Методы объективной оценки качества и исследование характеристик музыкальных сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

( А V] /^.Л * V

И ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 од

На правах рукописи

2 * МДЙ 1393

МЕТОДЫ ОБЪЕКТИВНОЙ ОПДЕЕНЖ КАЧЕСТВА М ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МУЗЫКАЛПЫВПЬЖ СИГНАЛОВ

Специальности: 01.04.06 - Акустика; 05.12.01 - Теоретические основы радиотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАГАНРОГ - 1999

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники Таганрогского государственного радиотехнического университета.

доктор технических наук, профессор Балим Г.М.

доктор технических наук, профессор Роздобудько В.В., ТРТУ, г.Таганрог;

кандидат технических наук, профессор Чернышев В.М., ' НГМА, г.Новороссийск

Вычислительный центр Московской государственной консерватории им. П.И. Чайковского

Защита состоится " 20 " мая 1999 г. в 1420 часов на заседании диссертационного совета Д 063.13.04 Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Адрес: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ГСП 17а, пер.Некрасовский, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ.

Автореферат разослан "_7_" апреля 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к. т. н., доцент Старченко И. Б

иемо.еоО + гМг-5'-0Чи) о

РОССИЙСКАЯ ЗСУДАРСТВЕ1ШАЯ БИБЛИОТЕКА

- ] юйбщая характеристика работы

9е/ ¿/¿-о

Артммсть шцюблемы

Одна из особенностей современном культуры - это расхождение между двумя ее ветвями - гуманитарной и научно-технической, между искусством и наукой. И вместе с тем, именно в последнее время неоднократно делаются попытки интеграции этих "двух культур", построения известных фактов и закономерностей из естественнонаучной и гуманитарной областей в единую логическую систему.

Среди всех искусств музыка занимает особое место. Значительную часть своей истории музыка считалась наукой, и всегда находились желающие "поверить алгеброй гармонию". Мощный толчок исследованиям музыкальных сигналов дало появление электромузыкальных инструментов, и в настоящее время проблемы анализа и синтеза музыкальных аудиосигналов с заданными параметрами практически решены. Но - такие вопросы, как связь субъективного восприятия музыкальных сигналов и произведений с их объективными характеристиками, оценка качества музыкальных тембров и их эстетических характеристик, все еще ждут своего разрешения.

Прикладное значение использования объективных методов в музыкальной акустике очень велико. Применение количественных методов для исследования музыкальных явлений расширяет возможности анализа, обеспечивает результатам научных исследований точность и объективность, позволяет обнаружить закономерности музыкального искусства. Сфера применения точных, объективных методов исследования может быть очень широкой, может охватывать самые различные области музыкальной теории и практики. Весьма плодотворным может быть их применение для изучения процесса музыкального творчества и исполнения, для оценки качества музыкальных инструментов, для синтеза новых тембров и развития компьютерных технологий обработки звука. Самим композиторам и исполнителям также нужны подобные методы - непосредственно для их практической деятельности.

По перечисленным причинам данная проблема является актуальной и представляет как теоретический, так и практический интерес, и возникает необходимость в разработке объективных, количественных методов оценки качества музыкальных сигналов.

Щель м задатам шеследовацним

Целью диссертационной работы является разработка методов оценки качества музыкальных акустических сигналов и исследование их параметров и характеристик на основе объективных критериев.

Б соответствии с поставленной целью были определены следующие основные задачи.

1.Разработка методов объективной оценки тембрового качества музыкальных сигналов.

2.Проведение экспериментов по экспертным оценкам тембрового восприятия и объективной оценке музыкальных сигналов.

3 .Разработка методов описания объективных характеристик музыкальных мелодических структур.

4.Разработка принципов оценки характеристик музыкальных сигналов на основе теоретико-информационного подхода.

Оешовные методы шдследтватая

В работе использовались методы . теории вероятностей и математической статистики, спектрального и корреляционного анализа сигналов, теории информации. Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается' экспериментом, а также применением компьютерных средств анализа - математических пакетов STATGRAPHICS и Mathcad 6.0 PLUS.

Ыаучиаи шшшвш работы

В диссертационной работе был получен ряд новых научных результатов, основные из которых сводятся к следующему.

Предложены принципы объективной оценки качества музыкальных сигналов и выявлены их основные особенности.

Разработана методика экспериментальных исследований тембровых характеристик сигналов на основе субъективных и объективных критериев. Результаты, экспериментально полученные на основе объективных методов оценки качества музыкальных сигналов, хорошо коррелируют с экспертными оценками.

Предложены объективные характеристики элементарных музыкальных структур: ритмическая, звуковысотная и консонантная функции; проведен их анализ.

Обоснованы принципы построения информационных моделей музыкальных сигналов как объектов эстетического восприятия; показана возможность их практического применения.

