1.1. Работа с микрофоном

Качество записи и воспроизведения звуков реальных источников зависит от бесконечного количества факторов, но выделить основные составляющие все-таки можно и нужно:

> аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

>• цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП);

> тракт микширования и усиления звуковых сигналов;

> помещение, в котором производится запись;

> микрофон.

Не станем сейчас рассматривать первые три пункта этого перечня, о них речь пойдет ниже.

В библиотеках все еще можно найти книги [1, 17, 38, 41, 49, 67, 69], в которых перечисляются и обосновываются требования к помещениям, предназначенным для звукозаписи, приводятся варианты планировки студий, разъясняются меры, направленные на снижение уровня электрических и акустических помех. На этом вопросе мы также не станем задерживать ваше внимание, ибо, к сожалению, все подобные рекомендации стоят умопомрачительно дорого и в домашних условиях вряд ли реализуемы. Ясно одно:

живой звук с помощью микрофона надо записывать в помещении, где уровень шумов (в том числе и вызванных работающим компьютером) минимален. Правда, применение компьютерной обработки звукового сигнала позволяет частично избавиться от записанных посторонних звуков и шумов, что оставляет некоторую надежду на получение терпимого (для демо-версий) качества записи, выполненной в необорудованном помещении. Желательно также, чтобы уровень звуков, отраженных от стен и предметов обстановки, был минимальным. Общеизвестно, что для этого следует оборудовать помещение звукопоглощающими материалами. В работе [38] для этих целей рекомендуется использовать ковры.

Запись звука с микрофона при наличии перспективы дальнейшей обработки с помощью редакторов класса Cool Edit с точки зрения распределения уровней и времени реверберации звуковых волн смягчает требования к помещению студии. Не следует заботиться столь же тщательно, как и при аналоговых методах обработки записываемого сигнала, о том, чтобы помещение студии обеспечивало заданную естественную реверберацию. Пусть лучше отраженные сигналы совсем не попадают на микрофон. Звуковые редакторы позволяют имитировать акустические свойства практически любых помещений.

Из перечисленных выше элементов, влияющих на качество записи звука, сначала мы рассмотрим микрофон. Микрофон может не только ослабить влияние недостатков помещения, но и сделать их еще заметнее.

1.1.1. Микрофоны и их основные параметры

Работ, в которых рассказывается о принципах действия микрофонов различного типа, их характеристиках и применении довольно много. Вот только некоторые: [1, 17, 38, 75]. Однако большинство из них изданы относительно давно и к настоящему времени стали малодоступны. Когда эти книги издавались, проблема выбора микрофона существовала лишь теоретически. Ныне ситуация противоположная: микрофонов в ярких упаковках сколько угодно в любом ларьке с радиотехническим уклоном, не говоря уж о специализированных магазинах. Глаза разбегаются. Что выбрать? Давайте разберемся в этом, не слишком глубоко вдаваясь в технические аспекты.

Принцип действия микрофона заключается в преобразовании звуковых колебаний в электрические таким образом, чтобы содержащаяся в звуке информация не претерпевала заметных изменений. Для этого микрофон должен отвечать следующим требованиям:

> при рабочих уровнях звука микрофон должен вырабатывать электрический сигнал, в достаточной мере превышающий уровень собственных электрических шумов;

> вырабатываемый сигнал не должен иметь существенных искажений;

?• микрофон должен практически без изменений передавать все звуковые частотные составляющие, содержащиеся в сигнале в пределах частотного диапазона аппаратуры, к которой он подключен.

Микрофоны отличаются по способу преобразования колебаний звукового давления в колебания электрические. С этой точки зрения различают электродинамические, электромагнитные, электростатические, пьезоэлектрические, угольные и полупроводниковые микрофоны. Электродинамические микрофоны делятся на катушечные и ленточные. К электростатическим микрофонам относятся конденсаторные и электретные, широко используемые в профессиональных целях. Электромагнитные и пьезоэлектрические микрофоны не получили распространения в звукозаписи из-за узкого частотного диапазона и неравномерной частотной характеристики. Последние две группы микрофонов — угольные и полупроводниковые — из дальнейшего рассмотрения можно смело исключить, так как принципы их действия не обеспечивают выполнения ни одного из требований, предъявляемых к микрофонам для звукозаписи.

