автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.08, диссертация на тему:Разработка методов оценки интонационной ясности музыкальных звуков

САНКТ- ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

на правах рукописи УДК [681.8.534](035)

ГАЛЕМБО Александр Семенович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ИНТОНАЦИОННОЙ ЯСНОСТИ . МУЗЬЖ{У1ЪНЫХ,ЗВУКОВ ..........

Специальность 05.09.08 "Электроакустика и звукотехника"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Институте речевых коммуникаций и музыкальной акустики Королевского политехнического института Швеции и на Ленинградском производственном объединении по изготовлению музыкальных инструментов

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ доктор технических наук Юрий Михайлович Ишуткин кандидат технических наук Ромуальд Вячеславович Домбровский

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ акционерное общество фортепианная фабрика (бывш. Я. Беккер)

Защита состоится 16 февраля 1995 года в 13 час 00 мин на заседании Специализированного Совета К035.01.01 Санкт-Петербургского института кино и телевидения. Адрес: 191126, г. Санкт-Петербург, ул. Правды 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного Совета.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ кандидат технических наук, профессор Яшэр Шакирович Вахитов

Автореферат разослан /У января 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к.т.н., доцент

К. Ф. Гласман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Еще полтора столетия назад оценка качества музыкального инструмента не являлась проблемой. Его индивидуальное изготовление было сориентировано на заказчика, чье мнение об инструменте было окончательным и неоспоримым. Хороший мастер обладал достаточными навыками, чтобы в соответствии с желанием заказчика вносить изменения в каждый отдельный инструмент.

Рост народонаселения и развитие культуры повысили спрос на музыкальные инструменты высокого качества и вместе с тем доступные по стоимости. Этот спрос удовлетворяется массовым производством, основанным на специализации и механизации труда. Однако оно обезличило как производителя, так и потребителя, подведя качество продукции к некоему среднему уровню, определяемому, в основном, культурой производства.

Контроль качества музыкальных инструментов в массовом производстве обычно ограничивается обнаружением значительных отклонений от этого среднего качества, носящих характер дефектов, и поэтому не представляет сложности для музыканта.

При создании новой модели инструмента или при сравнении инструментов разных изготовителей возникает необходимость в более тщательной и детальной оценке уровня их качества. В таких случаях речь идет уже о нюансах игровых и слуховых ощущений музыканта, и лишь статистика мнений экспертов может дать более или менее достоверную оценку.

Научно обоснованное повышение качес.ва продукции является насущной задачей производства музыкальных инструментов. Улучшение акустических характеристик инструментов должно базироваться на определении объективных критериев качества издаваемых ими звуков.

Это прикладное направление в акустике развито чрезвычайно слабо, и опубликованные результаты многочисленных исследований на основе идеализированных моделей музыкальных инструментов или на упрощенном синтетическом звуковом материале, представляя подчас большой научный интерес, не могут быть непосредственно использованы для корректировки конструкции и технологии музыкальных инструментов.

Сложность прикладных исследований обусловлена тем, что они не могут основываться на значительных упрощающих идеа-лизациях, т. к. такие идеализации могут "поглотить" исследуемое явление. Вместе с тем, выводы из таких исследований должны быть достаточно просты для применения в практике. Как правило это трудоемкие, по большей части экспериментальные работы, основанные на точном следовании конструкции и технологии инструмента, а также на знании требований, предъявляемых к его качеству потребителями. Целью таких работ является, прежде всего, установление причинно-следственных связей между конструктивно-технологическими и потребительскими параметрами инструментов, изыскание способов направленного технологического воздействия на их игровые и звуковые качества, разработка методов объективного контроля элементов качества музыкальных инструментов и их узлов.

Дефицит производственных акустических исследований музыкальных инструментов остро ощущается отечественной промышленностью, стоящей перед фактом конкуренции на мировом рынке, где критерием спроса является качество.

Из опыта исследований известно, что даже простые элементы качества звука в большинстве случаев определяются сложным сочетанием его объективных параметров. Поэтому задача отыскания критериев качества существенно облегчается, если исследователь имеет в своем распоряжении способ отображения сигнала, адекватный цели исследования, т. е. способный вывести "на первый план" параметры, представляющие первоочередной интерес.

Появление оригинальных способов отображения сигналов открывает ранее неведомые возможности анализа, создает условия для активной разработки новых перспективных направлений в научных исследованиях.

Техника цифровой обработки сигналов предоставляет широкие возможности создания способов отображения сигналов, адекватных цели исследования. Однако в исследованиях музыкальных звуков эти современные возможности используются крайне недостаточно, что препятствует получению новых результатов, касающихся в т. ч. и качества звучания музыкальных инструментов.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью познания закономерностей, связывающих физи-

ческие характеристики звукоооразования с качеством звучания музыкальных инструментов, на основе использования новейших способов анализа сигналов, и разработки практических рекомендаций по повышению этого качества.

Цель и задачи исследования. Для того, чтобы разработать методы оценки музыкальных инструментов на основе объективного анализа звука, необходимо, во-первых, установить соответствие между значащими элементами качества звука и его физическими параметрами. Решение этой задачи требует, в свою очередь, дифференцирования воспринимаемого качества на элементы и выявления тех из них, по которым музыканты-эксперты наиболее достоверно различают инструменты. Далее, с помощью физического анализа следует выявить и исследовать комплекс параметров звукового сигнала, определяющих эти элементы качества, что позволит решать задачу их объективной количественной оценки.

Существенной частью поставленной задачи является выбор или создание способа отображения музыкального звука, удобного для анализа и измерения исследуемых параметров.

