Приборы для измерения уровня.

Всегда звукорежиссерские пульты оборудованы приборами контроля уровня. Все они измеряют напряжение звукового сигнала и отображают его, практически всегда, в децибелах напряжения. Однако делают они это по разному, да и выглядят непохоже. Попробуем разделить индикаторы на группы. Для звукорежиссера схемотехнические и конструктивные отличия индикаторов не столь важны. Поскольку наблюдать за индикатором звукорежиссеру приходиться постоянно, на первое место выходят различия во внешнем виде и, конечно, по тому, как, собственно, измеряет напряжение индикатор.

По внешнему виду индикатора их можно разделить на такие группы: стрелочные, зайчиковые, газоразрядные, светодиодные, компьютерно-мониторные.

По характеристике измеряемого значения – вольтметр "средних значений", "пиковый" вольтметр и вольтметр "действующих значений", иначе называемый "среднеквадратичный" (RMS).

Рассмотрим внешний вид.

Стрелочные индикаторы уровня достаточно распространены. Обычно это приборы магнитноэлектрической системы, когда измерительная катушка находится в поле неподвижного постоянного магнита, а изменение ее положение передается на связанную с ней стрелку. Достоинства – высокая чувствительность, что упрощает электронную схему, высокая точность. Некоторый недостаток – сравнительно большая инерционность ввиду относительно большой массы системы катушка-стрелка, наличие собственного механического резонанса, вызывающего дополнительные колебания стрелки при изменении измеряемого уровня. Недостаток – слабая различимость в темноте или в условиях недостаточного освещения устраняется подсветкой, особенно эффективной при применении полупрозрачной шкалы.

Разновидность – приборы «зайчиковой» системы, когда с катушкой связана не относительно длинная и массивная стрелка, а весьма миниатюрное зеркальце. Сфокусированный пучок света от лампы накаливания отражается от этого подвижного зеркальца на полупрозрачную шкалу в виде светлой черточки или прямоугольничка. Меньшая масса уменьшает инерционность, сравнительно большая прямая шкала удобнее в работе. Иногда на одной шкале помещают два «зайчика» для стереоиндикатора. Недостаток – плохо видно при ярком свете (как, впрочем, и все светящиеся индикаторы). Не вполне устранена инерционность.

Газоразрядные – в виде светящегося столба оранжево-красного цвета. Отсутствует инерционность, но требует специальную схему высоковольтного питания. Плохо виден при ярком свете (хуже, чем зайчик). Имеет свойство сильно изменять свои параметры со временем. Из-за этих недостатков применяется редко, хотя существовали звукорежиссерские пульты на телевидении, где под каждым микшером (фейдером) был вмонтирован свой газоразрядный индикатор, что достаточно удобно на практике.

Светодиодные – сейчас наиболее распространены. Высокая (иногда регулируемая) яркость в сочетании со светодиодами трех цветов – красных для уровней выше 0, желтых для нулевого уровня и зеленых – для остальных, наглядность при размещении в столбик, малое потребление и нечувствительность к положению в пространстве делает их особенно удобными. Недостатки – весьма сложная (отсюда дорогая) схема управления, плохая заметность при очень ярком свете.

Компьютерные – когда для вывода информации об уровне используется компьютерный монитор. В этом случае обычно выводится не только информация об уровне, а и о частотном спектре сигнала, для чего различными цветами выделяются октавные, полуоктавные, а то и третьоктавные частотные полосы, каждая из которых индицируется своим уровнем. Индикатор хотя и информативен, но достаточно громоздок и дорог.

Существуют также приборы на основе жидкокристалических элементов (отображают темно-серые цифры и знаки на светло-сером фоне) и вакуумно-люминисцентные (святящиеся надписи, знаки обычно зеленого и красного цветов). На пультах практически не применяются из-за малого размера и неудобства наблюдения, встречаются обычно на устройствах как вспомогательные дисплеи.

Теперь о характеристике измеряемого значения.

Казалось бы, что здесь сложного - измерить напряжение? Подключи вольтметр - и измеряй себе на здоровье! Если бы всё было так просто... Так легко бывает, наверно, только у электриков. В звуке всё гораздо сложнее. Реальные звуковые сигналы похожи на всё что угодно, кроме известной всем синусоиды. При измерении уровней звуковых сигналов результат будет зависеть как от характера анализируемой фонограммы, так и от типа применяемого вольтметра. "Секрет" здесь заключается в том, что звуковой сигнал имеет ярко выраженный импульсный характер, со значительным пик-фактором. (Пик-фактором называется отношение мгновенной, "пиковой" амплитуды сигнала к его эффективному, действующему значению).

Пик-фактор очень сильно отличается у различных звуковых источников. Для нормально сведённой фонограммы поп-музыки (не "пережатой") он составляет величину порядка 12 дБ, для речи 18-20 дБ, а для необработанной фонограммы существенно больше.

