Музыкальный портал
info@topzvuk.com

Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?

Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?
0

Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?

Раздел: Интересное
Дата публикации: 22 марта 2015, 20:22
Нравится
Нравится
К сожалению, многие из работающих в сфере профессионального звука не имеют фундаментального академического образования звукорежиссера или звукоинженера. Поэтому в их подготовке порой встречаются досадные пробелы вследствие отсутствия системных теоретических знаний, что здорово мешает в работе. Будем эти пробелы ликвидировать!

И начнем с одного из двух главных понятий акустики - децибела.

Поможет нам в этом инженер-разработчик приборов обработки звука Михаил Чернецкий. Имя его хорошо известно профессионалам со стажем - разработанные им и его фирмой "Long" приборы обработки звука очень популярны в наших студиях. Пожалуй, нет такого вопроса в аудиотехнологиях, на который он не знал бы ответа. В написанном им для нашего журнала цикле статей о теории звука он делится своими обширными знаниями. В этом номере - первая статья, сочетающая теорию с полезными практическими сведениями.

Уже много тысячелетий человечество живёт в мире цифр. Мы измеряем в цифрах всё - один килограмм конфет, две шоколадки, пол-литра "жидкости" и др. При этом мы применяем так называемые "вещественные" единицы измерения - граммы, метры, ниты, атмосферы, литры и т.д.

Однако существуют и весьма широко используются также и нематериальные единицы измерения, причём не только в ядерной физике, где их огромное количество, но и в обычной повседневной практике. Здесь мы расскажем об одной из таких единиц, причём "дважды экзотической" - децибеле.

Почему же экзотической, да ещё дважды? Во-первых, не существует воплощённого "в металле" эталона децибела, его нельзя "повертеть в руках", пощупать. Платино-иридиевые эталоны метра, килограмма - существуют, а децибела - нет. Во-вторых, децибел - это не целая, а дольная единица. Мы часто пользуемся единицами целыми (грамм, метр) и кратными (килограмм, километр), но практически никогда - дольными. В самом деле - часто ли вы используете дециметр или дециграмм? Никому же не придёт в голову сказать: "у меня дома потолки 27 дециметров"! Так откуда же взялась и для чего нужна эта малопонятная единица? Казалось бы: есть вольты, герцы, амперы... Чего ещё желать? Однако не всё так просто! 

Характеристики "в децибелах" не зависят от реальных физических величин сигналов, применяемых в процессе измерений. Это - одна из главных причин того, почему логарифмический способ отображения АЧХ получил наибольшее распространение. Хотя на самом деле, помимо удобства чтения графиков, существует и другая, гораздо более существенная и глубокая причина: по закону Вебера-Фихнера между воспринимаемым ощущением и вызывающим его внешним воздействием имеется логарифмическая зависимость, т.е. чтобы ощущение изменилось "на" какую-то величину, вызвавшее его воздействие должно измениться "в" раз.

Пояснить это можно на следующем примере: от 20 до 40 Герц - одна октава, и от 10000 до 20000 Герц - тоже одна октава. Только в первом случае частота изменилась на 20Гц, во втором - на 10000Гц, а результат - одинаков: и в том, и в другом случае частота изменилась "в" два раза и мы слышим повышение высоты звукового тона "на" одну октаву. Таким образом, отображение данных в логарифмическом масштабе нам просто по-человечески "ближе".

Ранее в технике связи широкое применение получила единица НЕПЕР, основанная на натуральных логарифмах и названная в честь их изобретателя Дж. Непера (1550-1617г). 1 непер соответствует изменению уровня сигналов в =2,718 раз (в "е" раз). Интересно, что непер существует давным-давно - а на практике пользуются децибелом. Но почему именно децибелом, если уже существуют натуральные логарифмы, а есть ещё двоичные и т.д.?

Применяемое для вычисления Неперовых логарифмов число "е" - число трансцендентное, и для расчётов крайне неудобное. Поэтому по свойственной всем нам любви к круглым числам логарифмы, имеющие в своём основании число 10, и получили более широкое распространение. На десятичных логарифмах основан бел - единица, названная в честь изобретателя телефона А.Г. Бела. Однако, при ближайшем рассмотрении, он оказался "слишком крупным", а вот одна десятая его - "децибел" - оказался в самый раз. Почему же?

Дело в том, что децибел нам ближе по психофизиологическому восприятию. Один децибел (1 дБ) - это величина, максимально близкая к субъективному порогу восприятия - порогу различения громкости двух сигналов нашим ухом, и именно поэтому децибел занял ведущее место в звукотехнике. Так как децибел - величина относительная, то с его помощью можно измерять все, что угодно - хоть музыкальные интервалы. Действительно, в одной октаве содержится шесть нотных интервалов, а изменению напряжений в два раза (как бы "на октаву") соответствует изменение уровня на 6 дБ, т.е. музыкальный звуковысотный интервал в один тон соответствует одному децибелу. Причём значения совпадают с точностью 0,0004.

Что это - глубинная, скрытая взаимосвязь? Как знать...
Однако, как уже упоминалось, децибел - величина относительная. А как быть, если надо измерять реальные физические величины - вольты, ватты и др.? Да очень просто: надо выбрать опорный (эталонный) уровень, от которого и отталкиваться при измерениях. Давным-давно (так уж исторически сложилось) за опорный уровень была принята величина мощности в 1 милливатт на нагрузке 600 Ом. При этом величина напряжения составляет:

U = (РR)0,5 = (0,001*600)0,5 = 0,775 В, где

P=1 мВт - мощность;

R=600 Ом - сопротивление.

До настоящего времени эта величина напряжения является опорной для подавляющего большинства измерений.

Встречаются и некоторые другие величины. Опорная величина должна указываться после букв дБ. В английском языке приняты две основные величины: обозначению dBu (русское дБ) - соответствует опорное напряжение 0,775 В; обозначению dBV (русское дБв) - соответствует опорное напряжение 1В; встречается и обозначение dBm (дБм), для него опорный уровень - также 0,775В. Как же пользоваться децибелами, как их вычислять?