Осиюашньде спшпшкшта, вьдикшшмме щку&мдату

1.Принципы объективной оценки эстетических характеристик музыкальных сигналов.

2.Методика и результаты экспериментальных исследований тембровых характеристик сигналов на основе субъективных и объективных критериев.

3.Разработанные методы объективной оценки тембрового качества музыкальных сигналов.

4.Предложенные объективные характеристики элементарных музыкальных структур: ритмическая, звуковысотная и консонантная функции.

5.Принципы построения информационных моделей музыкальных сигналов как объектов эстетического восприятия.

ШГрттатанж» значимость и вшедр_шшке гооуттагов работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы во многих областях музыкальной акустики и, психологии. Теоретически установленные принципы анализа музыкальных сигналов дают возможность эффективного изучения закономерностей процессов музыкального творчества, исполнения и восприятия. Предложенные методы объективной оценки могут найти практическое применение в музыкальной промышленности для оценки качества музыкальных инструментов, синтеза новых тембров, развития компьютерных технологий и т.д. Музыкальные структурные характеристики -ритмическая, звуковысотная и консонантная функции обладают достаточно высокой информативностью; можно ввести аналогичные функции и для других видов искусства (особенно обладающих временной организацией). Наконец, применение теоретико-информационного подхода позволяет выявить наиболее существенные черты музыкальных объектов на различных иерархических уровнях.

Основные научные и практические результаты работы были использованы при выполнении г/б работ № 11180 "Разработка методов моделирования в эстетике на основе нечетких моделей и укрупнения описания", № 11181 "Информационное моделирование явлений эстетического восприятия" в ТРТУ (г. Таганрог), а также в учебном процессе (курсы "Компьютерный синтез звуков и электромузыкальные инструменты" и "Психофизиологические основы аудиовизуальной техники").

МуближащЕШ и авдобащизз работы По тема диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 8 статей и 4 тезисов докладов.

Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено:

-на семинарах кафедры ТОР в 1996-1999 гг.;

-на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ в 19961998 гг.;

-на Всероссийской НТК студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное и программное обеспечение", Таганрог, ТРТУ, 1995 г.;

-на Всероссийской молодежной НТК "ХХП-е Гагаринские чтения", Москва, МГАТУ, 1996 г.;

-на Третьей Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления",. Таганрог, ТРТУ, 1996 г.,.

-на Международном научном симпозиуме "Эмпирическая эстетика: информационный подход", Таганрог, _ТРТУ, 1997 г.;

-на Всероссийской научной конференции студентов' и аспирантов "Радиоэлектроника. Микроэлектроника. Системы связи и управления", Таганрог, ТРТУ, 1997 г.;

-на Международном научном симпозиуме "Взаимодействие человека и культуры: теоретико-информационный подход", Таганрог,ТРТУ, 1998 г.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Общий объем работы составляет 171 стр., в том числе - 123 стр. основного текста с 28 рисунками и 19 таблицами, список литературы из 150 наименований на 13 стр. и приложения на 35 стр.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, проекты М 96-0б-80019а, 9б-06-8015ба, 98-06-80015а.

СОДЕРЖАЩЕЕ 1РА1БОТЫ

Вв®Д©ЕШ©

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, излагаются цель работы, основные положения, выносимые на защиту, а также краткое содержание разделов работы.

Глава L Музыкальны© етгшашы и шроблемы ощешкм шх качества

Состояние вопроса подробно рассмотрено на основе изучения работ H.A. Гарбузова, Е.В. Назайкинского, Ю.Н. Parca, A.A. Володина, А. Моля, В.М. Петрова, Г.А. Голицына, В.Г. Порвенкова, JI.A. Кузнецова, A.B. Харуто, В.П. Рыжова и ряда других ученых.

Дается краткий обзор особенностей восприятия музыкальных сигналов и методов оценки их качества. Приводится иерархия уровней исследования музыкальных объектов. Рассмотрены особенности теоретико-информационного подхода к эстетическим явлениям и приведены его основные принципы.

Произведена постановка задач. работы и определены основные направления исследований.

Глава 2. Методы оцешнга тембровый характеристик

Для оценки качества звучания музыкальных сигналов применяются, в основном, субъективные экспертные методы, не содержащие точных критериев оценки. Проведен обзор существующих объективных методов (спектральных, временных, статистических, и др.). Эти методы имеют следующие недостатки - относительную сложность и ограниченность области применения. Вопросы связи субъективного восприятия музыкальных сигналов с их количественными показателями, объективной оценки качества музыкальных тембров и их эстетических характеристик все еще не решены, поэтому необходимо проведение исследований по анализу музыкальных сигналов и разработке методов объективной оценки тембрового звучания и восприятия.

