Данная статья основана на моей дипломной работе по теме «Разработка принципов имитации объемного звучания в развлекательной сфере», кафедра информационных технологий, МАИ 2011 год. Для адаптации текста вырезаны сухие статистические данные, язык сделан более живым, вставлены отсылки к книгам и статьям, которые я могу порекомендовать. Затронутые вопросы будут интересны тем, кто еще только изучает механизмы локализации звука. Программная часть в статье не затрагивается. Для дополнительного интереса из статьи не вырезана практическая часть создания бинаурального манекена-микрофона.

Хочу выразить благодарности Борису Климову за создание эксклюзивных иллюстраций, а так же Надежде Гурской за анализ и правки текста.

Введение

Основная цель виртуальной реальности «погрузить» человека в пространство игры, действия на экране (фильм, мультфильм, 5D кинотеатр) настолько, чтобы на время он забыл о реальности мира окружающего.

О понятиях «Immersion», а так же «Suspension of Disbelief» по отношению к звуку и музыке можно прочитать в книге Winifred Phillips – A Composer’s Guide to Game Music.

Объемное звучание – залог того, что человек сможет ощутить эффект «присутствия». Восприятие звукового пространства, очевидно, было востребовано еще задолго до появления средств записи звука: на протяжении веков создавались помещения, такие как храмы, театры, концертные залы, где обеспечивалось «погружение» слушателя в звуковое пространство путем создания естественного акустического эффекта - реверберации. Научные исследования поведения акустики в концертных залах фирмой «Bose» показали, что приблизительно 11% доходит до слушателя напрямую, остальной процент звука приходит в отраженном виде от стен, пола и потолка и других объектов вокруг слушателя, тем самым создавая объем звука. С информативной точки зрения 25% информации об окружающем мире, получаемой человеком, приходится на звук.

Подход к звуку в современных кинотеатрах приучает слушателя к тому, что звук может и должен быть качественным и реалистичным. Профессиональными разработчиками современных игровых приложений работе со звуком отводится до 40 процентов бюджета и временно-людских ресурсов. С другой стороны некоторых разработчиков игр и приложений ещё надо убедить потратить время и средства на реализацию качественного звука.

На тему различных подходов интересно почитать статьи «Озвучивание компьютерных игр» 1 и 2 части от Кристофера (свободно ищется в интернете).

Восприятие звука человеком

Человеческий слух способен воспринимать звук в диапазоне от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звуки с частотой ниже 20-30 Гц (инфразвук) воспринимается не органом слуха, а осязанием, например, через вибрацию поверхностей. Частоты предельных нижних значений слышимого спектра могут восприниматься через резонансы внутренних органов человека. При небольшой интенсивности звук низкой частоты оказывает дополнительное эмоциональное воздействие (например, популярный эффект sub drop).

Уменьшение диапазона слышимых частот связано с изменениями во внутреннем ухе и с развитием возрастной нейросенсорной тугоухости. К 60-и годам слышимый диапазон на верхней границе становится не выше 10-12 кГц. Так как основной контингент развлекательной сферы люди молодые, то воспринимаемый слухом диапазон должен учитываться в полной мере. Но и специалист по звуку должен обладать полноценным слухом, слышать неестественность и неполноту тембра, мочь выявить резонансы. И что не маловажно - беречь слух от перегрузок. Многие люди в музыкальной-звуковой сфере испытывают постоянные нагрузки от звукоусиливающей техники и громких акустических инструментов (как и я сам, за более чем 12 лет игры на ударных инструментах). Современный человек подвержен негативному воздействию окружающих шумов, что снижает его чувствительность, притупляет верхние границы частот раньше естественной тугоухости. Не нужно пренебрегать такими средствами защиты слуха, как беруши. Также негативное влияние могут оказывать звуки низких частот.

Подробно с негативным воздействием звука (в том числе технического) можно ознакомиться в книге Чедд Г. – Звук.

Восприятие звука индивидуально, оно зависит от конфигурации (формы) ушной раковины, физиологических особенностей, возраста и от психологического настроя в конкретный момент. В рассматриваемой сфере восприятия звука также зависит от:
- средств воспроизведения (динамики воспроизводящего устройства, наушники, колонки, многоканальные системы),
- помещения в котором осуществляется прослушивание,
- качества средств преобразования (например, реализация звукового процессора, движка),
- соблюдения принципов создания правильной звуковой картины, если речь идет о саунд-дизайне.

Механизмы локализации источника звука человеческим слухом

Способность человека локализовать источник звука в пространстве строится на принципе бинаурального слуха. Бинауральное (от лат. bini - «два» и auricula - «ухо») строение слуховой системы заключается в различном восприятии звуковых сигналов пришедших на правое и левое ухо. Алгоритм локализации источника звука:
- звуковой сигнал, исходящий от источника звука и переотражений помещения, попадает во внешнюю часть слуховой системы, где конфигурация ушной раковины позволяет передать во внешний слуховой канал уже частотно обработанный сигнал,
- сигнал проходит в барабанную перепонку человека, в силу вступают механизмы внутреннего уха,
- из внутреннего уха информация поступает в отделы головного мозга, где на основе анализа сравнения сигналов, поступивших с каждого из слуховых каналов, делаются выводы о расположении звукового источника.

Человеческий мозг сравнивает информацию, пришедшую из барабанных перепонок, с той информацией, которая уже хранится в памяти.

Рис. 1. Строение внешней части слуховой системы человека

Подробно об устройстве внешнего и внутреннего слуха и о многих другом можно прочитать в книге Ирины Алдошиной и Роя Приттса – Музыкальная Акустика, глава «Восприятие звука. Основы психоакустики»

Для определения месторасположения звукового источника в пространстве слуховая система использует основные механизмы локализации: по разнице во времени, по разнице интенсивности, по разнице амплитудно-частотного спектра. К вспомогательным механизмам относятся отражения звука от туловища и плеч человека, реверберация, окклюзии (звук, прошедший через препятствие), обструкции (звук отфильтрованный препятствием), эффект Доплера, эффект Хааса (эффект предшествования). Не стоит забывать про эффект психологического восприятия: при несоответствии источника в видимом пространстве со звуком или нарушении синхронности качество локализации резко падает.

Определять пространственное положение источника звука приходится при наличии звуковых помех. Существуют естественные механизмы помехоустойчивости слуховой системы. Один из них проявляется в бинауральном освобождении от маскировки. Феномен состоит в том, что локализовать звуковой сигнал на фоне статичных помех (например, шумов окружения) легче.

Пару слов о прозрачности звучания. Приведу известный пример. Представим несколько контурных рисунков животных, наложенных друг на друга. Опознавание совмещенных в пространстве рисунков тем сложнее, чем ближе формы изображенных животных (термин форма имеет тот же смысл, что и в звуковом сигнале). Если же эти рисунки разнести в пространстве, то задача определения животного по форме становится значительно проще.

Локализация по временной разнице (фазовая локализация)

Данный механизм работает на частотах от 300 Гц до 1,5 кГц. За счет разницы между положением левого и правого уха звук, приходящий от источника, расположенного под углом к фронтальному направлению, затрачивает различное время для достижения барабанных перепонок.

