажима-прищепки.

Накамерные  микрофоны, как правило, конденсаторные и остронаправленные, применяются  в репортажной видеосъемке и  принимают звук по оси объектива, отстраиваясь от мешающих шумов.

Многие профессиональные микрофоны имеют переключаемую  характеристику направленности. Это  достигается сборкой из нескольких капсюлей, по-разному расположенных  акустически и соединенных электрически. Переключатель «круг», «кардиоида»  или «восьмерка» находится или  на корпусе микрофона или на блоке  питания. Иногда применяют аттенюатор на 10 дБ, защищающий тракт от перегрузок.

Коммутация  современных микрофонов практически  унифицирована – это симметричный разъем XLR (Canon). Для правильной коммутации распайка следующая: контакт 1 – экран  кабеля и корпус микрофона, контакт 2 – плюс (горячий), контакт 3 –минус (холодный).

При многомикрофонной записи следует контролировать синфазность  микрофонов, т. е. совпадение полярности. Даже известные фирмы не гарантируют автоматической синфазности. Проверить ее несложно – при поочередном введении фейдеров пульта громкость должна возрастать (разумеется, на все микрофоны воздействует один источник звука).

Не существует идеального микрофона, подходящего  для всех источников звука и видов  работы. Выбор микрофона – дело опыта.

В звукоусилении  в театрах, шоу, концертах применяют  супер - и гиперкардиоидные микрофоны, чтобы избежать обратной связи (завязки) и проникания сигналов от других источников. Каждому источнику – свой тип  микрофона со своими параметрами. Чем  ближе источник, прежде всего голос, тем больше низких частот присутствует в сигнале. Это может явиться  причиной бубнения, «взрывных» эффектов и искажения частотного баланса.

Основное  применение в звукоусилении находят  динамические микрофоны – более  универсальные, стойкие к перегрузкам  и более дешевые. Для вокала рекомендуются  суперкардиоидные динамические микрофоны  с частотной характеристикой  от 60 Гц до 16-17 кГц. Полезен бывает небольшой  завал на низах, не влияющий на тембровую  окраску звука у баритонов  и басов, но спасающий от бубнения. Также полезен небольшой подъем на средних (1-3 кГц) частотах, дающий эффект присутствия (presence) и подчеркивающий высокую певческую форманту.

Для большинства  музыкальных инструментов пригодны те же микрофоны, что и для вокала. Однако для некоторых музыкальных  инструментов существуют специализированные микрофоны. Характер звука во многом будет зависеть от расстояния до источника  и угла наклона к нему.

Большинство музыкальных инструментов озвучивается одним микрофоном. Но некоторые, такие  как рояль, можно озвучивать двумя-тремя  микрофонами. Сложность озвучивания  рояля – одна из причин, по которым  все чаще на сцене используют электроакустический  рояль, практически неотличимый  по звуку от настоящего.

Студийная звукозапись  в основном опирается на конденсаторные микрофоны. Техника расположения микрофонов в студии (вокал, инструменты) более  разнообразна. Так, рояль в эстраде  и джазе пишут близко суперкардиоидными  микрофонами, в академической музыке – удаленными на 2-3 м конденсаторными, что дает ощущение пространства и  снимает жесткость молоточковой атаки. При записи солирующих инструментов – духовых, струнных, щипковых – микрофон нацеливают на излучающую поверхность (раструб, дека, клапаны), что дает более яркий звук, но возможны естественные шумы, поворот микрофона под углом смягчает звучание и приглушает артикуляцию.

ОБРАБОТКА ЦИФРОВОГО  ЗВУКА

Цифровой  звук обрабатывается посредством математических операций, применяемых к отдельным  отсчетам сигнала, либо к группам  отсчетов различной длины. Выполняемые  математические операции могут либо имитировать работу традиционных аналоговых средств обработки (микширование двух сигналов - сложение, усиление/ослабление сигнала - умножение на константу, модуляция - умножение на функцию и т.п.), либо использовать альтернативные методы - например, разложение сигнала в  спектр (ряд Фурье), коррекция отдельных  частотных составляющих, затем обратная "сборка" сигнала из спектра.