Результаты такой работы могут быть использованы в целях повышения качества музыкального инструмента усовершенствованием его конструкции и технологии.

С учетом вышеизложенного, данное исследование имеет целью:

- выявить наиболее информативные субъективные признаки, пс которым музыканты различают звуки фортепиано разного качества;

- определить объективные критерии выявленных значащих признаков;

- разработать способы отображения сигнала, удобные для анализа и измерения исследуемых параметров музыкального звука;

- разработать способы количественной объективной оценки звуков по выявленным признакам качества;

- предложить пути и способы усовершенствования технологии фортепиано, повышающие качество его звуков по выявленным признакам.

Методы исследования. Субъективная экспертиза качества, цифровая обработка сигналов, кепстральный анализ, измерение свойств и характеристик материалов и механических структур.

Научная новизна. Новые результаты работы заключаются в нижеследующем:

- интонационная ясность звука исследована как признак качества звучания музыкального инструмента;

- выдвинута и экспериментально подтверждена идея оценки факторов, влияющих на интонационную ясность звука, с помощью алгоритмов экстракции высоты - таким образом, алгоритмы экстракции высоты применены по принципиально новому назначению - для анализа признаков тембра;

- разработаны принцип, алгоритм и устройство для объективной оценки дискантового звука,фортепиано по его интонационной ясности;

- применена экстракция высоты музыкального звука с помощью перестраиваемого гребенчатого фильтра;

- впервые разработан способ визуализации распределенной спектальной негармоничности музыкальных звуков, созданы методы ее оценки и измерения;

- разработан новый способ отображения сигнала - через многомерное сканирование негармоничным гребенчатым фильтром;

- впервые разработан алгоритм одновременного измерения основной частоты и коэффициента негармоничности сигнала',

- впервые исследованы и учтены в технологии анизотропные характеристики молоточкового войлока для фортепиано.

- разработан способ объективной оценки качества фортепианного молоточка и предложены новые технологические приемы его улучшения;

Положения, выносимые на защиту:

- принцип и способ количественной оценки интонационной ясности дискантовых звуков фортепиано по динамике энергетического соотношения между "высотными" и "шумовыми" компонентами спектра;

- способ количественной оценки, визуализации и прямого измерения распределенной спектральной негармоничности музыкальных звуков применением алгоритмов кепстра и спектра гармонического произведения;

- способ отображения сигнала многомерным сканированием спектра негармоничным гребенчатым фильтром;

- алгоритм одновремешюго прямого измерения основной частоты и коэффициента негармоничности музыкального звука;

- способ количественной оценки качества фортепианных молоточков;

- утверждение, что опорные конструкции фортепиано в дискантовом регистре являются эффективным звукоизлучателем, параметры которого влияют на тембр звуков;

- новая технологическая схема изготовления фортепианных молоточков.

Практическая ценность работы. Систематизация и способы ограничения психологических помех при экспертизе качества музыкальных инструментов, предложенные в работе, позволяют повысить достоверность и техническую информативность субъективных оценок музыкальных инструментов в призводствен-ной практике;

Предложенный новый подход к анализу и оценке интонационной ясности музыкальных звуков применим ко всем видам музыкальных, речевых и других квазипериодических звуков.

Сканирование спектра сигнала негармоничным гребенчатым фильтром может быть использовано как новый метод экстракции высоты, позволяющий определять ее значение для периодических и квазипериодических звуков.

Данный метод применим к анализу и оценке степени периодичности любых - не только акустических - сигналов и может служить эффективным средством изучения факторов, вызывающих спектральную негармоничность.

Разработанные способы измерения негармоничности спектра, в сравнении с применяемыми ранее, обладают большей степенью объективности, т. к. не включают в себя элементы субъективного анализа.

Предложенный способ оценки молоточков фортепиано позволяет контролировать их качество при совершенствовании технологии.

Анализ качества войлоков и молоточков расширяет знание о их роли в звукообразовании, предоставляет дополнительные данные для входного контроля материалов в производстве фортепиано.

Результаты исследования и усовершенствования технологии войлока и молоточков могут быть применены в легкой промышленности и в производстве фортепиано - для повышения качества производимых инструментов.

Новые результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы в учебном процессе студентов Санкт-Петербургской Лесотехнической Академии, Санкт-Петербургского института кино и телевидения, техникума Целлюлозной и деревообрабатывающей промышленности, музыкальных учебных заведений -по курсам "музыкальная акустика", "производство музыкальных инструментов", "инструментоведение", а также студентов технических вузов, изучающих анализ речи и цифровую обработку сигналов.

Реализация и внедрение результатов работы. Описанная в данной работе методика экспертизы качества музыкальных инструментов применялась в акустической лаборатории Ленинградского объединения по изготовлению музыкальных инструментов при анализе качества продукции.

Предложенный способ оценки дискантовых звуков фортепиано был использован в акустических исследованиях упомянутой лаборатории, а также как базовый метод при аналогичных исследованиях, проводимых впоследствии другими авторами в НИКТИМП (Москва) и Варшавской консерватории (Польша).

Алгоритмы определения основной частоты и коэффициента негармоничности звука на базе кепстрального анализа, через спектр гармонического произведения, а также способ отображения и анализа звука многомерным сканированием его спектра негармоничным гребенчатым фильтром применяется в исследованиях звуков струнных музыкальных инструментов, проводимых Институтом речевых коммуникаций и музыкальной акустики Королевского политехнического института Швеции.