Рис. 2. Схематичный пример фазовой локализации

При одинаковом времени, затрачиваемом для достижения сигнала левого и правого уха, данный механизм будет локализовать источник в азимуте 0 и 180 градусов. Различное время достижения барабанных перепонок приводит к появлению фазового сдвига. Слуховая система различает фазовый сдвиг до 10-15 градусов. С повышением частоты, а соответственно, с уменьшением длины звуковой волны, фазовый сдвиг сигналов, пришедших от одного и того же источника к разным ушам, увеличивается. Как только сдвиг достигает значения, близкого к половине длины звуковой волны механизм перестает работать. Человеческий мозг не может однозначно определить, отстает ли звуковой сигнал в одном из слуховых каналов от другого или, наоборот, опережает его.

Максимальная разница во времени, соответствующая полному смещению источника звука вправо или влево, не может быть больше 630 мкс.

Расстояние между правым и левым ухом взрослого человека составляет 0,15 м-0,20 м, если брать среднее значение по полу. При источнике, излучающем звуковую волну с частотой 20 Гц и скорости звука в 340 м/с, длина волны будет составлять 17 м. Соответственно, если человек повернется к источнику одной стороной, то фазовый сдвиг сигналов, пришедших в одно ухо, а затем в другое, будет составлять примерно 1,1 % от всего периода 20 Гц волны (локализации на таких низких частотах невозможна). Физиологически точность локализации зависит от размера головы, то есть расстояния между ушами. Чем больше это расстояние, тем с большей разницей приходят звуковые сигналы в каждое ухо.

При излучении звука источником, расположенным под определенным углом к фронтальному направлению, уровень звукового давления на барабанные перепонки в разных ушах будет различным. Это связано с тем, что одно ухо будет находиться как бы «в тени», которую создает голова, а также с тем, что звуковые волны выше 1000 Гц сравнительно быстро затухают в пространстве.

Рис. 3. Схематичный пример локализация по уровню интенсивности

Данный механизм является достаточно эффективным, но в диапазоне звуковых частотах от 1600 Гц. При длине звуковой волны, сравнимой с диаметром человеческой головы, дальнее от источника ухо перестает находиться в «акустической тени», что обусловлено явлением дифракции звуковой волны на поверхности головы. При этом опытным путем было выявлено, что способность человеческим слухом определения угла между двумя источниками в горизонтальной плоскости в области частот 1500-2000 Гц резко снижается.

Такой механизм способствует определению расстояния до источника звука. Однако уровень звука от слабого, но близко расположенного источника может быть таким же, как от мощного, но удаленного на значительное расстояние. При таких условиях локализации способствует следующий механизм.

Локализация по разнице амплитудно-частотного спектра

Механизм основывается на возможности анализа мозгом АЧ провалов и подъемов определенных частот в сложном сигнале. Звук, приходящий под углом 90°, содержит как низкочастотные, так и высокочастотные составляющие, а в спектре звука, действующего на дальнее ухо, высокочастотных составляющих будет меньше - экранирующее воздействие головы. Кроме того, звуковой сигнал по-разному отражается от участков ушной раковины, происходит усиление и ослабление различных участков звукового спектра.

Данный механизм отвечает за локализацию фронт-тыл и вертикальную плоскость. Изучение фильтрующего действия головы и ушных раковин слушателя позволило ввести понятие пеленговых полос. При локализации человек анализирует не весь спектр приходящего звука, а лишь изменения некоторых частот. Такие полосы сформировались эволюционно, слух выработал собственную систему отслеживания и предупреждения опасности, достаточно точно локализуя откуда исходит угроза.

Изменения в полосах от 16 до 500 Гц и от 2 до 6 кГц отвечают за локализацию передних источников звука. Полоса от 0,7 до 2 кГц - изменение тембра источников, которые могут располагаться сзади.

Сигнал со сложным спектральным составом локализуется лучше, а ощущение направления «фронт-тыл» формируется преимущественно теми полосами направления, в которых сосредоточена большая часть мощности сигнала. Чистые тона, которые, практически не встречаются в природе локализуются хуже сложных сигналов. Так, чистые тона свыше 8000 Гц поддаются локализации с трудом. Невозможно определить и местоположение источников звука низкой частоты - менее 150 Гц.

Локализация в вертикальной плоскости гораздо хуже, чем в горизонтальной. Без психологического, зрительного воздействия практически невозможно создать имитацию объекта, который должен располагаться, например, сверху. Этот звук должен быть как минимум привычный и ожидаемый.

Гибсон Д. в своих книгах и видео выдвигает концепцию о вертикальном расположении инструментов в музыкальном миксе по их звуковысотности (тесситуре) или форманте (область усиленных частичных тонов), так как в вертикальной плоскости звуковоспроизводящая техника построена по такому же принципу. За счет акустического кроссовера с определенными границами сложный сигнал делится на полосы частот. В трехполосной системе снизу расположен woffer предающий НЧ, в средней части mid-driver для СЧ и tweeter в верхней части системы для передачи ВЧ. А sub-woffer передает часть информации через пол. Такой подход интересен, но не подходит для многих систем, например, при использовании наушников или любой другой системы без разделения на полосы.

Подробнее с описанными принципами можно ознакомиться в книге Гибсон Д. - Визуальное руководство по звукозаписи и продюссированию.

Тем не менее уменьшение интенсивности низких частот психоакустически помогает «приподнять» объект, сделать его легче.

Перемещение источника звука

До 1960-х годов изучение способности человека локализовать источник звука в пространстве в основном касалось неподвижных источников звука. После же началось исследование восприятия человеком и движущихся источников звука: определялись основные характеристики восприятия.

В ходе исследований оказалось, что для того, чтобы у человека возникло ощущение движения звука, необходимо определенное время - временное окно. Оно колеблется от 0,08 до 0,12 с. Локализовать же короткий неподвижный звук (например, щелчок длительностью порядка 0,001 с.) достаточно легко.

Так же человек может различать скорость движения источника звука: чем она выше (в определенных пределах), тем тоньше эта способность. Если источник звука движется со скоростью 90°/с (движение по полупериметру перед головой испытуемого), человек различает изменение скорости на 15%; а при скорости движения 360°/с - на 5,5%.

Если источник является неподвижным, то для его локализации человек подсознательно совершает микроперемещения головы, на порядок повышающие точность определения положения источника в пространстве.

Эффекты

Для того чтобы правдоподобно передать звук от движущегося источника, необходимо учитывать (эффект изменения частоты звука от источника при нерадиальном перемещении его относительно слушателя). По субъективному ощущению эффекта звук резко меняет тон - становится более высоким при приближении объекта и более низким при его удалении. В игровой сфере эффект Доплера играет значимую роль. Особенно, если речь идет об авто симуляторах и других приложениях связанных с быстрым перемещением объектов. Эффект Доплера распространённым плагином для секвенсоров, а также, на сколько мне известно, существует во многих звуковых движках.