Выбрана модель сигнала и рассмотрены предъявляемые к ней требования. Рассмотрены основные признаки звучания музыкального сигнала - временные и спектральные, приведены основные расчетные соотношения.

Поставлена задача экспериментальной оценки качества тембровых характеристик музыкальных сигналов с целью дальнейшего выделения

объективных признаков, наиболее значимых для эстетического восприятия, и определение взаимосвязи с экспертными оценками тембрового восприятия.

В соответствии с поставленной задачей определены основные этапы экспериментальных исследований: получение экспертных оценок и их статистическая обработка, измерение объективных параметров сигнала, сравнительный анализ полученных результатов и выявление взаимосвязи объективных и субъективных характеристик.

Глава 3„ Иселедовашние т®&сб$ювьзж мшактертстшк музыкальных шшшлш

Одним из наиболее эффективных при исследованиях восприятия музыки является метод семантического дифференциала, являющийся разновидностью метода экспертных оценок. Его особенностью является то, что на языке некоторых категорий (задаваемых набором шкал полярных прилагательных) можно описать и оценить произведения искусства (или, обобщенно, эстетические феномены) более точно, чем в рамках свободной критической оценки, а результаты . квантифицируются и могут быть подвергнуты математической обработке, позволяющей оценить достоверность и точность результатов.

Приведены методика и результаты экспериментов по влиянию тембра на восприятие музыкальных произведений, полученные при сочетании метода семантического дифференциала и статистического анализа полученных результатов. Выявлены особенности связи тембровых предпочтений с характеристиками музыкального образа. Рассмотрено влияние тембра на музыкальное восприятие. Показано, что для классической музыки основной вклад в психологическую оценку определяется самим музыкальным произведением, а не его тембром; восприятие характера музыкального произведения в его тембровых вариантах является довольно устойчивым; взаимная корреляция между признаками (шкалами) по-разному проявляется в мажорных и минорных произведениях; предложенная корректировка методики эксперимента и используемого семантического дифференциала позволяет достаточно четко разделить влияние содержательных и тембровых характеристик на восприятие музыкальных произведений. Полученные результаты позволяют говорить о применимости этой методики к задачам, пограничным между психофизикой и музыкальной психологией.

В основном эксперименте исследовались различные музыкальные . тембры, чтобы в дальнейшем можно было выявить связь между

субъективными суждениями экспертов и объективными оценками качества. Испытуемыми была произведена оценка степени типичности и естественности, а также эстетического качества звучания для различных тембров фортепианного и гитарного типа, синтезируемых на ЭМИ. На основе экспертных оценок были выбраны тембры с эталонным звучанием.

Приведены результаты анализа тембровых характеристик музыкальных сигналов на основе сравнения с эталонами. Для сравнения по временным параметрам (время атаки, постоянная времени затухания, коэффициент флюетуаций амплитудной огибающей) предложена следующая мера сходства сигналов с эталонами:

\Xet-Xb

'■=' 3 Хег. + X. ' / /

где Хе(и X/ - параметры эталона и сравниваемого сигнала соответственно; / = 1, 2, 3 - номер параметра.

Принято считать, что наиболее информативные характеристики музыкальных сигналов - спектральные. На рис.1 в качестве иллюстрации приведен динамический спектр сигнала гитары (эталонного тембра).

Р

Рис. I. Динамический спектр гитары (эталонный тембр)

Были рассчитаны следующие виды спектров: спектр атаки, полный спектр, спектр ДКФ, взаимный спектр. Сравнение с эталоном проводилось по первым 12-ти гармоникам спектров на основе следующей меры сходства:

12

Определена взаимосвязь между объективными признаками сигналов и экспертными оценками качества тембров.

Для фортепианных тембров наблюдается высокая корреляция объективных оценок по всем предложенным мерам сходства и экспертных суждений (коэффициент корреляции порядка 0.8-0.9). Тембры гитарной группы более индивидуальны и разнообразны, чем фортепианные, некоторые - очень низкого качества. Поэтому связь с экспертными оценками выражена слабее, особенно при использовании спектральных характеристик. Но возможно применять меру сходства, основанную на временных параметрах (коэффициент корреляции с экспертными оценками - порядка 0.7-0.8).

Таким образом, оценка музыкальных сигналов по их. временным параметрам оказалась наиболее эффективной для тембров любого качества звучания. Спектральные методы можно использовать для оценки тембров высокого класса качества (т. е. близких к эталону). Высокая степень корреляции предложенных объективных методов с экспертными оценками позволяет надеяться на их дальнейшее применение в музыкальной акустике и искусствоведении.

Глава 4. Элементарные музыкальные структуры и их характеристик®!

Музыкальные явления имеют сложную иерархическую структуру, и анализ элементарных музыкальных структур и их объективных характеристик представляет большой теоретический и практический интерес. Поскольку музыкальные произведения, мелодические отрывки, музыкальные фразы, обладают временными структурами, то возможно представление их характеристик в виде количественных моделей.