Обработка цифровых сигналов подразделяется на линейную (в реальном времени, над "живым" сигналом) и нелинейную - над предварительно записанным сигналом. Линейная обработка требует достаточного быстродействия вычислительной системы (процессора); в ряде случаев невозможно совмещение требуемого быстродействия и качества, и тогда используется упрощенная обработка с пониженным качеством. Нелинейная обработка никак не ограничена во времени, поэтому для нее могут быть использованы вычислительные средства любой мощности, а время обработки, особенно с высоким качеством, может достигать нескольких минут и даже часов.

Для обработки применяются как универсальные  процессоры общего назначения - Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx, SPARC - так и специализированные цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor, DSP) Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx, Analog Devices ADSP-xxxx и др.

Разница между универсальным процессором  и DSP состоит в том, что первый ориентирован на широкий класс задач - научных, экономических, логических, игровых и т.п., и содержит большой  набор команд общего назначения, в  котором преобладают обычные  математические и логические операции. DSP специально ориентированы на обработку  сигналов и содержат наборы специфический операций - сложение с ограничением, перемножение векторов, вычисление математического ряда и т.п. Реализация даже несложной обработки звука на универсальном процессоре требует значительного быстродействия и далеко не всегда возможна в реальном времени, в то время как даже простые DSP нередко справляются в реальном времени с относительно сложной обработкой, а мощные DSP способны выполнять качественную спектральную обработку сразу нескольких сигналов.

В силу своей специализации DSP редко  применяются самостоятельно - чаще всего устройство обработки имеет  универсальный процессор средней  мощности для управления всем устройством, приема/передачи информации, взаимодействия с пользователем, и один или несколько DSP - собственно для обработки звукового  сигнала. Например, для реализации надежной и быстрой обработки сигналов в компьютерных системах применяют  специализированные платы с DSP, через  которые пропускается обрабатываемый сигнал, в то время как центральному процессору компьютера остаются лишь функции управления и передачи.

Методы, используемые для обpаботки звука

1. Монтаж. Состоит в выpезании из записи одних участков, вставке дpугих, их замене, pазмножении и т.п. Hазывается также pедактиpованием. Все совpеменные звуко- и видеозаписи в той или иной меpе подвеpгаются монтажу.

2. Амплитудные пpеобpазования. Выполняются пpи помощи pазличных действий над амплитудой сигнала, котоpые в конечном счете сводятся к умножению значений самплов на постоянный коэффициент (усиление/ослабление) или изменяющуюся во вpемени функцию-модулятоp (амплитудная модуляция). Частным случаем амплитудной модуляции является фоpмиpование огибающей для пpидания стационаpному звучанию pазвития во вpемени.

Амплитудные пpеобpазования выполняются последовательно с отдельными самплами, поэтому они пpосты в pеализации и не тpебуют большого объема вычислений.

3. Частотные (спектpальные) пpеобpазования. Выполняются над частотными составляющими звука. Если использовать спектpальное pазложение - фоpму пpедставления звука, в котоpой по гоpизонтали отсчитываются частоты, а по веpтикали - интенсивности составля- ющих этих частот, то многие частотные пpеобpазования становятся похожими на амплитудные пpеобpазованиям над спектpом. Hапpимеp, фильтpация - усиление или ослабление опpеделенных полос частот - сводится к наложению на спектp соответствующей амплитудной огибающей. Однако частотную модуляцию таким обpазом пpедставить нельзя - она выглядит, как смещение всего спектpа или его отдельных участков во вpемени по опpеделенному закону.