Очень просто. Для расчёта существует всего одна формула:

N=20*lg(U2/U1)

где U1 - опорное напряжение; U2 - измеряемое напряжение; N - их соотношение в децибелах.

При измерении мощности в этой формуле изменяется только одна цифра: первый множитель заменяется числом 10, а напряжения заменяются мощностью. Если после расчёта результат "N" получается со знаком "минус" - то это значит, что измеряемая величина меньше опорной (эталонной). Всё. На этом вся математика, связанная с понятием "децибел", закончена.

Теперь немного о практическом значении некоторых параметров, выраженных (измеренных) в децибелах.

- 1dB-минимальное различие в громкости сигналов, уверенно замечаемое большинством слушателей;

- 3dB-увеличение мощности сигнала (не громкости!) в два раза;

- 6dB-возрастание напряжения в два раза;

- 10dB-увеличение мощности сигнала в 10 раз, а громкости звука - в два (!) раза;

- 20dB-возрастание напряжения в 10 раз, мощности - в 100, громкости - в четыре.

- Если о каком-то устройстве известно, что его коэффициент передачи равен 0dB, то это значит, что выходной сигнал в точности равен входному. И ничего более!


Некоторые наиболее распространённые уровни электрических сигналов:

- Стандартный "нулевой" уровень 0dB=0,775V;

- часто встречающийся уровень +4dB=1,23V;

- уровень, используемый в профессиональной аппаратуре +6dB=1,55V;

- уровень, используемый в бытовой аппаратуре -10dB=0,25V (250 милливольт)


Измерение уровней в звукотехнике
Казалось бы, что здесь сложного - измерить напряжение? Подключи вольтметр - и измеряй себе на здоровье! Если бы всё было так просто... Так легко бывает, наверно, только у электриков. В звуке всё гораздо сложнее. Реальные звуковые сигналы похожи на всё что угодно, кроме известной всем синусоиды. При измерении уровней звуковых сигналов результат будет зависеть как от характера анализируемой фонограммы, так и от типа применяемого вольтметра. "Секрет" здесь заключается в том, что звуковой сигнал имеет ярко выраженный импульсный характер, со значительным пик-фактором. (Пик-фактором называется отношение мгновенной, "пиковой" амплитуды сигнала к его эффективному, действующему значению).

Пик-фактор очень сильно отличается у различных звуковых источников. Для нормально сведённой фонограммы поп-музыки (не "пережатой") он составляет величину порядка 12 дБ, для речи 18-20 дБ, а уж для необработанной фонограммы, да ещё отдельных треков, а если там записаны ударные... Даже подумать страшно!

Соответственно и разные типы вольтметров на одном и том же сигнале будут давать различные показания.

Существуют три основных типа вольтметров - вольтметр "средних значений", "пиковый" вольтметр и вольтметр "действующих значений", иначе называемый "среднеквадратичный" (RMS).

- Вольтметр средних значений (VU-meter, или "волюметр") исторически появился самым первым, и является самым простым по устройству - показывающий прибор просто включён в диагональ диодного моста. Динамические характеристики измерителя полностью определяются инерционными параметрами стрелочного индикатора, а все механические измерители имеют весьма значительный разброс по этим параметрам, соответственно и показывает он по преимуществу "цену на дрова на северном полюсе во время засухи".

Однако - благодаря его длительному применению - звукорежиссёры накопили богатый опыт работы, позволяющий (при соответствующей практике) правильно оценивать показания измерителя и вносить необходимые поправки "на слух", с учётом характера звукового материала. Только этим - и ничем иным - и объясняется такая феноменальная "живучесть" этого типа измерителей.

- Вольтметр действующих значений (среднеквадратичный) показывает величину напряжения, пропорциональную реальной долговременной мощности сигнала, его "тепловой эквивалент" И в самом деле, лучшие RMS-вольтметры построены именно с использованием термопреобразователей - исследуемое напряжение нагревает термоэлемент, по температуре которого и судят о величине напряжения.

Однако, как вы понимаете, нагрев термоэлемента - дело долгое, измеритель получается излишне инерционным, и применять его для оценки звуковых сигналов - занятие неблагодарное. Другое дело - измерение напряжения шумов.

Запомните! Измерять уровень шумов аппаратуры можно только среднеквадратичным вольтметром! И никаким иным! При использовании любых других - ошибки в результатах из-за стохастического характера шумов абсолютно непредсказуемы!

- Пиковый вольтметр в подавляющем большинстве случаев как раз и служит измерителем уровней звуковых сигналов в профессиональной аппаратуре. Однако он "в чистом виде" малопригоден для работы, так как, реагируя даже на самые короткие пики сигнала, будет давать постоянно завышенные показания, а фонограмма при этом будет тихой. Как же быть? Выход был найден в некотором (намеренном) "ухудшении" параметров измерителя - таким образом, чтобы отдельные, "очень уж короткие" пики сигналов он как бы "перестал видеть". Для этого в схему измерителя были введены специальные интегрирующие зарядно-разрядные цепочки, определяющие динамические характеристики прибора. Такие измерители получили название "квазипиковые", и вот они-то на самом деле и являются теми измерителями, с которыми мы имеем дело в повседневной практике.

Запомните! ВСЕ измерители, на которых написано "Peak" - на самом деле являются квазипиковыми! Единственные чисто пиковые измерители - это индикаторы "Over" на некоторых цифровых рекордерах.

Самые первые квазипиковые измерители имели время интеграции 60 миллисекунд, что примерно соответствует инерционности человеческого слуха. Время интеграции - это величина, определяющая быстродействие измерителя - или, иначе говоря, - длительность тех коротких пиков сигнала, на которые измеритель ещё реагирует. На более короткие сигналы измеритель, конечно, тоже реагирует, но плохо, слабо. Постепенно, с ростом технических требований к качеству записей, ужесточались и требования к измерителям уровней. Требовалось всё большее отношение сигнал/шум, постоянно возрастал уровень записи (намагниченность ленты), и всё меньшим становился запас по перегрузке. (А "цифра", например, не терпит вообще никаких перегрузок, даже малейших)

Чтобы более-менее надёжно контролировать максимальные уровни сигналов, стали увеличивать быстродействие измерителей. Сначала время интеграции было уменьшено до 10 миллисекунд, а затем - и вовсе до 5 миллисекунд. Считается, что искажения перегрузки с длительностью менее 5 мс ухо не замечает. Смотря какие искажения! Цифровые - ещё как замечает...