Предложены следующие объективные характеристики элементарных музыкальных структур: ритмическая, звуковысотная и консонантная функции, описывающие особенности конкретных музыкальных фраз (мелодических отрывков).

Ритмическая функция (введена Л.А. Авдеевым и П.Б. Ивановым) задается последовательностью единичных импульсов:

N

п=1

где Ё - точки изменения звучания, полное число которых в данной

ритмической последовательности равно N.

Ззуковысотная функция графически отображает вариацию высоты звуков мелодии во времени. Значение функции, соответствующее самому низкому звуку мелодии, полагается равным 1, а дискрет значений функции берется постоянным (равным 1 полутону).

Функция консонантности показывает взаимосвязь (в смысле степени консонирования) между тоникой (первой ступенью) и остальными звуками (нотами) произведения. В качестве количественной меры консонантности предлагается взять долю совпадающих гармоник тоники и другого звука. Функция принимает значения от 0 до 1; максимальное (единичное) - для интервала унисона, для октавы - 0.75, для чистой квинты - 0.416 и т. д.

Предложенные функции применимы к одноголосным (мелодическим) музыкальным отрывкам. Они описывают не только признаки какого-либо отдельного звука, но и связь между звуками произведения, развитие мелодической темы, темпо-ритмическую и структурную организацию и т.д. Для построения этих функций можно использовать как нотную запись произведения, так и конкретное музыкальное исполнение. Их достоинством является также, что они не зависят от тональности произведения.

Приведены экспериментальные результаты, полученные при исследовании отрывков из нескольких популярных классических произведений. На рис.2 приведены ритмическая, ззуковысотная и консонантная функции, построенные для отрывка из "Вокализа" Рахманинова.

Полученные графические представления характеристик музыкальных мелодических структур обладают большой наглядностью и информативностью. Спектральный и корреляционный анализ позволил выявить некоторые структурные объективные закономерности для данных отрывков.

I, с

1 I I I I I г

[Г] — л

У -Г - и и

Рис.2. Ритмическая, звуковысотная и консонантная функции музыкального отрывка

Глава 5. Ишформяэдвюииые аишекты аш&лшза музыкальных гапыалш

Проведенные исследования позволили получить ряд новых научных результатов в области информационной эстетики.

Разработан ряд вопросов методологии информационного моделирования в музыкальной акустике. Сформулированы отличительные черты информационного описания музыкальных эстетических явлений. Определены основные принципы построения нового класса информационных моделей сложных объектов эстетического характера.

Проведены предварительные экспериментальные исследования в области музыкального восприятия на основе теоретико-информационного подхода.

Рассчитаны значения информационной пропускной способности некоторых музыкальных инструментов

1 »

с = —Лр,\0ёгр,, .

Т '='

где Т- минимальная контролируемая длительность аудиосигнала, р, - вероятность появления г'-го символа из /и-элементного алфавита.

Объем алфавита символов т определялся как произведение среднего числа практически используемых голосов инструмента, числа градаций по частоте и по громкости. Распределение вероятностей различных значений высоты звука по диапазону инструмента полагалось нормальным.

Было установлено, что инструменты с большими выразительными и интонационными возможностями (скрипка, фортепиано) имеют и большую информационную пропускную способность (30-35 бит/с) по сравнению, например, с духовыми инструментами (10-15 бит/с).

Также был исследован один из аспектов влияния спектрального состава музыкальных сигналов на тембровое восприятие. Известно, что чем больше значимых гармоник в спектре, тем более характерным является тембр, т. е. ярче выражены его индивидуальность и другие музыкально-эстетические параметры. С другой стороны, большое число гармоник мешает интонационному (звуковысотному) восприятию звука, что особенно заметно на высоких частотах. Поэтому были заданы целевая функция характерности тембра, возрастающая при увеличении количества спектральных составляющих, и ограничения - убывающая интонационная функция. Для определения конкретного вида этих функций был поставлен эксперимент по оценке звуковысотных

характеристик звука в зависимости от его спектрального состава. Компромисс между целью и ограничениями достигается в точке пересечения указанных функций. Как оказалось, оптимальное для восприятия число гармоник (в среднем регистре) - около восьми, что соответствует данным музыкальной акустики.

Зашшштешш©

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты, полученные в диссертации.

Пршшюжшкш

В приложениях к диссертации приведены экспериментальные материалы по оценке тембрового качества музыкальных сигналов: результаты анкетирования и примеры временных и спектральных диаграмм исследуемых сигналов, а также акты о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1.Определены основные подходы и принципы объективной оценки качества музыкальных сигналов.

2.Предложена методика экспертных оценок тембрового восприятия на основе семантического дифференциала.