Принципы действия микрофонов различных типов объединяет способ преобразования звуковых колебаний в электрические: мембрана (диафрагма) микрофона воспринимает и передает колебания звукового давления элементу, осуществляющему их преобразование в электрический сигнал.

Общее представление об устройстве микрофонов, часто используемых для высококачественной звукозаписи можно получить из рис. 1.1—1.3.

Принцип действия электродинамических микрофонов заключается в преобразовании колебаний звукового давления в механические колебания диафрагмы и связанной с ней катушки индуктивности (в катушечных микрофонах) или

ленты (в микрофонах ленточных) в магнитном поле постоянного магнита. Это приводит к возникновению в катушке или ленте э.д.с. самоиндукции, в изменении которой и заложена информация.

Конденсаторные микрофоны требуют внешнего источника питания. Жестко натянутая мембрана под действием изменяющегося звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Эти два элемента составляют конденсатор, являясь его обкладками. При колебаниях мембраны емкость конденсатора изменяется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток, пропорциональный звуковому сигналу.

Электретные микрофоны по принципу действия не отличаются от конденсаторных, однако эффективность преобразования сигнала в них выше, т. к. напряжение на обкладках конденсатора обеспечивается не только обычным внешним источником, но и электрическим зарядом мембраны или неподвижного электрода. Материал этих элементов обладает электретным свойством — способностью сохранять заряд длительное время.

К основным характеристикам и параметрам микрофонов, определяющим их качество, относятся следующие:

> Чувствительность — отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению.

> Динамический диапазон — разность между уровнями предельного звукового давления и собственных шумов.

> Рабочий частотный диапазон. > Частотная характеристика (ЧХ).

> Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона от угла между его акустической осью и направлением на источник звука.

Важными параметрами микрофона являются также уровень собственных шумов и выходное сопротивление. Очевидно, хороший микрофон должен быть малошумящим. Выходное сопротивление микрофона должно соответствовать входному сопротивлению аппаратуры, к которой он подключен.

Вообще говоря, без учета условий применения при решении конкретных задач нельзя утверждать, что микрофон с теми или иными характеристиками хуже или лучше. Не для всех параметров также справедливо утверждение:

«Чем значение выше, тем лучше».

Например, микрофон с высокой чувствительностью хорош в подслушивающем устройстве для записи звука с большого расстояния. Но тот же микрофон малопригоден в руке солиста, поющего в сопровождении оркестра, т. к. он будет воспринимать не только голос певца, но и искаженные при распространении звуки музыкальных инструментов. Для правильной передачи звучания басовых музыкальных инструментов не обязательно использовать микрофон с высокой верхней граничной рабочей частотой. Хотя, чем шире рабочий диапазон частот (чем меньше нижняя и больше верхняя граничные частоты), тем универсальнее микрофон.

Одним из важнейших показателей при выборе микрофона является характеристика его пространственной направленности. Графически ее изображают в полярных координатах в виде диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

По виду характеристики направленности микрофоны делят на три основных типа: ненаправленные, двусторонне и односторонне направленные.

В первом приближении считается, что ненаправленные микрофоны одинаково воспринимают звук с любого направления. Рабочей областью ненаправленного микрофона является сфера, а его диаграмма направленности представляет собой окружность, как это показано на рис. 1.4, а.

Рис. 1.4. Виды характеристик направленности микрофонов

Двусторонне направленные микрофоны обладают одинаковой чувствительностью как с фронтальной, так и с тыльной стороны. Диаграмма направленности напоминает цифру «8» (рис. 1.4, б)

Односторонне направленные микрофоны чувствительны только к звуковым волнам, приходящим с фронтального направления. Их диаграмма направленности представляет собой кривую, носящую название «кардиоида» и действительно напоминающую сердечко (рис. 1.4, в).

Кроме направленных микрофонов, существуют еще и остронаправленные. На рис. 1.4, г показана диаграмма направленности такого микрофона, описываемая суперкардиоидой.

Обратим ваше внимание на то обстоятельство, что представленные на рисунках диаграммы направленности идеализированы. Важно понимать, что реальные характеристики направленности близки к этим идеализациям только в пределах узкого диапазона частот. Особенно сильно сказывается зависимость вида диаграммы направленности от частоты для ненаправленных микрофонов. Чем выше частота, тем меньше телесный угол, в пределах которого ненаправленный микрофон воспринимает звуковые волны.

