Музыкальный фильтр
MUSIC FILTER

Данное изобретение относится к области высококачественной звукозаписи и звуковоспроизведения в части корректирующих и усилительных устройств.
Любой музыкальный инструмент или певческий голос представляет собой колебательной систему, звучание которой можно представить в виде огибающей. В наиболее общем виде музыкальный звук отражает модель ADSR-огибающей, состоящая из четырех участков (см. Фиг. 1):
1. А - attack, атака
2. D - decay, спад атаки
3. S - sustain, удержание звука
4. R - release, затухание звука
Первые два участка огибающей наиболее изменчивы во времени и доносят до слушателя информацию о времени начале звука, о музыкальном инструменте, о месте его нахождения, о характере звукоизвлечения и об энергичности и эмоциональности, которые вкладывает исполнитель в звучание инструмента. Третий участок наименее изменчив и несет информацию о высоте, тембре и длительности звука и может быть окрашен частотными, амплитудными и фазовыми вибрато в соответствии с музыкальными эмоциями, подчеркиваемыми исполнителем. Четвертый участок изменчивый и несет информацию о характере завершения звука, отрывистом или плавным, что также является выразительным средством исполнителя.
На звучание музыкального инструмента или певческого голоса накладывается отклик помещения, например, концертного зала или студии звукозаписи. Помещение представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами, откликом которой являются отражения, складывающиеся в реверберацию. Развитие реверберации во времени состоит из двух участков: нарастание звуковой энергии W(t) и ее спад (см. Фиг. 1).
Самые первые отражения в помещении тесно коррелированы с изменчивыми участками музыкального звука и складываясь с ним подчеркивают их. Это способствует донесению до слушателя или микрофона информации, содержащейся в изменчивых участках ADSR-огибающей, повышению ясности и четкости звучания и эмоциональной выразительности исполнения. Наложение на музыкальный звук первых отражений представляет собой скачкообразный переходной процесс в помещении, аналогичный переходному процессу в последовательном колебательном контуре с близкой к нулю собственной резонансной частотой при включении переменной ЭДС.
Если стандартное время реверберации помещения оптимально, то возникшая реверберация подчеркивает участок удержания звука и удлиняет участок затухания звука ADSR-огибающей, что способствует мелодичности, выразительности и эмоциональности звучания, более полно и точно раскрываются тембры инструментов и голосов, звучание приобретает прозрачность, ясность, наполненность и объемность. Кроме того, реверберационный процесс, не нарушая целостности звучания существенно улучшает восприятие звучания отдельных инструментов и голосов вследствие психоакустической пространственной демаскировки. Наложение на музыкальный звук реверберации представляет собой переходной процесс в помещении, аналогичный переходному процессу в параллельном колебательном контуре с близкой к нулю собственной резонансной частотой при действии и последующем выключении переменной ЭДС.
В результате наложения на музыкальный звук отклика помещения появляется музыкальный сигнал, несущий эстетическое содержание музыки, подчеркнутое и раскрытое первыми отражениями и оптимальной реверберацией. Музыкальный сигнал попадает в слуховой сенсор слушателя или мембрану микрофона для последующей записи фонограммы. Музыкальный сигнал частично теряет эстетическое содержание музыкальной программы из-за неизбежных искажений, вносимых электроакустическими трактами записи и воспроизведения фонограммы.
Целью данного изобретения является повышение качества записи и воспроизведения музыкальных фонограмм путем восстановления частично утраченного эстетического содержания из-за искажений.
Реализация заявленной цели состоит во включении в электрическую цепь звукового тракта дополнительного четырехполюсника для фильтрации музыкального сигнала, содержащего два электрически или магнитно связанных ненастроенных колебательных контура, переходные процессы в одном, из которых аналогичны первым отражениям в помещении, а во втором - аналогичны нарастанию и спаду реверберации.
Огибающая переходного процесса в последовательном колебательном контуре, при его отстройке вниз по частоте от нижней границы диапазона частот полезного сигнала при воздействии любой спектральной составляющей состоит из четырех участков, аналогичных ADSR-огибающей (см. Фиг. 2):
1. Всплеск амплитуды спектральной составляющей
2. Спад всплеска амплитуды
3. Стационарный участок
4. Затухание
Это означает, что отстроенный вниз последовательный колебательный контур выделяет и подчеркивает изменчивую часть музыкального сигнала.
Огибающая переходного процесса в параллельном колебательном контуре, при его отстройке вниз по частоте от нижней границы диапазона частот полезного сигнала при воздействии любой спектральной составляющей состоит из двух участков, аналогичных возникновению и затуханию реверберации в помещении: экспоненциальное нарастание амплитуды колебаний и экспоненциальный спад (см. Фиг. 2). Это означает, что отстроенный вниз параллельный колебательный контур подчеркивает участок удержания звука и удлиняет участок затухания звука.