3.Разработаны объективные методы оценки тембрового качества музыкальных сигналов на основе временных и спектральных параметров.

4.Экспериментально установлена достаточно высокая корреляция разработанных объективных методов оценки качества с экспертными оценками.

5. Предложены и исследованы объективные характеристики мелодических структур: ритмическая, звуковысотная и консонантная функции, описывающие особенности музыкальных фраз и произведений.

6.Рассмотрены информационные принципы моделирования и анализа музыкальных сигналов как объектов эстетического восприятия.

7.Проведены исследования влияния спектрального состава музыкальных сигналов на тембровое восприятие, а также информационной пропускной . способности музыкальных инструментов на основе теоретико-информационного подхода.

Поскольку проблемы использования объективных методов в музыкальной акустике, решаемые з данной работе, очень сложны и многоаспектны, то невозможно было охватить весь круг вопросов по уголь широкому направлению и необходимо продолжение исследований с целью детализации результатов и расширения области применения разработанных моделей и методик. Однако ясно, что использование подобных методов для оценки качества произведений музыкального искусства и их характеристик может быть весьма плодотворным, и это направление имеет значительные перспективы развития.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Рыжов Ю.В. Фильтры с управляемой амплитудно-частотной характеристикой для темброблоков электромузыкальных инструментов. / Тезисы докл. Всеросс. НТК студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное и программное обеспечение". - Таганрог: ТРТУ, 1995, с.52.

2. Рыжов Ю.В. Принципы построения фильтров с управляемыми АЧХ. / Тезисы докл. Всеросс. молодежной НТК ХХП-е Гагаринские чтения. - М.: МГАТУ, 1996, с.189.

3. Рыжов Ю.В. Вопросы формирования спектров музыкальных сигналов. I Тезисы докл. Третьей Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления".- Таганрог: ТРТУ, 1996, с.8-9.

4. Рыжов В.П., Рыжов Ю.В. Влияние тембра на восприятие музыкальных произведений. / Материалы международного научного симпозиума "Эмпирическая эстетика: информационный подход".- Таганрог: ТРТУ, 1997, с. 144-152.

5. Рыжов Ю.В. Информационная пропускная способность музыкальных инструментов. / Материалы международного научного симпозиума "Эмпирическая эстетика: информационный подход".- Таганрог: ТРТУ, 1997, с.162-165.

6. Рыжов Ю.В. Вопросы применения спектральных методов в искусствометрии. / Тезисы докл. Всеросс. научной конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника. Микроэлектроника. Системы связи и управления."-Таганрог: ТРТУ, 1997, с.16-17.

7. Рыжов Ю.В. Некоторые аспекты применения статистических методов для обработки экспертных оценок. / Известия ТРТУ. - Таганрог: ТРТУ, 1997, с.25-26.

8. Рыжов В.П., Рыжов Ю.В. Метод семантического дифференциала в исследованиях восприятия музыки. / Труды международного научного симпозиума "Информационный подход в эмпирической эстетике".- Таганрог, ТРТУ, 1998, с.209-221.

9. Иванченко Г.В., Рыжов В.П., Рыков Ю.В. Музыкальный образ и тембровые предпочтения. / Материалы международного научного симпозиума "Взаимодействие человека и культуры: теоретико-информационный подход".-Таганрог, ТРТУ, 1998, с. 165-169.

10. Балмм Г.М., Иванченко Г.В., Рыжов В.П., Рыжов Ю.В. Принципы моделирования эстетических явлений. / Информационное мировоззрение и эстетика. Труды международного научного симпозиума "Взаимодействие человека и культуры: теоретико-информационный подход".- Таганрог, ТРТУ, 1998, с. 65-75.

11. Рыжов Ю.В. Спектральный и корреляционный анализ музыкального ритма. / Информационное мировоззрение к эстетика. Труды международного научного симпозиума "Взаимодействие человека и культуры: теоретико-информационный подход",- Таганрог, ТРТУ, 1998, с. 356-362.

12. Рыжов Ю.В. Спектральный состав и интонационное восприятие звука. / Радиотехнические цепи, сигналы и устройства. Сборник научных статей студентов, аспирантов и молодых ученых РТФ ТРТУ. - Таганрог, ТРТУ, 1998, с.34-36.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работах [4,8,9] - выполнен ряд экспериментов и проведена обработка результатов исследований; в работе [10] -представлены результаты и описаны особенности экспериментального моделирования музыкально-акустических явлений.