Способ усовершенствования молоточкового войлока, разработанный в процессе данного исследования, внедрен в производство в легкой промышленности страны и узаконен государствен-

ным стандартом СССР - ГОСТ 7175-75 "Войлок технический для музыкальных клавишных инструментов".

Технология молоточков, отработанная в результате данных исследований, успешно применяется в производстве высококлассных концертных роялей и при ремонте роялей лучших зарубежных фирм.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах:

- Всесоюзные акустические конференции - с VII по X;

- 18 Чехословацкая акустическая конференция с международным участием "Tvoreni a fyziologie vnimani zvuku hudebnich nastroju. Cesky Krumlov, ЧССР, 1979;

- 4-я Всесоюзная научно-техническая конференция по электромузыкальным инструментам, Москва, 1981;

- 1-е Всесоюзное совещание по статистическому и дискретному анализу нечисловой информации, экспертным оценкам и дискретной оптимизации, Алма-Ата, 1981;

- Всесоюзная научная конференция "Психологические характеристики человека-оператора", Саратов, 1985;

- 28th Acoustic conference on Physiological acoustics, psycho-acoustics, acoustics of music and of speech. Strbske Pleso, ЧССР, 1989;

- Stockholm Music Acoustic Conference (SMAC-93), Стокгольм, Швеция, август 1993;

- семинары в Научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте музыкальной промышленности (Москва);

- научные семинары Института речевых коммуникаций и музыкальной акустики Королевского института технологии Швеции, 4 мая 1993 г. и 8 ноября 1994 г;

Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 работы, в т. ч. одно авторское свидетельство и одна книга.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы и 3 приложений. Материал изложен на 207 страницах текста, содержит 10 таблиц, 42 рисунка, 201 библиографическую ссылку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены задачи и изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен рассмотрению современного состояния науки и практики в вопросе оценки качества звучания музыкальных инструментов, а также содержит необходимые для понимания работы сведения об интонационной ясности звуков, о некоторых использованных в настоящей работе алгоритмах экстракции высоты, применяемых обычно в исследованиях речевых сигналов, а также о технологии фортепианных молоточков.

Проведен обзор исследований, посвященных анализу качества звучания музыкальных инструментов, а также вопросам соотношений субъективных и объективных характеристик музыкальных звуков.

Показано, что принятая в практике производства музыкальных инструментов методика их субъективного оценивания, будучи достаточно корректной для обнаружения грубых дефектов звучания, имеет низкую достоверность результатов, если речь идет о детальной оценке при сопоставлении в общем бездефектных, но разнокачественных инструментов.

Проанализирован ряд известных психологических факторов, не относящихся непосредственно к оцениваемому звуку, но влияющих на оценку и снижающих ее достоверность. Показано, что, поскольку нахождение объективных критериев качества невозможно без достоверной субъективной оценки, методика субъективной экспертизы должна быть усовершенствована, чтобы гарантировать необходимую достоверность оценок в условиях эксперимента.

Известные системы оценивания качества музыкальных инструментов не отражают с необходимой достоверностью и полнотой существенную для музыканта разницу в тембрах звуков разнокачественных инструментов и не могут быть использованы в практике детальной оценки качества звучания выпускаемых инструментов.

Физический анализ музыкальных звуков не позволяет получить универсальные объективные критерии качества музыкальных звуков, хотя существование таких универсальных критериев еще не так давно предполагалось учеными. Опыт многих исследований показывает, что применимость полученных экспериментально корреляций между физическими параметрами сигнала и восприятием его тембра как правило ограничена условиями эксперимента и применяемым звуковым материалом.

В последние десятилетня экспериментаторами получены результаты, демонстрирующие исключительную важность переходных процессов, и в особенности атаки звука, в восприятии тембра. Немногочисленные успешные работы, выявившие частные объективные критерии тембра звуков музыкальных инструментов, построены на анализе изменчивости спектра этих звуков.

Большое количество попыток детерминации тембра в субъективных шкалах признаков также не привело к созданию сколь-либо универсальной системы признаков, которую можно было бы взять за основу оценки тембра.

Таким образом, решение практических задач получения физических коррелятов тембра требует корректировки методов как субъективного, так и объективного описания звуков применительно к конкретной задаче исследования.

Перспективным подходом к объективному анализу такого сложного признака звука как тембр может служить создание на базе цифровой обработки сигнала специфических способов представления музыкального звука, удобный для выявления его основных параметров.

Интонационная ясность или высотная определенность -термин, обозначающий ту отчетливость, с которой ошушается высота звука. Теоретически в шкале этого признака звуки начи-аются с белого шума (интонационная неясность) и заканчваются гармоническим звуком (полная интонационная ясность).

Интонационная ясность, согласно определениям акустики, относится к признакам тембра, хотя по сути непосредственно связана с восприятием высоты.

Итонационная ясность звуков музыкальных инструментов не исследовалась прежде, хотя она имеет существенное значение для восприятия музыкального звука, что можно подтвердить отдельными практическими ситуациями, когда интонационная ясность

и

как признак звука выступает на первый план - например, недостаток интонационной ясности в крайних басах и крайних дискантах фортепиано сдерживает историческую тенденцию к расширению звуковысотного диапазона этого инструмента, а в плохих фортепиано не только снижает качество звука, но может даже существенно затруднить настройку.

Рассмотрены физические причины снижения интонационной ясности звуков фортепиано к краям звуковысотного диапазона. В басовых звуках, наряду с общим уменьшением чувствительности слуха к нижним частотам, это снижение обусловлено негармоничностью спектра колебаний струны, в дискантовых -маскирующим действием шумового призвука, относительная интенсивность которого повышается с уменьшением дистанции между местом возбуждения струны и ее опорой (чугунной рамой).

