1. Частота и высота звука.
2. Громкость звука. Децибел.
3. Амплитудно-частотная Характеристика (АЧХ).
4. Шумы и искажения. THD, SNR.
5. Мощность. Стандарты измерения мощности.
6. Динамический диапазон. DR.
7. Эволюция Dolby-звука.

1. Частота и высота звука.

Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. Взглянем на график колебания во временной области - U(t). Наибольшее среднее значение напряжения - это амплитуда сигнала, A. Временной диапазон между двумя соседними колебаниями носит название периода (Т). Величина, обратная периоду, называется частотой: .

Громкость - это кажущаяся сила звука. Для оценки громкости используется специальная единица измерения - децибел [дБ]. Это - относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука.

Интенсивность звука - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку. Кажущуюся громкость звука оценивают уровнем её интенсивности: [дБ], где I - интенсивность данного звука, а I₀ = 10^-12 вт/м².
При одинаковом звуковом давлении громкость звука чистых тонов (гармонических колебаний) различной частоты различна, т. е. на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности. Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая её с громкостью простого тона частотой 1000 гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого (сравнением на слух), как и измеряемый звук, называется уровнем громкости данного звука.

При рассмотрении АЧХ обратите особое внимание не на нижнюю и верхнюю границы воспроизводимых частот, а на величину неравномерности. Большая величина неравномерности приводит сильному к искажению тембра звучания. Если приведён график, то в первую очередь важно, что бы он был как можно ровней без резких взлетов и провалов. На высоких частотах в провалах звук будет тусклым, не ясным, в подъемах - присутствие раздражающих неприятных шипящих и свистящих призвуков. На низких частотах в провалах звук теряет "насыщенность", а в подъемах возникает ощущение "бубнящего" звучания и "гудения".

В высококачественных звуковых системах неравномерность АЧХ в рабочем диапазоне частот составляет не более +1..-1 дБ. Для компьютерных колонок +10..-10 дБ - вполне приемлемые цифры. Рассмотрим типичную АЧХ дешевой пластмассовой колонки (по оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложена частота, по оси ординат - относительная амплитуда). По нему ясно, что акустическая система имеет наименьшие искажения в полосе частот от 100 до 10,000 Гц. Человеческая речь имеет диапазон от 80 до 10,000 Гц, а, к примеру, диапазон симфонического оркестра от 30 до 20,000 Гц. Отсюда видно, что данная акустическая система пригодна в лучшем случае для прослушивания человеческой речи. Разумеется, это не говорит о том, что музыку, исполняемую симфоническим оркестром, нельзя будет слушать на данной системе. Просто такое звучание будет ненатуральным.

Так как амплитуда сигнала, измеренная в логарифмах, величина относительная, цифру 0 по оси амплитуды можно поставить где угодно. К примеру, в -80 дБ (по отношению к 0 на данном графике). Потом можно гордо писать в паспорте, что акустика имеет диапазон воспроизводимых частот 20-20000 Гц - и это действительно так. Только вот неравномерность +90 дБ будет очень трудно объяснить, поэтому неравномерность в таких случаях просто не указывается.

THD - оценка нелинейных искажений, это довольно осредненный показатель, который не определяет однозначно качество звучания, т.е. аппаратура даже с одним и тем же значением THD может звучать по-разному. Аббревиатура Hi-Fi (высокая верность) подразумевает: чем меньше искажений, тем лучше звучание. Требования по THD в Hi-Fi системах: не более 1,5% (на частоте 1,000 Гц).

THD является интегральным показателем, который характеризует нелинейные искажения для данной системы. Для акустических систем характерно применение фильтра для измеряемого сигнала, при подаче тестового сигнала (обычно синусоида частотой 1 кГц), с целью измерения всех дополнительных гармоник, возникающих из-за нелинейности системы. Для перевода из процентов в децибелы используют следующую формулу:

Шумы можно представить как некий случайный звуковой сигнал малой громкости, который примешан к основному (изначальному) сигналу. Отношение сигнал/шум (SNR) показывает превышение уровня сигнала над уровнем шума. Шумы можно также разложить по частотам. В области средних частот шумы наиболее заметны на слух. Наименее неприятен шум, равномерно распределенный по всем частотам (белый шум). Человек имеет от природы способность отфильтровывать сигнал от шумов, поэтому шумы не так неприятны для восприятия, как искажения (см. THD). Отношение сигнал/шум (SNR) измеряется в дБ.

