Восприятие пространственности звука. Бинауральный эффект

Человек способен определять направление, откуда слышен звук. Эту способность называют бинауральным эффектом. Бинауральный эффект можно объяснить, исходя из ос­иных положений физиологической акустики. Уши человека расположены на определённом расстоянии "по ширине головы". Сигнал, приходящий от источника уха, находящегося напротив слушателя, приходит в оба уха одновременно, и слуховой аппарат (мозг) интерпретирует это, как расположение источника сигнала либо позади, либо спереди, но не сбоку. Если же сигнал приходит от источника, смещенного относительно центра головы, то звук попадает в одно ухо быстрее, чем во второе, что позволяет мозгу соответствующим образом фиксировать это, как прием сигнала слева или справа, и даже приблизительно определять угол направ­ления, в котором находится источник звука. Слуховой аппарат человека способен оп­ределить направление звукового сигнала по разнице во времени попадания сигнала в левое и правое ухо в пределах до 1 мс. Такой способ определения направления ис­пользуется слуховым аппаратом (мозгом) в полосе частот 300-1000 Гц.

Направление, в котором находится источник звука в полосе частот выше 1000 Гц, определяется мозгом человека путем анализа громкости звука. Дело в том, что звуковые волны с частотой выше 1000 Гц сравнительно быстро затухают в пространстве. Поэтому амплитуды звуковых волн, доходящих до левого и право­го ушей слушателя, довольно заметно отличаются, что позволяет мозгу определять направление прихода сигнала по разнице громкостей. Немаловажной здесь являет­ся способность человека поворачивать голову в сторону кажущегося источника звука. Эта способность является естественным механизмом контроля правильности определения направления, в котором находится источник звука.

На рис. 5.19 показан источник звука, смещенный влево относительно центра головы слушателя. Поскольку расстояние L _L от левого уха до источника меньше, чем соответствующее расстояние L _R до правого уха, то звук от источника приходит быстрее в левое ухо, и, кроме того, в нем же звук кажется громче. Несмотря на ка­жущуюся незначительную разницу в расстояниях L _L и L _R, слуховая система чело­века все же фиксирует эту разницу и слушатель, даже закрыв глаза, может вполне уверенно определить, что звук приходит к нему слева.

 

Рис. 5.19 Физический источник расположен слева от слушателя

 

Способность слухового аппарата человека определять направление звукового сигнала по разнице во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, а также спо­собность идентифицировать разницу в интенсивности слухового ощущения, вызываемого звуковой волной в левом и правом ушах, используется в стереофонии. Так, имея два физических источника звука, можно создать у слушателя ощущение наличия мнимого источника звука, расположенного между двумя физическими. Причем этот мнимый источник звука можно "расположить" в любой точке на ли­нии, соединяющей два физических источника. Для этого нужно воспроизвести одну аудиозапись (например, фонограмму со звуком рояля) через оба физических источника, но сделать это с некоторой временной задержкой в одном из них и соот­ветствующей разницей в громкости. Изменяя указанную временную задержку (увеличивая или уменьшая) в одном из физических источников и одновременно изменяя в этом источнике громкость звука (соответственно увеличивая или умень­шая), можно менять расположение мнимого источника звука на упомянутой выше мнимой линии. Мнимая линия, соединяющая два физических источника звука при воспроизведении звукового сигнала, на которой располагаются мнимые источники шума, называется стереобазой.

Предположим, что два динамика расположены перед лицом слушателя и рас­ставлены по сторонам под равными углами к слушателю (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Диаграмма восприятия слушателем звуковой стереокартины

 

Теперь воспроизведем одновременно (т.е. с нулевой временной задержкой) и с одинаковой громкостью одну и ту же запись через оба источника. Поскольку время прихода сигнала в оба уха слушателя (так же, как и громкость сигналов справа и слева) одинаково, у слушателя создастся ощущение, что источником звука являет­ся точка пространства, расположенная ровно по центру между динамиками. Про­ведем этот же эксперимент, задержав сигнал в левом динамике на 0,5 мс и немного ослабив его амплитуду. В результате мнимый источник звука сдвинется с точки зрения слушателя вправо, так как сигнал придет в правое ухо слушателя раньше, чем в левое, и будет слышен в нем громче. Дальнейшее увеличение временной за­держки и соответствующее понижение громкости сильнее сдвигает мнимый источ­ник вправо (рис. 5.21).

Рассмотрим возникновение стереоэффекта несколько шире. Если допустить, что расстояние между двумя физическими источниками, т.е. стереобаза, равно 2 L (рис. 5.21), то график зависимости величины смещения от центра стереобазы у' (у '= y / L) мнимого источника звука в функции временной задержки сигнала Δ τ в одном из каналов при одинаковых уровнях громкости в них будет иметь вид, представленный на рис. 5.22.

 

Рис. 5.21 Диаграмма восприятия слушателем звуковой стереокартины (мнимый источник сдвигается вправо)

На графике видно, что нулевая задержка (Δ τ =0мс) сигнала в каналах соответствует нулевому смещению мнимого источника звука от центра стереобазы (точка А) При Δ τ ≈ 0,4 мс, например, в левом канале, мнимый источник звука смещается в точку В посредине между центром стереобазы (точка А) и источником опережающего сигнала в правом канале (при Δ τ ≈ 0,4 мс, у '=0,5, что соответствует сме­щению источника в точку у '= y / L т.е. в точку В). При Δ τ ≈ 1 мс мнимый источник звука окажется расположенным на месте физического источника опережающего сигнала (при у '=1, у = L).