Приведен обзор исследований спектральной негармоничности колебаний струн. Эта негармоничность, выражающаяся в прогрессивном завышении частот обертонов относительно частот гармонического ряда, является следствием неидеальной гибкости струны и описывается формулой:

Л = п/,; (1+л2Я)0.5 , (1)

где /п - частота и-й моды собственных колебаний,/0 - частота основного тона идеально гибкой струны, В - коэффициент негармоничности.

Распределенная спектральная негармоничность во многом определяет качество (тембр) басовых звуков струнно-клавишных и струнно-щипковых инструментов.

Для исследователя негармоничность - скрытый параметр, его невозможно обнаружить и оценить ни по осциллограмме, ни по спектрограмме сигнала. Говоря иначе, этот параметр не имеет визуального представления через измерение. Применяемая издавна методика измерения негармоничности включает в себя получение спектра сигнала, визуальное выявление основного тона и его обертонов, измерение их частот, сравнение этих частот на основе формулы (1), вычисление коэффициента негармоничности в нескольких парах компонент и усреднение.

Эта методика несовершенна, сложна и, строго говоря, не объективна, так как визуальный анализ спектра и идентифика-

цня обертонов производится интуитивно, а реальные звуки струнных музыкальных инструментов, кроме основного тона и оберто-новпоперечных колебаний струн, содержат множество компонент иного происхождения. Кроме того, при такой методике в измерение практически вовлекаются только несколько избранных пар обертонов, а не весь спектр.

Рассмотрены особенности звукоизвлечения в дискантовом регистре фортепиано. В этом регистре время соударения молоточка и струны превышает период ее собственных колебаний, таким образом молоточек не только возбуждает колебания струны, но и частично демпфирует их, что и создает благоприятные условия для появления отчетливого шумового призвука.

Оперативные средства уменьшения этого призвука в каждом экземпляре инструмента лежат в процессе интонировки - увеличении жесткости молоточка упожкой и пропиткой затвердевающими растворами или уменьшении радиуса ударной части. Интони-ровка является необходимым процессом, но она ухудшает тембр звука и снижает стабильность молоточка, поскольку разрушает напряженную волокнистую структуру войлока.

Кардинальным средством улучшения тембра дискантовых звуков фортепиано является совершенствование технологии процесса формирования молоточков - от изготовления молоточко-вого войлока до прессования молоточков.

Приведены краткие сведения об и »тонировке, о технологии молоточкового войлока и молоточков, необходимые для понимания дальнейшего содержания работы.

Описан физичекий смысл использованных в настоящем исследовании известных алгоритмов цифровой обработки сигнала • кепстра и спектра гармонического произведения, применявшихся до сих пор исключительно для определения основной частоты периодических сигналов, в основном - в речевой акустике.

На основании проведенного анализа состояния вопроса сформулирована задача настоящего исследования.

Во втором разделе анализируются психологические помехи в работе музыканта при экспертизе качества звучания музыкальных инструментов.

К важнейшим помехам отнесены: психологическая установка эксперта, акустические ообенности помещения, кроссмодаль-

ная маскировка при восприятии инструмента по сенсорным каналам разной модальности, влияние исполнителя на звучание инструмента, несовершенство памяти, а также неоднозначно понимаемая терминология, применяемая музыкантами для описания слуховых впечатлений.

В целях ограничения действия психологических помех в данной работе применены следующие приемы:

- отказ от применения субъективных описаний тембра, упрощение задачи эксперта до таких, в которых как вопросы к эксперту, так и ответы на них не допускают неоднозначного толкования - практически это означает сведение экспертной задачи к различению или идентификации предъявляемых звуковых примеров;

• применение в качестве звуковых примеров аккордов, гамм и отдельных звуков, а не отрывков из музыкальных произведений;

- изоляция эксперта по неадекватным сенсорным каналам -по зрительному - специальными войлочными очками, по слуховому • наушниками с белым шумом.

Проведены экспериментальные экспертизы фортепиано с целью выявления и уточнения тех отдельных признаков, по которым музыканты различают качество фортепиано.

Первая экспертиза включала 3 этапа.

Первый этап - открытое оценивание, при котором эксперты играли на рояле произвольный репертуар, и заполнение ими опросного листа, в котором ставились оценки тембру, динамическому диапазону и игровому удобству в басовом, среднем и дискантовом регистре каждого инструмента. Оценивались четыре концертных рояля: "Сгейнвей", "Ферстер" и два рояля производства Ленинградской фабрики "Красный Октябрь". Экспертами выступали 11 профессоров и преподавателей Ленинградской консерватории. Анализ и усредненние оценок показали, что "Сгейнвей", по общему мнению экспертов, превосходит остальные рояли по всем признакам; "Ферстер" и "Красный Октябрь" получили почти одинаковые оценки.

Вторым этапом был анкетный опрос экспертов с целью уточнить, считают ли они себя способными подтвердить замеченные различия по тем же признакам звучания, слушая рояли из-за занавеса. Ответ экспертов был в основном положительным.

Третьим этапом было предъявление экспертам звучания тех же роялей из-за оптически непрозрачного звукопроницаемого занавеса (в дальнейшем для краткости будем называть проще: "из-за занавеса") с теми же вопросами к экспертам, что и на первом этапе.