Одним из основных эффектов создания пространства является эффект реверберации (процесс многократного переотражения звукового сигнала от различных поверхностей с постепенным уменьшением его интенсивности). У моделируемой реверберации существует ряд параметров - время раннего отражения, время позднего отражения, скорость затухания, процентное соотношение «сухого» сигнала с обработанным. Эти параметры указывают на размер помещения и место источника звука в нем относительно слушателя. В работе я использую исключительно конволюционные (сверточные) ревербераторы, применяя к ним импульсы реальных помещений. Не вдаваясь в подробности технологии сам импульс представляет из себя шумовой «слепок» помещения (wav файл), который модулирует исходный звуковой файл, тем самым помещая его в имитируемое пространство. В музыкальной сфере конволюционные технологии давно используются, так в оболочке Kontakt (4,5) от NI конволюционный ревербератор с набором импульсов имеется в списке стандартных эффектов.

Звуковые системы. Бинауральная система

Существует два основных подхода по организации современных звуковых систем в помещении: многоканальные системы и двухканальные системы (в том числе и наушники). В многоканальных системах звук передается из мониторов, размещенных спереди и сзади от слушателя (либо вокруг него).

Подробно с монофоническими, бинауральными, стереофоническими и многоканальными системами и их тонкостями можно ознакомиться в книге Ю. Ковалгина - Стереофоническое радиовещание и звукозапись.

Для усиления пространственного эффекта производители пытаются продвигать концепции систем уже не пяти-, а шести-, семи- и даже девятиканальные. Увеличение количества каналов требует усложнение работы звукорежиссера, увеличения количества акустических систем, коммутационных проводов, применения более сложных усилителей, а, следовательно, позволяет увеличивать доходы с продаж.
Не всем потребителям необходимы многоканальные аудиосистемы. Для кого-то это неприемлемо по экономическим соображениям, кто-то не может выделить под систему домашних развлечений помещение в жилом помещении. Кто-то по очевидным причинам предпочитает пользоваться наушниками (в ночное время суток, при перемещении в транспорте и т.д.).

Всего два уха обеспечивают человека всей необходимой информацией об объекте, это значит, что для ее передачи достаточно всего лишь двух громкоговорителей. При использовании бинауральной записи кажущиеся источники звука в случае применения наушников оказываются вынесенными за пределы головы слушателя в то место, где расположены действительные источники звука. В отличие от этого, при прослушивании через наушники сигналов обычной стереофонии кажущиеся источники звука ощущаются как расположенные внутри головы слушателя.

Появление реверберации затрудняет оценку азимута кажущихся источников звука в тыловой области, где слушатели вместо истинного направления часто указывают соответствующее ему зеркальное фронтальное направление. Данное явление возникает особенно часто, когда время стандартной реверберации в помещении прослушивания превышает 0,3 с.

Правильная передача пространственной информации при воспроизведении с помощью двух мониторов возможна, но даже незначительное (около 9-15 см.) смещение центра головы слушателя влево или вправо от этой точки приводит к тому, что локализация кажущихся источников звука оказывается невозможной вне фокуса осей мониторов.

В оптимальной точке прослушивания бинауральная система обеспечивает звучание, уверенно предпочитаемое обычному стереофоническому. Однако ее применение весьма ограничено: воспроизведение с помощью наушников, переносная аппаратура радиовещания и звуковоспроизведения, компьютерное моделирование. Бинауральная звуковая система мало пригодна для условий коллективного прослушивания.

При воспроизведении бинаурального сигнала через акустическую систему из-за попадания сигнала правого канала в левое ухо слушателя и наоборот возникают перекрестные искажения.

В реалиях игрового саунд дизайна записанные бинауральные аудио файлы не применяются, потому как невозможно изменять их положение в пространстве, нет виртуального источника и виртуального слушателя, это не моделирование.

Алгоритмы

Основной алгоритм, использующий основные механизмы локализации звука человеком, реализован в HRTF (Head Related Transfer Functions - функции перемещения звука относительно слушателя. Количественно HRTF определяются обратным интегральным Фурье преобразованием коэффициентов под названием HRIR (Head Related Impulse Response), которые в первом приближении определяются отношением давлений на барабанную перепонку уха звуковой волны в свободном пространстве (free field) и в реальном пространстве с учётом головы человека, ушных раковин, его корпуса и других препятствий.

HRTF представляет собой сложную функцию с четырьмя переменными: три пространственных координаты и частота. При использовании сферических координат для определения расстояния до источников звука больших, чем один метр, принимается, что источники звука находятся в дальнем поле (far field),значение HRTF уменьшается обратно пропорционально расстоянию. Большинство измерений HRTF производится именно в дальнем поле, при этом количество переменных уменьшается до трёх: азимут (azimuth), высота (elevation) и частота (frequency). Действие HRTF зависит от частотного диапазона обрабатываемого сигнала: только звуки со значениями частотных компонентов в пределах от 3000 Гц до 10000 Гц могут успешно интерпретироваться с помощью функций HRTF. Если сигнал от источника звука не содержит особую частоту, влияющую на разницу между фронтальными и тыловыми HRTF функциями, то такой сигнал никогда будет локализован по направлению фронт-тыл.

HRTF моделировался при помощи манекена KEMAR (Knowless Electronics Manikin for Auditory Research) и специального «цифрового уха» (digital ear), разработанного компанией Sensaura. В ушах манекена размещаются микрофоны, а вокруг манекена - акустические колонки, в результате происходит запись того, что слышит каждое «ухо». Получаемые при таком моделировании результаты используются для пополнения базы данных по HRTF, которые затем могут быть использованы для интерактивного выбора параметров при воспроизведении позиционируемого 3D звука (в базе данных компании Sensaura накоплено более 1100 HRTF). Необходимость в такой базе данных объясняется, во-первых, различием размеров и формы головы и ушных раковин манекена и потенциального слушателя и, во-вторых, определяемых этими параметрами так называемой зоны sweet spot, в которой корректно воссоздаётся эффект звучания в вертикальной плоскости и гарантируется правильное определение местоположения источников звука в пространстве. Чем больше область sweet spot, тем большую свободу действий имеет слушатель. Поэтому разработчики постоянно ищут способы увеличить область действия sweet spot.

Компания QSound при реализации технологий с HRTF опирается не только на математические методы, но и на апробацию слушателями (таких прослушиваний было проведено около 550 тыс.). Специалисты компании Sensaura после серии опытов определили, что HRTF в чистом виде «работает» только при воспроизведении через наушники. Моделирование звука в этом случае тривиальная задача: каждый динамик контролирует соответствующее ему ухо. Однако при воспроизведении того же самого звука через колонки правое ухо слышит также звук, призванный «обманывать» с точки зрения трехмерности левое, и наоборот. Для исключения этого явления требуется добавить в звук дополнительные компенсационные вычисления. Удачные алгоритмы компенсации были разработаны, они получили название Transaural Cross-talk Cancellation (TCC). Решена задача была с помощью другой идеи инженеров Sensaura. Она заключается в том, что функции HRTF действуют только для среднестатистического уха, так как выведены с помощью одного манекена или усредненных показаний большой группы людей. Sensaura разработала цифровую модель уха, в которой можно задавать параметры ушной раковины. С помощью этой цифровой модели сочетанием разных параметров можно воспроизвести форму практически любого уха. Получившийся драйвер цифрового уха работает так: при его установке человек слушает ряд тестовых звуков и настраивает параметры драйвера, чтобы наилучшим образом ощущать трехмерность звука. Индивидуальные параметры слушателя записываются в специальный «профиль», он впоследствии и используется приложениями.