Но... За всё приходится платить. В данном случае за увеличение быстродействия измерителей пришлось расплачиваться значительным увеличением разрыва между субъективно воспринимаемой громкостью звучания и показаниями индикаторов. Хотя в случае современной поп-музыки, до предела "сжатой", закомпрессированной, этот разрыв не очень уж и велик.

Итак - 60-мс измерители удовлетворительно соответствуют субъективному восприятию громкости, но плохо показывают пики сигналов. 5-мс измерители хорошо индицируют пики, но их показания плохо коррелируют с громкостью звука.

Как быть? Да очень просто. Решите - что вам, собственно, нужно контролировать? Если вы радиоинженер и обслуживаете передатчик или другую линию связи, то для вас главное - не допустить перегрузки. Смело выбирайте самый быстрый индикатор - и спокойно работайте. Но если вы звукорежиссер, то перед вами встанет проблема "плотности" звучания и других художественных особенностей. Тупик? Пока ещё нет. Есть два выхода. Первый - это применение "двойных" индикаторов, которые показывают оба значения - и пиковое, и действующее. Они уже существуют и довольно широко применяются, хотя в их конструкции наличествует оттенок лёгкого и нестрашного вранья: индикатор "Peak" реально квазипиковый (см. выше), а та часть индикатора, которая на самом деле показывает истинный RMS-уровень (есть и такие, только цена "кусается"), стыдливо, по инерции, именуется "VU".

Но возможен и второй выход. Как знать, может быть, со временем, когда звукорежиссёры накопят достаточный опыт, снова повторится история с волюметром, только на этот раз "с точностью до наоборот"?.

Источник: журнал "Звукорежиссер"

Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?

