Адаптивный тыловой канал системы пространственного звучания

Журнал "Радио", номер 9, 1999г.
Автор:А. Шихатов, г. Москва

    Эксперименты по воссозданию в салоне автомобиля звуковой картины, максимально приближенной к естественной, привели автора этой статьи к необходимости ввести в аудиосистему тыловой канал. Система с тыловым каналом была с успехом опробована и на недавних летних соревнованиях по автозвуку (о них мы уже сообщали на страничках нашего сайта в Интернете).

    Представляемый читателям простой "процессор" тылового канала, видимо, - не окончательный вариант, но и в этом исполнении он весьма заинтересовал судей... Достигаемый с помощью такого устройства эффект понравился и работникам редакции.

    Существует несколько способов получения эффекта пространственного звучания. Еще в середине 50-х годов фирмами Philips, Grundig, Telefunken были опробованы системы трехмерного воспроизведения 3D и Raumton [1]. Сами по себе эти системы были монофоническими, но дополнительные громкоговорители (обычно встроенные, реже - выносные), излучающие звук вправо, влево или вверх, за счет его отражения от стен и потолка помещения прослушивания создавали впечатление большого пространства. В дальнейшем для передачи рассеянного диффузного звука были разработаны так называемые амбиофонические системы, нашедшие применение, главным образом, в больших киноконцертных залах. Дополнительный канал (или каналы) в таких системах имеет меньшую мощность, чем основные, а его частотный диапазон соответствует полосе частот диффузного звукового сигнала (примерно 300...5000 Гц). Основной же системой передачи и записи звука стала двухканальная стереофония.

    Новым этапом в развитии амбиофонических систем явилось квадрафоническое четырехканальное звуковоспроизведение. В отличие от старой системы здесь все каналы воспроизведения звука равноценны. Дискретная (полная) квадрафония, обеспечивавшая максимальный эффект присутствия, предполагает наличие четырех каналов передачи звука. В силу этого она оказалась абсолютно несовместимой с существовавшими на тот момент двухканальными системами. Для преодоления этого препятствия было создано несколько систем матричной квадрафонии (по терминологии того времени - квазиквадрафонии), в которых исходные сигналы четырех каналов матрицировались для передачи по двум каналам, а при воспроизведении исходные сигналы восстанавливались путем суммарно-разностных преобразований.

    Однако, поскольку ни одна из названных систем не была ни квадрафонической, ни полностью совместимой с двухканальной стереофонической (из-за малых переходных затуханий), они быстро сошли со сцены. Пик популярности квадрафонических систем пришелся на первую половину 70-х годов, да и популярность эта была, скорее, данью моде. И все-таки усилия, затраченные конструкторами на создание матричных систем, не пропали даром.

    В процессе их разработки было выяснено, что значительная часть пространственной информации содержится в разностном сигнале стереоинформации, который можно подать на громкоговорители тыловых каналов или в чистом виде, или в комбинации с некоторой долей фронтальных сигналов. В простейшем случае для этого не нужны даже дополнительные каналы усиления, а матрицирование сигналов можно провести на выходе усилителя [2]. Так появилось на свет несколько новых псевдоквадрафонических систем, полностью вытеснивших с рынка квадрафонические системы производства середины 70-х годов.

    Следует сказать, что подобные системы, конечно, не были квадрафоническими, но они приближались к ним, обеспечивая приличное качество звучания

    Впрочем, и их триумф был недолгим. Объяснялось это недостатками носителей сигнала - винилового диска (грампластинки) и магнитной ленты. Некоррелированные шумы левого и правого каналов не вычитались, что в сочетании с относительно невысоким уровнем самого разностного сигнала сильно ухудшало отношение сигнал/шум в тыловых каналах.

    Интерес к матричным псевдоквадрафоническим системам вновь возник с появлением цифровых носителей информации, уровень собственных шумов которых пренебрежимо мал, а потому использование разностного преобразования практически не способно уменьшить динамический диапазон системы. В основе современных аналоговых систем пространственного звучания (Dolby Surround, Dolby Pro Logic, Q-Sound, Curcle Surround и других) лежит все та же идея суммарно-разностного преобразования, дополненная "фирменными" алгоритмами обработки полученного сигнала, а в некоторых системах, цифровой линией задержки, обеспечивающей имитацию отраженного звука.

    Разработанные первоначально для систем "домашнего театра" процессоры объемного звучания в последнее время начали активно использоваться и в автомобильных аудиосистемах, поскольку их применение позволяет значительно улучшить звучание технически соверкомплексов помещении, но и в салоне автомобиля. К тому же, в автомобиле взаимное положение слушателя и акустических систем строго определено, а это облегчает проектирование и настройку тыловых каналов.

