Идеальная система шумоподавления

Итак, если шум слышен без использования широкополосного компандера, то после его включения может появиться модуляция шума. При этом на «плотных» фонограммах (например, рок-музыка или звучание симфонического оркестра) данная система работает вполне эффективно, и модуляция шума будет почти не заметна. Однако при воспроизведении менее насыщенных музыкальных фрагментов (к примеру, запись кларнета или фортепиано) модуляция шума станет явной и помешает восприятию музыки. Причина в том, что «плотные» записи имеют более широкий спектр, в то время как сольные партии инструментов звучат в ограниченном диапазоне.

Маскирование

Чтобы лучше понять особенности работы широкополосного компандера и, следовательно, сделать вывод о том, какой должна быть идеальная система шумоподавления, нужно снова рассмотреть такое явление, как маскирование.

Линия а на рис. 8.5 показывает уровень звукового давления, при котором человеку слышны соответствующие частоты. Иными словами, это – порог слышимости. Звуки, уровень которых выше этой кривой, слух воспринимает, ниже – нет. Отчетливо видно, что порог разный для разных частот. На частоте 4 кГц люди могут уловить гораздо более тихий звук, чем на частоте 50 Гц или 15 кГц. На 25 кГц граница вообще за пределами графика, т. е. не важно, насколько громко будет звучать сигнал на этой частоте – человек все равно его не услышит.

Рис. 8.5. Порог слышимости: а) без сигнала, б) с громким сигналом на частоте 500 Гц

Теперь появился относительно громкий сигнал на частоте 500 Гц. Новая граница слышимости изображена на рис. 8.5 в виде линии б. Видно, что на частотах, соседних с указанной, граница поднялась очень сильно, и по мере удаления от 500 Гц порог слышимости изменяется все меньше и меньше. Наконец, на отдаленных частотах он вообще остался прежним – изменение уровня сигнала на частоте 500 Гц на эти области спектра не повлияло.

Изначально уровень шума был выше порога слышимости (т. е. человек мог отчетливо его слышать). Тогда после усиления сигнала на частоте 500 Гц шум на соседних частотах оказывается вне порога слышимости, он пропадает. В таких случаях говорят, что шум маскирован громким сигналом. При этом на удаленных от 500 Гц частотах шум, который был слышен без громкого сигнала, будет слышен и после его появления.

Итак, маскирование зависит не только от присутствия громких сигналов, но и от того, на какой частоте появляются эти сигналы. То есть, чтобы избежать появления модуляции шума, система шумоподавления должна быть чувствительна не только к уровню, но и к частоте возникающих сигналов. Именно поэтому широкополосный компандер (который реагирует только на уровень сигнала) эффективно работает лишь при воспроизведении плотных фонограмм. Ведь в них уровень сигнала повышается сразу во всем спектре, вследствие чего, порог слышимости изменяется также по всему диапазону, и применения компандера достаточно, чтобы ликвидировать шум.

Но при воспроизведении сольных инструментальных партий ситуация будет совсем иной. Такие записи содержат относительно громкие звуки, сосредоточенные в узкой полосе спектра. Это делает кривую маскирования похожей на линию б на рис.8.5. Устройство при этом работает, как при воспроизведении плотной фонограммы (т. е. поднимает уровень сигнала во всем спектре), и, следовательно, в некоторых частях диапазона шум не только не маскируется, но даже наоборот – усиливается.

Итак, чтобы эффективно ликвидировать шум (без появления эффекта модуляции), идеальная система должна обеспечить шумоподавление на всех частотах, где нет громких сигналов и, следовательно, не происходит маскирования. Уровень шума может расти только на тех частотах, на которых он остается под порогом маскирования.

При отсутствии сигнала во время записи идеальная система шумоподавления будет работать с фиксированным усилением входного сигнала и соответствующим понижением уровня во время воспроизведения. Благодаря этому в выходном сигнале шум будет отсутствовать. Когда звук будет усиливаться на определенной частоте, понижение его уровня при записи произойдет также на этой частоте и на соседних с ней (рис. 8.6). Соответственно, во время воспроизведения уровень сигнала будет уменьшен в нужной области частотного диапазона. Это создаст эффект подавления шума в определенной части спектра, где не происходит маскирования, а на остальных частотах сигнал останется без изменения (рис. 8.7). В результате, шум будет устранен без появления эффекта модуляции.

В американской компании Dolby Laboratories (которая является известным разработчиком систем шумоподавления) такой алгоритм работы системы называют «принципом наименьшего вмешательства».

В общем случае маскирование шума во время присутствия громкого сигнала является одной из форм модуляции шума. Но т. к. этот процесс естественный, он не раздражает слух человека.