<div>К сожалению, многие из работающих в сфере профессионального звука не имеют фундаментального академического образования звукорежиссера или звукоинженера. Поэтому в их подготовке порой встречаются досадные пробелы вследствие отсутствия системных теоретических знаний, что здорово мешает в работе. Будем эти пробелы ликвидировать!</div> <div> <br /> </div> <div>И начнем с одного из двух главных понятий акустики - <b>децибела.</b></div> <div> <br /> </div> <div>Поможет нам в этом инженер-разработчик приборов обработки звука Михаил Чернецкий. Имя его хорошо известно профессионалам со стажем - разработанные им и его фирмой &quot;Long&quot; приборы обработки звука очень популярны в наших студиях. Пожалуй, нет такого вопроса в аудиотехнологиях, на который он не знал бы ответа. В написанном им для нашего журнала цикле статей о теории звука он делится своими обширными знаниями. В этом номере - первая статья, сочетающая теорию с полезными практическими сведениями.</div> <div> <br /> </div> <div>Уже много тысячелетий человечество живёт в мире цифр. Мы измеряем в цифрах всё - один килограмм конфет, две шоколадки, пол-литра &quot;жидкости&quot; и др. При этом мы применяем так называемые &quot;вещественные&quot; единицы измерения - граммы, метры, ниты, атмосферы, литры и т.д.</div> <div> <br /> </div> <div>Однако существуют и весьма широко используются также и нематериальные единицы измерения, причём не только в ядерной физике, где их огромное количество, но и в обычной повседневной практике. Здесь мы расскажем об одной из таких единиц, причём &quot;дважды экзотической&quot; - децибеле.</div> <div> <br /> </div> <div>Почему же экзотической, да ещё дважды? Во-первых, не существует воплощённого &quot;в металле&quot; эталона децибела, его нельзя &quot;повертеть в руках&quot;, пощупать. Платино-иридиевые эталоны метра, килограмма - существуют, а децибела - нет. Во-вторых, децибел - это не целая, а дольная единица. Мы часто пользуемся единицами целыми (грамм, метр) и кратными (килограмм, километр), но практически никогда - дольными. В самом деле - часто ли вы используете дециметр или дециграмм? Никому же не придёт в голову сказать: &quot;у меня дома потолки 27 дециметров&quot;! Так откуда же взялась и для чего нужна эта малопонятная единица? Казалось бы: есть вольты, герцы, амперы... Чего ещё желать? Однако не всё так просто! </div> <div> <br /> </div> <div>Характеристики &quot;в децибелах&quot;<b> не зависят от реальных физических величин сигналов, применяемых в процессе измерений. </b>Это - одна из главных причин того, почему логарифмический способ отображения АЧХ получил наибольшее распространение. Хотя на самом деле, помимо удобства чтения графиков, существует и другая, гораздо более существенная и глубокая причина: по закону Вебера-Фихнера между воспринимаемым ощущением и вызывающим его внешним воздействием имеется логарифмическая зависимость, т.е. чтобы ощущение изменилось &quot;на&quot; какую-то величину, вызвавшее его воздействие должно измениться &quot;в&quot; раз.</div> <div> <br /> </div> <div>Пояснить это можно на следующем примере: от 20 до 40 Герц - одна октава, и от 10000 до 20000 Герц - тоже одна октава. Только в первом случае частота изменилась на 20Гц, во втором - на 10000Гц, а результат - одинаков: и в том, и в другом случае частота изменилась &quot;в&quot; два раза и мы слышим повышение высоты звукового тона &quot;на&quot; одну октаву. Таким образом, отображение данных в логарифмическом масштабе нам просто по-человечески &quot;ближе&quot;.</div> <div> <br /> </div> <div>Ранее в технике связи широкое применение получила единица НЕПЕР, основанная на натуральных логарифмах и названная в честь их изобретателя Дж. Непера (1550-1617г). 1 непер соответствует изменению уровня сигналов в =2,718 раз (в &quot;е&quot; раз). Интересно, что непер существует давным-давно - а на практике пользуются децибелом. Но почему именно децибелом, если уже существуют натуральные логарифмы, а есть ещё двоичные и т.д.?</div> <div> <br /> </div> <div>Применяемое для вычисления Неперовых логарифмов число &quot;е&quot; - число трансцендентное, и для расчётов крайне неудобное. Поэтому по свойственной всем нам любви к круглым числам логарифмы, имеющие в своём основании число 10, и получили более широкое распространение. На десятичных логарифмах основан бел - единица, названная в честь изобретателя телефона А.Г. Бела. Однако, при ближайшем рассмотрении, он оказался &quot;слишком крупным&quot;, а вот одна десятая его - &quot;децибел&quot; - оказался в самый раз. Почему же?</div> <div> <br /> </div> <div>Дело в том, что децибел нам ближе по психофизиологическому восприятию. Один децибел (1 дБ) - это величина, максимально близкая к субъективному порогу восприятия - порогу различения громкости двух сигналов нашим ухом, и именно поэтому децибел занял ведущее место в звукотехнике. Так как децибел - величина относительная, то с его помощью можно измерять все, что угодно - хоть музыкальные интервалы. Действительно, в одной октаве содержится шесть нотных интервалов, а изменению напряжений в два раза (как бы &quot;на октаву&quot;) соответствует изменение уровня на 6 дБ, т.е. музыкальный звуковысотный интервал в один тон соответствует одному децибелу. Причём значения совпадают с точностью 0,0004.</div> <div> <br /> </div> <div><b>Что это - глубинная, скрытая взаимосвязь? Как знать...</b></div> <div>Однако, как уже упоминалось, децибел - величина относительная. А как быть, если надо измерять реальные физические величины - вольты, ватты и др.? Да очень просто: надо выбрать опорный (эталонный) уровень, от которого и отталкиваться при измерениях. Давным-давно (так уж исторически сложилось) за опорный уровень была принята величина мощности в 1 милливатт на нагрузке 600 Ом. При этом величина напряжения составляет:</div> <div> <br /> </div> <div>U = (РR)0,5 = (0,001*600)0,5 = 0,775 В, где</div> <div> <br /> </div> <div>P=1 мВт - мощность;</div> <div> <br /> </div> <div>R=600 Ом - сопротивление.</div> <div> <br /> </div> <div>До настоящего времени эта величина напряжения является опорной для подавляющего большинства измерений.</div> <div> <br /> </div> <div>Встречаются и некоторые другие величины. Опорная величина должна указываться после букв дБ. В английском языке приняты две основные величины: обозначению dBu (русское дБ) - соответствует опорное напряжение 0,775 В; обозначению dBV (русское дБв) - соответствует опорное напряжение 1В; встречается и обозначение dBm (дБм), для него опорный уровень - также 0,775В. <b>Как же пользоваться децибелами, как их вычислять?</b></div> <div> <br /> </div> <div>Очень просто. Для расчёта существует всего одна формула:</div> <div> <br /> </div> <div>N=20*lg(U2/U1)</div> <div> <br /> </div> <div>где U1 - опорное напряжение; U2 - измеряемое напряжение; N - их соотношение в децибелах.</div> <div> <br /> </div> <div>При измерении мощности в этой формуле изменяется только одна цифра: первый множитель заменяется числом 10, а напряжения заменяются мощностью. Если после расчёта результат &quot;N&quot; получается со знаком &quot;минус&quot; - то это значит, что измеряемая величина меньше опорной (эталонной). Всё. На этом вся математика, связанная с понятием &quot;децибел&quot;, закончена.</div> <div> <br /> </div> <div>Теперь немного о практическом значении некоторых параметров, выраженных (измеренных) в децибелах.</div> <div> <br /> </div> <div>- 1dB-минимальное различие в громкости сигналов, уверенно замечаемое большинством слушателей;</div> <div> <br /> </div> <div>- 3dB-увеличение мощности сигнала (не громкости!) в два раза;</div> <div> <br /> </div> <div>- 6dB-возрастание напряжения в два раза;</div> <div> <br /> </div> <div>- 10dB-увеличение мощности сигнала в 10 раз, а громкости звука - в два (!) раза;</div> <div> <br /> </div> <div>- 20dB-возрастание напряжения в 10 раз, мощности - в 100, громкости - в четыре.</div> <div> <br /> </div> <div>- Если о каком-то устройстве известно, что его коэффициент передачи равен 0dB, то это значит, что выходной сигнал в точности равен входному. И ничего более!