Аудиотехника

Аудиотехника

Ю. А. Ковалгин
Э. И. Вологдин 

Для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 210400 – «Радиотехника» 
квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации (степени) магистр, 
студентов, обучающихся по направлению 210700 – 
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» 
соответствующих профилей подготовки

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

 

УДК 681.84 
ББК 32.871-5 
     К56 
 
Ковалгин Ю. А., Вологдин Э. И. 
К56         Аудиотехника. Учебник для вузов. – М.: Горячая линия – 
Телеком, 2013. – 742 с., ил.  
ISBN 978-5-9912-0241-1. 

Рассмотрены  характеристики музыкальных и речевых сигналов; 
звуковые системы телевидения, радиовещания, кинематографа, шоубизнеса. Основное внимание в учебнике уделено цифровой звукотехнике, в частности: аналого-цифровому преобразованию аудиосигналов; 
статистическим  и психоакустическим методам  компрессии  цифровых 
аудиоданных без потерь (энтропийное,  арифметическое и субполосное 
кодирование, алгоритмы DST и MLP) и с потерями (стандарты MPEG-1, 
ISO/IEC 11172-3, MPEG-2 ISO/IEC 13818-3 и ISO/IEC 13918-7, MPEG-4 
ISO/IEC 14496-3, MPEG D Surround, а также Dolby AC-3, apt-X100, 
ATRAC); частотной, временной и динамической  обработке аудиосигналов, методам получения разнообразных звуковых эффектов. В нем 
рассмотрены также звуковое оборудование и аппаратно-программные 
средства аппаратно-студийных комплексов, концертных залов, студий 
звукозаписи; канальное кодирование и цифровые аудиоинтерфейсы;  
контроль качества аудиосигналов, систем и устройств.  
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 210400 – «Радиотехника» квалификации (степени) «бакалавр» и квалификации (степени) магистр, студентов, обучающихся по 
направлению 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы 
связи» соответствующих профилей подготовки. Будет полезна специалистам и широкому кругу читателей, интересующихся современными 
технологиями телерадиовещания, кинематографа, шоу-бизнеса. 

ББК 32.871-5 

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 

 
Учебное издание 

Ковалгин Юрий Алексеевич, Вологдин Эдуард Иванович 

АУДИОТЕХНИКА 

Учебник для вузов 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышов 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано  в  печать  03.08.2012. Формат 60×88/16. Усл.-печ. л. 46,375.   
Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.)  Изд. № 23241. 

ISBN 978-5-9912-0241-1                ©  Ю. А. Ковалгин, Э. И. Вологдин, 2013 
©  Издательство «Горячая линия – Телеком», 2013 

