Введение к работе
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 качества продукции является насущной задачей производства музыкальных инструментов. Улучшение акустических характеристик инструментов должно базироваться на определении объективных критериев качества издаваемых ими звуков.
^то 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.
Оіожность 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 возможно_га 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 звукообразования 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, по 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 тех
нологии 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 спекталышй 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 «"гармоничности сигнала;
- впервые исследованы и учтены в технологии анизотропные характеристики молоточкового войлока для фортепиано.
- разработан способ объективной оценки качества форте
пианного молоточка и предложены новые технологические при
емы 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 одновременного 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 новьш метод экстракции высоты, позволяющий определять ее значение для периодических и квазилериодических 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 hu-debnich nastroju. Cesky Krumlov, ЧССР, 1979;
4-я Всесоюзная научно-технігческая 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.