На рис. 1.4, кроме идеализированных диаграмм направленности, представлены реальные характеристики направленности соответствующих микрофонов в рабочем диапазоне частот.

Пренебрежение подобными реалиями может привести к грубым ошибкам. Например, если запись группы вокалистов производится одним ненаправленным микрофоном, то исполнителей с более высокими голосами следует размещать так, чтобы микрофон был нацелен на них фронтальной стороной. В противном, случае, будет нарушено соотношение громкостей и отдельные голоса будут подвержены амплитудно-частотным искажениям.

Изделия фирм, уважающих себя и покупателей, снабжаются паспортами, в которых приводятся диаграммы направленности для нескольких частот, подобные приведенным в качестве примера на рис. 1.5 для динамического (МД-78) и на рис. 1.6 для электретного (МКЭ-2) микрофонов.

Рис. 1.5. Диаграмма направленности микрофона МД-78

Рис. 1.6. Диаграмма направленности микрофона МКЭ-2

Наряду с диаграммой направленности, другой не менее важной характеристикой микрофона является его частотная характеристика. Принципиальным требованием к частотной характеристике является ее равномерность. Чем равномернее ЧХ микрофона, тем правильнее он передает тембр голоса певца или инструмента. При использовании микрофона в системе звукоусиления концертного зала неравномерность ЧХ микрофона является одной из причин возникновения неприятного для ушей публики эффекта — самовозбуждения акустической системы.

На рис. 1.7 и 1.8 в качестве примера представлены ЧХ микрофонов МД-78 и МКЭ-2. По оси абсцисс отложено значение частоты в герцах, а по оси ординат — чувствительность микрофона в логарифмических единицах (децибелах).

^..яб

Рис. 1.8. Частотная характеристика микрофона МКЭ-2

На рис. 1.8 показана зависимость чувствительности микрофона МЭК-2 от частоты для фронтального (0°) и противоположного ему тылового (180°) направлений.

Из рис. 1.7 видно, что осевая частотная характеристика микрофона МД-78 сильно зависит от расстояния, на котором микрофон находится от источника звука. Сравнивая рис. 1.7 и 1.8, можно сделать вывод о том, что ЧХ электрет-ного микрофона существенно равномернее ЧХ микрофона динамического.

Небольшую неравномерность ЧХ можно до некоторой степени скорректировать при обработке сигнала многочастотными узкополосными фильтрами с управляемыми параметрами — эквалайзерами. Такие фильтры, реализованные программным способом, имеются в составе звуковых редакторов.

1.1.2. Рекомендации по применению микрофонов

При выборе микрофона следует учитывать как всю совокупность его технических характеристик, так и условия записи, поэтому конкретные рекомендации дать довольно трудно. Однако общие правила выбора микрофона все же существуют [38].

Ненаправленный микрофон можно применять при записи пения и музыки в сильно заглушенном помещении. Его же следует использовать для передачи общей акустической обстановки при многомикрофонной записи.

Односторонне направленный микрофон с характеристикой типа «кардиоида» желательно применять при записи в помещении с большим количеством звуковых отражений. Применяют его и в том случае, когда в помещение, где проводят запись, проникают посторонние шумы. Микрофон следует устанавливать тыльной стороной к источнику звуковых помех. Такой микрофон рекомендуется использовать при широком фронте размещения исполнителей. Этот микрофон применяют при маловероятной в любительских условиях многомикрофонной записи для четкого разделения групп исполнителей, а также при размещении исполнителя близко к микрофону, чтобы снизить низкочастотные искажения, присущие в этом случае ненаправленному и двусторонне направленному микрофонам.

Двусторонне направленный микрофон с диаграммой типа «восьмерка» следует применять при записи в заглушенном помещении, когда необходимо увеличить относительный уровень переотраженных сигналов, а также при записи отдельных музыкальных инструментов и певцов для выделения низких частот в условиях близкого размещения, исполнителей у микрофона. Используют такой микрофон и в том. случае, когда необходимо отстроиться от направленных источников шума. Для этого микрофон ориентируют зоной нулевой чувствительности к источнику шума. Двусторонне направленный микрофон, сориентированный в горизонтальном направлении, оказывается полезным для ослабления звуковых волн, отраженных от пола, потолка и боковых стен помещения. Это позволяет применить акустическую обработку только двух стен: за исполнителем и напротив него.