При одновременном воздействии музыкального сигнала на связанные последовательный и параллельный колебательные контуры, переходной процесс скачкообразно возникает и экспоненциально спадает в последовательном колебательном контуре, и одновременно экспоненциально нарастает и экспоненциально спадает в параллельном. Именно такая последовательность процессов характерна для рождения музыкального звука в концертном зале, студии или любом другом помещении.
Патентуемое устройство повышения качества передачи эстетического содержания музыкальных фонограмм при записи и воспроизведении может быть реализовано в виде активного или пассивного четырехполюсника для фильтрации музыкального сигнала, как содержащим катушки индуктивности и конденсаторы, так и индуктивные и емкостные гираторы, а также в виде цифровых фильтров, реализованных программно или аппаратно.
Патентуемое устройство может быть реализовано, например, в виде пассивного четырехполюсника для подключения или громкоговорителя по схеме Фиг. 3 или для включения его между блоками звукового тракта по схеме Фиг. 5, или в виде активного четырехполюсника для фильтрации музыкального сигнала, выполненного как предусилитель, по схеме Фиг. 4
1
1
2
2
1
2
1
2
2
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Музыкальный фильтр для громкоговорителя (см. Фиг. 3) не содержит усилительных элементов и не требует внешнего источника питания. Он состоит из повышающего автотрансформатора Т с двумя обмотками, W индуктивностью L, и W, дросселя L и двух конденсаторов C и С. При работе фильтра входной сигнал подается в точку соединения обмоток W и W и на нижний по схеме вывод дросселя L. Спектральная составляющая музыкального сигнала вызывает скачкообразный переходной процесс в последовательном колебательном контуре LCC. Одновременно начинает нарастать по экспоненте переходной процесс в параллельном колебательном контуре LCC. После окончания действия спектральной составляющей входного сигнала в параллельном колебательном контуре начинается экспоненциальный спад переходного процесса. Резонансные частоты обоих контуров много ниже 16 Гц. Увеличенное в (W+W)/W раз напряжение полезного сигнала снимают с верхнего по схеме конца обмотки W и точки соединения конденсаторов C и С.
b
1
2
L
g
1
2
g
1
2
L
Активный музыкальный фильтр - предусилитель (см. Фиг. 4) содержит электровакуумный триод, источник анодного питания E, выходной трансформатор Т с индуктивностью первичной обмотки L, конденсатор С шунтирующий дроссель L с активным сопротивлением обмотки R и резистор утечки R. При работе фильтра постоянный анодный ток покоя триода вызывает падение напряжение на активном сопротивлении обмотки R дросселя L, являющееся напряжением смещения, которое поступает на сетку триода через резистор утечки R. Входной сигнал подается на сетку триода и общий провод. Спектральная составляющая музыкального сигнала вызывает сигнальный ток в триоде и скачкообразный переходной процесс в последовательном колебательном контуре LC. Напряжение переходного процесса возникающее на обкладках конденсатора С оказывается включенным между сеткой и катодом триода и будучи им усилено попадает на вторичную обмотку выходного трансформатора Т. Одновременно начинает нарастать по экспоненте переходной процесс в параллельном колебательном контуре LRC, который оказывается включенным между сеткой и катодом триода, и усиливаясь триодом также поступает на вторичную обмотку выходного трансформатора Т. После окончания действия спектральной составляющей входного сигнала в параллельном колебательном контуре начинается экспоненциальный спад переходного процесса. Резонансные частоты обоих контуров много ниже 16 Гц. Усиленное триодом напряжение полезного сигнала снимают со вторичной обмотки выходного трансформатора Т.
1
2
1
1
1
2
2
1
1
2
2
1
1
1
1
2
Межблочный музыкальный фильтр включается перед усилителем мощности. Фильтр не содержит усилительных элементов и не требует внешнего источника питания. Он состоит из повышающего автотрансформатора Т с коэффициентом трансформации n=1/2 и конденсаторов C и С. Так как согласно ГОСТ и DIN выходное сопротивление предыдущего блока не может быть больше 10 кОм, а входное сопротивление усилителя мощности не может быть меньше 47 кОм, то из-за относительно малого выходного сопротивления источника контур L С является параллельным, а из-за относительно большого входного сопротивления усилителя мощности контур LLC - последовательным. При работе фильтра входной сигнал подается на средний отвод автотрансформатора и левый по схеме вывод конденсатора C. Спектральная составляющая музыкального сигнала передается по магнитной цепи автотрансформатора в последовательный колебательный контур LLC и вызывает в нем скачкообразный переходной процесс, напряжение которого поступает на выход фильтра. Одновременно начинает нарастать переходной процесс в параллельном контуре L C, также поступающий по магнитной цепи во вторичную обмотку автотрансформатора и на выход музыкального фильтра. После окончания действия спектральной составляющей входного сигнала в параллельном колебательном контуре L С начинается экспоненциальный спад переходного процесса. Резонансные частоты обоих контуров много ниже 16 Гц. Увеличенное в 2 раза напряжение полезного сигнала снимают с верхнего по схеме вывода автотрансформатора Т и правого вывода конденсатора С.