Для показателя SNR можно привести следующую ориентировочную таблицу:

Существует некоторое разночтение в понятии сигнал/шум. Фирмы производители любят указывать вместо SNR немного другой показатель, а именно - уровень шумов при отсутствии сигнала (Zero Signal Noise). Чем плохо такое измерение? А тем, что производителям достаточно легко реализовать внутри аппаратуры так называемый "гейт". Скажем, при уровне входного сигнала -80 дБ сработает выключатель, и уровень шумов падает до фантастических величин, на гране реальности. Отсюда все заявления о 96-97 дБ SNR в дешевой аппаратуре. На поверку, при подаче сигнала с небольшим уровнем, эти характеристики резко падают, становясь хуже на 20 дБ (а то и все 30!).

Получается, что красного больше, чем всего остального, оттого шум как бы розовеет. У розового шума на каждую октаву приходится энергии поровну. От 40 до 80 Гц - столько же, сколько от 400 до 800 и от 10 до 20 кГц. Третьоктавный анализатор покажет горизонтальную прямую, и правильно сделает: к такой АЧХ приближается спектр реальных звуков. У розового шума энергия, приходящаяся на единицу частоты, падает кратно частоте. Зато на каждую октаву (или треть октавы, как показано на этом графике) энергии приходится одинаково.

Как правило, аудиоаппаратура престижных марок комплектуется специальным диском с набором записанных тестовых сигналов (в том числе и розовым шумом). Данный диск предназначается для настройки звучания и фазировки каналов, вылавливания искажений (возникающих как из-за неправильного расположения колонок, так и из-за использования некондиционного оборудования, например, соединительных проводов низкого качества - не стоит экономить на мелочах!).

RMS (Root Mean Squared) - среднеквадратичное значение мощности, ограниченной заданными нелинейными искажениями. Мощность замеряется синусоидальным сигналом на частоте 1 кГц при достижении 10% THD. Она вычисляется, как произведение среднеквадратичных значений напряжения и тока при эквивалентном количестве теплоты, создаваемой постоянным током. То есть, эта мощность численно равна квадратному корню из произведения квадратов усредненных величин напряжения и тока.

Вообще же, это виртуальная величина, термин "среднеквадратичный", строго говоря, может быть применен к напряжению или силе тока, но не к мощности. Известный аналог - действующее значение (все знают его для сети электропитания переменным током - это те самые 220 V для России).

В общем случае это понятие для описания звуковых характеристик малоинформативно. Среднеквадратичная мощность - это производящая работу. То есть, имеет смысл в электротехнике. И относится не обязательно к синусоиде. В случае музыкальных сигналов громкие звуки мы слышим лучше, чем слабые. И на органы слуха воздействуют больше амплитудные значения, а не среднеквадратичные. То есть громкость не эквивалентна мощности. Поэтому среднеквадратичные значения имеют смысл в электросчетчике, а вот амплитудные в музыке. Еще более популистский пример - АЧХ. Провалы АЧХ заметны меньше, чем пики. То есть громкие звуки более информативны, чем тихие, а усредненное значение будет мало о чем говорить. Таким образом, стандарт RMS был одной из не самых удачных попыток описать параметры звуковой аппаратуры, которые не отражают громкость, как величину.

В усилителях и акустике этот параметр тоже, по сути, имеет весьма ограниченное применение - усилитель, который выдает 10% искажений не на максимальной мощности (когда возникает клиппинг, ограничение амплитуды усиливаемого сигнала с возникающими специфическими динамическими искажениями), еще поискать. До достижения максимальной мощности искажения транзисторных усилителей, например, не превышают зачастую сотых долей процента, а уж выше резко возрастают (нештатный режим). Многие акустические системы при длительной работе с таким уровнем искажений уже способны выйти из строя.

Для совсем уж дешевой техники указывается другая величина - PMPO, совсем уж бессмысленный и никем не нормированный параметр, а значит, друзья-китайцы измеряют его так, как бог на душу положит. Если точнее, в попугаях, причем каждый в своих. Значения PMPO часто превышают номинальные вплоть до коэффициента 20.

PMPO (Peak Music Power Output) - пиковая кратковременная музыкальная мощность, величина, которая означает максимально достижимое пиковое значение сигнала независимо от искажений вообще за минимальный промежуток времени (обычно за 10 mS, но, вообще, не нормировано).

Как следует из описания, параметр еще более виртуальный и бессмысленный в практическом применении. Воспринимать эти значения всерьез, пожалуй, не стоит, равно как на них и ориентироваться. Если вас угораздило покупать аппаратуру с параметрами мощности, указанными только, как PMPO, то единственный совет - послушать самостоятельно и определить, подходит это вам или нет.

DIN POWER - значение выдаваемой на реальной нагрузке (для усилителя) или подводимой (к АС) мощности, ограниченной нелинейными искажениями. Измеряется подачей сигнала с частотой 1 кГц на вход устройства в течение 10 минут. Мощность замеряется при достижении 1 % THD (нелинейных искажений).