Интересная статья на тему "звук вокруг" . История, аппаратура, программное обеспечение, теория, искуственная голова, стерео, квадро, 3D.

Рис. 1. Стереопанорама

Что же это такое и для чего это нужно? Системы объёмного воспроизведения звука были разработаны потому, что качество звучания, реализуемое обычной стереофонической системой или головными телефонами, перестало удовлетворять взыскательных слушателей. Хотя стерео системы и создают эффект пространственного звучания за счет синтеза панорамы мнимых источников звука (МИЗ) между двумя громковорителями (рис. 1), все же стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама получается плоской и ограничена углом между направлениями на громкоговорители. Такое звучание в значительной степени лишено естественности, свойственной тому, что достигается в реальном звуковом поле, когда человек способен воспринимать реальные источники практически со всех направлений как в горизонтальной так и в вертикальной плоскостях и оценивать, хотя порой и с ошибками, расстояние до источников звука.

Считается, что восприятие звуков с разных направлений и расстояний имеет важное значение не только как факт их пространственного расположения. Оно создаёт у слушателя ощущение звучащего объёма (трёхмерного звукового поля), существенно обогащает тембры музыкальных инструментов и голосов, восстанавливая реверберационный процесс, свойственный первичному помещению (концерному залу). Обычная стереофония создаёт эффект пространственного звучания в очень ограниченной области перед слушателем, не позволяет в полной мере выявить названные особенности восприятия звуков в реальном звуковом поле и, следовательно, снижает качество звучания.

Квадрофонические системы также не обеспечивают полную имитацию реального звукового поля. Во-первых, при квадрофонии не получается круговая стереопанорама - слушатель ощущает обычную стерео панораму перед собой и заднюю стерео панораму сзади себя. Во-вторых, все мнимые источники звука располагаются в одной плоскости и на линии между динамиками, т.е. нет глубины и нет, собственно, 3-го измерения и трёхмерного объемного звучания (Рис. 2).

Рис. 2. Квадропанорама

Головные стерео телефоны также не позволяют получить естественное звучание воспроизводимой фонограммы. Дело в том, что возникающее при этом впечатление бесконечной ширины стереобазы и четкая локализация звукового изображения внутри головы слушателя не могут удовлетворить требовательных меломанов. Для устранения эффекта локализации звука внутри головы применяются схемы подобные приведенной на Рис. 3.

Рис. 3. Блок схема устройства создания объемного звука для стереотелефонов

Здесь сигналы левого и правого каналов через входные устройства А1 и А2 поступают соответственно на делители напряжения А3 и А6 и на входы перекрестных каналов, состоящих из линий задержки (ЛЗ) А4, А5, согласующих устройств А8, А9 и фильтров нижних частот (ФНЧ) Z1, Z2. С делителей А3, А6 сигналы подаются на корректоры АЧХ А7 и А10 и далее - на один из входов сумматоров, а с них - на входы усилителей мощности для стереотелефонов. Таким образом, на выходе каждого канала формируется сигнал, состоящий из ослабленного и скорректированного сигнала своего канала и задержанного и соответствующим образом скорректированного сигнала другого канала.

Подобными устройствами, выполненными в виде приставок или встроенных устройств в настоящее время оснащены многие музыкальные центры. Интересно, что такие устройства могут быть реализованы и чисто программными методами с использованием цифровой обработки сигналов в реальном времени. Читатели, имеющие персональный компьютер с фулдуплексной звуковой картой (к сожалению программа плохо работает с картами производства сингапурской фирмы Creative Labs.), могут скачать одну из подобных программ из Интернет с сервера www.geocities.com/SunsetStrip/Palladium/2932/v108.zip. Программа с этого сервера кроме того позволяет добавить эффекты реверберации для маленького, среднего и большого помещения, эхо, хорус, флэнжер и имеет довольно неплохой эквалайзер, значительно улучшающий воспроизведение низких (20..60 Гц) частот через стереотелефоны среднего класса качества. Все эффекты работает в реальном времени даже на очень дешевых звуковых картах без DSP процессоров, например на OPTi-931 или Acer S23.

Наиболее совершенный метод имитации реального трёхмерного звукового поля это Бинауральная передача звука. Бинауральный метод состоит в том, что звуковая информация воспринимается микрофонами, размещёнными в ушных раковинах человека или “искусственной головы” - модели, симулирующей слуховое восприятие человека. Сигналы, поступающие с каждого микрофона, усиливаются раздельными усилителями низкой частоты и воспроизводятся стереотелефонами. В идеале такая система позволяет создать полную иллюзию естественного звучания.

Она как бы переносит слушателя из помещения прослушивания в помещение, откуда ведётся передача. Однако полноценно прослушивать её можно только с помощью стереотелефонов и при условии что в качестве образца для создания искусственной головы использовалась именно ваша голова. Читатели могут прослушать бинауральные демонстрационные звуковые WAV файлы, скачав их через Интернет с серверов www.lakedsp.com, www.wа.com.au/lake, www.3daudio.com, www.geocities.com/SiliconValley/Pines/7899, www.geocities.com/SunsetStrip/Palladium/2932/3d_audio.htm

При воспроизведении бинаурального сигнала через звуковые колонки из-за попадания сигнала правого канала в левое ухо слушателя и наоборот возникают перекрёстные искажения, в конечном счёте сводящие на нет все преимущества бинаурального звуковоспроизведения. Указанные недостатки в значительной мере удаётся устранить с помощью специального устройства обработки звуковых сигналов, позволяющего получить бинауральный эффект при прослушивании бинауральной записи через колонки. Такие устройства получили название бифонических процессоров. Запись производится с микрофонов, расположенных в искусственной голове, а воспроизводится после обработки бифоническим процессором, в котором точно рассчитанная величина сфазированного, задержанного и скорректированного по частоте сигнала левого канала вычитается из сигнала правого канала и наоборот. Структурная схема бифонического процессора, впервые разработанного фирмой JVC, показана на рис. 4.

Рис. 4. Блок схема бинаурального процессора

Он состоит из усилителей сигналов левого и правого каналов А1, А2, усиливающих сигналы с микрофонов, установленных в искусственной голове А0, линий задержки D1, D2, фазовращающих устройств U1, U2 и сумматоров Е1, Е2. После обработки бифоническим процессором сигналы, приходящие из колонок в уши слушателя суммируются так, что левое ухо слышит только сигналы левого канала, а правое - правого канала. Таким образом, можно сказать, что бифонический эффект подобен бинауральному и отличается от него только способом воспроизведения бинауральной записи.

И хотя площадь, где он отчётливо проявляется, невелика, зато, находясь в её пределах, слушатель может иметь представление о расстоянии до источников звука и их взаимном расположении в пространстве в момент записи, чего не удаётся достигнуть при стереофоническом звуковоспроизведении, дающем представление только о расположении источников звука на линии между звуковыми колонками. Другое интересное свойство бифонического процессора - это возможность расширения с его помощью стереобазы обычных стереофонических записей.

