Основы звукозаписи

СОДЕРЖАНИЕ

 

Вопрос №1. Акустические характеристики ударных музыкальных инструментов……………………………………………………………………3

Вопрос №2 Эффект предшествования (эффект Хааса)………………………8

Список использованных источников…………………………………………12

 

Вопрос №1. Акустические характеристики ударных музыкальных инструментов

 

Ударные инструменты —  особая группа музыкальных инструментов, в которых звук извлекается (генерируется) ударом или близким к нему движением.

Классификация ударных музыкальных  инструментов производится по различным  признакам, в частности: по виду применяемых  в них вибраторов, по используемым для них материалам, по возможности  настройки их на определенную высоту тона и т. д.

Как и во всех музыкальных  инструментах, в них можно выделить три основные части: генератор, вибратор и резонатор.

Генератором является мышечная сила музыканта, передаваемая к вибрирующему телу инструмента с помощью деревянных или металлических молотков, палочек, колотушек или языков (например, у колоколов) и т. д.

Способ возбуждения, общий  для этой группы инструментов, — удар, т.е. мгновенное приложение силы к инструменту с последующим предоставлением ему свободы. Такой способ передачи энергии приводит к созданию звуков с особой временной структурой: короткий период атаки, практически полное отсутствие стационарной части и длительная затухающая часть колебаний.

Вибраторы, используемые в  ударных инструментах, представляют собой: струны, мембраны, бруски, стержни, цилиндрические трубки, пластинки, оболочки и т. д.

Резонаторы — устройства, которые применяются в некоторых  ударных инструментах для усиления звука, имеют форму резонансных  трубок (маримба, вибрафон и др.), котлов (литавры), прямоугольных коробок (челеста) и др.

Одна из принятых классификаций  ударных музыкальных инструментов по виду вибраторов следующая:

1. мембранофоны (membranophones) — инструменты, в которых в качестве вибраторов используются тела, требующие натяжения (мембраны), — например литавры, барабаны и др;
2. идиофоны (idiophones) — инструменты, в которых вибраторами являются упругие тела, не требующие натяжения в отличие от мембран. Инструменты этой группы подразделяются на металлофоны (в которых вибраторы изготовлены из металла) и ксилофоны (материал вибратора — дерево). Форма вибраторов также позволяет классифицировать идиофоны на группы: с вибраторами в форме брусков деревянных (ксилофон, маримба и др.) или металлических (вибрафон, челеста, колокольчики и др.); трубок (трубчатые колокола); пластинок (тарелки, гонги и др.); оболочек (колокола).

Кроме того, идиофоны подразделяются на инструменты:

— настраиваемые по высоте тона — ксилофон, маримба, челеста  и др;

— ненастраиваемые по высоте тона — большой барабан, тарелки и др.;

В инструментах ударного типа в качестве звукообразующего элемента используются бруски, пластины или  мембраны, а их возбуждение осуществляется ударом пластин друг о друга, (тарелки) или ударом колотушки (ксилофон, челеста; и др.). Очень тонкие, гибкие пластины (мембраны) натягиваются на жесткие каркасы (литавры, барабаны).

Инструменты пластинчатого  типа. Ударные инструменты, в которых используются упругие бруски или пластины, делятся на инструменты с определенной частотой (ксилофон, челеста и др.) и с неопределенной частотой колебаний при большом содержании негармонических составляющих (тарелки, кастаньеты).

Динамический диапазон этих инструментов зависит от материала  пластин (их упругости, внутреннего  сопротивления), силы и характера  удара. Для разных инструментов он неодинаков. Если для тарелок диапазон очень  широк и достигает 62 дБ, для ксилофона и металлофона — 254-300 дБ, то для челесты он равен только 20 дБ.

При ударе посредине пластины, расположенной на опорах, в ней  возникают колебания, которые, считая толщину пластины малой, будут распространяться вдоль двух координатных осей х и  у. Смещение каждой точки пластины, по подобию с (2.6) для линейной системы, будет характеризоваться выражением:

а частота колебаний определится  равенством:

Из равенства (2.7) следует, что кроме основной и кратных ей частот будут еще частоты, зависящие от I и b. Это делает частотные спектры звучания ксилофона и металлофона нерегулярными, что хорошо замечается на слух.

Основные звуки ксилофона, создаваемые набором все, укорачивающихся  пластин, укладываются в диапазоне  частот 500-4500 Гц, расширяясь из-за шумов  и дополнительных тонов до 9000 Гц. Металлофон вместо деревянных имеет металлические пластины, а челеста — еще и резонаторы. Частотные диапазоны этих инструментов равны соответственно 1050-4200 Гц, 260 - 4200 Гц. Огибающие частотного спектра для тарелок и треугольника (рис. 2.19), являющихся инструментами с неопределенной частотой звучания, показывают, что каждый из них имеет много гармонических и негармонических составляющих, которые для тарелок укладываются в пределах 304-16000 Гц, а для треугольника — от 800 до 16000 Гц.

