Реферат: Запись голоса через микрофон на компьютер

Музыкальные инструменты принято объединять в группы: струнно-смыч-ковые, деревянные, медные духовые, ударные, струнно-щипковые. В книге [3] можно узнать много интересного обо всех классических музыкальных

инструментах. Однако из всего объема сведений о музыкальных инструментах нас сейчас интересуют только те, от которых зависит успех применения микрофона. Да и вряд ли в своей любительской практике вы столкнетесь с проблемой записи звуков арфы или, скажем, настоящего духового органа. Поэтому в заключение остановимся лишь" на вопросах, связанных с записью инструментов, использование которых для оживления звучания электронного оркестра наиболее вероятно.

В состав струнно-смычковой группы входят скрипки, альты, виолончели и контрабас. Разумеется, в банках MIDI-инструментов все перечисленные инструменты имеются, но заменить живую скрипку и виолончель никакой, даже самый совершенный алгоритм синтеза, не в состоянии.

Скрипка — самый маленький инструмент этой группы, обладающий самым высоким голосом. Наибольшая часть звуковой энергии (особенно высоких звуков) излучается с передней стороны скрипки. Поэтому при записи рекомендуется [38] направлять микрофон на прорези (эфы) в верхней деке инструмента.

Для некоторых звуков виолончели, особенно басовых, характерен подчеркнутый резонанс. Это может дать нежелательный эффект, особенно в том случае, когда частоты этих звуков совпадут с какой-либо из собственных частот помещения, максимумами ЧХ микрофона или элементов усилительного тракта.

Контрабас —сложный для записи инструмент, на звучание которого акустические свойства помещения оказывают наиболее сильное влияние. Субъективно это воспринимается как неясность, тусклость, плохая четкость нижних частот. Попытки устранения этого дефекта путем подъема нижних частот в процессе частотной коррекции положительных результатов не дают. При записи ансамбля рядом с контрабасом обязательно должен быть установлен отдельный микрофон.

К наиболее популярным инструментам группы деревянных духовых инструментов относятся флейта и кларнет.

Особенность звучания флейты состоит в том, что даже в заглушенном помещении она сохраняет воздушность и ясность. Для инструмента характерно наличие регистров, в которых уровень звучания довольно слабый. Поэтому микрофон следует размещать ближе, но не настолько, чтобы в записи прослушивались специфические шумы: свистящие звуки струи воздуха, рассекаемой краями амбушюрного отверстия инструмента.

Еще сложнее записывать кларнет, здесь все соткано из противоречий: при близком расположении микрофона может прослушиваться шум дыхания, вызванный избыточным давлением в фазе атаки; в верхнем регистре звук у кларнета резкий и крикливый, и по этой причине инструмент желательно удалять от микрофона, но при мягкой игре в низком регистре полный, сочный и нежный звук лучше воспринимается близкорасположенным микрофоном.

Возможно, многие будут удивлены, но к группе деревянных духовых инструментов причисляют и саксофон, хотя, глядя на переливающийся всеми цветами радуги и сверкающий явно металлическим блеском инструмент, этого и не скажешь. Тем не менее, это так. Изобретатель этого столь популярного ныне инструмента, бельгиец А. Сакс, в свое время поставил перед собой цель создать музыкальный инструмент, занимающий промежуточное положение между деревянными и медными духовыми [З]. Для осуществления этой идеи он соединил в одном инструменте коническую трубку с клапанным механизмом гобоя и тростью кларнета. В дальнейшем появилось целое семейство саксофонов различных размеров, обладающих различными тембрами: сопрани-но, сопрано, альт, тенор, баритон, бас и контрабас. Саксофон имеет довольно широкий диапазон частот и обладает большей, по сравнению с остальными деревянными духовыми инструментами, силой звука. В звучании саксофона заметна вибрация. При записи звучания саксофона следует учитывать, что звук идет из отверстий на теле инструмента, прикрываемых клапанами, а звуки самых нижних частот испускаются в основном из раструба. Микрофон следует располагать на расстоянии 1—1,5 м.