Именно это обычно и имеется ввиду под “3DSound”. А если сиcтема позволяет увеличить мнимый угол между направлениями на звуковые колонки (Рис.1) до 180 градусов, то такую систему называют “Suround” и создаваемая звуковая панорама для неё будет такой же как при прослушивании на стереотелефоны, но без концентрации мнимых источников звука внутри головы слушателя. Конечно, бифонический процессор может быть реализован чисто программными методами с использованием методов цифровой обработки сигналов в реальном времени.

Читатели, имеющие персональный компьютер с фулдуплексной звуковой картой, могут скачать одну из подобных программ из Интернет.

Что такое объёмный звук (surround sound) и как он устроен

Большинство современных дешёвых и не очень звуковоспроизводящих устройств включая звуковые карты для персональных мультимедиа компьютеров позволяют воспроизводить звук в режиме "3D Sound" или "Suround", что можно перевести как "объёмный звук". Что же это такое и для чего это нужно?

Системы объёмного воспроизведения звука были разработаны потому, что качество звучания, реализуемое обычной стереофонической системой или головными телефонами, перестало удовлетворять взыскательных слушателей. Хотя стерео системы и создают эффект пространственного звучания за счет синтеза панорамы мнимых источников звука (МИЗ) между двумя громковорителями (рис. 1), все же стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама получается плоской и ограничена углом между направлениями на громкоговорители.

Рисунок 1. Стереопанорама

Такое звучание в значительной степени лишено естественности, свойственной тому, что достигается в реальном звуковом поле, когда человек способен воспринимать реальные источники практически со всех направлений как в горизонтальной так и в вертикальной плоскостях и оценивать, хотя порой и с ошибками, расстояние до источников звука. Считается, что восприятие звуков с разных направлений и расстояний имеет важное значение не только как факт их пространственного расположения. Оно создаёт у слушателя ощущение звучащего объёма (трёхмерного звукового поля), существенно обогащает тембры музыкальных инструментов и голосов, восстанавливая реверберационный процесс, свойственный первичному помещению (концерному залу). Обычная стереофония создаёт эффект пространственного звучания в очень ограниченной области перед слушателем, не позволяет в полной мере выявить названные особенности восприятия звуков в реальном звуковом поле и, следовательно, снижает качество звучания.

Квадрофонические системы также не обеспечивают полную имитацию реального звукового поля. Во-первых, при квадрофонии не получается круговая стереопанорама - слушатель ощущает обычную стереопанораму перед собой и заднюю стереопанораму сзади себя. Во-вторых, все мнимые источники звука располагаются в одной плоскости и на линии между динамиками, т.е. нет глубины и нет, собственно, 3-го измерения и трёхмерного объемного звучания (рис. 2).

Рисунок 2. Квадропанорама

Головные стерео телефоны также не позволяют получить естественное звучание воспроизводимой фонограммы. Дело в том, что возникающее при этом впечатление бесконечной ширины стереобазы и четкая локализация звукового изображения внутри головы слушателя не могут удовлетворить требовательных меломанов. Для устранения эффекта локализации звука внутри головы применяются схемы подобные приведенной на рис. 3.

Рисунок 3. Блок схема устройства создания объемного звука для стереотелефонов

Здесь сигналы левого и правого каналов через входные устройства А1 и А2 поступают соответственно на делители напряжения А3 и А6 и на входы перекрестных каналов, состоящих из линий задержки (ЛЗ) А4, А5, согласующих устройств А8, А9 и фильтров нижних частот (ФНЧ) Z1, Z2. С делителей А3, А6 сигналы подаются на корректоры АЧХ А7 и А10 и далее - на один из входов сумматоров, а с них - на входы усилителей мощности для стереотелефонов. Таким образом, на выходе каждого канала формируется сигнал, состоящий из ослабленного и скорректированного сигнала своего канала и задержанного и соответствующим образом скорректированного сигнала другого канала.

Подобными устройствами, выполненными в виде приставок или встроенных устройств, в настоящее время оснащены многие музыкальные центры. Интересно, что такие устройства могут быть реализованы и чисто программными методами с использованием цифровой обработки сигналов в реальном времени. Читатели, имеющие персональный компьютер с фулдуплексной звуковой картой (к сожалению, программа плохо работает с картами производства сингапурской фирмы Creative Labs.), могут скачать одну из подобных программ здесь. Программа, кроме того, позволяет добавить эффекты реверберации для маленького, среднего и большого помещения, эхо, хорус, флэнжер и имеет довольно неплохой эквалайзер, значительно улучшающий воспроизведение низких (20...60 Гц) частот через стереотелефоны среднего класса качества. Все эффекты работают в реальном времени даже на очень дешевых звуковых картах без DSP процессоров, например на OPTi-931 или Acer S23.

Наиболее совершенный метод имитации реального трёхмерного звукового поля это бинауральная передача звука. Бинауральный метод состоит в том, что звуковая информация воспринимается микрофонами, размещёнными в ушных раковинах человека или?искусственной головы? - модели, симулирующей слуховое восприятие человека. Сигналы, поступающие с каждого микрофона, усиливаются раздельными усилителями низкой частоты и воспроизводятся стереотелефонами. В идеале такая система позволяет создать полную иллюзию естественного звучания.

Она как бы переносит слушателя из помещения прослушивания в помещение, откуда ведётся передача. Однако полноценно прослушивать её можно только с помощью стереотелефонов и при условии что в качестве образца для создания искусственной головы использовалась именно ваша голова. Читатели могут прослушать бинауральные демонстрационные звуковые WAV файлы, скачав их через Интернет с серверов

www.geocities.com/SiliconValley/Pines/7899

При воспроизведении бинаурального сигнала через звуковые колонки из-за попадания сигнала правого канала в левое ухо слушателя и наоборот возникают перекрёстные искажения, в конечном счёте сводящие на нет все преимущества бинаурального звуковоспроизведения. Указанные недостатки в значительной мере удаётся устранить с помощью специального устройства обработки звуковых сигналов, позволяющего получить бинауральный эффект при прослушивании бинауральной записи через колонки. Такие устройства получили название бифонических процессоров. Запись производится с микрофонов, расположенных в искусственной голове, а воспроизводится после обработки бифоническим процессором, в котором точно рассчитанная величина сфазированного, задержанного и скорректированного по частоте сигнала левого канала вычитается из сигнала правого канала и наоборот. Структурная схема бифонического процессора, впервые разработанного фирмой JVC, показана на рис. 4.

Рисунок 4. Блок-схема бинаурального процессора

Он состоит из усилителей сигналов левого и правого каналов А1, А2, усиливающих сигналы с микрофонов, установленных в искусственной голове А0, линий задержки D1, D2, фазовращающих устройств U1, U2 и сумматоров Е1, Е2. После обработки бифоническим процессором сигналы, приходящие из колонок в уши слушателя суммируются так, что левое ухо слышит только сигналы левого канала, а правое - правого канала. Таким образом, можно сказать, что бифонический эффект подобен бинауральному и отличается от него только способом воспроизведения бинауральной записи.