Номинальная мощность (ГОСТ 23262-88) - величина искусственная, она оставляет свободу выбора изготовителю. Разработчик волен указать значение номинальной мощности, соответствующее наиболее выгодному значению нелинейных искажений. Обычно указанная мощность подгонялась под требования ГОСТ к классу сложности исполнения при наилучшем сочетании измеряемых характеристик. Указывается как у акустических систем, так и у усилителей.

Иногда это приводило к парадоксам - при искажениях типа "ступенька", возникающих в усилителях класса АВ на малых уровнях громкости, уровень искажений мог снижаться при увеличении выходной мощности сигнала до номинальной. Таким образом достигались рекордные номинальные характеристики в паспортах усилителей, с крайне низким уровнем искажений при высокой номинальной мощности усилителя. Тогда как наивысшая статистическая плотность музыкального сигнала лежит в диапазоне амплитуд 5-15% от максимальной мощности усилителя. Вероятно, поэтому российские усилители заметно проигрывали на слух западным, у которых оптимум искажений мог быть на средних уровнях громкости, тогда как в СССР шла гонка за минимумом гармонических и иногда интермодуляционных искажений любой ценой на одном, номинальном (почти максимальном) уровне мощности.

Паспортная шумовая мощность - электрическая мощность, ограниченная исключительно тепловыми и механическими повреждениями (например: сползание витков звуковой катушки от перегрева, выгорание проводников в местах перегиба или спайки, обрыв гибких проводов и т.п.) при подведении розового шума через корректирующую цепь в течение 100 часов.

Максимальная кратковременная мощность - электрическая мощность, которую громкоговорители акустической системы выдерживают без повреждений (проверяется по отсутствию дребезжаний) в течение короткого промежутка времени. В качестве испытательного сигнала используется розовый шум. Сигнал подается на акустическую систему в течение 2 сек. Испытания проводятся 60 раз с интервалом в 1 минуту. Данный вид мощности дает возможность судить о кратковременных перегрузках, которые может выдержать громкоговоритель системы в ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации.

Максимальная долговременная мощность - электрическая мощность, которую выдерживают громкоговорители АС без повреждений в течение 1 мин. Испытания повторяют 10 раз с интервалом 2 минуты. Испытательный сигнал тот же. Максимальная долговременная мощность определяется нарушением тепловой прочности громкоговорителей акустической системы (сползанием витков звуковой катушки и др.).

Для аудио аппаратуры - это запас по динамике звука между порогом из шумов и началом перегрузки акустических систем и усилителя. Для уменьшения динамического диапазона и облегчения воспроизведения музыки и речи на дешевой аппаратуре, применяют так называемую компрессию звука (не путать со сжатием размера звукового файла). Таким образом, поп и рок музыка звучит довольно сносно даже на дешевой бытовой аппаратуре и компьютерных колоночках, т.к. динамический диапазон подобных записей очень "узкий" - не больше 10-15 дБ. Для классики значение динамического диапазона значительно "шире" - около 50 дБ. Соответственно, требования ко всему звуковому тракту для "серьёзной музыки" гораздо выше.

Для цифровой аппаратуры - это максимальный SNR, где шумами считаются шумы квантования в теории и порог из цифровых шумов дизеринга и субгармонических искажений (noise floor + harmonic distortion) на практике. Для акустической системы - это чувствительность, [дБ/Вт*м]. Для усилителей - это, если грубо, линейная часть кривой усиления.

Dolby Digital Mono появился благодаря стремлению энтузиастов пристойно озвучить классическое кино, телевизионные шоу первой половины 1980-х, плохие контрабандные записи (бутлеги), дешевые копии. Система Dolby Digital воспроизводит звук только по одному диалоговому или центральному каналу. Модифицированный ее вариант - система Dolby Digital 2.0, или Stereo Sound, сделала решительный шаг навстречу двухканальному звуку. Множество усилителей для домашних кинотеатров способны воспроизводить саундтреки формата Dolby Digital 2.0 как Dolby Surround - вы можете поэкспериментировать, какой из форматов более пригоден для конкретного фильма. Если возникнут сомнения, выбирайте стерео.

Следующим стал стандарт Dolby Digital 2.0 Dolby Surround. Система использует обычный двухканальный стереозвук и видоизменяет его, создавая дополнительные каналы для центра и тыла. Тыловой канал воспроизводится двумя расположенными сзади динамиками, но оба издают один и тот же звук. Dolby Surround часто относят к Dolby Pro-Logic. Часто возникает вопрос: есть ли разница между этими двумя форматами? Правильный ответ - <нет>. Словосочетание Dolby Surround относится к самой записи, в то время как Dolby Pro-Logic подразумевает определенный набор <железа> для воспроизведения Dolby Surround саундтрека. Но для удобства мы впредь будем использовать один термин - Dolby Pro-Logic. Следующий вариант генетического древа Dolby Pro-Logic, получивший название Pro-Logic II, поддерживает шестиканальный объемный звук, источником которого служит двухканальный сигнал от TV или VCR (Video Cassette Recorder - видеомагнитофон).