Предисловие

Дисциплина «Аудиотехника» имеет своей целью изучение совокупности средств,
способов и методов формирования, преобразования и воспроизведения аудиосигналов, знакомство с принципами построения звуковой аппаратуры различного назначения, с основами проектирования и эксплуатации звукового оборудования студийных и
зрелищных предприятий при формировании, демонстрации и тиражирования аудиопродукции шоу-, радио-, теле- и кинопрограмм.
Задачей данной дисциплины является подготовка студентов в области цифровой
аудиотехники, направленной на изучение:
• характеристик аудиосигналов и связанных с ними особенностей их восприятия;
структур звуковых систем вещания, кинематографа, шоу-бизнеса, форматов сигналов звуковых систем;
• аппаратно-программных средств, предназначенных для формирования, преобразования и обработки аудиосигналов;
• методов кодирования звуковых сигналов, включая помехоустойчивое кодирование, исправление ошибок, компрессию и форматы цифровых аудиоданных;
• стандартов цифровой звукотехники;
• систем шумоподавления, электронного монтажа и редактирования фонограмм;
звуковых процессоров;
• звукового оборудования радиодомов, телецентров, киностудий, студий звукозаписи, видео- и концертных залов;
• звуковых карт мультимедийных комплексов;
• принципов построения электромузыкальных инструментов и их интерфейсов;
• методов контроля и измерения параметров качества звуковой аппаратуры вещания, кинематографа, шоу-бизнеса, особенностей ее эксплуатации.
Содержание учебника «Аудиотехника» соответствует примерной рабочей программе одноименного курса специальности 210312 «Аудиовизуальная техника» направления 654200 «Радиотехника». Дисциплина «Аудиотехника» входит в блок специальных дисциплин федерального компонента специальности 210312.
Данная книга — первая попытка написания учебника по данной дисциплине. Заметим, что дисциплина «Аудиотехника» является одной из основных, входящих в
блок специальных дисциплин, определяющих подготовку дипломированного специалиста по данной области знаний. В учебнике рассматриваются все темы, относящиеся
к различным аспектом применения знаний в области аудиотехники в телевидении, радиовещании, шоу-бизнесе, кинематографе, аудио- и видеосистемах различного назначения. Изучение дисциплины «Аудиотехника» базируется на физико-математической
подготовке студентов, получаемой при изучении курсов «Высшая математика», «Физика», «Теория электрических цепей», а также на содержательной части таких дисциплин, как «Цифровая обработка сигналов», «Акустика», «Зрительно-слуховое восприятие аудиовизуальных программ».
В результате изучения данной дисциплины студенты должен знать:
• основные типы профессиональных звуковых систем, применяемых в радиовещании, телевидении, кинематографе, шоу-бизнесе, обеспечиваемое ими качество
звучания; методы его оценки;
• характеристики аналоговых и цифровых звуковых сигналов; форматы звуковых
сигналов при их формировании и воспроизведении;

Предисловие

• стереофонический эффект, его механизмы и природу;
• методы и устройства кодирования звуковых сигналов; форматы цифровых звуковых сигналов;
• алгоритмы сокращения избыточности звуковых сигналов, включая алгоритмы
группы MPEG и ATSC;
• помехоустойчивое кодирование, методы обнаружения и исправления цифровых
ошибок;
• устройства, аппаратные средства и программное обеспечение для формирования,
обработки и воспроизведения звуковых сигналов;
• принципы построения адаптивных звуковых систем, звуковых процессоров, синтезаторов пространственного звучания;
• профессиональное звуковое оборудование радиодомов, телецентров, киностудий,
студий звукозаписи, видео- и концертных залов;
• звуковые карты для мультимедийных комплексов: стандарты, типы и структуры карт, средства обработки звуковых данных, технологические возможности,
области применения;
• методы синтеза звука на основе частотной модуляции, таблицы волн; принципы работы электронных музыкальных инструментов, компьютерные музыкальные станции, интерфейс MIDI;
• цифровые соединительные шины и интерфейсы;
• международные стандарты в области аудиотехники;
• контроль, измерение параметров и особенности эксплуатации профессиональной
звуковой аппаратуры.
В результате изучения данной дисциплины студенты должны уметь:
• разрабатывать и обосновывать технические задания на проектирование профессиональной звуковой аппаратуры в целом, структурные и принципиальные схемы
входящих в ее состав узлов и блоков;
• обосновывать технические требования и значения параметров качества как отдельных узлов и блоков, так и в целом звуковых комплексов различного назначения; выполнять электрические расчеты схем узлов и блоков аппаратуры с
применением современных пакетов прикладных программ;
• проводить имитационное моделирование устройств и блоков профессиональных
аудиоустройств;
• грамотно эксплуатировать профессиональное звуковое оборудование, включая
текущий контроль и оценку его параметров качества.
Студенты должны иметь навыки и опыт работы c:
• пакетами профессиональных программ, позволяющими выполнять расчет, анализ
технических параметров и режимов работы, а также имитационное моделирование аудиоустройств в целом, их узлов и блоков;
• аппаратно-программными средствами и устройствами, предназначенными для
формирования, обработки, кодирования, декодирования и воспроизведения звуковых сигналов;
• современным аналоговым и цифровым оборудованием радиодомов, телецентров,
кинотеатров, киностудий, предприятий шоу-бизнеса.
Изучение дисциплины «Аудиотехника» требует сочетания лекций с индивидуальными занятиями расчетного типа, лабораторными занятиями исследовательского характера, курсовым проектированием, обеспечивающим развитие практических навыков использования полученных знаний для решения комплексных инженерных задач.