</div> <div> <br /> </div> <div> <br /> </div> <div><b>Некоторые наиболее распространённые уровни электрических сигналов:</b></div> <div> <br /> </div> <div>- Стандартный &quot;нулевой&quot; уровень 0dB=0,775V;</div> <div> <br /> </div> <div>- часто встречающийся уровень +4dB=1,23V;</div> <div> <br /> </div> <div>- уровень, используемый в профессиональной аппаратуре +6dB=1,55V;</div> <div> <br /> </div> <div>- уровень, используемый в бытовой аппаратуре -10dB=0,25V (250 милливольт)</div> <div> <br /> </div> <div> <br /> </div> <div><b>Измерение уровней в звукотехнике</b></div> <div>Казалось бы, что здесь сложного - измерить напряжение? Подключи вольтметр - и измеряй себе на здоровье! Если бы всё было так просто... Так легко бывает, наверно, только у электриков. В звуке всё гораздо сложнее. Реальные звуковые сигналы похожи на всё что угодно, кроме известной всем синусоиды. При измерении уровней звуковых сигналов результат будет зависеть как от характера анализируемой фонограммы, так и от типа применяемого вольтметра. &quot;Секрет&quot; здесь заключается в том, что звуковой сигнал имеет ярко выраженный импульсный характер, со значительным пик-фактором. (Пик-фактором называется отношение мгновенной, &quot;пиковой&quot; амплитуды сигнала к его эффективному, действующему значению).</div> <div> <br /> </div> <div>Пик-фактор очень сильно отличается у различных звуковых источников. Для нормально сведённой фонограммы поп-музыки (не &quot;пережатой&quot;) он составляет величину порядка 12 дБ, для речи 18-20 дБ, а уж для необработанной фонограммы, да ещё отдельных треков, а если там записаны ударные... Даже подумать страшно!</div> <div> <br /> </div> <div>Соответственно и разные типы вольтметров на одном и том же сигнале <b>будут давать различные показания.</b></div> <div> <br /> </div> <div>Существуют три основных типа вольтметров - вольтметр &quot;средних значений&quot;, &quot;пиковый&quot; вольтметр и вольтметр &quot;действующих значений&quot;, иначе называемый &quot;среднеквадратичный&quot; (RMS).</div> <div> <br /> </div> <div>- Вольтметр средних значений (VU-meter, или &quot;волюметр&quot;) исторически появился самым первым, и является самым простым по устройству - показывающий прибор просто включён в диагональ диодного моста. Динамические характеристики измерителя полностью определяются инерционными параметрами стрелочного индикатора, а все механические измерители имеют весьма значительный разброс по этим параметрам, соответственно и показывает он по преимуществу &quot;цену на дрова на северном полюсе во время засухи&quot;.</div> <div> <br /> </div> <div>Однако - благодаря его длительному применению - звукорежиссёры накопили богатый опыт работы, позволяющий (при соответствующей практике) правильно оценивать показания измерителя и вносить необходимые поправки &quot;на слух&quot;, с учётом характера звукового материала. Только этим - и ничем иным - и объясняется такая феноменальная &quot;живучесть&quot; этого типа измерителей.</div> <div> <br /> </div> <div>- Вольтметр действующих значений (среднеквадратичный) показывает величину напряжения, пропорциональную реальной долговременной мощности сигнала, его &quot;тепловой эквивалент&quot; И в самом деле, лучшие RMS-вольтметры построены именно с использованием термопреобразователей - исследуемое напряжение нагревает термоэлемент, по температуре которого и судят о величине напряжения.</div> <div> <br /> </div> <div>Однако, как вы понимаете, нагрев термоэлемента - дело долгое, измеритель получается излишне инерционным, и применять его для оценки звуковых сигналов - занятие неблагодарное. Другое дело - измерение напряжения шумов.</div> <div> <br /> </div> <div>Запомните! Измерять уровень шумов аппаратуры <b>можно только среднеквадратичным вольтметром</b>! И никаким иным! При использовании любых других - ошибки в результатах из-за стохастического характера шумов абсолютно непредсказуемы!</div> <div> <br /> </div> <div>- Пиковый вольтметр в подавляющем большинстве случаев как раз и служит измерителем уровней звуковых сигналов в профессиональной аппаратуре. Однако он &quot;в чистом виде&quot; малопригоден для работы, так как, реагируя даже на самые короткие пики сигнала, будет давать постоянно завышенные показания, а фонограмма при этом будет тихой. Как же быть? Выход был найден в некотором (намеренном) &quot;ухудшении&quot; параметров измерителя - таким образом, чтобы отдельные, &quot;очень уж короткие&quot; пики сигналов он как бы &quot;перестал видеть&quot;. Для этого в схему измерителя были введены специальные интегрирующие зарядно-разрядные цепочки, определяющие динамические характеристики прибора. Такие измерители получили название &quot;квазипиковые&quot;, и вот они-то на самом деле и являются теми измерителями, с которыми мы имеем дело в повседневной практике.</div> <div> <br /> </div> <div>Запомните! ВСЕ измерители, на которых написано &quot;Peak&quot; -<b> на самом деле являются квазипиковыми!</b> Единственные чисто пиковые измерители - это индикаторы &quot;Over&quot; на некоторых цифровых рекордерах.</div> <div> <br /> </div> <div>Самые первые квазипиковые измерители имели время интеграции 60 миллисекунд, что примерно соответствует инерционности человеческого слуха. Время интеграции - это величина, определяющая быстродействие измерителя - или, иначе говоря, - длительность тех коротких пиков сигнала, на которые измеритель ещё реагирует. На более короткие сигналы измеритель, конечно, тоже реагирует, но плохо, слабо. Постепенно, с ростом технических требований к качеству записей, ужесточались и требования к измерителям уровней. Требовалось всё большее отношение сигнал/шум, постоянно возрастал уровень записи (намагниченность ленты), и всё меньшим становился запас по перегрузке. (А &quot;цифра&quot;, например, не терпит вообще никаких перегрузок, даже малейших)</div> <div> <br /> </div> <div>Чтобы более-менее надёжно контролировать максимальные уровни сигналов, стали увеличивать быстродействие измерителей. Сначала время интеграции было уменьшено до 10 миллисекунд, а затем - и вовсе до 5 миллисекунд. Считается, что искажения перегрузки с длительностью менее 5 мс ухо не замечает. Смотря какие искажения!<b> Цифровые - ещё как замечает...</b></div> <div> <br /> </div> <div>Но... За всё приходится платить. В данном случае за увеличение быстродействия измерителей пришлось расплачиваться значительным увеличением разрыва между субъективно воспринимаемой громкостью звучания и показаниями индикаторов. Хотя в случае современной поп-музыки, до предела &quot;сжатой&quot;, закомпрессированной, этот разрыв не очень уж и велик.</div> <div> <br /> </div> <div>Итак - 60-мс измерители удовлетворительно соответствуют субъективному восприятию громкости, но плохо показывают пики сигналов. 5-мс измерители хорошо индицируют пики, но их показания плохо коррелируют с громкостью звука.</div> <div> <br /> </div> <div>Как быть? Да очень просто. Решите - что вам, собственно, нужно контролировать? Если вы радиоинженер и обслуживаете передатчик или другую линию связи, то для вас главное - не допустить перегрузки. Смело выбирайте самый быстрый индикатор - и спокойно работайте. Но если вы звукорежиссер, то перед вами встанет проблема &quot;плотности&quot; звучания и других художественных особенностей. Тупик? Пока ещё нет. Есть два выхода. Первый - это применение &quot;двойных&quot; индикаторов, которые показывают оба значения - и пиковое, и действующее. Они уже существуют и довольно широко применяются, хотя в их конструкции наличествует оттенок лёгкого и нестрашного вранья: индикатор &quot;Peak&quot; реально квазипиковый (см. выше), а та часть индикатора, которая на самом деле показывает истинный RMS-уровень (есть и такие, только цена &quot;кусается&quot;), <b>стыдливо, по инерции, именуется &quot;VU&quot;.</b></div> <div> <br /> </div> <div>Но возможен и второй выход. Как знать, может быть, со временем, когда звукорежиссёры накопят достаточный опыт, снова повторится история с волюметром, только на этот раз &quot;с точностью до наоборот&quot;?.</div> <div> <br /> </div> <div><i>Источник: журнал &quot;Звукорежиссер&quot;</i></div>

