Современная электроакустика представляет собой наиболее развитую научно-техническую дисциплину, занимающуюся всем комплексом вопросов, связанных с преобразованиями сложных звуковых сигналов, в первую очередь. музыкальных.
Её технической целью, как заявлено в стандартах на электроакустическую аппаратуру, является формирование системы объективных параметров качества и определение допустимых границ отклонений этих параметров в преобразованных сигналах в соответствии с психофизиологическими порогами заметности отличий акустических сигналов. Эта техническая цель считается эквивалентной конечной потребительской цели — сохранению качества звучания трактов, оцениваемого методом субъективной экспертизы.
О линейных и нелинейных искажениях звуковых сигналов
В роли критериев качества преобразований выступают статистически выявленные абсолютные психофизиологические пороги различий воспринимаемых сигналов. Выстраиваемая таким образом логика объективного подхода к сигналам, воспринимаемым исключительно субъективно, видится совершенно безупречной. Однако этой тактике действий необходим минимальный набор взаимно независимых (ортогональных — на языке математики, или параметрически независимых — на языке физики) параметров качества, который будет заведомо достаточен для полноценной и однозначной оценки качества.
Этот набор параметров в электроакустике диктуется “слуховым законом Ома”. А согласно этому закону, считается, что гармонический спектр, известный всем со школьных лет по учебникам под термином тембр, исчерпывающе представляет всю полноту информации, заведомо достаточной для распознавания содержательного смысла передаваемых звуковых сигналов, индивидуальных свойств источников, акустических особенностей условий прослушивания и эмоционального фона исполнения.
При этом полнота передачи всех деталей распознавательных признаков реальных сигналов, при отсутствии искусственных дополнений, должна обеспечить естественность, эффект присутствия и невольное вовлечение слушателей в прослушивание сакральной (задуманной автором, интерпретаторами и исполнителями) основы произведений искусства.
Поэтому считается, что задача сохранения всех существенных распознавательных признаков информационных сигналов должна сводиться к повторению их гармонических спектров в пределах ощущения спектральных различий сигналов, вызванных влиянием техники их регистрации, обработки, хранения, передачи и воспроизведения.
Сохранение распознавательных признаков оценивается по отклонениям амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а дополнения — по коэффициенту гармонических искажений. Эти спектральные параметры общепринято представлять графически в виде, показанном на рис. 1.
Именно поэтому вся стандартизация, терминология и метрология этой сферы — спектральные, а статистически выявленные психофизиологические пороги ощущения именно спектральных различий сигналов стали пороговыми критериями качества. Эти представления воплотились в стандарты, которые, как ни старались разработчики, ограничились только минимальными техническими требованиями к аппаратуре, получившей специальное название категории High Fidelity (Hi-Fi).
Именно для такой аппаратуры в 70-х годах в Германии был сформирован комплекс стандартов DIN 45500, послуживший основой для разработки международных рекомендаций МЭК [1. 2]. Но последовавшая мировая практика широкомасштабной реализации этих рекомендаций в аппаратуре высококачественного звуковоспроизведения выявила их недостаточность и неполноту критериев качества воспроизведения через высококлассную аппаратуру. Разработчики профессионального оборудования предположили проявление взаимного усиления заметности искажений (синергию) в системе параметров, считавшихся параметрически независимыми.
Поэтому казалось вполне целесообразным ужесточить все существующие критерии качества в несколько раз [2]. Стандартные поля допусков показаны на рис. 2 для амплитудно-частотных характеристик аппаратуры категории Hi-Fi (голуб.) и для профессиональной аппаратуры (красн.). На рис. 3 показаны поля допусков суммарного характеристического коэффициента нелинейных (гармонических) искажений.
Принятое допущение нельзя считать вполне корректным, так как по определению независимые параметры не могут влиять друг на друга. Да и сколь-нибудь четких представлений о достаточности меры ужесточения требований у специалистов не было, поэтому они опирались не столько на критерии качества, сколько на предельные возможности изготовителей и на отдельные прецеденты удачного опыта. Впрочем, так как это были требования только к одному из звеньев цепи преобразований, определённая логика в этом всё же была.
Кстати, такая стратегия поведения оказалась весьма характерной и для других сфер приложения электроакустики. Если объективные критерии качества, диктуемые научной концепцией дисциплины, не достигают конечной цели своего обоснования. инженерия начинает действовать по общему принципу чиновника. политика или администратора: “Если не знаешь границ целесообразности и не имеешь соображений по их определению, обещай и делай все, что можешь, в сторону улучшения ситуации, невзирая на затраты сил и средств, так как проверить эффективность твоих мероприятий невозможно, да и некому”.