Сравнение результатов первого и третьего этапа показало, что предпочтение рояля "Сгейнвей" как по тембру, так и по динамическому диапазону, наиболее отчетливо подтвердилось в дискантовом регистре и в меньшей степени - в басовом регистре (рис. 1).

Рис. 1. Субъективные оценки звуков роялей в свободных условиях и из-за занавеса.

• • •■ ■• "Ферстер" —■— "Кр. Окт" белый

—♦—*Кр. Ост.'черный д 'Стейнвей'

Обозначения'. 03 н од - открытое оценивание звучания и динамического диапазона соответственно, 33 и зд - то же из-за занавеса.

Во второй экспертизе рояли "Сгейнвей" и "Красный Октябрь" сравнивались методом предпочтений по тем же показателям качества, что и в первой экспертизе. Первый этап - открытое оценивание - дал ожидаемый результат: все предпочтения были отданы роялю "Сгейнвей". На втором этапе эксперты подтвердили в анкетах, что замеченные звуковые различия между роялями существенны и должны быть ощутимы при прослушивании из-за занавеса.

Однако в условиях прослушивания из-за занавеса звуковых примеров, состоящих из отдельных звуков, гамм, аккордов, предпочтения изменились. Обработка результатов выявила в качестве наиболее значимых признаков различий (т. е. тех признаков, по которым предпочтения в открытой оценке и из-за занавеса в большей степени совпадают) звучание басового (контроктава) и крайнего дискантового (4-5 октава) регистров, а также звучание аккорда во 2 октаве.

В третьей экспертизе оценивались 3 инструмента: "Сгейн-вей", "Красный Октябрь" и "Бехштейн". На первом этапе эксперт должен был, играя на роялях "в открытую", запомнить" звуковой и игровой образ" каждого инструмента. На втором этапе эксперты должны были по звуковым примерам идентифицировать инструмент из-за занавеса. Звуковые примеры, в соответствии с результатами предыдущих экспертиз, выбирались в четвертой, второй и контр- октавах.

Третий этап заключался в идентификации роялей по дви-гательно-моторному впечатлению при игре. В этом тесте слуховой и зрительный сенсорный каналы у играющего эксперта были изолированы с помощью специальных очков и наушников.

Эта экспертиза выявила, что наиболее информативными звуками при различении и идентификации представленных роялей являются звуки четвертой октавы и контроктавы.

Важным результатом третьей экспертизы было практически безошибочная (87.5% правильных ответов) идентификация роялей по двигательно-моторному впечатлению в сочетании с тем фактом, что при открытой сравнительной оценке качества роялей основное внимание музыканты уделяли (и обычно уделяют) звуковым различиям инструментов.

Третий раздел посвящен в основном физическому анализу дискантовых звуков фортепиано и выявлению объективных критериев качества этих звуков.

Рассмотрена типичная спектрально-временная структура дискантового звука фортепиано. Этот звук начинается с сильного широкополосного шума, на фоне которого возникают основной тон и несколько гармоник. С развитием звука они постепенно освобождаются от шумового окружения и затухают.

С помощью экспериментов с введением искусственных жестких связей между декой и футором пианино, а также сравнением двух пианино, металлические рамы которых были изготовлены из разных материалов (чугун и сплав на основе алюминия), показано, что в дискантовом регистре фортепиано опорные конструкции становятся важным звукоизлучателем, а относительная активность деки в этом регистре значительно уменьшается. Показано, что шумовой призвук в дискантах фортепиано можно предстаешь как результат соударешм молоточка со штабиком чугунной рамы.

Детальный опрос музыкантов-экспертов, а также настройщиков и интонировщиков выявил, что в дискантах плохих инструментов музыканты недовольны стучащим, "стекляным" тембром, недостаточной высотной определенностью звуков, особенно проявляющейся при игре быстрыми пассажами.

Звуковой материал, использованный в данном разделе, включал в себя звуки сЗ, еЗ, §3, с4, е4, g4, с5 десяти фортепиано.

С помощью субъективных эспертиз была получена схема предпочтений, разделившая эти инструменты по качеству звуков 4 октавы на 3 группы (I - рояли "Сгейнвей" 81-54, II - рояли "Красный Октябрь" Р1-Р4, III - малогабаритные пианино П1, П2).

На рис. 2 представлены для примера сонограммы разнокачественных дискантовых звуков с5 трех фортепиано, по одному из каждой группы качества.

Анализ этих и других сонограмм выявил, что звукам более высокого качества присущи следующие систематические признаки:

- более длительный и непрерывный основной тон;

- шумовая часть сигнала на сонограмме меньше маскирует основной тон и его обертоны;

- шум занимает более узкую полосу частот;

- шумовая часть сигнала затухает быстрее.

Анализ сонограмм позволяет также заключить, что:

- интенсивный шум возникает раньше, чем появляется основной тон дискантового звука;

- с повышением звука в звукоряде доля шумов в его спектре возрастает;

- разница в сонограммах разнокачественных звуков яснее выражена у более высоких звуков: она ярче у чем у gЗ, а в сонограммах звуков с5 она видна максимально отчетливо.

Каждый звук в быстром мелодическом пассаже (вполне возможной является скорость исполнения 8-10 звуков в секунду) может длиться всего 100 - 125 мс и даже меньше. Если, исходя из

Рис. 2. Сонограммы звуков с5 трех фортепиано в порядке понижения качества звука

этого, проанализировать полученные сонограммы, то возможно объяснить нарекания музыкантов на высотную неопределенность, "стучащий", "стекляный" звук и низкую мелодичность быстрых пассажей поздним появлением слышимых основного тона и его обертонов над уровнем маскирующего их шума.