2016-07-03

Топ Звук
Россия
Московская область
Москва
ул. Ботаническая, дом 3
8 (905) 506-3-506
5
5
1
5
1
Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?

Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?

Михаил Чернецкий. Что мы измеряем?

<div>К сожалению, многие из работающих в сфере профессионального звука не имеют фундаментального академического образования звукорежиссера или звукоинженера. Поэтому в их подготовке порой встречаются досадные пробелы вследствие отсутствия системных теоретических знаний, что здорово мешает в работе. Будем эти пробелы ликвидировать!</div> <div> <br /> </div> <div>И начнем с одного из двух главных понятий акустики - <b>децибела.</b></div> <div> <br /> </div> <div>Поможет нам в этом инженер-разработчик приборов обработки звука Михаил Чернецкий. Имя его хорошо известно профессионалам со стажем - разработанные им и его фирмой &quot;Long&quot; приборы обработки звука очень популярны в наших студиях. Пожалуй, нет такого вопроса в аудиотехнологиях, на который он не знал бы ответа. В написанном им для нашего журнала цикле статей о теории звука он делится своими обширными знаниями. В этом номере - первая статья, сочетающая теорию с полезными практическими сведениями.</div> <div> <br /> </div> <div>Уже много тысячелетий человечество живёт в мире цифр. Мы измеряем в цифрах всё - один килограмм конфет, две шоколадки, пол-литра &quot;жидкости&quot; и др. При этом мы применяем так называемые &quot;вещественные&quot; единицы измерения - граммы, метры, ниты, атмосферы, литры и т.д.</div> <div> <br /> </div> <div>Однако существуют и весьма широко используются также и нематериальные единицы измерения, причём не только в ядерной физике, где их огромное количество, но и в обычной повседневной практике. Здесь мы расскажем об одной из таких единиц, причём &quot;дважды экзотической&quot; - децибеле.</div> <div> <br /> </div> <div>Почему же экзотической, да ещё дважды? Во-первых, не существует воплощённого &quot;в металле&quot; эталона децибела, его нельзя &quot;повертеть в руках&quot;, пощупать. Платино-иридиевые эталоны метра, килограмма - существуют, а децибела - нет. Во-вторых, децибел - это не целая, а дольная единица. Мы часто пользуемся единицами целыми (грамм, метр) и кратными (килограмм, километр), но практически никогда - дольными. В самом деле - часто ли вы используете дециметр или дециграмм? Никому же не придёт в голову сказать: &quot;у меня дома потолки 27 дециметров&quot;! Так откуда же взялась и для чего нужна эта малопонятная единица? Казалось бы: есть вольты, герцы, амперы... Чего ещё желать? Однако не всё так просто! </div> <div> <br /> </div> <div>Характеристики &quot;в децибелах&quot;<b> не зависят от реальных физических величин сигналов, применяемых в процессе измерений. </b>Это - одна из главных причин того, почему логарифмический способ отображения АЧХ получил наибольшее распространение. Хотя на самом деле, помимо удобства чтения графиков, существует и другая, гораздо более существенная и глубокая причина: по закону Вебера-Фихнера между воспринимаемым ощущением и вызывающим его внешним воздействием имеется логарифмическая зависимость, т.е. чтобы ощущение изменилось &quot;на&quot; какую-то величину, вызвавшее его воздействие должно измениться &quot;в&quot; раз.</div> <div> <br /> </div> <div>Пояснить это можно на следующем примере: от 20 до 40 Герц - одна октава, и от 10000 до 20000 Герц - тоже одна октава. Только в первом случае частота изменилась на 20Гц, во втором - на 10000Гц, а результат - одинаков: и в том, и в другом случае частота изменилась &quot;в&quot; два раза и мы слышим повышение высоты звукового тона &quot;на&quot; одну октаву. Таким образом, отображение данных в логарифмическом масштабе нам просто по-человечески &quot;ближе&quot;.</div> <div> <br /> </div> <div>Ранее в технике связи широкое применение получила единица НЕПЕР, основанная на натуральных логарифмах и названная в честь их изобретателя Дж. Непера (1550-1617г). 1 непер соответствует изменению уровня сигналов в =2,718 раз (в &quot;е&quot; раз). Интересно, что непер существует давным-давно - а на практике пользуются децибелом. Но почему именно децибелом, если уже существуют натуральные логарифмы, а есть ещё двоичные и т.д.?</div> <div> <br /> </div> <div>Применяемое для вычисления Неперовых логарифмов число &quot;е&quot; - число трансцендентное, и для расчётов крайне неудобное. Поэтому по свойственной всем нам любви к круглым числам логарифмы, имеющие в своём основании число 10, и получили более широкое распространение. На десятичных логарифмах основан бел - единица, названная в честь изобретателя телефона А.Г. Бела. Однако, при ближайшем рассмотрении, он оказался &quot;слишком крупным&quot;, а вот одна десятая его - &quot;децибел&quot; - оказался в самый раз. Почему же?</div> <div> <br /> </div> <div>Дело в том, что децибел нам ближе по психофизиологическому восприятию. Один децибел (1 дБ) - это величина, максимально близкая к субъективному порогу восприятия - порогу различения громкости двух сигналов нашим ухом, и именно поэтому децибел занял ведущее место в звукотехнике. Так как децибел - величина относительная, то с его помощью можно измерять все, что угодно - хоть музыкальные интервалы. Действительно, в одной октаве содержится шесть нотных интервалов, а изменению напряжений в два раза (как бы &quot;на октаву&quot;) соответствует изменение уровня на 6 дБ, т.е. музыкальный звуковысотный интервал в один тон соответствует одному децибелу. Причём значения совпадают с точностью 0,0004.