Понятно, что отсутствие действенных критериев качества не позволяет в такой стратегии ни говорить, ни обеспечивать оптимальность затрат сил и средств, что является экономическим критерием состоятельности научной основы инженерной деятельности в сфере ответственности любой отраслевой дисциплины. К тому же, несмотря на радикальное ужесточение норм параметров качества для профессиональной техники звукового контроля. режиссуры и мастеринга, остались слышимые специфичные различия.
Интересно отношение к этой специфике профессионального эксперта Александра Гапона: “Контрольные мониторы должны выполнять функцию микроскопа, гипертрофирующего микроскопические недостатки создаваемых фонограмм, доводя их до невозможности не заметить и не отреагировать на них соответствующими действиями для компенсации или для повторной записи с учётом неудачного опыта”.
Но всю эту вынужденную тактику следует понимать как невольную констатацию ситуации, в которой научно обоснованная и поэтому теоретически неизбежная корреляция требуемого субъективного качества звучания с объективными параметрами того же самого качества почему-то так и не смогла найти подтверждения на практике [3].
Вот что пишут об этой ситуации производители компьютерного измерительного оборудования широкого применения, делая при этом выводы, совершенно противоположные смыслу их же системообразующих утверждений: “Итак, графики АЧХ получены. Что можно сказать, подробно изучив их? На самом деле сказать можно много, но оценить однозначно систему по данным зависимостям невозможно”.
Мало того, что АЧХ не очень информативная характеристика, требуется ещё целый ряд дополнительных измерений, например, импульсной характеристики, переходной характеристики, кумулятивного затухания спектра и др. Но даже по этим исчерпывающим зависимостям дать однозначную оценку акустической системы довольно сложно.
Веским доказательством тому может служить официальное заявление Audio Engineering Society (AES), опубликованное в журнале Общества в 1994 г., что “субъективная оценка просто необходима для получения полного представления об акустической системе в сумме с объективными измерениями.
Иными словами, человек может слышать некий артефакт, а понять. откуда он берётся, можно, лишь проведя ряд точных замеров. Иногда измерения помогают выявить несущественный недостаток, который запросто может проскользнуть мимо ушей при прослушивании, и “поймать” его можно, только акцентировав свое внимание именно на этом диапазоне” [4].
Просто удивительна гибкость логики авторов, при которой суммарное качество звучания, оцениваемое субъективно. не может быть представлено интерпретацией объективных измерений, но отдельные, несущественные для этого качества объективные параметры могут быть выявлены только измерениями, так как запросто могут проскользнуть мимо ушей при прослушивании.
Хотелось бы спросить этих просветителей: а кому же тогда нужны некие аспекты параметров качества, если они неуловимы на слух, но выявляются измерениями? Впрочем, ответ заранее ясен — они понадобились рекламе, прямое предназначение которой на глазах теряет свое научное обоснование и прикладной смысл.
В поисках новых критериев качества
Многократно предпринимавшийся во всём мире настойчивые и разнообразные попытки дополнить установленную стандартами номенклатуру спектральных критериев качества недостающими характеристиками успехом так и не увенчались. Было перепробовано практически всё возможное: расширение полосы воспроизводимых частот
громкоговорителей в ультразвуковой диапазон (вплоть до 135 кГц), нормирование фазово-частотных характеристик (ФЧХ) и группового времени задержки (ГВЗ) сигналов через выработку критериев заметности (рис. 4), варьирование крутизны разделительных фильтров многополосных АС, демпфирование и раздемпфирование полосовых излучателей, пространственное разнесение и осевое совмещение полосовых излучателей и тому подобное.
Успеху дела не смогли поспособствовать даже такие радикальные меры, как новые варианты спектральных представлений сигналов: вокодерное воспроизведение, кепстральный, секвентный и вейвлетный виды анализа сигналов и их последующего синтеза [5—7]. Ситуация стала совершенно парадоксальной, когда в 90-е годы пришлось обратить внимание на явное влияние на качество звучания не только элементов тракта с ограниченным частотным диапазоном и невырожденными ФЧХ, но и коммутаторов, и даже соединителей, чьи свойства (вплоть до нескольких мегагерц) заведомо не имеют спектральных и фазовых особенностей, как и дисперсии группового времени задержки.
В придачу к этому выявилось различие специфики звучания в зависимости от направления включения конкретных межблочных кабелей в конкретном тракте. Возможные некорректности постановки экспертиз были исключены международной унификацией органолептических процедур в 80-е годы, в которой и автору довелось принять посильное участие [2].
Спектральные критерии качества звучания оказались принципиально неспособными объяснить эти отличия, не говоря уже о сознательном использовании совершенно непредсказуемо проявляющихся эффектов в главных целях повышения не стандартизованных параметров качества, а самих потребительских свойств конечного продукта трактов аппаратуры – естественности звуковоспроизведения.