Выдвинута гипотеза, что объективная характеристика качества дискантовых звуков (4 октава) сравниваемых групп фор-

тепнаио лежит в динамике развития спектра этих звуков, а именно в развитии энергетического соотношения между "высотной" и шумовой частями спектра.

Разработаны способ и устройство, позволяющие осуществить определение основной частоты звука, суммирование значений спектральной мощности в частотных каналах спектрометра, соответствующих основному тону и обертонам звука, и отнесение этой суммы к сумме значений спектральной плотности для того же сигнала во всех частотных каналах:

Цоог <ч-1 УЫ

£ (/|Д'-7 + ¡т + Лт;)

........................................ , (2)

ч

Е/,

1=1

где ^ - количество частотных каналов спектрографа, N - номер канала, соответствующего основной частоте сигнала.

Коэффициент К получил название коэффициента интонационной ясности, и скорость его увеличения в процессе развития дискантового звука отчетливо коррелирует с качеством для всех трех групп звуков, представленных в эксперименте. Рис. 3 показывает развитие во времени коэффициента интонационной ясности для различных фортепианных звуков.

На основании результатов исследованияя делается вывод, что наиболее важным средством увеличения интонационной ясности дискантов фортепиано является усовершенствование молоточков.

Четвертый раздел посвящен разработке удобного способа визуализации и оценки распределенной спектральной негармоничности музыкального звука, а также созданию способа прямого измерения этой негармоничности цифровой обработкой звукового сигнала. Для этой цели используются методы и известные алгоритмы экстракции высоты, которые в данной работе впервые употреблены по принципиально новому назначению - для описания параметров тембра.

Этот метод исследования, как и примененный в предыдущем разделе для исследования интонационной ясности дискантовых звуков, основан на ранее опубликованном автором данной работы тезисе о том, что, поскольку методы экстракции высоты направлены на преодоление маскирующих высоту объективных помех, результаты экстракции должны содержать информацию о преодоленных помехах и, следовательно, мо1уг быть модифицированы для оценки факторов, влияющих на интонационную ясность звука.

Рис. 3. Развитие коэффициента интонационной ясности разнокачественных звуков с5

В первой части раздела доказано, в частности, что такие алгоритмы экстракции высоты как кепстр и спектр гармонического произведения (C1.1I) содержат информацию о степени распределенной спектральной негармоничности сигнала и представляют эту информацию в виде, удобном для визуального обнаружения и оценки негармоничности звука.

Приведены расчеты, согласно которым коэффициент негармоничности В в формуле 1 и ширина высотного пик-региона кепстра сигнала должны быть связаны соотношением:

с - ъ п(1+пЩ** - (п-1)[1+(п-1)*В]м - (1+В)ь*

-=-, (3)

т. (1+В)°* {п(1+п'В)°- (п-1)[1+(п-1)*В]™}

где т. - верхняя квефренция высотного пик-региона; т* - нижняя квефренция высотного пик-региона; Та - квефренция, соответствующая основной моде колебаний идеально гибкой струны;

п - количество "высотных" компонент спектра исследуемого сигнала (основной тон плюс обертоны), вовлеченных в кеп-стральный анализ.

Для СГП подобное расчетное соотношение имеет вид: /•-/•

- = (1+т1В)ол-(1+В)ал , (4)

/о

где т - порядок СГП.

В качестве звукового материала для проверки теоретических предположений использовались басовые звуки фортепиано с различной степенью негармоничности (которая была предварительно измерена обычной процедурой), а также синтезированные 30-компонентные звуки с заданными значениями коэффициента спектральной негармоничности.

Рис. 4 и 5 представляют примеры измеренного кепстра соответственно для синтетических 30-компонентных звуков Л, (основной тон 27 Гц) разной степени негармоничности и для звуков Аг реальных фортепиано. Вертикальные пунктирные линии показывают расчетную дислокацию границ высотного пик-региона согласно формуле (3).

Рис. 6 представляет дня сравнения спектр гармонического произведения двух звуков А2 различной спектральной негармоничности, извлеченных на фортепиано. Расчитанные по формуле 4 границы высотного пик-региона СГП для каждого звука пока-

«1 «■ А

STEINWAY "Ю" кони, рояль А2

В=0.00016

ЭТЕГтУАУ "С" салон, рояль А2

В=0.00019

а-,»-. -лл, ал.л.^а

ыи.

NORDISKЛ 2 | пианино г

А2 I;

В=0.000346 I

м1у\-ал.. 1 -- »»-■

вТИАШ пианино А2

В=0.000568

№ М

гг

«• м«

Рис. 4. Кепстрограммы синтезированных звуков А2 (£,=27,0 Гц)

Рис. 5. Кепстрограммы звуков А2 разных фортепиано

заны в верхней части изображения.

• Таким образом, доказано, что кепстр и спектр гармонического произведения содержат информацию о степени негармоничности музыкального звука, выраженную в величине ширины высотного пик-региона, и что эта величина находится в удовлетворительном согласии с теоретическими расчетами.

Приведен сравнительный анализ предложенных методов.

Поскольку ширина высотной зоны кепстра и СГП находятся в согласии с ее расчетными границами, примитивный способ измерения негармоничности через кепстр или СГП состоит в оценке этой ширины и вычислении В на основе формул 3 и 4. Однако, учитывая нечеткую дислокацию границ высотного пик-региона, добиться таким способом большой точности измерения коэффициента негармоничности, особенно в области его больших значений, не представляется возможным.