Для pеализации частотных пpеобpазований обычно пpименяется спектpальное pазложение по методу Фуpье, котоpое тpебует значительных pесуpсов. Однако имеется алгоpитм быстpого пpеобpазования Фуpье (БПФ, FFT), котоpый делается в целочисленной аpифметике и позволяет уже на младших моделях 486 pазвоpачивать в pеальном вpемени спектp сигнала сpеднего качества. Пpи частотных пpеобpа- зованиях, кpоме этого, тpебуется обpаботка и последующая свеpтка, поэтому фильтpация в pеальном вpемени пока не pеализуется на пpоцессоpах общего назначения. Вместо этого существует большое количество цифpовых сигнальных пpоцессоpов (Digital Signal Processor - DSP), котоpые выполняют эти опеpации в pеальном вpемени и по нескольким каналам.

4. Фазовые пpеобpазования. Сводятся в основном к постоянному сдвигу фазы сигнала или ее модуляции некотоpой функцией или дpугим сигналом. Благодаpя тому, что слуховой аппаpат человека использует фазу для опpеделения напpавления на источник звука, фазовые пpеобpазования стеpеозвука позволяют получить эффект вpащающегося звука, хоpа и ему подобные.

5. Вpеменные пpеобpазования. Заключаются в добавлении к основному сигналу его копий, сдвинутых во вpемени на pазличные величи- ны. Пpи небольших сдвигах (поpядка менее 20 мс) это дает эффект pазмножения источника звука (эффект хоpа), пpи больших - эффект эха.

6. Фоpмантные пpеобpазования. Являются частным случаем частотных и опеpиpуют с фоpмантами - хаpактеpными полосами частот, встpечающимися в звуках, пpоизносимых человеком. Каждому звуку соот- ветствует свое соотношение амплитуд и частот нескольких фоpмант, котоpое опpеделяет тембp и pазбоpчивость голоса. Изменяя паpаметpы фоpмант, можно подчеpкивать или затушевывать отдельные звуки, менять одну гласную на дpугую, сдвигать pегистp голоса и т.п.

УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ  ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Непрерывные электрические колебания, идущие от микрофона, преобразуются в числовую последовательность. Эту работу выполняет  устройство, подключаемое к компьютеру, которое называется аудиоадаптером, или звуковой картой.

Звуковая  карта производит преобразование звука  из аналоговой формы в цифровую. Звуковая карта имеет также возможность синтезировать звук (в ее памяти хранятся звуки различных музыкальных инструментов, которые она может воспроизводить).

История звуковых карт для IBM PC

Поскольку IBM PC проектировался не как мультимедийная машина, а инструмент для решения  научных и деловых задач, звуковая карта на нём не была предусмотрена  и даже не запланирована. Единственный звук, который издавал компьютер, был звук встроенного динамика, сообщавший о неисправностях. (На компьютерах  фирмы Apple звук присутствовал изначально.)

В 1986 году в продажу поступило устройство фирмы Covox Inc. Оно присоединялось к  принтерному порту IBM PC и позволяло  воспроизводить монофонический цифровой звук. Пожалуй, Covox можно считать  первой внешней звуковой платой. Covox был очень прост и дешев  по устройству (практически простейший резистивный ЦАП) и оставался  популярным в течение 90-х годов. Появилось большое количество модификаций, в том числе — для воспроизведения стереофонического звучания.

В 1988 году фирма Creative Labs выпустила устройство Creative Music System (С/MS, позднее также продавалась  под названием Game Blaster) на основе двух микросхем звукогенератора Philips SAA 1099, каждая из которых могла воспроизводить по 6 тонов одновременно. Примерно в  это же время компания AdLib выпустила  свою карту, одноимённую с названием  фирмы, на основе микросхемы YM3812 фирмы Yamaha. Данный синтезатор для генерации  звука использовал принцип частотной  модуляции (FM, frequency modulation). Данный принцип  позволял получить более естественное звучание инструментов, чем у Game Blaster.