Наиболее популярны инструменты, входящие в группу медных духовых — труба и тромбон.

Труба обладает самым ярким по тембру звучанием среди инструментов медной духовой группы. При громкой игре в верхнем регистре она хорошо слышна даже на фоне мощно звучащего оркестра. При тихой игре или игре с сурдиной ее можно размещать вблизи микрофона. В общем случае из-за сильно выраженной направленности ее следует размещать сбоку от оси микрофона.

Тромбон обладает более низким по регистру звучанием, чем труба. Громкость звучания особенно велика в диапазоне от 2 000 до 3 000 Гц. Так как в этом диапазоне находится максимум спектральной чувствительности уха, то при одновременной записи нескольких инструментов тромбон желательно располагать в стороне от микрофона и на достаточном расстоянии от него.

Из инструментов, не входящих в оркестровые группы, рассмотрим лишь р о яль. Его важнейшей частью, определяющей акустические свойства инструмента, является резонансная дека, установленная под струнами и рамой, вклеенная краями в корпус инструмента.

Звуки рояля издаются в основном верхней стороной деки и после отражения от крышки инструмента направлены преимущественно параллельно струнам. Однако общая направленность инструмента зависит от частоты звука и особенно ощущается при больших расстояниях до микрофона. У рояля различают несколько характерных зон направленности (рис. 1.11).

При записи микрофон следует устанавливать, как правило, в зоне нормальной звучности. Необходимо экспериментальным путем выбрать такое положение микрофона в рабочей зоне, чтобы уравновесить интенсивность звучания партий левой и правой рук исполнителя. Обычно микрофон устанавливают на

расстоянии 1,5—5 м от инструмента на высоте 1,5 м от пола, ориентируя его непосредственно на струны. Выбором угла наклона микрофона добиваются минимального проявления интерференции, вызванной взаимодействием прямого и отраженного от крышки звуков.

Микрофон и вокал

Звуковысотный диапазон певческого голоса определяется интервалом между наиболее низкой и высокой нотами, которые певец в состоянии воспроизвести. Певческие голоса делятся по высоте на мужские (бас, баритон и тенор) и женские (контральто, меццо-сопрано, сопрано и колоратурное сопрано) . Диапазоны основных групп певческих голосов распределяются следующим образом: 82—349 Гц для баса, 110—392 Гц для баритона, 132—523 Гц для тенора, 165—698 Гц для контральто, 220—880 Гц для меццо-сопрано, 262— 1046 Гц для сопрано и 330—1397 Гц для колоратурного сопрано [39]. Такие «некруглые» цифры обусловлены тем, что классификация певческих голосов, сложившаяся в далеком историческом прошлом, была привязана вовсе не к частотам, измеряемым в герцах, а к определенным нотам определенных октав.

Профессиональный певец, обладающий одним из певческих голосов, должен владеть им в диапазоне не менее двух октав. У непрофессиональных певцов диапазон уже. На первый взгляд кажется, что для записи вокальных партий достаточно самого низкочастотного и узкополосного микрофона, однако это впечатление ошибочно. Чтобы передать характерные особенности тембра певческого голоса, нужно записывать значительно более широкий частотный диапазон: примерно 80—10 000 Гц.

В каждом из певческих диапазонов различают несколько регистров: низкий, средний и высокий. Каждый регистр характеризуется особым тембром. Добиться ровности голоса по регистрам —довольно трудная задача подготовки профессионального певца, решение которой не всегда удается. Микрофон же особенно чуток к переходам от регистра к'регистру и подчеркивает все неровности голоса.

Голоса певцов, несмотря на все их разнообразие, характеризуются общими закономерностями: сильной выраженностью высоких обертонов с частотами 2 500—3 000 Гц (верхняя певческая форманта) и наличием низкой певческой форманты в области 300—600 Гц. Верхняя певческая форманта придает голосу певца серебристый оттенок, нижняя — впечатление мягкости и массивности. Даже небольшой завал этих частот трактом звукозаписи приводит к значительному искажению тембра голоса. Недостаток в голосе певца этих частот можно попытаться компенсировать частотной коррекцией с помощью соответствующих фильтров.