Предисловие
5

Материал книги методически выверен, хорошо структурирован, дает полное представление о данной области науки и техники на современном этапе ее развития.
Предисловие, главы 1, 2, 5 (кроме раздела 5.16), 7, 9, разделы 6.13, 6.18, 6.19
написаны Ю.А. Ковалгиным; главы 3, 4 (кроме раздела 4.7), 6 (кроме разделов 6.13,
6.18, 6.19), 8 — Э.И. Вологдиным; разделы 4.7 и 5.16 написаны Г.Г. Рогозинским.
Книга является учебником для студентов, обучающихся по специальности 210312
«Аудиовизуальная техника» направления 654200 «Радиотехника». Она может служить учебным пособием при подготовке дипломированных специалистов по специальности 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», а также при подготовке
бакалавров, магистров и аспирантов направлений 210400 «Радиотехника» и 210700
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» соответствующих профилей
подготовки. Книга будет полезна также широкому кругу читателей, интересующихся современными технологиями радиовещания, телевидения, кинематографа, шоубизнеса.

Аудиосигналы и их характеристики

1.1. Уровни, динамический диапазон и пик-фактор
аудиосигналов

Уровни. К аудиосигналам относят сигналы, создаваемые различными музыкальными инструментами и человеческим голосом (речь, пение), а также шумовые сигналы, необходимые для звукового сопровождении разных по жанру и стилю художественных передач (шум в метро; шум поезда, автобуса, ветра, морских волн; пение
птиц и т. п.).
Звуковые сигналы (ЗС) музыкальных инструментов и голосов в своей основной
массе — это случайные нестационарные процессы. Исключения составляют сигналы,
представляющие собой вой сирены, гудок паровоза или машины и т. п. Несомненно,
что среди сигналов, представляющих собой натуральные звучания музыкальных инструментов и голосов, могут встречаться достаточно продолжительные по времени
участки, когда отображающие их временные функции имеют периодический характер.
Звуковые сигналы и характеризующие их электрические величины непрерывно
изменяются во времени. Графически такой сигнал может быть изображен совокупностью реализаций случайных функций. Если каждая из них представляет собой изменяющееся во времени t напряжение u за определенный интервал наблюдения Tин,
то такие зависимости u(t) принято называть кривыми изменения мгновенных значений напряжения во времени (рис. 1.1,а). Напомним, что сигнал на выходе микрофона
(приемника звука) является электрическим (это изменение во времени напряжения),
но его величина пропорциональна звуковому давлению p.
В аудиотехнике для измерения ЗС очень часто используются не абсолютные,
а относительные величины, называемые уровнями. Уровень характеризует сигнал в
текущий момент времени, например t1. Он представляет собой выраженное в децибелах выпрямленное и усредненное за некоторый предшествующий промежуток времени
напряжение u(t1) (черта сверху означает операцию усреднения во времени, t1 — текущий момент времени), отнесенное к некоторой условной величине U0, т. е.:

Nt=t1 = 20 lg ut=t1

U0
.
(1.1)

Здесь Nt=t1 — уровень сигнала в момент времени t1. Аналогично можно определить
уровень сигнала в моменты времени t2, t3 и т. д.
Теоретически наиболее просто усреднять мгновенные значения выпрямленного
напряжения с постоянным весовым коэффициентом (рис. 1.1,б). Математически эту
операцию можно записать следующим образом, например, для текущего момента

Аудиосигналы и их характеристики
7

. 1.1. Аудиосигнал: a — изменение мгновенных значений
напряжения во времени; б — усреднение мгновенных значений
выпрямленного напряжения с постоянным весовым коэффициентом; в — изменение усредненных значений выпрямленного напряжения во времени; г — взвешивание сигнала с помощью весовой экспоненциальной функции

времени ti:

ut=t1 = 1

T

∫ t1

t1−T
|u(t)| dt.
(1.2)

Выражение (1.2) дает среднее за время T
значение функции ut=t1, причем всем выпрямленным значениям данной функции приписывается
один и тот же относительный вес, равный dt/T в
интервале от t1 − T до t1 (T — интервал усреднения) и нулю вне этого интервала (рис. 1.1,б,
штриховая линия). Точно так же можно определить среднее значение выпрямленного напряжения в моменты времени t2, t3 и т. д.