В помещениях с жесткими параллельными ограничивающими поверхностями (полупустых комнатах с необработанными в акустическом отношении стенами) могут возникнуть так называемые стоячие волны. Стоячие волны представляют собой собственные колебания в объемном резонаторе, в роли которого выступает помещение с недостаточным затуханием звуковых колебаний. Частоты стоячих волн связаны с размерами помещения. Собственные акустические колебания возникают на частотах, при которых тот или иной размер помещения оказывается кратным половине длины волны. В прямоугольном помещении возможно одновременное существование множества стоячих волн кратных частот (мод колебаний). Скорость распространения звука составляет около 330 м/с, поэтому вдоль того измерения помещения, которое составляет, например, 3 м, возникнут собственные акустические колебания с частотами 55, 110, 165 Гц, и т. д. Наибольшей интенсивностью характеризуются самые низкочастотные моды. По мере увеличения частот собственных колебаний их амплитуды уменьшаются. Поэтому в помещении, имеющем большие высоту, ширину и длину, стоячие волны проявляют себя слабее, ведь частоты наиболее интенсивных мод оказываются ниже нижней границы частотного диапазона микрофона. Влияние стоячих волн заключается в искажении спектрального состава записываемого сигнала. В различных точках помещения амплитуды собственных резонансных частот оказываются различными, поэтому тембр одного и того же источника звука зависит отточки расположения микрофона. Особенно сильно резонансные свойства помещения и неравномерность частотной характеристики микрофона проявляются тогда, когда источник звука формирует широкополосный сигнал, способный возбудить колебания практически на любых резонансных частотах. Это характерно для некоторых ударных инструментов. При записи же речи и пения может происходить неестественное подчеркивание свистящих и шипящих согласных: с, х, т, ц, щ.

На рис. 1.9 схематично показаны источник звука (И) и микрофон (М). Взаимное расположение микрофона и источника звука определяется тремя параметрами:

> углом а между прямой, проходящей через источник звука и микрофон, и акустической осью микрофона;

> характеристикой направленности источника звука (углом (3 между прямой ИМ и акустической осью источника звука);

> расстоянием между источником звука и микрофоном L.

Все музыкальные инструменты по характеристикам направленности можно разделить, хотя и довольно условно, на три группы:

?" инструменты, обладающие выраженной направленностью, например, медные духовые инструменты;

> инструменты, не обладающие заметной направленностью, к ним относятся ударные;

> инструменты, занимающие промежуточное положение между первыми двумя группами. Эта группа инструментов наиболее многочисленна.

Параметры а, р и L (рис. 1.9) определяют уровни сигналов, приходящих к микрофону, тембры источников звука, соотношение между уровнями полезного и мешающих сигналов. При повороте микрофона вокруг своей оси и увеличении угла а из-за отличия формы диаграммы направленности от круговой происходит изменение уровня записываемого сигнала. Аналогичным образом влияет и увеличение угла р. Изменение любого из этих двух углов приводит к завалу высших частот, что сказывается на тембре записываемого звука. Особенно сильно это проявляется в заглушенных помещениях и в случаях, когда расстояние L мало, т. к. основное значение имеет прямой звук, энергия которого в точке М меняется значительно. При больших L или при использовании гулкого помещения доля отраженных звуковых волн, попадающих в микрофон, достаточно велика, и поэтому частотные искажения менее заметны. Для ленточного микрофона, у которого характеристика направленности почти не зависит от частоты, изменение угла а не приводит к частотным искажениям. Наилучшие условия для записи будут в том случае, когда ее = 0 и р = 0.

При записи с нескольких микрофонов необходимо заботиться об их фазиро-вании: сигналы с микрофонов не должны попадать в тракт записи в противо-

фазе, т. к. это может привести к взаимной их компенсации вплоть до полного исчезновения.

Без заметного искажения тембра, вызванного интерференцией прямого и отраженного сигналов, микрофон можно приближать к какой-либо отражающей поверхности на расстояние, составляющее величину не менее 1—1,5 м.