</div> <div> <br /> </div> <div><b>Что это - глубинная, скрытая взаимосвязь? Как знать...</b></div> <div>Однако, как уже упоминалось, децибел - величина относительная. А как быть, если надо измерять реальные физические величины - вольты, ватты и др.? Да очень просто: надо выбрать опорный (эталонный) уровень, от которого и отталкиваться при измерениях. Давным-давно (так уж исторически сложилось) за опорный уровень была принята величина мощности в 1 милливатт на нагрузке 600 Ом. При этом величина напряжения составляет:</div> <div> <br /> </div> <div>U = (РR)0,5 = (0,001*600)0,5 = 0,775 В, где</div> <div> <br /> </div> <div>P=1 мВт - мощность;</div> <div> <br /> </div> <div>R=600 Ом - сопротивление.</div> <div> <br /> </div> <div>До настоящего времени эта величина напряжения является опорной для подавляющего большинства измерений.</div> <div> <br /> </div> <div>Встречаются и некоторые другие величины. Опорная величина должна указываться после букв дБ. В английском языке приняты две основные величины: обозначению dBu (русское дБ) - соответствует опорное напряжение 0,775 В; обозначению dBV (русское дБв) - соответствует опорное напряжение 1В; встречается и обозначение dBm (дБм), для него опорный уровень - также 0,775В. <b>Как же пользоваться децибелами, как их вычислять?</b></div> <div> <br /> </div> <div>Очень просто. Для расчёта существует всего одна формула:</div> <div> <br /> </div> <div>N=20*lg(U2/U1)</div> <div> <br /> </div> <div>где U1 - опорное напряжение; U2 - измеряемое напряжение; N - их соотношение в децибелах.</div> <div> <br /> </div> <div>При измерении мощности в этой формуле изменяется только одна цифра: первый множитель заменяется числом 10, а напряжения заменяются мощностью. Если после расчёта результат &quot;N&quot; получается со знаком &quot;минус&quot; - то это значит, что измеряемая величина меньше опорной (эталонной). Всё. На этом вся математика, связанная с понятием &quot;децибел&quot;, закончена.</div> <div> <br /> </div> <div>Теперь немного о практическом значении некоторых параметров, выраженных (измеренных) в децибелах.</div> <div> <br /> </div> <div>- 1dB-минимальное различие в громкости сигналов, уверенно замечаемое большинством слушателей;</div> <div> <br /> </div> <div>- 3dB-увеличение мощности сигнала (не громкости!) в два раза;</div> <div> <br /> </div> <div>- 6dB-возрастание напряжения в два раза;</div> <div> <br /> </div> <div>- 10dB-увеличение мощности сигнала в 10 раз, а громкости звука - в два (!) раза;</div> <div> <br /> </div> <div>- 20dB-возрастание напряжения в 10 раз, мощности - в 100, громкости - в четыре.</div> <div> <br /> </div> <div>- Если о каком-то устройстве известно, что его коэффициент передачи равен 0dB, то это значит, что выходной сигнал в точности равен входному. И ничего более!</div> <div> <br /> </div> <div> <br /> </div> <div><b>Некоторые наиболее распространённые уровни электрических сигналов:</b></div> <div> <br /> </div> <div>- Стандартный &quot;нулевой&quot; уровень 0dB=0,775V;</div> <div> <br /> </div> <div>- часто встречающийся уровень +4dB=1,23V;</div> <div> <br /> </div> <div>- уровень, используемый в профессиональной аппаратуре +6dB=1,55V;</div> <div> <br /> </div> <div>- уровень, используемый в бытовой аппаратуре -10dB=0,25V (250 милливольт)</div> <div> <br /> </div> <div> <br /> </div> <div><b>Измерение уровней в звукотехнике</b></div> <div>Казалось бы, что здесь сложного - измерить напряжение? Подключи вольтметр - и измеряй себе на здоровье! Если бы всё было так просто... Так легко бывает, наверно, только у электриков. В звуке всё гораздо сложнее. Реальные звуковые сигналы похожи на всё что угодно, кроме известной всем синусоиды. При измерении уровней звуковых сигналов результат будет зависеть как от характера анализируемой фонограммы, так и от типа применяемого вольтметра. &quot;Секрет&quot; здесь заключается в том, что звуковой сигнал имеет ярко выраженный импульсный характер, со значительным пик-фактором. (Пик-фактором называется отношение мгновенной, &quot;пиковой&quot; амплитуды сигнала к его эффективному, действующему значению).</div> <div> <br /> </div> <div>Пик-фактор очень сильно отличается у различных звуковых источников. Для нормально сведённой фонограммы поп-музыки (не &quot;пережатой&quot;) он составляет величину порядка 12 дБ, для речи 18-20 дБ, а уж для необработанной фонограммы, да ещё отдельных треков, а если там записаны ударные... Даже подумать страшно!</div> <div> <br /> </div> <div>Соответственно и разные типы вольтметров на одном и том же сигнале <b>будут давать различные показания.</b></div> <div> <br /> </div> <div>Существуют три основных типа вольтметров - вольтметр &quot;средних значений&quot;, &quot;пиковый&quot; вольтметр и вольтметр &quot;действующих значений&quot;, иначе называемый &quot;среднеквадратичный&quot; (RMS).</div> <div> <br /> </div> <div>- Вольтметр средних значений (VU-meter, или &quot;волюметр&quot;) исторически появился самым первым, и является самым простым по устройству - показывающий прибор просто включён в диагональ диодного моста. Динамические характеристики измерителя полностью определяются инерционными параметрами стрелочного индикатора, а все механические измерители имеют весьма значительный разброс по этим параметрам, соответственно и показывает он по преимуществу &quot;цену на дрова на северном полюсе во время засухи&quot;.