И хотя площадь, где он отчётливо проявляется, невелика, зато, находясь в её пределах, слушатель может иметь представление о расстоянии до источников звука и их взаимном расположении в пространстве в момент записи, чего не удаётся достигнуть при стереофоническом звуковоспроизведении, дающем представление только о расположении источников звука на линии между звуковыми колонками. Другое интересное свойство бифонического процессора - это возможность расширения с его помощью стереобазы обычных стереофонических записей. Именно это обычно и имеется ввиду под "3DSound". А если сиcтема позволяет увеличить мнимый угол между направлениями на звуковые колонки (Рис.1) до 180 градусов, то такую систему называют "Suround" и создаваемая звуковая панорама для неё будет такой же как при прослушивании на стереотелефоны, но без концентрации мнимых источников звука внутри головы слушателя. Конечно, бифонический процессор может быть реализован чисто программными методами с использованием методов цифровой обработки сигналов в реальном времени.

У вас есть телевизор, Blu-ray плеер, игровая консоль, но для финальной картины вам не хватает оглушающе объемного звука. Имеет смысл приобрести ресивер, так как подвод всех кабелей может стать сложной задачей, особенно в сравнении с подключением DVD-плеера к вашему телевизору. И это не упоминая о том, что все должно быть размещено правильно, а уровни – корректно установлены. Начните с Шага 1, указанного ниже, для правильной установки в первый раз, и вы сможете вернуться к наслаждению тем, что любите.

Шаги

Часть 1

Количество динамиков, которые вы будете подключать, определяет тип объемного звука, который вы получите в итоге. Самые распространенные схемы: 2.1, 5.1 и 7.1. 2.1 –это два фронтальных динамика и сабвуфер (обозначаемый как.1). 5.1 – это два фронтальных динамика, центральный и два динамика объемного звука и сабвуфер. 7.1 –это два фронтальных, один центральный, два динамика объемного звука, два тыловых и сабвуфер. Следуйте следующим пунктам до правильного расположения доступных вам динамиков.

Часть 2

Часть 3

Расположите фронтальные динамики с обеих сторон от телевизора. Убедитесь в том, что динамики расположены в соответствующих местах, если они маркированы.Фронтальный динамики должны быть расположены на одинаковом расстоянии от телевизора: обычно это расстояние составляет около метра.

Выберите угол расположения динамиков. Каждый динамик должен быть направлен точно в направлении центра зоны размещения слушателя.

Поднимите динамики. Для наилучшего качества звука фронтальные динамики должны быть подняты на уровень ушей слушателя. Вы можете использовать стойки для динамиков для домашней стереосистемы.

• Если вы используете систему типа 2.1, то вы закончили с установкой динамиков и можете перейти к секции Подключение Динамиков.

Часть 4

=Центральный канал

Часть 5

=Канал объемного звука

Часть 6

=Задний канал

Часть 7

Подключение динамиков

1. Разместите ресивер у своего телевизора. Все системы объемного звука проходят через ресивер. Ресивер передает входящий сигнал и посылает аудиосигнал на все присоединенные динамики. Ресивер должен быть расположен возле вашего телевизора, чтобы к нему могли дотянуться кабеля, и вам необходимо пространство вокруг него, чтобы он мог должным образом вентилироваться.

   Выключите всю аппаратуру. При установке динамиков существует возможность удара электротоком. Чтобы быть в безопасности, выключите все и отсоедините от розеток.

   Обследуйте подключение ваших динамиков. Некоторые системы объемного звука имеют порты для каждого динамика, так что вы можете правильно подключить все штекеры. Другие используют соединители для подключения проводов к ресиверу. Если ваша система использует соединители, то вам понадобятся кусачки для провода, которыми можно обнажить контакты от защитной оболочки.

   Начните пропускать кабели. Сделайте все возможное для того, чтобы спрятать проведенные провода. Это не только будет выглядеть лучше, но и обезопасит людей и животных от запутывания в них и повреждения ваших динамиков.

   • Если вы можете, то пропустите провода под ковром или через стены. Это позволит вам добиться наиболее презентабельного внешнего вида вашей системы.

2. Соедините динамики. Если кабеля ваших динамиков уже имеют разъемы, то просто подключите их в соответствующие порты на задней панели ресивера. Если вы используете стандартные кабели для соединения динамиков с ресивером, вам нужно будет пройти через несколько дополнительных шагов.

   • Отмерьте длину ваших кабелей. Отмерьте нужную вам длину кабеля от катушки. Отмерьте немного большую длину кабеля, чем вы отмерили, чтобы обеспечить себе зазор для того, чтобы спрятать провод и без проблем подключить его.
   • Оголите один конец. Используйте кусачки, чтобы оголить два сантиметра изоляции с кабеля. Вы увидите две раздельных жилы. Убедитесь в том, что вы не сняли слишком много изоляции с провода, иначе вы можете коснуться его или вызвать короткое замыкание.
   • Провода, соединяющие динамики, состоят из двух различных кабелей: положительный и отрицательный. Оба они абсолютно одинаковы, но должны быть присоединены к динамикам и ресиверу. Для примера, если вы подсоедините один из двух проводов к положительно заряженной клемме динамика, то вам необходимо присоединить тот же провод к положительной клемме ресивера.

3. Присоедините сабвуфер. Большинство сабвуферов присоединяются к ресиверу посредством стандартного RCA-кабеля. Вы можете приобрести дорогие кабели для сабвуфера, но в большинстве случаев вы не услышите разницы в сравнении со стандартным кабелем.

   • Порты на ресивере обычно обозначены как "sub out" или "sub preout".
   • Если ваш сабвуфер не имеет множества входов, присоедините только один, отмеченный как "LFE in" или крайний левый, если обозначений на нем нет.
   • Используя ручки на задней части сабвуфера, установите громкость на половину и выключите фильтр низких частот переводом ручки в верхнее положение.

Часть 8

Подключение вашего оборудования

Постарайтесь избежать установки ваших устройств (DVD-плеера, спутникового ресивера, и.т.д.) одного над другим. Это может привлечь к тому, что все они будут генерировать слишком большую температуру, что может привести к поломке оборудования. Также отметьте, что некоторые старые устройства могут использовать оптическое соединение для передачи объемного звука, в то время как все современные устройства используют протокол подключения HDMI.

1. Подключите все HDMI-устройства к ресиверу. Большинство современных ресиверов поддерживает вход и выход по протоколу HDMI, что позволяет вам подключать HDMI-совместимые устройства к ресиверу, а затем подключите ресивер к телевизору.

   • Если доступно возможность подключить множество HDMI, то подключайте устройства в том порядке, в котором вы хотите чтобы они отображались в меню ресивера.
   • HDMI передает аудио и видеосигнал, поэтому нет необходимости подключать другие кабели.

2. Если вы используете старое оборудование,не поддерживающее HDMI, вы можете присоединить его через компонентный кабель. Это кабели с пятью разъемами: три для видео и два для аудио.

   • Подключите три видео разъема соответствующих цветов в устройство, которое вы хотите подключить.
   • Подключите два аудио разъема соответствующих цветов. Убедитесь в том, что они также подключены и к видео выходу, так как в противном случае звук не будет идти вместе с видео.