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

РЫЖОВ Юрий Владимирович

МЕТОДЫ ОБЪЕКТИВНОЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МУЗЫКАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

Специальности: 01.04.06 - Акустика; 05.12.01 - Теоретические основы радиотехники

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Г.М. БАЛИМ

ТАГАНРОГ - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

Глава 1. МУЗЫКАЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ И ПРОБЛЕМЫ

ОЦЕНКИ ИХ КАЧЕСТВА.............................................................7

1.1. Музыкальные сигналы, их особенности и восприятие....................7

1.2. Иерархия уровней исследования музыкальных объектов............16

1.3. Основные принципы теоретико-информационного подхода ........20

1.4. Цель и постановка задач работы........................................................29

Глава 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕМБРОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ... 31

2.1. Существующие методы тембровой оценки.......................................31

2.2. Модель сигнала и ее характеристики................................................35

2.3. Методика исследований тембрового восприятия............................41

2.4. Основные результаты и выводы.........................................................42

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМБРОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

МУЗЫКАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ.................................................44

3.1. Экспертные оценки тембрового восприятия....................................44

3.2. Объективные характеристики музыкальных сигналов................61

3.3. Обработка и анализ результатов исследования...............................70

3.4. Основные результаты и выводы.........................................................72

Глава 4. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ МУЗЫКАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ

И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ....................................................... 74

4.1. Анализ музыкального ритма...............................................................74

4.2. Звуковысотные характеристики мелодии........................................ 82

4.3. Консонантность и ее оценка.................................................................89

4.4. Основные результаты и выводы.........................................................97

Глава 5. ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ АНАЛИЗА

МУЗЫКАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ................................................99

5.1. Информационные процессы в музыке...............................................99

5.2. Особенности моделей эстетического восприятия..........................107

5.3. Применение теоретико-информационного подхода

в музыкальной акустике.....................................................................111

5.4. Основные результаты и выводы.......................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................*.................................................................120

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................... 137

ВВЕДЕНИЕ

Одна из особенностей современной культуры - это расхождение между двумя ее ветвями - гуманитарной и научно-технической, между искусством и наукой. И вместе с тем, именно в последнее время неоднократно делаются попытки интеграции этих "двух культур", построения известных фактов и закономерностей из естественно-научной и гуманитарной областей в единую логическую систему [8, 50, 98, 137].

Среди всех искусств музыка занимает особое место. Значительную часть своей истории музыка считалась наукой, и всегда находились желающие "поверить алгеброй гармонию". Мощный толчок исследованиям музыкальных сигналов дало появление электромузыкальных инструментов, и в настоящее время проблемы анализа и синтеза музыкальных аудиосигналов с заданными параметрами практически решены. Но такие вопросы, как связь субъективного восприятия музыкальных сигналов с их объективными характеристиками, оценка качества музыкальных тембров и их эстетических характеристик, все еще ждут своего разрешения [67, 94].

Прикладное значение использования объективных методов в музыкальной акустике очень велико. Прежде всего, музыкальное искусство - один из важнейших компонентов духовной жизни общества, и его объективный анализ может быть полезен для всей социальной сферы. Кроме того, применение количественных методов для исследования музыкальных явлений расширяет возможности анализа, обеспечивает результатам научных исследований точность и объективность, позволяет обнаружить закономерности музыкального искусства. Сфера применения точных объективных методов исследования может быть очень широкой, может охватывать самые различные области музыкальной теории и практики. Весьма плодотворным может быть их применение для изучения процесса музыкального творчества и исполнения.

Наконец, самим композиторам и исполнителям зачастую бывают нужны подобные методы - непосредственно для их практической деятельности.

По перечисленным причинам данная проблема является актуальной и представляет как теоретический, так и практический интерес. Таким образом, возникает необходимость в разработке количественных методов оценки качества музыкальных объектов (сигналов и произведений), базирующихся на хорошо развитом математическом аппарате теории сигналов. Наиболее перспективным представляется использование сочетания методов спектральной теории сигналов и теоретико-информационного подхода, позволяющего с единых позиций подойти к различным объектам и явлениям в науке и искусстве, в том числе - в музыкальной акустике.

Целью настоящей работы является разработка методов оценки качества музыкальных акустических сигналов и исследование их параметров и характеристик на основе объективных критериев.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

В главе 1 работы дается краткий обзор современного состояния количественных методов оценки качества музыкальных объектов.

Глава 2 посвящена рассмотрению объективных методов оценки тембровых качеств музыкальных сигналов и разработке основных принципов исследования.

В главе 3 приводятся результаты экспериментального исследования тембрового восприятия и проводится сравнительный анализ объективных методов с субъективными (экспертными) оценками качества звучания.

В главе 4 предложены объективные характеристики элементарных музыкальных структур - ритмическая, звуковысотная и консонантная функции, проводится их анализ, в частности, на основе спектральных и корреляционных представлений.

В главе 5 исследуются информационные аспекты анализа музыкальных сигналов, рассматриваются особенности моделей эстетического восприятия и приводятся примеры применения, теоретико-информационного подхода в музыкальной акустике.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы.

1.Принципы объективной оценки эстетических характеристик музыкальных сигналов.