Рис. 5.22 График зависимости y'= f (Δτ) при одинаковых уровнях громкости в каналах

 

Теперь проанализируем график зависимости величины смещения y ' мнимого источника звука в функции разницы уровней громкости в каналах Δ L * при Δ τ = 0 (рис. 5.23).

Рис. 5.23 График зависимости y ' = f (Δ L *) при Δ τ = 0

 

Из графика видно, что при равной громкости сигналов в левом и правом каналах (Δ L *=0) мнимый источник звука оказывается в центре между каналами (точка А). Разница уровней громкости, равная 7 дБ (Δ L *= 7), например, в пользу правого канала смещает мнимый источник звука в точку В, находящуюся посредине между центром стереобазы и источником более громкого сигнала (правый канал). При разнице уровней громкости, равной 15 дБ и более, мнимый источник звука окажет­ся расположенным на месте физического источника более громкого сигнала.

Возвращаясь к обсуждению влияния временной задержки сигнала, следует от­метить следующее. При одинаковой громкости сигнала в обоих физических источ­никах увеличение временной задержки, например, во втором канале от 0 до 1 мс вызывает постепенное смещение мнимого источника сигнала от центра к первому физическому источнику опережающего сигнала. Наращивание временной задерж­ки сигнала во втором источнике в пределах до 30 мс уже не влияет на локализацию мнимого источника звука; мнимый источник звука окажется расположенным на месте физически существующего источника, излучающего опережающий сигнал (первый источник). Источник звука, излучающий задержанный сигнал, при этом почти не ощущается (источник опережающего сигнала маскирует, источник за­держанного сигнала), хотя практика показывает, что его присутствие добавляет звучанию четкости и громкости. Дальнейшее наращивание задержки до 35-50 мс влечет за собой потерю четкости звучания и появление эффекта перенасыщенности и гулкости звука, т.е. начинает ощущаться звучание второго источника сигнала; локализация сигнала при этом по-прежнему не меняется. Если время задержки сигнала во втором канале увеличить до величины 50 мс и более, то общее звучание перестанет быть цельным и, с точки зрения слушателя, "расщепится" на два — основное звучание и его отзвук (эхо). Описанное явление имеет отношение к эффекту Хааса. Отметим здесь, что точные и временные рамки этого явления зависят от частоты звука, типа источников звука и других факторов.

Используя описанный бинауральный эффект, можно при помощи двухканальной аудиозаписи и соответствующего воспроизведения донести до слушателя почти такую же картину звучания, какую он ощутил бы сам, если бы лично присутство­вал, например, на каком-нибудь концерте. Действительно, представим себе, что мы установили два микрофона (каждый из которых осуществляет независимую за­пись) на равных расстояниях от центра оркестровой ямы (рис. 5.24).

Тогда, как следует из рисунка, звук альта будет приходить в оба микрофона од­новременно и слышаться в них одинаково громко; звук скрипки будет приходить в первый канал записи чуть раньше, чем в правый, и звучать слева чуть громче; звук гитары будет хорошо слышен в точке, где расположен правый микрофон, и почти не слышен в точке, где расположен левый, и т.д. Теперь, если полученные от обоих микрофонов аудиозаписи воспроизвести с помощью двух правильно расставленных перед слушателем динамиков (см. рис. 5.21), звук гитары будет идти только из правого динамика, звук альта — из обоих одновременно, а звук скрипки — из левого раньше и громче, чем из правого. Таким образом, мнимый оркестр как бы расположится на невидимой линии, соединяющей два динамика, а вместо микрофонов перед центром оркестровой ямы (точка А на рис. 5.24) будет стоять сам слушатель. При этом слушатель получит почти полное представление о "живом" звучании ор­кестра. Такая (мысленно проделанная нами) двухканальная запись называется стереофонической, а ширина, которую занимает мнимый оркестр на пространственной стереокартине, называется шириной стереопанорамы.

 

Рис. 5.24. Запись звучания оркестра с помощью двух микрофонов

 

Если осуществить запись звукового сигнала с помощью одного приемника (микрофона), то при воспроизведении этого сигнала через один или даже несколько динамиков слушатель не сможет ощутить пространственность оригинального звучания, поскольку записанный сигнал есть монофоническая запись (одноканальная запись), т.е. запись оригинального звучания, сделанная лишь из одной точки пространства.

Качество донесения до слушателя оригинальной пространственной звуковой картины можно повышать путем добавления в запись дополнительных каналов (трех- и более канальная запись), осуществляя одновременно несколько отдельных записей в трех (и более) разных точках пространства.

Несмотря на все вышеизложенное, на самом деле для качественного донесения до слушателя "живого" пространственного звучания обычной стереофонической записи оказывается не всегда достаточно. Основная причина этого кроется в том, что стереосигнал, приходящий к слушателю от двух физических источников звука, позиционирует мнимые (слышимые) источники лишь в той плоскости, в которой расположены реальные (физические) источники звука. Естественно, "окружить слушателя звуком" при этом не удается. Заблуждением является и расхожая мысль о том, что объемное звучание обеспечивается квадрофонической системой (четырехканальной: два источника перед слушателем и два позади него). Вообще, любая многоканальная запись, вне зависимости от того, где и как расставлены микрофоны, позволяет донести до слушателя лишь такой звук, какой был "услышан" расставленной звукопринимающей аппаратурой (микрофонами), и не более того. Для воссоздания же более или менее реалистичного, действительно "объем­ного" звучания необходим принципиально другой подход, который учитывал бы особенности восприятия звука человеком.