Наименьшую длительность звучания имеют деревянные инструменты  этой группы, наибольшую — металлические. Так, металлофон звучит после удара 3-4 с и последними затухают колебания с частотами 500-1000 Гц. Время послезвучания тарелок больше и особенно долго не затухают составляющие, лежащие в области 1000-4000 Гц.

Мембранные инструменты. Эта группа инструментов даже от ударных пластинчатых отличается своей большой мощностью в широким динамическим диапазоном.

Литавры — единственные инструменты этой группы, имеющие  определенные частоты звучания. Это  достигается использованием трех различных  по диаметру мембран, натяжение которых  может изменяться в процессе игры. Каждая из мембран имеет свой резонатор  в виде металлического котла. Мощность инструмента достигает 20-25 Вт, что  в два раза превосходит мощность органа и в 5 раз — мощность фортепиано. Отношение между минимальной

(рр) и максимальной (fff) амплитудами сигнала достигает 1:10000 а динамический диапазон — 80 дБ. Динамические диапазоны большого и малого барабанов, сигналы которых не имеют определенной частоты, также велики и равны 72-и 70 дБ.

Возможность настройки литавр позволяет возбуждать колебание  в диапазоне частот от 30 до 1500 Гц. Наличие же в них гармонических  и негармонических составляющих делают спектр частот крайне неравномерным, что можно заметить по кривой 1 рис. 2.20. Еще больше негармонических составляющих характерно для барабанов — большого и малого (кривые 2 и 3). Их частотные диапазоны соответственно лежат в пределах 50—6000 Гц с наибольшей интенсивностью в области 350—400 Гц и 1000—4000 Гц с максимумом вблизи частот 500—1000 Гц.

Длительность послезвучания  достигает нескольких секунд и зависит  от массы и силы натяжения мембраны.

Шумовые источники, такие, как  двигатели самолетов и автомашин, падающая вода, шелестящие листья, по своей  природе более всего похожи на ударные музыкальные инструменты. Звукообразующие элементы у этих источников — твердые или жидкие тела, возбуждаемые ударом или трением. Они создают сигналы чаще всего  негармонического типа. Уровни этих сигналов изменяются в широких пределах: от 110 дБ (мотор самолета, движущийся поезд) до

70-60 дБ (легковой транспорт)  и даже до 13-25 дБ (шум дождя и  листьев). Частотный спектр этих  сигналов также крайне разнообразен. То он приближается к спектру  «белого» шума с меняющейся  плотностью по частоте, то занимает  сравнительно узкую частотную  полосу (гудки, сирены и др.).

Вопрос №2. Эффект предшествования (эффект Хааса).

 

Анализ этой проблемы - одна из старейших тем в исследованиях  бинаурального слуха. Эффект предшествования  впервые детально описан в 1949 г., хотя о нем было известно и раньше.

В общем виде эффект предшествования  заключается в том, что в пределах определенного отрезка времени  ранее поступивший звуковой сигнал (фронт звуковой волны) доминирует в  слуховом восприятии над звуками, поступившими позднее (эхо).

Рассмотрим, например, ситуацию, когда две акустические системы  воспроизводят одинаковый сигнал одного уровня. Если слушатель находится  на определенном расстоянии от них  на средней линии, то в этом случае звук исходит из мнимого источника, находящегося между ними. Однако, если ввести задержку во вторую акустическую систему, то звук начнет перемещаться в сторону первой акустической системы. Как показал Хаас, при изменении задержки от 0 до 10 мс мнимый источник переместится и совпадет с первой акустической системой. При изменении задержки на второй акустической системе от 10 до 30 мс, звук будет казаться исходящим только из первой акустической системы (хотя вторая система будет продолжать воспроизводить звук той же интенсивности), то есть локализация будет производиться только по опережающему сигналу - в этом и состоит эффект Хааса. Звук второй системы как бы подавляется мозгом, хотя собственно слуховая система продолжает его слышать. Однако звук, приходящий от второй акустической системы, создает определенные ощущения объема.

При дальнейшем увеличении задержки от 30 до 50 мс, слушатель ощущает, что звук идет и из второй системы, хотя локализация продолжает идти на первую. Только при задержке более ~50 мс (это зависит от характера сигнала - речь, музыка и др.), ощущается звук второй системы, как эхо.