3. Присоедините все компонентные устройства. Существуют также старейшие модификации, использующиеся до сих пор: три композитных разъема с одним разъема с одним штекером для видео и двумя для аудио. Это соединение передает сигнал самого низкого качества из тех, которые поддерживают системы объемного звука.

   • Присоедините желтый (видео) штекер к одному из доступных совпадающих входов, а затем присоедините аудио кабеля к соответствующим аудио выходов.

4. Подключите телевизор к ресиверу. Для получения наилучшего результата используйте HDMI соединение для присоединения телевизора кс выходным портом ресивера. Вы можете использовать и другие типы соединения, но в результате вы получите более низкое качество. Большинство современных телевизоров поддерживают HDMI.

Развитие систем объемного звучания - от монофонии к 3D

В настоящее время двухканальная стереофония стала уже классическим способом передачи и воспроизведения звука. Целью стереофонического звуковоспроизведения является максимально точная передача звукового образа. Локализация звука при этом является лишь средством, позволяющим получить более богатое и естественное звучание. Однако передача пространственной информации наиболее распространенными "классическими" двухканальными системами имеет ряд недостатков, что побуждает конструкторов к созданию различных систем объемного звучания.

Слушатель, находящийся в концертном зале слышит не только прямой звук, исходящий от отдельных инструментов оркестра, но и приходящий с различных направлений (в том числе и сзади) отраженный от стен и потолка помещения рассеянный (диффузный) звук, который создает эффект пространства и дорисовывает общее впечатление. Запаздывание, с которым диффузный звук достигает ушей слушателя, и его спектральный состав зависят от размера и акустических свойств помещения. При двухканальной передаче информация, создаваемая диффузным звуком, в значительной степени теряется, а в случае студийной записи может отсутствовать изначально.

Человеческое ухо лучше всего локализует источники звука в горизонтальной плоскости. При этом звуки приходящие сзади, при отсутствии дополнительной информации локализуются хуже. Зрение, в том числе и периферийное, является основным чувством определения местоположения объектов, поэтому без зрительной информации возможность оценки положения звука в вертикальной плоскости и его удаленности от нас слаба и достаточно индивидуальна. Отчасти это можно объяснить индивидуальными анатомическими особенностями ушных раковин. При воспроизведении записей зрительная информация отсутствует, поэтому любая звуковая технология для массового рынка, претендующая на "объемное звучание", вынуждена создавать нечто усредненное и заведомо компромиссное.

Для воспроизведения или синтезирования "эффекта зала" можно использовать множество способов. Еще в середине 50-х годов фирмами Philips, Grundig, Telefunken были опробованы системы трехмерного воспроизведения 3D и Raumton. Передача звука была монофонической, но дополнительные громкоговорители (обычно встроенные, реже - выносные), излучающие звук вбок или вверх, создавали за счет отраженного от стен и потолка звука впечатление большого пространства. Поскольку задержка эхо-сигнала в бытовых помещениях достаточно мала, для ее увеличения позднее использовались пружинные ревербераторы в канале усиления дополнительных сигналов. Эти системы ввиду значительной для того времени технической сложности продержались на рынке недолго и быстро сошли со сцены.

В дальнейшем для передачи диффузного звука были разработаны амбиофонические системы, нашедшие применение, главным образом, в кино. Дополнительный канал (или каналы) для передачи диффузного звука в таких системах имеют меньшую мощность, чем основные, а их частотный диапазон соответствует полосе частот диффузного сигнала (примерно 300...5000 Гц). Излучение дополнительных динамиков должно быть рассеянным, для чего они направлены на стены или потолок помещения прослушивания.

Сложность стандартизации и технические проблемы с записью и передачей сигналов трех, четырех и более каналов привели к тому, что основной системой записи и передачи звука на долгие годы стала двухканальная стереофония. Но попытки создания систем объемного звучания не прекращались. Развитием амбиофонии стала квадрафония (четырехканальное звуковоспроизведение), пик популярности которой пришелся на первую половину 70-х годов. В отличие от амбиофонической системы здесь все каналы воспроизведения звука оборудованы равноценно. Дискретная (полная) квадрафония, обеспечивающая максимальный эффект присутствия, требует четырех каналов передачи звука и в силу этого оказалась несовместимой с существовавшими в тот момент техническими средствами звукозаписи и радиовещания.

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 воспроизведения исходные сигналы восстанавливались путем суммарно-разностных преобразований, причем без декодера можно было воспроизводить обычный стереосигнал. Поскольку ни одна из этих систем не была ни полноценно квадрафонической, ни полностью совместимой с двухканальной стереофонией из-за большого проникновения сигналов из канала в канал, практическое их применение было ограниченным и интерес к ним быстро угас.

В "войне стандартов" квадрафонических систем победителей не было, идея благополучно скончалась, принципы позабылись, а термин остался. Поэтому сейчас мало кого смущает тот факт, что "нечто", имеющее четыре канала усиления и четыре колонки гордо именуется "квадрафонической системой". Однако это в корне неправильно, поскольку источник сигнала остается двухканальным, а сигналы фронтальных и тыловых каналов при таком построении системы отличаются друг от друга только уровнем, то есть используется принцип панорамирования.

Панорамирование при производстве стереозаписей широко применялось уже с середины 50-х годов для расположения монофонических звуковых сигналов "слева/справа/в середине" звукового поля. При панорамировании не оказывается никакого воздействия на частоту и фазу сигнала, изменяется только уровень монофонического сигнала, подводимого к каждому из стереоканалов. Панорамирование на несколько каналов (в случае многоканальных записей) осуществляется аналогично. Однако при определении направления на источник звука наш слуховой аппарат использует не только разность интенсивности звуковых сигналов, но и фазовый сдвиг между ними, причем влияние фазового сдвига на точность локализации источника звука наиболее ярко выражено в области частот приблизительно от 500 до 3000 Гц. (Опять диапазон частот диффузного звука!).

Поэтому простое панорамирование не обеспечивает нужной достоверности звучания. Стереоэффекты ("бегающий звук", привязка звука "слева-справа" и т.д.) первых стереозаписей достаточно быстро приелись. Поэтому лучшие записи электронных инструментов в студии в 60-е годы проводились с использованием микрофонной техники, что объясняет "живой" характер звучания: Внедрение многоканальной полностью электронной (без использования микрофонов) записи инструментов с последующим сведением, облегчив работу звукорежиссера, одновременно уничтожило атмосферу зала. В последующем этот факт стал учитываться при проведении студийных записей, хотя полного возврата к микрофонной технике не произошло.

При использовании двухканальной схемы воспроизведения основная зона эффективного расположения кажущихся источников звука (КИЗ) находится спереди от слушателя и покрывает пространство порядка 180 градусов в горизонтальной плоскости. Два фронтальных канала не в состоянии адекватно воспроизвести звуки, источники которых в реальности расположены сзади и в вертикальной плоскости, если нет поддержки в виде дополнительных сигналов. Применение тыловых акустических систем в сочетании с панорамированием звука хорошо справляется с расположением источников звука спереди и сзади от слушателя и слабее с боковым расположением. Однако само по себе панорамирование звука никогда не сможет обеспечить приемлемое позиционирования источников звука в вертикальной плоскости.