Хороший певец должен владеть приемом вибрато: интенсивность извлекаемого звука при этом колеблется с частотой 5—7 Гц. Это позволяет не только обогатить тембр голоса, придать ему особую окраску, но и скрыть некоторые характерные недостатки: небольшие неровности звука по интенсивности, неточность интонации, гнусавость. При отсутствии вибрато или недостаточно хорошей технике исполнения микрофон подчеркнет все указанные недостатки.

Пение отличается от обычной разговорной речи большей мощностью и громкостью. Если запись проводится в заглушенном помещении, то исполнителю кажется, что его голос звучит слабо и тихо. Невольно он будет стараться достичь привычной громкости и форсировать звук. Микрофон неизбежно подчеркнет неестественность пения.

Динамический диапазон (максимальная разница в силе голоса между форте и пиано) у профессиональных певцов достигает 20—45 дБ. Динамический диапазон певцов-любителей не превышает 10 дБ.

Маловероятный вариант записи пения в сопровождении аккомпанирующего инструмента мы не станем рассматривать, т. к. в случае использования компьютерной звуковой студии можно предварительно создать фонограмму аккомпанемента.

Более подробные сведения об оборудовании помещений студий звукозаписи и приемах работы с микрофонами при записи музыкальных коллективов в различных условиях можно найти в книге [38], подробная информация о микрофонах, изготовленных в СНГ, содержится в справочнике [75]. В журнале IN/OUT систематически публикуются технические сведения и информация рекламного характера о микрофонах ведущих зарубежных фирм [35, 53, 68). Правда, цены на них такие, что многие владельцы любительских компьютерных

студий, создавая демонстрационные варианты композиции, скорее всего, откажутся от столь дорогих покупок, а остановят свой выбор на чем-нибудь более доступном, хотя и менее совершенном.

1.2. Цифровая звукозапись с помощью звуковой карты

В процессе общения с читателями книги «Персональный оркестр... в персональном компьютере» нам приходилось слышать приблизительно такое мнение: «Из контекста книги следует, что авторы ориентируют читателей не на самые совершенные звуковые карты. Многие примеры относятся к картам Sound Blaster AWE32 и Sound Blaster AWE64, хотя известно, что для этих звуковых карт характерен относительно большой уровень собственных шумов». На это замечание можно ответить следующим образом.

Да, действительно, заявленный изготовителем уровень шумов SB AWE32 (— 80 дБ) выше, чем, например, заявленный (другим изготовителем) уровень шумов Turtle Beach Multisound Pinnacle (—96 дБ). Но, во-первых, для новой модели Sound Blaster фирмы Creative Technology Ltd. — звуковой карты SB AWE64 Gold — заявлен уровень собственных шумов — 90 дБ.

Во-вторых, многие заявления любых производителей о тех или иных возможностях своих продуктов требуют дополнительной проверки. Для ее проведения требуются измерительные приборы, способные оценить столь высокие параметры, не внося погрешностей, вызванных их собственными шумами. Не случайно в рамках соответствующей конференции FIDO на месяцы и уже даже на годы растянулись дискуссии поклонников звуковых карт различных фирм. Если научиться улавливать смысл этих высказываний, замаскированный специфическим жаргоном, то можно узнать много интересного. Например, можно встретить оценки реальных шумовых характеристик звуковых карт, которые сильно отличаются (в худшую сторону) от заявленных всеми без исключения производителями.