Соответственно и разные типы вольтметров на одном и том же сигнале будут давать различные показания.

Существуют три основных типа вольтметров - вольтметр "средних значений", "пиковый" вольтметр и вольтметр "действующих значений", иначе называемый "среднеквадратичный" (RMS).

Вольтметр средних значений (VU-meter, или "волюметр") исторически появился самым первым, и является самым простым по устройству - показывающий прибор просто включён в диагональ диодного моста. Динамические характеристики измерителя полностью определяются инерционными параметрами стрелочного индикатора, а все механические измерители имеют весьма значительный разброс по этим параметрам.

Однако - благодаря его длительному применению - звукорежиссёры накопили богатый опыт работы, позволяющий (при соответствующей практике) правильно оценивать показания измерителя и вносить необходимые поправки "на слух", с учётом характера звукового материала. Только этим - и ничем иным - и объясняется такая феноменальная "живучесть" этого типа измерителей.

Вольтметр действующих значений (среднеквадратичный) показывает величину напряжения, пропорциональную реальной долговременной мощности сигнала, его "тепловой эквивалент" И в самом деле, лучшие RMS-вольтметры построены именно с использованием термопреобразователей - исследуемое напряжение нагревает термоэлемент, по температуре которого и судят о величине напряжения.

Однако, как вы понимаете, нагрев термоэлемента - дело долгое, измеритель получается излишне инерционным, и применять его для оценки звуковых сигналов - занятие неблагодарное. Другое дело - измерение напряжения шумов.

Измерять уровень шумов аппаратуры можно только среднеквадратичным вольтметром! При использовании любых других видов – ошибки в результатах из-за стохастического характера шумов абсолютно непредсказуемы!

Пиковый вольтметр в подавляющем большинстве случаев как раз и служит измерителем уровней звуковых сигналов в профессиональной аппаратуре. Однако он "в чистом виде" малопригоден для работы, так как, реагируя даже на самые короткие пики сигнала, будет давать постоянно завышенные показания, а фонограмма при этом будет тихой. Как же быть? Выход был найден в некотором (намеренном) "ухудшении" параметров измерителя - таким образом, чтобы отдельные, "очень уж короткие" пики сигналов он как бы "перестал видеть". Для этого в схему измерителя были введены специальные интегрирующие зарядно-разрядные цепочки, определяющие динамические характеристики прибора. Такие измерители получили название "квазипиковые", и вот они-то на самом деле и являются теми измерителями, с которыми мы имеем дело в повседневной практике.

Практически все измерители, на которых написано "Peak" - на самом деле являются квазипиковыми! Единственные чисто пиковые измерители - это индикаторы "Over" на некоторых цифровых рекордерах.

Самые первые квазипиковые измерители имели время интеграции 60 миллисекунд, что примерно соответствует инерционности человеческого слуха. Время интеграции - это величина, определяющая быстродействие измерителя - или, иначе говоря, - длительность тех коротких пиков сигнала, на которые измеритель ещё реагирует. На более короткие сигналы измеритель, конечно, тоже реагирует, но плохо, слабо. Постепенно, с ростом технических требований к качеству записей, ужесточались и требования к измерителям уровней. Требовалось всё большее отношение сигнал/шум, постоянно возрастал уровень записи (намагниченность ленты), и всё меньшим становился запас по перегрузке. (В цифровой записи вообще недопустима какая бы то перегрузка, даже очень кратковременная).

Чтобы более-менее надёжно контролировать максимальные уровни сигналов, стали увеличивать быстродействие измерителей. Сначала время интеграции было уменьшено до 10 миллисекунд, а затем - и вовсе до 5 миллисекунд. Считается, что искажения перегрузки с длительностью менее 5 мс ухо не замечает.

Однако за увеличение быстродействия измерителей пришлось расплачиваться значительным увеличением разрыва между субъективно воспринимаемой громкостью звучания и показаниями индикаторов. Хотя в случае современной поп-музыки, до предела "сжатой", закомпрессированной, этот разрыв не очень уж и велик.

Итак - 60-мс измерители удовлетворительно соответствуют субъективному восприятию громкости, но плохо показывают пики сигналов. 5-мс измерители хорошо индицируют пики, но их показания плохо коррелируют с громкостью звука.

Как быть? Все зависит от конечной цели. Если главное – не допустить перегрузки линии связи или передатчика, то нужен самый быстрый индикатор. Но если перед вами, как перед звукорежиссером, встает проблема "плотности" звучания и других художественных особенностей, лучше использовать "двойные" индикаторы, которые показывают оба значения - и пиковое, и действующее. Они уже существуют и довольно широко применяются, хотя в их конструкции наличествует оттенок лёгкого и нестрашного вранья: индикатор "Peak" реально квазипиковый, а та часть индикатора, которая на самом деле показывает истинный RMS-уровень, стыдливо, по инерции, именуется "VU".