Мистическое сохранение слышимых различий качества звучания в аппаратуре с заведомо запороговыми параметрами в 90-х годах привела отрасль аудио к закономерному появлению полностью субъективной категории качества звучания аппаратуры — High End (Hi-End). Отвечая на этот вызов потребительского рынка, в стандарты качества звучания была введена субъективная экспертиза (6). Но дополнение стандартов с научно обоснованными объективными параметрами функционального качества ещё и субъективной экспертизой привело к бескомпромиссной конкуренции двух принципиально различных оценок продукции одного и того же качества.
Эта борьба приоритетов взаимоисключающих методик вместо инвариантности результата в виде дополнительного подтверждения и уточнения оценки, полученной разными путями, полностью обесценила все результаты объективной оценки качества, ради которой эти стандарты и создавались, преследуя исключение факторов субъективности, вкусовщины и нестабильности любой органолептической оценки.
Если для бытовых потребителей и звукорежиссёров при этом и осталась возможность выбора аппаратуры на слух путём сравнительного прослушивания, то разработчики, создающие и совершенствующие аппаратуру, просто лишились критериальной основы своей созидательной деятельности, заключающейся в расчётном синтезе нужных потребительских качеств создаваемой техники.
Как ни покажется удивительным, ключ к переосмыслению представлений о качестве преобразований сигналов был получен ещё в канун Второй мировой войны, но военно-политические обстоятельства не позволили осознать всю глубину смысла этого открытия и воспользоваться им в надлежащей мере. Инженеры магнитной звукозаписи в Берлине после случайного открытия высокочастотного подмагничивания, резко повысившего качество записи, активно экспериментировали с фонограммами на магнитных лентах.
Они пользовались магнитофонами и лентами как “лупой времени” для фрагментации и препарирования элементов звуков, при ускорении или замедлении скорости протягивания и обращении её направления вспять. Оперируя ножницами, клеем, скоростью и направлением протягивания магнитофонной ленты мимо головки воспроизведения, они обнаружили весьма парадоксальный эффект: удаление начальных переходных процессов, позже названных атакой звуков, “не позволяет идентифицировать даже вид инструмента”, сохраняя при этом тональность и мелодию.
Так впервые приоткрылась особо приоритетная роль атаки звуков в распознавании индивидуальных особенностей звуков и их источников. Эта работа выполнялась инициативным техническим персоналом, обслуживавшим новую технику, а не научными работниками (что чаще всего и происходило с электроакустиками). Международная обстановка во время
Второй мировой войны явно не способствовала ни публикациям, ни вниманию мировой научной общественности к удивительным результатам этих наблюдений. Поэтому они так и остались на уровне преданий с неясной достоверностью.
Прошло много лет, и этот исторический факт наконец-таки в начале 80-х был удостоверен в научной монографии Вольфганга Анерта — человека, успевшего за эти годы стать признанным мировым лидером в архитектурной акустике [8]. Однако, когда в 90-е годы на Международной выставке высококачественной аудиоаппаратуры в Москве были получены заказанные авторские экземпляры новой книги В. Анерта по архитектурной акустике, то в них уже не было упоминания об этих наблюдениях.
В 2002 г. на встрече с автором книги на конференции AES по практике архитектурной акустики выяснилось, что сам В. Анерт, как человек, воспитанный в духе безусловного уважения к существующим теоретическим основам отраслевой дисциплины, не склонен придавать этим фактам должного значения и продолжает считать спектральные представления вполне достаточными для всех нужд инженерной практики.
Для иллюстрации на рис. 5 представлена типовая огибающая реальных музыкальных сигналов с условным разделением функционально, математически и физически различных её частей, а на рис. 6 показана реальная сигналограмма скрипки на ноте “До” первой октавы.
Примерно тогда же, когда факты особой роли атаки в звуках стали научными, представления о существенно меньшей (иногда ничтожной) информационной роли детерминированных сигналов, к которым относятся все периодические, вошли во вводную, терминологическую часть небольшого научного труда нашего замечательного соотечественника М. М. Айзинова [9].
К глубокому сожалению, широкому кругу акустиков о нем почти ничего не известно. Даже краткое ознакомление с названиями его трудов, созданных в Ленинградском высшем инженерном морском училище имени адмирала Макарова, невольно вызывает неподдельное восхищение и острое желание ознакомиться с ними во всех подробностях. Похожие идеи о важнейшей роли переходных процессов в информационных сигналах выдвинул и автор секвентного анализа Н. F. Harmuth (10).
Но и после этого новые подходы в теории не получили должной систематизации, обобщения и соответствующего развития. Казалось бы, что теперь сформировалось всё необходимое для разрешения сложившегося положения. Но оказывается, что терминологической базы и должного математического аппарата для сравнения сигналограмм атак звуков, как и алгоритмов бионической обработки сигналов, в современной физике и её математике, к сожалению, нет.