Разумеется, эти эффекты  зависят от соотношения интенсивностей сигналов, от степени их подобия  и их спектрального состава.

Это свойство бинауральной слуховой системы имеет огромное значение для оценки акустики помещения. В любом помещении слушатель  воспринимает прямой звук от источника  сигнала (певца, музыканта, лектора  и др.) и отраженные звуки от стен помещения. Отраженные звуки поступят в уши позже, и будут иметь  другое направление, чем прямой звук. Источник звука в этом случае локализуется по направлению прямого звука, а  не отраженного. Хотя отраженные звуки  и будут окрашивать, качественно  изменять слышимый звук, восприниматься будет только ранее прибывший  прямой звук. Сказанное применимо  к отраженным звукам, поступившим  только в определенном отрезке времени  после поступления прямого звука.

В реверберационном процессе можно выделить два отрезка - "ранние" дискретные отражения до 80 мс (в зависимости от типа помещения), и "поздние" отражения со временем запаздывания больше 80 мс. Эффект предшествования подавляет ранние отраженные звуки, они интегрируются с прямым звуком в единый слуховой образ, сохраняя локализацию на источник прямого звука. Однако отраженные звуки вносят свою окраску в воспринимаемый звук, они несут информацию о пространственности, интимности, ясности и других субъективных параметрах, играющих решающую роль в оценке качества звучания в помещениях. Это показали работы известного акустика Беранека, выполненные им на протяжении многих лет в лучших залах мира. Отраженные звуки имеют важное значение для определения разборчивости речи в помещениях.

Отраженные сигналы в  помещении могут восприниматься и как отдельные повторяющиеся  сигналы - эхо, при этом уровень их осознанного восприятия зависит  от времени задержки, соотношения  их интенсивностей с прямым звуком, спектрального состава сигнала, степени заполнения паузы между  приходом отраженных сигналов и др. Наличие эхо-сигналов в помещении  оказывает отрицательное влияние  на качество звучания музыки и разборчивость  речи. Взаимосвязь порогов заметности эха от времени запаздывания и интенсивности отраженных звуков для разных сигналов (речи, скрипки, органа) показана на графике.

Наиболее низкими пороги оказываются для речи: чтобы отраженные сигналы не ухудшали разборчивость  речи, необходимо, чтобы при задержке 50 мс они были ниже по уровню основного сигнала на -10 дБ, при 100 мс на -20 дБ и т.д., поэтому для повышения разборчивости речи необходимо обеспечивать высокий уровень прямого звука. Существенное влияние на пороги заметности эха оказывает спектр запаздывающих сигналов: исследования показали, что порог эха при высокочастотных сигналах ниже, чем при низкочастотных. При высокочастотных шумах, а еще в большей степени при высокочастотных импульсах, направление прихода звука распознается по бинауральной разности времени. В таких случаях (начиная с частоты 1,6 кГц) сравниваются, по-видимому, изменения огибающих сигнала за малые интервалы времени.

Наконец, влияние на пороги заметности эха оказывает направление  прихода отраженных звуков: оценка мешающего влияния отраженных сигналов на речевой сигнал показала, что  при боковом падении звука  порог эхо на 5 дБ ниже чем при фронтальном. Все эти данные особенно важно учитывать при построении систем звукоусиления, т.к. иначе это может привести к появлению сильных эхо-сигналов и потере разборчивости речи.

В помещениях, не имеющих  сильных концентраций отражений, правильная локализация на источник звука благодаря  действию эффекта предшествования  сохраняется, даже когда энергия  отражений превышает энергию  прямого звука (до определенных пределов ~10дБ). Появление мешающего эха  следует рассматривать как границу  возможностей использования эффекта  предшествования (первой волны).

В 1987 г. были опубликованы исследования Клифтона, который показал, что этот эффект является динамическим, и требует определенного времени для "обучения" слуховой системы: если в заглушенной камере установить два громкоговорителя и подать на них два коротких импульса, следующих друг за другом, то в первый момент времени слушатель воспринимает их как отдельные щелчки, затем (при повторении их со скважностью 10-12 периодов в секунду), восприятие второго импульса ослабевает и становится слышен только один импульс от первого громкоговорителя, а второй добавляет только некоторую объемность. Интересно, что если сделать небольшую паузу и повторить эксперимент, то слушатель сразу слышит один звуковой образ от первого громкоговорителя. Можно предположить, что слуховая система за период "обучения" строит определенную модель акустического пространства, создавая таким образом основу для распознавания прямых звуков от их отражений. Задача создания модели (образа) акустического пространства - важная работа, выполняемая высшими отделами нервной системы.