Обратим ваше внимание на тот факт, что даже уровень собственных шумов — 80 дБ — слишком хороший показатель для неэкранированной звуковой карты, установленной внутри корпуса компьютера, «насыщенного» всевозможными электромагнитными колебаниями. В цепях карты наводятся помехи, от которых не спасут никакие рекомендации типа: установить карту в самый дальний слот, изолировать от корпуса некоторые узлы компьютера, заменить «шумящие» вентилятор или винчестер. Приблизиться в некоторой степени к заявленному уровню шумов позволило бы размещение звуковой карты в индивидуальном стальном экране и дополнительная фильтрация по цепям питания. Неспециалисту такие доработки выполнить сложно. Иными словами,

будучи установленными в компьютер, любые (в том числе и самые дорогие) звуковые карты «шумят» практически одинаково.

В-третьих, мы и не утверждаем, что продукция фирмы Creative Technology Ltd., безусловно, самая лучшая в мире. Мы убеждены только в том, что звуковые карты класса SB AWE32 обладают достаточно высокими показателями при цене, делающей их доступными для массового пользователя компьютера и не очень богатого любителя компьютерной музыки.

MIDI-КОМПОЗИЦИИ можно делать на чем угодно. Шумовые свойства звуковой карты на качество MIDI-КОМПОЗИЦИИ (в процессе ее создания) не влияют. От них зависит только качество ее воспроизведения. А уж готовый MIDI-файл можно 'проигрывать на самом дорогом и малошумящем MIDI-синтезаторе. С записью живого звука дело обстоит, конечно, не так хорошо. Если уж звук записан с повышенным уровнем шума, то избавиться от него будет очень непросто. Поэтому мы не устаем повторять, что наши книги не для профессионалов, а для любителей, и эта книга не о том, как выпустить альбом на CD, а как научиться решать основные проблемы при создании демонстрационной версии композиции, с которой не стыдно будет, предъявляя ваши творческие возможности, обращаться к профессионалам в области звукозаписи и шоу-бизнеса.

Из всего вышесказанного следует, что мы и впредь намерены, рассказывая о способах решения тех или иных задач, связанных с записью живого звука, ориентироваться на звуковые карты семейства Sound Blaster AWE. Это не должно никого разочаровывать. Конкуренция между фирмами-производителями заставляет их учитывать все лучшее в работе соперников. Поэтому и в конструкциях, и в элементной базе, и в функциях, и в программном обеспечении различных звуковых карт очень много общего. Перейти к новому средству обработки звука, зная основные принципы работы с аналогом, значительно легче, чем начинать все с нуля.

1.2.1. Важнейшие параметры звуковых карт

Для получения приемлемого качества записи компьютерной музыки необходимо пользоваться аппаратурой, способной его обеспечить. Число различных моделей звуковых карт составляет несколько десятков. А если учитывать еще и различные версии одних и тех же устройств, то при покупке карты приходится выбирать почти из сотни наименований. Для наших же целей подходят многие, но не все модели. Не всякая звуковая карта способна на большее, чем озвучивание компьютерных игр. Конечно, принадлежность звуковой карты к продукции известных фирм является веской причиной того, что именно ее следует выбрать, это скажется в дальнейшем на надежности работы. Но не у всех наших читателей имеется возможность неограниченного выбора. Тем важней понимать сущность и значение нескольких основных параметров звуковой карты. К таким параметрам относятся, в первую очередь:

^ метод синтеза музыкальных звуков, реализованный в синтезаторе зву ковой карты;

> разрядность АЦП/ЦАП звуковой карты;

> диапазон частот дискретизации.

О методах синтеза музыкальных звуков мы достаточно подробно рассказывали в [63]. В современных звуковых картах по-прежнему применяется частотный синтез звуков (FM-синтез), но это делается в основном в целях обеспечения поддержки старых игр. Основным методом синтеза в настоящее время является волновой метод, или, как его еще называют, метод волновых таблиц (WT-синтез).

Возможно, это несколько субъективно, и кто-то с нами не согласится, но после первого же сравнения звучания MIDI-инструментов в FM- и WT-вариан-тах мы безоговорочно решили для себя, что FM-инструменты не стоят того, чтобы тратить на них время. Поэтому дальше речь пойдет только о WT-синте-заторах звуковых карт.