Система Dolby Digital 5.1 - следующий после Dolby Pro-Logic этап развития объемного звучания. Система использует отдельные каналы для каждого из источников звука: центральный, фронтальный левый, фронтальный правый, тыловой левый, тыловой правый и канал сабвуфера. Это наиболее распространенный формат, в котором звучат современные фильмы, но все больше и больше классического старого кино подвергается ремастерингу в формат Dolby Digital 5.1 для DVD.

Систему THX EX (предназначалась сперва для больших кинотеатров, а потом и для домашнего кино) от Lucasfilms и Dolby Labs отличает еще один - шестой канал (итого, вместе с басом, семь каналов), использующий информацию от двух тыловых каналов. Джордж Лукас впервые применил эту систему при озвучивании фильма <Звездные войны I: Скрытая угроза>. THX EX использует специальный цифровой маркер, сообщающий EX-процессору о существовании шестого канала. Если процессор не обнаруживает этот маркер, то система работает в формате Dolby Digital 5.1. Таким образом, системы 5.1, не являющиеся EX-системами, способны воспроизводить ЕХ-кодированные диски по каналам 5 + 1.

Существует мультиканальная альтернатива звуку Dolby Digital, которая также оперирует с 5+1 каналами - это DTS (Digital Theater Systems). Усилители с DTS декодером сейчас широко распространены, но некоторые из самых дешевых или старых DVD-плейеров не поддерживают этот формат. Первые диски появились в конце 1998 г. и вызвали сумятицу на рынке, когда выяснилось, что старые плейеры, несовместимы с новым форматом. Индустрия DVD-плейеров вскоре адаптировалась к этому и теперь почти каждый прибор имеет при себе DTS значок, а некоторые оснащены встроенными декодерами. Из-за того, что DTS использует меньшую компрессию данных, чем Dolby Digital, принято считать его лучшим из всех вышеописанных форматов. Но в Европе DTS-диски пока большая редкость.

Тогда как в Dolby Digital применяется компрессия аудиоданных с коэффициентом от 9:1 до 16:1, в DTS она составляет 3:1. При этом степень сжатия может варьироваться. Реализован 20-разрядный звук с частотами дискретизации 44.1 или 48 кГц. Спецификация DTS предусматривает и сжатие данных без потерь. За счет этого (по крайней мере, теоретически) достигается более высокая детализация саундсцены. Первым фильмом, вышедшим в DTS, стал <Парк Юрского периода> (Jurassic Park), 1993 г. В отличие от других форматов многоканального кинозвука, DTS-сопровождение записывается не на кинопленку (не помещается), а на CD-ROM, откуда потом и воспроизводится (в домашнем кино по-прежнему используется DVD-диск). На киноленту прописывается только синхросигнал. Стандарт DTS использует шесть каналов (он соответствует формату 5.1), но может быть расширен (за счет матричного декодирования) и до восьми каналов (7.1), с дополнительными левым центральным и правым центральным.

Самой массовой является конфигурация Домашнего Кинотеатра с двумя фронтами, одним центром, парой сурраундов и одним сабом - 5.1. Индустрия активно пропагандирует конфигурации 6.1 и 7.1. Что это, возникшая необходимость или хитрый коммерческий ход? С одной стороны, производители аппаратуры получат больше прибыли от реализации Театров с большим числом каналов. Отчасти поэтому и создается иллюзия морального старения конфигурации 5.1. Зрителю обещают <еще более полное погружение в атмосферу фильма>, <ошеломляющие эффекты> и тому подобное. Но:

На самом деле идея 6.1 и 7.1 не совсем честная. Дополнительные каналы эффектов существуют не сами по себе, а подмешиваются в треки <главных> 5.1-сурраундов. При воспроизведении декодер, поддерживающий 6.1- или 7.1-конфигурации, вычитает их матричным способом (по алгоритму, аналогичному тому, что используется в Dolby Pro-Logic) и <отсылает> на соответствующие дополнительные колонки. Так сделано для того, чтобы диски с 6.1- и 7.1-звуком играли в полном объеме и на 5.1-системах. Поэтому увеличение <глубины погружения> 6.1 и 7.1 дают не слишком ощутимое по сравнению с грамотно выставленным 5.1-театром. При этом подавляющее большинство DVD продолжает выходить в 5.1. Материал со звуковой поддержкой большего числа каналов существует лишь в единичных демо-экземплярах.