Рис. 6. СГП звука А (110 Гц) двух фортепиано

Поэтому предложено измерять коэффициент негармоничности через кепстр или спектр гармонического произведения, применив метод поиска экстремума вариацией параметра, а именно -отысканием максимума уровня высотного пик-региона кепстра или спектра гармонического произведения вариацией негармоничности сигнала.

Для этого введено понятие Спектра негармонического произведения" (СНГП), получаемого преобразованием частотной • шкалы СГП фактором негармоничности, содержащим коэффи-

циснт внесенной негармоничности. При вариации коэффициента внесенной негармоничности максимальный уровень высотного пик-региона достигается тогда, когда этот параметр становится равным искомому коэффициенту негармоничности исследуемого сигнала. Тот же подход возможен и к измерению коэффициента негармоничности через кепстральное представление сигнала.

В пятом разделе предложен обобщенный подход к анализу спектрального содержания сигнала. Предложен новый способ отображения сигнала - через многомерное сканирование его спектра негармоничным гребенчатым фильтром.

Под негармоничным гребенчатым фильтром понимается многополосный фильтр, центры пропускающих (или подавляющих) полос которого не обязательно эквидистантны на шкале частот, но дистанцированы в соответствии с некоей заданной закономерностью. Традиционный "эквидистантный" гребенчатый фильтр называется "гармоничным" и рассматривается как частный случай негармоничного.

Предположим, что частоты составяющих спектра сигнала определяются некоторой функцией

где N — 1, 2, 3, 4... - номер составляющей, Н„ Н„ Н>,... Нк - коэффициенты, описывающие влияние различных факторов на частотный состав спектра сигнала.

Предположим также, что мы смоделировали перестраиваемый эжекторный негармоничный гребенчатый фильтр с дислокацией центров пропускающих полос, подчиняющейся той же функциональной зависимости, что и компоненты спектра исследуемого сигнала:

<ря = Ф (п, /|„й„ А„... /«„),

где /I = 1, 2,3, 4».- номер пропускающей полосы,, Л„ //,, й„ ... Лк -параметры фильтра.

Если пропускать сигнал через фильтр, вариируя параметры последнего, то максимальный отклик на выходе фильтра насту-

пит в тот момент, когда параметры фильтра достигнут значений соответствующих параметров сигнала.

Другими словами, если сканировать спектр сигнала адекватно смоделированным пропускающим негармоничным гребенчатым фильтром в многомерном пространстве его параметров, максимальный отклик фильтра будет получен, когда параметры фильтра станут равны соответствующим параметрам сигнала.

Этот факт может служить основой удобного отображения сигнала, адекватного его спектральной структуре, а также может быть использован для измерения параметров сигнала.

Смоделируем перестраиваемый негармоничный гребенчатый эжекторный фильтр, дислокация центров пропускающих полос которого подчиняется той же закономерности, что связывает частоты высотных компонент спектра фортепианного звука (формула 1).

Если пропускать исследуемый сигнал через такой фильтр и вариировать его параметры ф, и Ь, то при достижении равенства параметров фильтра соответствующим параметрам исследуемого сигнала (<р„ =f„ и Ь = В) отклик фильтра будет максимальным.

Предложенный подход осуществлен в прикладных алгоритмах цифровой обработки сигналов для измерения основной частоты и коэффициента негармоничности фортепианных звуков.

Описаны два из этих алгоритмов ("тахипаГ' и "noctur").

Визуальное представление фортепианного звука на основе двухмерного сканирования его спектра негармоничным гребенчатым фильтром (алгоритм "maximal") показано на рис. 7. Звук отображается трехмерной диаграммой зависимости нормализованного (безразмерного) уровня выходного сигнала фильтра от переменных <р0 и h для фортепианного звука Aj, основная частота и коэффициент спектральной негармоничности которого, согласно измерениям традиционным методом, равны сответственно 27.25 Гц и 0.00016. Координаты максимума отклика фильтра, т. е результаты измерения новым методом, автоматически заносятся в верхнюю часть диаграммы.

Приведены также две проекции этой диаграммы, позволяющие отчетливо видеть расположение максимума на осях частот и коэффициентов негармоничности, а также двухмерное представле-

Рис. 7а. Представление звука ля субконтроктавы

рояля "Стейнвей" с помощью двухмерного сканирования спектра негармоничным гребенчатым фильтром

Рис. 7Ь. Проекция диаграммы рис. 7а на плоскость "частота-уровень"

ЗТОА0ВЕ.48 (=27.236 В=0.0001608

Ягеч. (Нг)

Рис. 7с. Проекция диаграммы рис. 7а на плоскость "коэффицент негармоничности-уровень"

ЗТРА0ВЕ.48 {= 27.236 В=0.0001608

)!-1-1_I_I_I_1_I_I_I_I

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 . 0.7 0.8 0.9 1

¡пЬагтогнсЦу соеН. -з

' х 10

Рис. 7(1. Двухмерное представление диаграммы рис. 7а

кривыми равного уровня в плоскости "частота-коэффициент негармоничности"

ние звука в виде сгущений-разрежений (кривые равного уровня).

Алгоритм "посШг" предназначен непосредственно для измерения основной частоты и коэффициента негармоничности звука и состоит в троекратном сканировании спектра с последовательным сужением облает« вариации параметров. Это дает повышение точности при сокращении времени измерения.

Сопоставление измеренных алгоритмом "посШг" величин основной частоты и коэффициента негармоничности синтезированных звуков с точно известными параметрами этих сигналов показывает, что достигнута точность измерения, не превышающая [Ш'ОК. 0.1% для основной частоты звука и 1.5% для коэффициента его спектральной негармоничности (рис. 8).