Разрядность звуковой карты существенно влияет на качество звука. Однако перед тем как перейти к более детальному обсуждению этого вопроса, следует пояснить, что речь идет о разрядности АЦП и ЦАП. Звуковые карты двойного назначения имеют в своем составе одновременно два функционально независимых узла: WT-синтезатор и устройство оцифровки звуковых сигналов, поступающих с внешнего источника. В каждый из узлов входит как минимум по одному ЦАП. В устройстве оцифровки, кроме того, имеется АЦП. В недавнем прошлом прямое указание на разрядность звуковой карты содержалось в ее названии в виде числа 16. Тем самым изготовители подчеркивали, что в их продукции качество цифрового звука как бы соответствует качеству звука лазерного проигрывателя, а не какой-нибудь там 8-битной карты. В дальнейшем 16 разрядов в ЦАП/АЦП стали нормой, а числа «32» или «64» в названиях стали означать совсем другое — максимальное количество одновременно звучащих голосов синтезатора звуковой карты (полифонию).

Некоторые высококачественные звуковые карты оборудованы 18-битными и даже 20-битными ЦАП/АЦП. Звуковые редакторы, работая с любыми звуковыми картами, в том числе и 16-битными, в процессе преобразований отсчетов сигнала используют арифметику с разрядностью двоичного представления числа, превышающей 16. Это позволяет уменьшить погрешность, накапливающуюся в процессе выполнения сложных алгоритмов обработки, которая в противном случае проявлялась бы как искажение звука.

Почему же столь важно наличие большого числа разрядов в устройствах ЦАП и АЦП? Дело заключается в том, что непрерывный (аналоговый) сигнал преобразуется в цифровой с некоторой погрешностью. Эта погрешность тем больше, чем меньше уровней квантования сигнала, т. е. чем дальше отстоят друг от друга допустимые значения квантованного сигнала. Число уровней квантования, в свою очередь, зависит от разрядности АЦП/ЦАП. Погреш-

ности, возникающие в результате замены аналогового сигнала рядом квантованных по уровню отсчетов, можно рассматривать как его искажения, вызванные воздействием помехи. Эту помеху принято образно называть шумом квантования. Шум квантования (рис. 1.12, в) представляет собой разность соответствующих значений реального (рис. 1.12, а)и квантованного по уровню (рис. 1.12, б) сигналов.

Из рис. 1.12 видно, что в случае превышения сигналом значения самого верхнего уровня квантования («старшего» кванта), а так же в случае, когда значение сигнала оказывается меньше нижнего уровня квантования («младшего» кванта), т. е. при ограничении сигнала, возникают искажения (рис. 1.12, д), более заметные по сравнению с шумом квантования. Для исключения искажений этого типа динамические диапазоны сигнала и АЦП должны соответствовать друг другу: значения сигнала должны располагаться между уровнями, соответствующими младшему и старшему квантам.

При записи внешних источников звука это достигается с помощью регулировки их уровня, кроме того, применяется сжатие (компрессия) динамического диапазона, о которой речь пойдет ниже.

В звуковых редакторах существует операция нормализации амплитуды сигнала. После ее применения наименьшее значение сигнала станет равным верхнему уровню младшего кванта, а наибольшее — нижнему уровню старшего кванта (на рис. 1.12 — это числа 6 и 1). Таким образом, от ограничения сигнал сверху и снизу будет защищен промежутками, шириной в один квант. Разумеется, если при записи уже имело место ограничение амплитуды, то нормализация не избавит сигнал от искажения.