    Весьма существенный недостаток матричных систем прошлого, как промышленных, так и любительских, состоит в том, что в них отсутствует зависимость уровня сигнала тылового канала от характера фонограммы. На самом деле при малом относительном уровне тылового сигнала пространственный эффект малозаметен, а при его увеличении появляется разрыв звуковой сцены и ее перемещение назад (эффект "окружения оркестром"). В результате при воспроизведении "живых" записей (имеющих естественное распределение суммарных и разностных составляющих) это явление проявлялось незначительно. Но на студийных фонограммах, особенно на записях электронной музыки, тыловые каналы звучали где надо, и где не надо, что приводило к хаотическому изменению кажущегося положения источников звука. Для устранения этого недостатка в ранних системах объемного звучания уровень управляющих сигналов пытались привязать к уровню пространственной информации - при возрастании уровня разностных сигналов увеличивалось усиление в тыловых каналах. Но принятая модель не была оптимальной - ошибки регулирования экспандера приводили к хаотическому изменению уровня сигналов тыловых каналов (эффекту "тяжелого дыхания").

    Исключить подобные ошибки можно, если уровень сигнала тылового канала будет зависеть и от спектра разностного сигнала. Этот принцип использован, к примеру, фирмой Rocktron, выступившей автомобильный процессор объемного звучания CSA12 [3]. Детали конструкции и алгоритм обработки сигнала фирма не раскрывает. Известно только, что система оценивает уровень сигнала в разных частотных полосах. В тыловом канале имеется регулятор степени обработки сигнала, регуляторы тембра по высшим и средним частотам и разработанный фирмой динамический шумоподавитель HUSH, используемый при работе с аналоговыми источниками сигнала (тюнер, магнитофон). Кроме сигнала тыловых каналов, процессор формирует также сигналы центрального канала и сабвуфера. Цена устройства довольно внушительная - 600 долларов, что и послужило поводом к разработке автором собственной конструкции.

    По мнению автора этих строк, для обработки разностного сигнала в тыловых каналах необходимо использовать не экспандер, а компрессор. Такой, на первый взгляд, парадоксальный вывод сделан после изучения результатов исследований, проведенных специалистами еще в 1968 г. при введении стереофонического радиовещания в СССР [4]. Эти результаты настолько интересны, что есть смысл познакомить с ними читателей журнала. Приводимые зависимости были получены на основе статистического анализа микрофонных записей симфонической, оперной и эстрадной музыки.

    Кривые, показанные на рис. 1, дают представление о том, какова может быть вероятная доля разностного сигнала Us при различных уровнях суммарных сигналов Um для систем записи - AB, XY и смешанной [4], и позволяют сделать следующие основные выводы:

    1. Вероятная доля разностного сигнала в полном стереосигнале существенно зависит от системы стереофонической записи. Полученные результаты легко понять, если учесть, что при записи по системе XY из-за разности фаз сигналов, поступающих с левой и правой половин сцены, теряется часть стереоинформации.

    2. Вероятная доля разностного сигнала существенно зависит от общей громкости, или, иначе говоря, от уровня суммарного (монофонического) сигнала. Если отбросить начальный участок кривых (рис. 1), соответствующий весьма малым уровням громкости, то с увеличением уровня громкости доля разностного сигнала заметно уменьшается. При достаточно больших уровнях содержание разностной информации падает на 30 - 40 % при всех системах записи.

    Необходимо отметить, что студийные записи музыкальных произведений, исполнявшихся на электронных инструментах в 60-е годы, проводились именно с использованием микрофонной техники, что объясняет "живой" характер звучания: исходный сигнал имел естественное соотношение между суммарным и разностным, прямым и диффузным сигналами. Внедрение многоканальной полностью электронной (без использования микрофонов) записи таких инструментов, хотя и упростило сам процесс записи, одновременно "убило" атмосферу зала. Поэтому для большинства технически безупречных студийных записей последующего периода характерна прямая зависимость уровня разностного сигнала от уровня громкости, что при использовании простого разностного преобразования в тыловых каналах и приводит к уже упомянутому эффекту "окружения оркестром".

    Смысл введения компрессии тыловых сигналов как раз и заключается в том, чтобы сформировать аналогичную рассмотренной выше зависимость между громкостью звучания сигналов фронтальных и тыловых каналов. Иными словами, при малом общем уровне громкости (тихие места фонограммы, затухание сигнала, послезвучание) долю сигнала тылового канала увеличивают и он непосредственно участвует в формировании объемного звучания (начальный участок графиков см. на рис. 1); с ростом громкости (атака сигнала, общее увеличение громкости) сигналы каналов ограничиваются определенным уровнем, что уменьшает их долю в общей громкости. В результате исключается разрыв сцены и кажущееся перемещение инструментов в "зал" независимо от характера фонограммы и метода записи.

    Для экспериментальной проверки указанных положений был разработан блок обработки сигнала тылового канала, схема которого приведена на рис. 2. Уровень сигнала на входе устройства (






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.