Объемный звук

Со временем качество звучания, реализуемое обычной стереофонической системой или головными телефонами, перестало удовлетворять самых взыскательных слушателей. Хотя стереосистемы и создают эффект пространственного звучания за счет синтеза панорамы мнимых источников звука (МИЗ) между двумя громкоговорителями (рис. 1), все же стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама получается плоской и ограничена углом между направлениями на громкоговорители.

Рис. 1. Стереопанорама.

Такое звучание в значительной степени лишено естественности, свойственной реальному звуковому полю, в котором 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 создает у слушателя ощущение звучащего объема (трехмерного звукового поля), существенно обогащает тембры музыкальных инструментов и голосов, восстанавливая реверберационный процесс, свойственный первичному помещению (концертному залу). Обычная стереофония создает 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 позади себя. Во-вторых, все мнимые источники звука располагаются в одной плоскости и на линии между динамиками, то есть нет глубины и нет, собственно, третьего измерения и трехмерного объемного звучания (рис. 2).

Рис. 2. Квадропанорама.

Головные стереотелефоны 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 и А5, согласующих устройств А8 и А9 и фильтров нижних частот (ФНЧ) Z1 и Z2. С делителей А3 и 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 полнодуплексной звуковой картой (к сожалению, программа плохо работает с картами производства сингапурской фирмы Creative Labs.), могут скачать одну из подобных программ с сервера www.geocities.com/SunsetStrip/Palladium/2932/ v108.zip. Кроме того, программа позволяет добавить эффекты реверберации для маленького, среднего и большого помещения, эхо, хорус, флэнжер, а также имеет довольно неплохой эквалайзер, значительно улучшающий воспроизведение низких (20-60 Гц) частот через стереотелефоны среднего качества. Все эффекты в реальном времени достижимы даже на очень дешевых звуковых картах без DSP-процессоров, например, на OPTi-931 или Acer S23.

Наиболее совершенный метод имитации реального трехмерного звукового поля называется бинауральной передачей звука. Он состоит в том, что звуковая информация воспринимается микрофонами, размещенными в ушных раковинах человека или так называемой 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 ведется передача. Однако полная иллюзия достижима лишь при наличии 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 с серверов www.lake.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 перекрестные искажения, в конечном счете сводящие на нет все преимущества бинаурального звуковоспроизведения. Указанные недостатки в значительной мере удается 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 бифонического процессора.

Он состоит из усилителей сигналов левого и правого каналов А1 и А2, усиливающих сигналы с микрофонов, установленных в искусственной голове А0, линий задержки D1 и D2, фазовращающих устройств U1 и U2 и сумматоров Е1 и Е2. После обработки бифоническим процессором сигналы 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 отчетливо проявляется, невелика, зато, находясь в ее пределах, слушатель может иметь представление о расстоянии до источников звука и их взаимном расположении в пространстве в момент записи, чего не удается 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. Конечно, бифонический процессор может быть реализован чисто программными методами с использованием методов цифровой обработки сигналов в реальном времени. Читатели, имеющие персональный компьютер с полнодуплексной звуковой картой, могут скачать одну из подобных программ с сервера www.geocities.com/SunsetStrip/Palladium/2932/ v108.zip или www.geocities.com/SiliconValley/Pines/7899.