Звуковой сигнал является нестационарным случайным процессом, поэтому полученные с помощью (1.2) для разных моментов времени t1, t2, . . . , tn значения
ut=t1, ut=t2, . . . , ut=tn окажутся разными, и мы получим зависимость изменения во
времени среднего значения выпрямленного напряжения (рис. 1.1,в).
Форма зависимости u(t) определяется как особенностями самого звукового сигнала, так и выбранным интервалом усреднения T. При T → 0 временные зависимости
средних значений выпрямленного сигнала практически не отличаются от зависимостей его мгновенных значений. При увеличении T средние значения выпрямленного
сигнала будут тем меньше меняться во времени, чем больше интервал усреднения
T.
Если существует минимальный интервал усреднения T = T0, при достижении
которого среднее значение выпрямленного сигнала не зависит от текущего момента
времени t, т. е. если при T ⩾ T0 выполняется равенство

ut=t1 = ut=t2 = · · · = ut=tn,
(1.3)

то такой сигнал называется стационарным, а значение T0 — его интервалом стационарности.
В тех редких случаях, когда условие (1.3) выполняется, предел однородности получается очень большим: около 2. . . 3 мин, причем значение T0 для речевых сигналов
меньше, чем для музыкальных. Для большинства музыкальных сигналов интервала
однородности не существует.
Орган слуха человека не может усреднять воспринимаемый сигнал за столь длительное время. Слуховое ощущение в каждый момент текущего времени (например,
t1) определяется не только мгновенным значением сигнала в этот момент, но и более
ранними его значениями. Последние при слуховом восприятии оказывают тем меньшее влияние, чем дальше они удалены в прошлое от текущего момента времени. Поэтому при определении уровня сигнала усреднение его выпрямленных мгновенных значений следует выполнять с переменным множителем веса, убывающим в направлении

Р а з д е л 1

прошедшего времени. Подходящим приближением является весовая функция вида

λ(t1 − t) = 1

T exp
(
−t1 − t

T

)
(1.4)

при t ⩽ t1, причем λ(t1−t) = 0 при t > t1; T — время, характеризующее длительность
«памяти» слуховой системы.
При таком способе усреднения для момента времени t1 среднее значение выпрямленного сигнала

ut=t1 =
∫ t1

−∞
λ(t1 − t)|u(t)| dt.
(1.5)

Взвешивание выпрямленных мгновенных значений реального аудиосигнала посредством весовой функции (1.4) для момента времени t1 показано на рис. 1.1,г.

. 1.2. Уровнеграммы одного
и того же отрезка аудиосигнала,
полученные при разной длительности
«памяти» измерительного устройства

Изменяющееся во времени выпрямленное напряжение, усредненное за определенный промежуток
времени с заданным множителем веса λ(t1−t) и выраженное в децибелах, называется динамическим
уровнем звукового сигнала N(t), т. е.

N(t) = 20 lg u(t)

U0
,
(1.6)

где t — текущее время.
Можно сказать иначе: изменяющиеся во времени уровни звукового сигнала называются динамическими.
Записи динамических уровней, получаемые с помощью самописца, называются уровнеграммами (рис. 1.2) в отличие от
временных зависимостей мгновенных значений, когда тем или иным способом фиксируется изменение во времени напряжения.
Значение уровня зависит не только от мгновенных значений временной функции
сигнала, но и весьма существенно от множителя веса (1.4) и длительности «памяти» T измерительного устройства. Поэтому, говоря об уровнях, следует непременно
учитывать временн´ые параметры приборов, которыми они измерены.
При всем многообразии звуковых сигналов некоторые их статистические свойства, имеющие практический интерес, оказываются в достаточной мере устойчивыми
и объективно характеризующими их особенности для сигналов разных жанров (речь,
классическая музыка, эстрадная музыка, хоровое пение и т. д.).
Знание статистических свойств ЗС необходимо для понимания процессов, протекающих как в отдельных устройствах, так и в целом в различных по структуре и
назначению звуковых системах, системах радиообслуживания, звукоусиления и т. п.;
правильной трактовки свойств и параметров звукового оборудования; создания испытательных сигналов, наилучшим образом имитирующих реальные звуковые сигналы;
разработки оптимальных систем и устройств в максимальной степени учитывающих
как свойства самих сигналов, так и особенности слухового восприятия последних.
Статистические свойства звуковых сигналов характеризуются, прежде всего, законами распределения: мгновенных значений и уровней во времени; длительностей
пауз; длительностей непрерывного существования разных уровней (выбросов ЗС);
распределения напряжений и уровней по частоте и т. п.