И причины этого отсутствия носят не локальный, частный, узкий дисциплинарный, несущественный и малозначащий, а общий характер, сложившийся исторически. Поэтому должного значения ему не придаётся, и это системное упущение фундаментального уровня не осознаётся в должной мере во всем естествознании.
Не составляет труда заметить, что весь арсенал уравнений, матриц и операторов, сверток и комплексных передаточных функций обычно описывает установившиеся процессы, в то время как все истинные физические события и наиболее информационно содержательные части реальных сигналов — это переходные процессы, происходящие между описываемыми установившимися состояниями.
В акустике особая ситуация: в ней принципиально нет статического поля сил, и поэтому все определения акустического поля нарочито искусственны и малопродуктивны. Они вынуждены оперировать только акустическими возбуждениями, распространяющимися от источника. Установившиеся же состояния в акустике вырождены и именно потому, по мнению автора, как и вышеприведённых исследователей, информационно ничтожны для слуха.
Установившиеся колебательные состояния содержат только детерминированные признаки источников сигналов не индивидуального, а общего характера. Это позволяет нам записать на бумаге партитуру и слова вокальной партии, настроить инструменты оркестра в единую тональность, а солистам и хору — петь в тон, лад. гармонию, полифонию или какофонию.
Индивидуальные же распознавательные признаки информационных сигналов (и не только акустических), преимущественно заключены в начальных переходных процессах. А сигналограммы переходных процессов, в силу своей недетерминированности, принципиально нельзя разложить на счётное число гармоник, даже не поднимая проблематику возможностей для однозначности такого разложения.
Даже предельные научные средства — интеграл Фурье или комплексная передаточная функция — не могут помочь на переходных процессах, несмотря на то что их измеряют на импульсных сигналах. Дело в том, что в силу спектральной концепции и аналитичности используемой математики, их итогами являются лишь гармонические спектральные характеристики объекта, соответствующие установившимся колебательным состояниям.
Наука, образно выражаясь, с помощью этих средств занимается “стрельбой из ядерной пушки по воробьям, случайно оказавшимся в зоне поражения”.
О линейных и параметрических искажениях
Следует отметить, что в электроакустике, кроме амплитудной линейности, оцениваемой через коэффициент гармонических искажений, введено еще и необычное для физиков, как, впрочем, и для лингвистов, составное понятие из, казалось бы, взаимоисключающих терминов — линейные искажения, измеряемые через отклонения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) устройств. В чем же тут проблема, и существует ли она на самом деле?
Гармонические искажения определяются степенью постоянства коэффициента преобразования, его независимостью от величины преобразуемого сигнала и от присутствия других преобразуемых сигналов любой формы и их динамических “хвостов” последействий. Но можно ли. в принципе, допустить параметрическую зависимость важнейшего объективного функционального свойства для конкретного высоко-линейного устройства его коэффициента преобразования — от частоты преобразуемого им поступающего сигнала?
Что же будет в условиях одновременного преобразования сигналов с составляющими разных частот, на которых преобразование проявляет вариативность? Ведь тогда неизбежна интермодуляция, связанная с неаддитивностью системы. Сигнал суммы составляющих сигналов должен преобразовываться в сумму преобразований каждого из сигналов. Но каким же при этом должен быть коэффициент преобразования системы для каждого мгновенного значения суммарного сигнала?
Возникает проблема принципиальной неинвариантности преобразователей относительно времени — зависимости результата преобразования данного сигнала от наличия других сигналов. т. е. параметрического влияния преобразуемых сигналов и их предыстории на коэффициент преобразования системы.
Ведь гармоническое представление периодических сигналов возможно только на установившихся стадиях, а на переходных стадиях спектр сигналограммы непрерывен, динамически переходя в процессе установления к совокупности быстро меняющихся во времени амплитуд частотного спектра с синхронными им фазовыми соотношениями.
Даже современные трехмерные представления такой совокупности динамически меняющихся синхронных количественных параметров совершенно невозможно ни осознать, ни представить единым графиком, ни интерпретировать. Более того, неизбежные продукты неадекватности электроакустического преобразования в АС существенно влияют на воспроизведение этих динамических процессов.
Так, на рис. 7 приведена иллюстрация кумулятивного спектра одной среднечастотной динамической головки; отклик же широкополосной АС на одиночный импульс длительностью 1 мкс длится до пары сотен миллисекунд! А ведь само по себе гармоническое представление сигналов в координатах уровней и логарифмов частот было принято на вооружение именно за счёт наглядности, компактности и ясности физического смысла представления сигналов. На переходных же стадиях все эти привлекательные аспекты исчезают.
Конец статьи —> В поиске высококачественного звучания