2.Методика и результаты экспериментальных исследований тембровых характеристик сигналов на основе субъективных и объективных критериев.

3.Разработанные методы объективной оценки качества музыкальных сигналов.

4.Предложенные объективные характеристики элементарных музыкальных структур: ритмическая, звуковысотная и консонантная функции.

5.Принципы построения информационных моделей музыкальных сигналов как объектов эстетического восприятия.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, проекты № 96-06-80019а, 96-06-80156а, 98-06-80015а.

Глава 1. МУЗЫКАЛЬНЫЕ СИГНАЛЫ И ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ИХ КАЧЕСТВА

1.1. Музыкальные сигналы, их особенности и восприятие

Под терминами "акустические сигналы (колебания)", "звук" понимаются явления, составляющие звенья между источником звука и высшими разделами центральной нервной системы человека (как конечным приемником и анализатором).

Человеческий слух способен воспринимать акустические сигналы (звуки) с частотой колебаний приблизительно от 16 до 20000 Гц. В природе существует множество различных звуков, но большинство из них можно отнести к одному из следующих видов: музыкальные, шумовые и речевые [18, 22].

У наиболее характерной части музыкальных звуков частоты спектральных компонент находятся в точном гармоническом соотношении. Но есть звуки, не обладающие ясно выраженной высотой ("звоны"), однако отношение компонентов их спектра к нижнему тону имеет определенные величины, составляющие признак их тембра ("окраски") наряду с характерным распределением энергии в спектре.

Шумы характеризуются непрерывным спектром, в котором нельзя указать отдельные частоты компонентов, но по огибающей спектра вдоль частотной оси слухом создается звуковой образ шумов.

Речь состоит из звуков, организованных в определенные последовательности, причем каждый звук имеет уникальную акустическую характеристику. В речевых сигналах можно выделить частотный компонент постоянной высоты, соотношение частот, их абсолютные значения, шумовой компонент и частотную модуляцию [18].

Роль акустических сигналов в человеческой деятельности очевидна, и ее трудно переоценить. С древнейших времен люди стремились проникнуть в

тайны звуков окружающего мира и использовать их в собственных интересах. А уже со времен Пифагора (6 в. до н. э.) зарождается наука о звуке - акустика, как одна из основополагающих дисциплин, дающая ключ к познанию гармонии вселенной. Музыка на протяжении многих веков рассматривалась как "наука, говорящая о числах, которые в звуках обретаются" (Алкуин, 9 в.). Особенно интенсивно начала развиваться музыкальная акустика в последние два столетия. В настоящее время изучение проблем, связанных с формированием, распространением, восприятием акустических сигналов и их параметрами, основывается не только на многовековом опыте собственно акустики, но и на последних достижениях физики, математики, информатики, а также психологии, эстетики и ряда других наук - как естественных и технических, так и гуманитарных [см. 11, 12, 41, 49, 60, 71, 86, 94].

Одним из основоположников современной музыкальной акустики был H.A. Гарбузов (1880-1955). Важнейшим результатом его многолетних исследований явилась теория зонной природы музыкального слуха [27-29], показавшая, что характер организации музыкальной системы определяется особенностями нашего слухового восприятия. В частности, было доказано, что каждая ступень музыкального строя представлена целой полосой частот -зоной. Каждый из единичных вариантов оттенков высоты, входящих в данную зону, может быть использован в художественном исполнении (лишь выход за пределы зоны означает фальшь), эти оттенки - интонации - не одинаковы по своей роли в музыкальном произведении в данных конкретных условиях.

Зонная теория Гарбузова получила дальнейшее развитие в работах Ю.Н. Parca и Е.В. Назайкинского [71-75, 94]. Начиная с 60-х годов, акустические методы исследования широко применяются в музыкознании, особенно для анализа тембрового восприятия, а также применительно к исполнительско-интонационным оттенкам музыкальных произведений [21, 22, 113, 149].

Основополагающие работы по объективным методам оценки качества музыкальных инструментов принадлежат A.B. Римскому-Корсакову [97], H.JI.

Плоткиной [88, 89], группе ученых из Научно-исследовательского и конструкторско-технологического института музыкальной промышленности (НИКТИМП), в частности, Б.А. Янковскому, В.Г. Порвенкову и Л.А. Кузнецову [57,91-93, 129]'.

В то же время, разрабатывалась электроакустическая аппаратура для музыкальных целей (синтезаторы, электромузыкальные инструменты). В нашей стране большой вклад принадлежит, в частности, Л.С. Термену и А.А. Володину [23, 24, 94]. Последний, кроме того, разработал собственную концепцию психологического восприятия музыкальных звуков, до нашего времени не утратившую своего значения [21, 22].