В ходе разработки матричных систем выяснилось, что значительная часть пространственной информации содержится в разностном сигнале (сигнале стереоинформации), который можно подать на громкоговорители тыловых каналов или в чистом виде, или в смеси с некоторой долей фронтальных сигналов. В простейшем случае для этого даже не нужны дополнительные каналы усиления, а матрицирование сигналов можно провести на выходе усилителя:

Так появились на свет несколько псевдоквадрафонических систем, полностью вытеснивших "истинных арийцев" с рынка в середине 70-х. Они отличались друг от друга только способами получения разностного сигнала. Впрочем, их триумф тоже был недолгим, что объяснялось недостатками носителя сигнала - винилового диска и магнитной ленты. Некоррелированные шумы левого и правого каналов не вычитались, что в сочетании с относительно невысоким уровнем разностного сигнала сильно ухудшало отношение сигнал/шум в тыловых каналах.

Другой, не менее существенный недостаток подобных систем - отсутствие зависимости уровня тылового сигнала от характера фонограммы. При малом уровне тылового сигнала пространственный эффект мало заметен, при увеличении уровня появляется разрыв звуковой сцены и перемещение ее фрагментов назад (эффект "окружения оркестром", не соответствующий действительности).

При воспроизведении "живых" записей (имеющих естественное распределение суммарных, разностных и фазовых составляющих) этот недостаток проявлялся незначительно, но на большинстве студийных фонограмм тыловые каналы вносили значительные ошибки в положение КИЗ. Для устранения этого недостатка в ранних системах объемного звучания пытались применить автоматическое панорамирование. Управляющие сигналы получали из уровня пространственной информации - возрастание уровня разностных сигналов приводило к увеличению усиления в тыловых каналах. Однако принятая модель панорамирования была очень грубой, в результате чего ошибки регулирования экспандера приводили к хаотическому изменению уровня тыловых сигналов (эффект "тяжелого дыхания").

Интерес к системам объемного звучания вновь возник с появлением цифровых носителей информации, уровень собственных шумов которых пренебрежимо мал и даже аналоговая обработка сигнала практически не ухудшит динамический диапазон системы. Развитие цифровых методов обработки сигнала привело к созданию цифровых звуковых процессоров (Digital Sound Processor - DSP).

Разработанные первоначально для систем "домашнего театра" процессоры объемного звучания в последнее время начали активно использоваться и в автомобильных аудиосистемах. Их применение позволяет значительно улучшить звучание в салоне автомобиля, поэтому они выпускаются не только в виде отдельных DSP-устройств, но и входят в состав относительно недорогих магнитол. Настройки процессоров позволяют выбрать наиболее оптимальные параметры для выбранного места прослушивания.

Существует ряд методов, позволяющих аппаратуре воспроизводить звук, локализуемый в пространстве, при ограниченном количестве акустических систем. Разные методы реализации имеют сильные и слабые стороны, поэтому важно понимать принципиальные различия между основными методами обработки сигнала. В основе современных систем пространственного звучания (Dolby Surround, Dolby Pro-Logic, Q-Sound, Curcle Surround и других) лежит все та же идея суммарно-разностного преобразования, дополненная "фирменными" методами обработки сигналов (как аналоговыми, так и цифровыми). Часто их объединяют общим названием "3D-системы" ("второе рождение" термина сорокалетней давности!).

Прежде чем рассматривать принципы, используемые при обработке звуковых сигналов в системах объемного звучания, вспомним типичный процесс создания записи. Сначала производится запись, имеющая много индивидуальных каналов -- инструменты, голоса, звуковые эффекты и т.д. Во время микширования для каждой звуковой дорожки контролируется уровень громкости и расположение источника звука для достижения требуемого результата. В случае стереозаписи результатом микширования являются два канала, для surround-систем число каналов больше (например, 6 каналов для формата "5.1" Dolby Digital/AC-3). В любом случае, каждый канал состоит из сигналов, которые предназначены для направления в отдельные колонки при прослушивании пользователем. Каждый из этих сигналов представляет собой результат сложного микширования сигналов исходных источников.

Далее происходит процесс кодирования каналов, полученных после микширования и в результате получается один цифровой поток (bitstream). При проигрывании декодер обрабатывает цифровой поток, разделяя его на индивидуальные каналы и передавая их для воспроизведения на акустические системы. Для многоканальных (дискретных) систем объемного звучания при этом возможен режим имитации реально отсутствующих акустических систем (Phantom mode). Если у вас всего две колонки, тогда канал сабвуфера (низкочастотный) и центральный (диалогов) просто добавляются одновременно к обоим выходным каналам. Задний левый канал добавляется к левому выходному каналу, задний правый к правому выходному каналу.

Вспомним, что панорамирование воздействует только на амплитуду звукового сигнала. Преобразование звука в современных 3D-системах включает в звуковой поток дополнительную информацию о амплитуде и разности фаз/задержке между выходными каналами. Обычно степень обработки зависит от частоты сигнала, хотя некоторые эффекты создаются с использованием простых задержек по времени.

Какие же методы используются для обработки звукового сигнала? В первую очередь это расширение стереобазы (Stereo Expansion), которое производится путем воздействия на разностный стереосигнал фронтальных каналов. Этот метод можно считать классическим и он применяется прежде всего к обычным стереозаписям.

Обработка сигнала может быть как аналоговой, так и цифровой. Во-вторых, Positional 3D Audio (локализуемый 3D звук). Этот метод оперирует с множеством отдельных звуковых каналов и пытается индивидуально определить местоположение каждого сигнала в пространстве. В-третьих, Virtual Surround (виртуальный окружающий звук) - метод воспроизведения многоканальной записи с использованием ограниченного числа источников звука, например воспроизведение пятиканального звука на двух акустических колонках. Очевидно, что два последних метода применимы только к многоканальным звуковым носителям (записи в формате DVD, AC-3), что пока для автомобильных систем не очень актуально.

Замыкают список различные методы искусственной реверберации. Когда звук распространяется в пространстве, он может отражаться или поглощаться различными объектами. Отраженные звуки в большом пространстве могут в реальности создавать ясно различимое эхо, но в ограниченном пространстве происходит совмещение множества отраженных звуков так, что мы слышим их как единую последовательность, которая следует за исходным звуком и затухает, причем степень затухания различна для разных частот и напрямую зависит от свойств окружающего пространства.

В цифровых звуковых процессорах используется обобщенная модель реверберации, что сводит управление процессом реверберации к заданию ключевых параметров (время задержки, количество отражений, скорость затухания, изменение спектрального состава отраженных сигналов). Таким образом реализуются режимы hall, live, stadium, и т.д. Имитация получается достаточно реалистичной. В аналоговых процессорах для этой цели используются линии задержки сигнала. Управление параметрами реверберации в этом случае значительно сложнее, поэтому обычно имеется только один фиксированный режим работы.

Конечно, изложить особенности строения всех существующих систем объемного звучания трудно, но их работа основана на рассмотренных принципах - различие только в деталях алгоритмов и наборе режимов (предустановок). Поэтому лучший советчик при выборе звукового процессора - собственный слух.