Все усилия по повышению качества записи могут оказаться напрасными, если не соблюдать очевидных правил. Одной из распространенных ошибок является ручное использование микрофона. Его можно считать оправданным только при записи голоса исполнителя, находящегося в движении. Ручное использование микрофона требует большого опыта. Наблюдая по телевизору певцов, едва ли не жонглирующих микрофоном, знайте, что в большинстве случаев вы слышите не «живое» исполнение, а фонограмму. Большинство исполнителей, получивших в руки микрофон, не умеют правильно им пользоваться. Наиболее частыми ошибками являются использование микрофона на слишком близком расстоянии, излишне резкие и ненужные движения им, движение пальцев, охватывающих микрофон. В крайнем случае, с этим можно смириться при однократном «живом» исполнении, но никак не во время сеанса записи.

Микрофон следует надежно закрепить с помощью эластичного материала на стойке с «журавлем», ножки которой также должны быть снабжены амортизаторами, предотвращающими воздействие на микрофон помех (ударов, вибрации), распространяющихся по стенам и полу помещения.

Сигнальный кабель должен быть экранированным, соединения должны быть надежными, рядом с кабелем не должны располагаться источники мощных помех.

Микрофон и музыкальные инструменты

При дополнении композиций, записанных в исполнении синтезированных MIDI-инструментов, записями партий реальных музыкальных инструментов необходимо представлять себе особенности их звучания [40]. Это поможет верно выбрать тип микрофона, определить наилучшее взаимное расположение микрофона и музыкального инструмента, а также избежать искажения его натурального звучания.

Важнейшая характеристика любого музыкального инструмента, наиболее существенно влияющая на выбор микрофона, — частотный диапазон звучания. На рис. 1.10 представлены диапазоны звучания различных музыкальных инструментов [16, 38]. Цифры в верхней строке — логарифмическая шкала частот в герцах. Для наглядности эти данные приведены в сравнении с частотным диапазоном фортепиано, который простирается от звука «ля» суб-контроктавы (частота 27,5 Гц) до звука «до» пятой октавы (частота 4 186 Гц). Важно знать, что кроме спектра основных частот, каждый инструмент характеризуется дополнительными частотными составляющими — обертонами.

Рис. 1.10. Частотные диапазоны некоторых музыкальных инструментов

Частотные диапазоны обертонов инструментов показаны на рисунке серыми полосами. Особое звучание того или иного инструмента определяется распределением амплитуд всех частот — и основных, и обертонов.

Относительная мощность звуковых колебаний, излучаемых инструментами в различных участках частотного диапазона неодинакова. Большинству музыкальных инструментов присуще усиление основных частот или обертонов в определенных относительно узких полосах частот. В таких случаях говорят о наличии формант в спектре частот инструмента. Объясняется это резонансными свойствами элементов конструкции музыкальных инструментов. Для каждого инструмента формантные области занимают свои специфические

Компьютерному музыканту о звуке______________________________27

положения на оси частот. Частоты формантных областей составляют, например, для кларнета 250 — 600 Гц, для тромбона 300 — 900 Гц, для саксофона 350 — 900 Гц.

Музыкальные инструменты отличаются и силой, звучания. Пиковые мощности звучания инструментов составляют: 25 Вт для большого барабана, 12 Вт для малого барабана, 6 Вт для тромбона, 0,4 Вт для фортепиано, 0,3 Вт для саксофона, 0,05 Вт для кларнета. Учитывать различия в этих цифрах необходимо для того, чтобы при записи верно передать баланс уровней громкостей инструментов, а также для правильного выбора расстояния L и чувствительности микрофона, исключающего нелинейные искажения, вызванные перегрузкой микрофона и усилительного тракта.

Наряду с абсолютным параметром — силой звучания — музыкальные инструменты характеризуются также динамическим диапазоном звучания: отношением мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении «фортиссимо» (максимальная громкость), к мощности звука при игре «пианиссимо» (минимальная громкость). Динамический диапазон D звукового сигнала принято измерять в децибелах: D = 201g(P,nax/Pmin)i где Рщах и Pmin—максимальное и минимальное звуковые давления. В практических целях при определении динамического диапазона источника звука используют уровни звукового давления, вычисляя их разность. Например, максимальный уровень звучания рояля составляет 80 дБ, а минимальный — 35 дБ, то говорят, что его динамический диапазон составляет 80 — 35 = 45 дБ. При этом 80 и 35 дБ — это уровни звукового давления относительно условного нулевого акустического уровня (порога слышимости). В табл. 1.1 приведены параметры, характеризующие динамический диапазон некоторых источников звука.

Таблица 1.1. Динамические диапазоны источников звука