Современная аппаратура обеспечивает точность, научную объективность результатов анализа и возможность документальной фиксации музыкального звучания исполняемого произведения. Акустические сигналы описываются, анализируются и моделируются с помощью стандартных временных и частотных характеристик, широко используемых в теории сигналов; в зависимости от поставленных задач используются различные математические модели сигналов.

В настоящее время наблюдается устойчивый интерес к электромузыкальным инструментам и синтезаторам (ЭМИ, ЭМС) со стороны как композиторов, так и музыкантов-любителей; сейчас ЭМИ заняли главенствующее положение в эстрадной музыке и активно проникают в другие области музыкального искусства. Кроме того, возможно применение ЭМИ и ЭМС в научных целях - для анализа объективных характеристик аудиосигналов или синтеза сигналов с заданными параметрами [94].

В электронных инструментах применяются различные виды синтеза музыкальных сигналов: аддитивный, формантный, нелинейный, частотно-модуляционный, волновой и др., в различных сочетаниях [67]. Для задачи оценки качества аудиосигналов особый интерес представляет формантный синтез - операция вырезания из первоначального широкополосного спектра

определенных областей - формант, имитирующая характеристики акустических резонаторов традиционных музыкальных инструментов. Известно, что формантная структура музыкальных звуков сложная: имеется несколько формант, обладающих определенным абсолютным положением и взаимным соотношением частот и образующих, таким образом, систему, характерную для данного тембра. Форманты для звуков определенной высоты прослушиваются на их гармониках, определяя при этом как тембр звука, так и его интонационные качества [22]. Вопросы формирования спектров музыкальных сигналов и тембровой значимости формант были рассмотрены, в частности, в [107, 110].

Создание и дальнейшее развитие цифровых ЭМС и компьютерной техники привело к появлению так называемой "компьютерной музыкальной акустики" [94]. Включенная в систему компьютерной музыкальной техники акустика нашла самое разнообразное применение - в сочинении, исполнении музыки, в музыкальной педагогике, в специальных музыковедческих исследованиях [3, 48, 67]. Многочисленные исследования проводились в Вычислительном центре Московской консерватории, в частности, под руководством Ю.Н. Parca, В.П. Морозова, A.B. Харуто и др. [ 70, 74, 96, 122, 123].

Тем не менее, в музыкальной акустике ряд проблем еще не решен, особенно, что касается восприятия и объективной оценки качества звука.

Звук - это объект исследования, характеристики которого можно считать объективными, то есть, не связанными с индивидуальными особенностями восприятия. Музыкальные звуки, как правило, характеризуются достаточно четко выраженным периодом колебаний, линейчатым спектром, а также громкостью, высотой и тембром [57]. Исследователей интересуют, в основном, следующие характеристики звука:

1) спектральный состав (высота основного тона, наличие высших гармоник и их относительная интенсивность);

2) временные характеристики сигнала (скорость атаки и затухания, длительность каждого звука, динамические характеристики в их связи с темпо-ритмическими).

Наиболее интересной и информативной характеристикой является тембр. С точки зрения традиционной музыкальной акустики, тембр - это характеристика качества звучания, благодаря которой звуки одной и той же высоты и интенсивности можно отличить друг от друга. С другой стороны, многие музыканты и искусствоведы считают тембр категорией не физико-акустической, а, учитывая особенности его воздействия, художественно-эстетической.

Основными объективными параметрами, определяющими оценку тембра музыкантами, являются спектр и характер переходного процесса основного тона и обертонов. Имеется также ряд дополнительных параметров: реверберация, унисон, вибрато, негармоничность обертонов, биения, пространственные характеристики источника звука, и др. На восприятие звука оказывают влияние условия его воспроизведения, психологическое состояние слушателей, индивидуальные особенности слуха и музыкальный вкус слушателей.

Проблема соотношения объективных параметров звука с субъективным определением его тембровых качеств музыкантами-экспертами представляет большой интерес. Уже неоднократно делались попытки отыскать для отдельных терминов, используемых музыкантами (например, яркий, сочный, мягкий, глубокий, звонкий), соответствующие объективные характеристики [97, 92, 129]. Одна из возможных классификаций тембров [57] приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Классификация тембров

Бочковатый

ТЕМБРОВЫЕ КАЧЕСТВА

Бархатный

БАРХАТНОСТЬ 800...2500 Гц

Зажатый

Гнусавый -

Яркий

ЯРКОСТЬ 2500...8000 Гц

Матовый +

Тусклый -

Резкий

Хрустальный ■+

Данная классификация включает четыре основных качественных признака тембров - сочность, бархатность, яркость и резкость, определяемые указанными областями частот. Тембрам с признаками, помеченными знаком "+", музыканты, как правило, отдают предпочтение. Тембры с признаками, отмеченными знаком "-", музыкантами не поощряются. Не отмеченные никакими знаками признаки тембров обычно не относя