Для нормированного сигнала относительная величина максимальной погрешности квантования равна 1/N, где N — число уровней квантования. Этой же величиной, представленной в логарифмических единицах (децибелах), оценивается уровень шумов квантования АЦП звуковой карты. Уровень шумов квантования определяется по формуле: Д = 201д(1/1\1).ДлятрехразрядногоАЦП (см. рис. 1.12) N=8, иД= — 18 дБ; для восьмиразрядного—М==256,Д= —48дБ;

для шестнадцатиразрядного — N=65 536, Д= —96 дБ; для восемнадцатиразрядного АЦП N=262 144, Д= — 108 дБ; и для двадцатиразрядного АЦП N= 1 648 576, Д= — 120дБ. Эти цифры наглядно демонстрируют, что с ростом разрядности АЦП шум квантования уменьшается. Приемлемым считается 16-разрядное представление сигнала, являющееся в настоящее время стандартным для воспроизведения звука, записанного в цифровой форме. С точки зрения снижения уровня шумов квантования дальнейшее увеличение разрядности АЦП нецелесообразно, т. к. уровень шумов, возникших по другим причинам (тепловые шумы, а также импульсные помехи, генерируемые элементами схем компьютера и распространяющиеся либо по цепям питания, либо в виде электромагнитных волн), все равно оказывается значительно выше, чем —96дБ.

Однако увеличение разрядности АЦП обусловлено еще одним фактором — стремлением расширить его динамический диапазон. Мы уже говорили о динамическом диапазоне звука. Динамический диапазон некоторого устройства обработки может быть определен выражением D=201g(Smax/S,nin), где S^ax и Smin — максимальное и минимальное значения сигнала, который может быть преобразован в цифровую форму без искажения и потери информации. Вы уже, наверное, догадались, что минимальный сигнал не может быть меньше, чем напряжение, соответствующее одному кванту, а максимальный — не должен превышать величины напряжения, соответствующего N квантам. Поэтому выражение для динамического диапазона АЦП звуковой карты примет вид:

D=201g(N). Ведь можно считать, что Smax=kN, aS,nm=kl, ^ek — некоторый постоянный коэффициент пропорциональности, учитывающий соответствие электрических величин (тока или напряжения) номерам уровней квантования. Сравнивая выражения для Д и D, становится ясно, что при одинаковой разрядности АЦП эти величины будут отличаться лишь знаками.

Поэтому динамический диапазон для 16-разрядного АЦП составляет 96 дБ, для 18-разрядного— 108 дБ, для 20-разрядного— 120 дБ. Иными словами, для записи звучания некоторого источника звука, динамический диапазон которого составляет 120 дБ, требуется двадцатиразрядный АЦП. Если такого нет, а имеется только шестнадцатиразрядный, то динамический диапазон звука должен быть сжат на 24 дБ: со 120 дБ до 96 дБ.

В принципе, существуют методы и устройства сжатия (компрессии) динамического диапазона звука, и мы еще будем говорить о них. Но то, что они проделывают со звуком, как ни смягчай формулировки, все равно искажает его. Именно поэтому так важно для оцифровки звука использовать АЦП, имеющий максимальное количество разрядов. Владелец 16-битной звуковой карты может еще раз взглянуть на табл. 1.1. с тем, чтобы убедиться в отсутствии особых причин для расстройства: динамические диапазоны большинства источников звука вполне соответствуют динамическому диапазону такой звуковой карты. Кроме того, 18-битное или 20-битное представление сигнала применяется только на этапе обработки звука. Конечная аудиопродукция (CD и DAT) реализуется в 16-битном формате.

После того как мы немного разобрались с разрядностью звуковой карты, пришло время поговорить о частоте дискретизации.

В процессе работы АЦП происходит не только квантование сигнала по уровню, но и его дискретизация во времени. Сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, заменяют рядом отсчетов этого сигнала. Обычно отсчеты сигнала берутся через одинаковые промежутки времени. Интуитивно ясно, что если отсчеты отстоят друг от друга на слишком большие интервалы, то при дискретизации может произойти потеря информации: если важные изменения сигнала произойдут не в те моменты, когда были взяты отсчеты, они могут быть «пропущены» преобразователем. Получается, что отсчеты следует брать с максимальной частотой. Естественным пределом служит быстродействие преобразователя. Кроме того, чем больше отсчетов приходится на единицу времени, тем больший размер памяти необходим для хранения информации.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7