Аудиосигналы и их характеристики
9

Не следует путать первичные акустические сигналы, соответствующие натуральным звучаниям музыкальных инструментов и голосов в зале или на открытом воздухе, и сигналы звукового вещания, а также сигналы систем звукоусиления, полученные
звукорежиссером из первичных сигналов их частотной, амплитудной и динамической
обработкой. Их параметры и характеристики не идентичны, хотя имеют много общего. Большая часть сведений, имеющихся в опубликованной литературе, все же относится к сигналам уже прошедшим эту сложную обработку, о чем не следует забывать.
Динамический диапазон. Общее определение динамического диапазона ЗС формулируется как отношение максимального напряжения (Umax) к минимальному (Umin),
характеризующее данный процесс. Однако это определение не содержит сведений о
том, что подразумевается под максимальным и минимальным напряжениями.
При теоретическом определении динамического диапазона вводят понятия квазимаксимального и квазиминимального напряжений. Квазимаксимальным (Uкв.макс)
будем называть такое значение, вероятность превышения которого достаточно мала,
например 0,01. . . 0,02, а квазиминимальным (Uкв.мин) — такое, вероятность превышения которого, наоборот, достаточно велика и равна 0,98 . . . 0,99.
С учетом изложенного динамический диапазон электрического звукового сигнала

Dс = 20 lg Uкв.макс

Uкв.мин
= 20 lg Uкв.макс

U0
− 20 lg Uкв.мин

U0
.
(1.7)

В аудиотехнике обычно U0 = 0,775 В, это напряжение на нагрузке сопротивлением
600 Ом, на которой выделяется мощность 1 мВт.
Динамический диапазон сигнала, определяемый выражением (1.7), будем называть теоретическим. Наряду с этим динамический диапазон сигнала можно найти
экспериментально с помощью уровнеграммы как разность максимального Nmax и
минимального Nmin уровней для достаточно большого по длительности интервала
наблюдения:
Dс = Nmax − Nmin,
дБ.
(1.8)

Очевидно, что измеренное значение динамического диапазона сигнала существенно зависит от выбранного времени интеграции tи и времени возврата tв измерителя
уровней. Чем больше tи, тем в меньшей степени будут регистрироваться кратковременные выбросы сигнала, тем меньшим окажется найденное значение. Аналогичным
образом на регистрацию минимальных уровней влияет и время возврата tв. Заметим,
что теоретическое значение динамического диапазона сигнала, рассчитанное с помощью распределения во времени мгновенных значений напряжения u (1.7), всегда больше измеренного значения (1.8) для одного и того же исследуемого отрывка звучания.
Динамические диапазоны отдельных жанров музыкальных и речевых сигналов,
измеренные с помощью приборов, показания которых соответствуют слуховому восприятию уровня громкости (tи = tв = 60 мс), составляют в среднем:
60. . . 70 и более дБ для симфонического оркестра;
35 дБ для эстрадной музыки;
20 дБ для джаз-оркестра;
47 дБ для хора;
35 дБ для солистов-вокалистов;
25 дБ для речи диктора.
При воспроизведении речи максимальный акустический уровень составляет
80. . . 86 дБ, Sound Pressure Level (SPL), а при воспроизведении музыкальных сигналов

Р а з д е л 1