Рис. 8. Точность измерения программой "пос1иг4" основной частоты и коэффициента негармоничности 39 синтезированных звуков

Аналогичные измерения, проведенные на реальных фортепианных, звуках, также показали соответствие с результатами измерения традиционным способом (рис. 9). При высокой точности совпадения (ошибка не превышает 0.27%) значений основной частоты, некоторое различие (до 15.2%) полученных значений коэффициента негармоничности в данном случае говорит о неточности традиционного метода.

Шестой раздел посвящен изучению и усовершенствованию молоточков фортепиано. Раздел начинается исследованием молоточкового войлока. Жесткость образцов войлока разно-

го

Рис. 9. Отклонение результатов измерения параметров фортепианных звуков традиционным методом от значении, полученных с полтшыо олго/лшлт

; "посШгб V

го качества исследовалась й статическом и динамическом режимах. Выявлено, что значащая разница между образцовым и отечественным войлоками лежит в их анизотропных свойствах. В результате их исследования выработаны рекомендации производству об изменении направления волокон в войлоке применением нового способа укладки ват и о переходе на режим свойлачивания с постепенным нагружением основы.

Известно, что лучшим молоточком является тот, который требует меньшей ингонировки. Известно также, что максимальное значение силы соударения молоточка с жесткой опорой при одной и той же скорости соударения коррелирует с жесткостью молоточка. На основании этого разработан простой способ объективной оценки качества молоточка для заданной модели фортепиано, основанный на сравнении электрических откликов пьезопреобразователя на удар интонированного (и,) и неинтони-рованного (и0) молоточков.

Оценка К неинтонированного молоточка в пятибалльной шкале качества выражается формулой:

К = 5 (и0/ иг) . (6)

Величина Т) = ( и1 - ид) / и0 названа интонировочным дефицитом молоточка, она определяет своей величиной и знаком объем и "направление" интонировочных работ.

Разработаны и изготовлены установки для осуществления данного способа оценки.

На основе результатов исследования предложено включить в технологический процесс изготовления молоточков фортепиано новые операции: локальное прессование ударной часта войлочной заготовки с последующей профилировкой и пропитку клее-содержащим раствором неударной части заготовки; обоснован ряд других рекомендаций производству, направленных на повышение качества молоточков фортепиано.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- систематизированы психологические помехи, снижающие достоверность субъективных оценок элементов качества музыкальных инструментов;

- разработаны приемы, способствующие повышению достоверности и технической информативности экспертных оценок;

- экспериментально выявлены элементы качества, являющиеся наиболее вероятными источниками субъективного различения фортепиано по звучанию, показано, что эти элементы связаны с интонационной ясностью звука;

- описана специфика спектрально-временной структуры дискантовых звуков фортепиано, выявлена роль опорных конструкций как источника шумового призвука в этом регистре;

- разработаны способ и устройство для объективной оценки дискантового звука фортепиано по его интонационной ясности;

- алгоритмы экстракции высоты сигналов применены для анализа тембра музыкальных звуков;

- впервые создан способ визуализации, разработаны методы оценки и измерения распределенной спектральной негармоничности обработкой сигнала*алгоритмами кепстр и спектр гармонического произведения;

- введены новые понятия: спектр негармонического произведения, негармоничный гребенчатый фильтр;

- предложен метод измерения распределенной спектральной негармоничности звука поиском максимума функции спектра негармонического произведения вариацией вносимой негармоничности;

- разработан алгоритм экстракции высоты сигнала путем его сканирования негармоничным гребенчатым фильтром;

- разработан метод визуального представления сигнала в терминах его основной частоты и негармоничности применением двухмерного сканирования негармоничным гребенчатым фильтром;

- создан алгоритм одновременного измерения основной частоты и коэффициента негармоничности музыкального звука;

- исследованы анизотропные характеристики фортепианного молоточкового войлока, показана связь этих характеристик с качеством войлока;

- разработан принцип и способ количественной оценки качества фортепианных молоточков;

- разработаны новые технологические приемы, повышающие качество войлоков и молоточков для фортепиано.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи

1. Галембо А. С. Опыт производства фортепианных молоточков за рубежом и рекомендации по их улучшению И Экспресс-информация ЦБНТИ Минместпрома РСФСР. - М., 1971. - Сер. 1. - Вып. 3. - С. 5.

2. Галембо А. С. Пропитка неударной части молоточка фортепиано - средство улучшения его качества // Экспресс-информация ЦБНТИ Минместпрома РСФСР. - М., 1971. - Сер. 1 . - Вып. 3. - С. 9.

3. Галембо А. С. Акустические исследования молоточного войлока для фортепиано. - В сб.: 7-я Всесоюзная акустическая конференция. - Л., 1971. - С. 32.

4. Галембо А. С. Зависимость качества фортепианных молоточков от технологии изготовления молоточного войлока II Экспресс-информация ЦБНТИ Минместпрома РСФСР. - М., 1971. - Сер. 1. - Вып. 3. - С. 12.

5. Галембо А. С. Новые данные по вопросу акустической значимости туше в фортепиано. - В сб.: 8-я Всесоюзная акустическая конференция . - М., 1973. - С. 97.

6. Галембо А. С., Ивановская Л. И. Спектрально-временная структура и источники шумов в звуках крайнего дисканта фортепиано. - В сб.: 9-я Всесоюзная акустическая конференция. -М., 1977. - С. 37.