</div> <div> <br /> </div> <div>Однако - благодаря его длительному применению - звукорежиссёры накопили богатый опыт работы, позволяющий (при соответствующей практике) правильно оценивать показания измерителя и вносить необходимые поправки &quot;на слух&quot;, с учётом характера звукового материала. Только этим - и ничем иным - и объясняется такая феноменальная &quot;живучесть&quot; этого типа измерителей.</div> <div> <br /> </div> <div>- Вольтметр действующих значений (среднеквадратичный) показывает величину напряжения, пропорциональную реальной долговременной мощности сигнала, его &quot;тепловой эквивалент&quot; И в самом деле, лучшие RMS-вольтметры построены именно с использованием термопреобразователей - исследуемое напряжение нагревает термоэлемент, по температуре которого и судят о величине напряжения.</div> <div> <br /> </div> <div>Однако, как вы понимаете, нагрев термоэлемента - дело долгое, измеритель получается излишне инерционным, и применять его для оценки звуковых сигналов - занятие неблагодарное. Другое дело - измерение напряжения шумов.</div> <div> <br /> </div> <div>Запомните! Измерять уровень шумов аппаратуры <b>можно только среднеквадратичным вольтметром</b>! И никаким иным! При использовании любых других - ошибки в результатах из-за стохастического характера шумов абсолютно непредсказуемы!</div> <div> <br /> </div> <div>- Пиковый вольтметр в подавляющем большинстве случаев как раз и служит измерителем уровней звуковых сигналов в профессиональной аппаратуре. Однако он &quot;в чистом виде&quot; малопригоден для работы, так как, реагируя даже на самые короткие пики сигнала, будет давать постоянно завышенные показания, а фонограмма при этом будет тихой. Как же быть? Выход был найден в некотором (намеренном) &quot;ухудшении&quot; параметров измерителя - таким образом, чтобы отдельные, &quot;очень уж короткие&quot; пики сигналов он как бы &quot;перестал видеть&quot;. Для этого в схему измерителя были введены специальные интегрирующие зарядно-разрядные цепочки, определяющие динамические характеристики прибора. Такие измерители получили название &quot;квазипиковые&quot;, и вот они-то на самом деле и являются теми измерителями, с которыми мы имеем дело в повседневной практике.</div> <div> <br /> </div> <div>Запомните! ВСЕ измерители, на которых написано &quot;Peak&quot; -<b> на самом деле являются квазипиковыми!</b> Единственные чисто пиковые измерители - это индикаторы &quot;Over&quot; на некоторых цифровых рекордерах.</div> <div> <br /> </div> <div>Самые первые квазипиковые измерители имели время интеграции 60 миллисекунд, что примерно соответствует инерционности человеческого слуха. Время интеграции - это величина, определяющая быстродействие измерителя - или, иначе говоря, - длительность тех коротких пиков сигнала, на которые измеритель ещё реагирует. На более короткие сигналы измеритель, конечно, тоже реагирует, но плохо, слабо. Постепенно, с ростом технических требований к качеству записей, ужесточались и требования к измерителям уровней. Требовалось всё большее отношение сигнал/шум, постоянно возрастал уровень записи (намагниченность ленты), и всё меньшим становился запас по перегрузке. (А &quot;цифра&quot;, например, не терпит вообще никаких перегрузок, даже малейших)</div> <div> <br /> </div> <div>Чтобы более-менее надёжно контролировать максимальные уровни сигналов, стали увеличивать быстродействие измерителей. Сначала время интеграции было уменьшено до 10 миллисекунд, а затем - и вовсе до 5 миллисекунд. Считается, что искажения перегрузки с длительностью менее 5 мс ухо не замечает. Смотря какие искажения!<b> Цифровые - ещё как замечает...</b></div> <div> <br /> </div> <div>Но... За всё приходится платить. В данном случае за увеличение быстродействия измерителей пришлось расплачиваться значительным увеличением разрыва между субъективно воспринимаемой громкостью звучания и показаниями индикаторов. Хотя в случае современной поп-музыки, до предела &quot;сжатой&quot;, закомпрессированной, этот разрыв не очень уж и велик.</div> <div> <br /> </div> <div>Итак - 60-мс измерители удовлетворительно соответствуют субъективному восприятию громкости, но плохо показывают пики сигналов. 5-мс измерители хорошо индицируют пики, но их показания плохо коррелируют с громкостью звука.</div> <div> <br /> </div> <div>Как быть? Да очень просто. Решите - что вам, собственно, нужно контролировать? Если вы радиоинженер и обслуживаете передатчик или другую линию связи, то для вас главное - не допустить перегрузки. Смело выбирайте самый быстрый индикатор - и спокойно работайте. Но если вы звукорежиссер, то перед вами встанет проблема &quot;плотности&quot; звучания и других художественных особенностей. Тупик? Пока ещё нет. Есть два выхода. Первый - это применение &quot;двойных&quot; индикаторов, которые показывают оба значения - и пиковое, и действующее. Они уже существуют и довольно широко применяются, хотя в их конструкции наличествует оттенок лёгкого и нестрашного вранья: индикатор &quot;Peak&quot; реально квазипиковый (см. выше), а та часть индикатора, которая на самом деле показывает истинный RMS-уровень (есть и такие, только цена &quot;кусается&quot;), <b>стыдливо, по инерции, именуется &quot;VU&quot;.</b></div> <div> <br /> </div> <div>Но возможен и второй выход. Как знать, может быть, со временем, когда звукорежиссёры накопят достаточный опыт, снова повторится история с волюметром, только на этот раз &quot;с точностью до наоборот&quot;?.</div> <div> <br /> </div> <div><i>Источник: журнал &quot;Звукорежиссер&quot;</i></div>

Загрузка комментариев...