Бинауральные стереосистемы

Тема 5. Системы стерео и объемного звукового вещания.

Цели и задачи изучения темы

Цели:

1. Ознакомить студентов с базовыми принципами построения систем стереовещания и перспективами их развития.

2. Разъяснить перспективные пути развития систем объемного звукового вещания.

З адачи:

1. Изучить свойства и принцип записи стерео сигналов.

2. Рассмотреть сущность аналоговых стандартов стереовещания и перспективы их применения.

3. Выяснить перспективные технологии записи и воспроизведения сигналов объемного звукового вещания.

4. Изучить принципы формирования телевизионных сигналов звукового сопровождения в стерео формате.

Системы записи стереозвука.

Современная аудиотехника активно развивается в настоящее время в направлении создания, внедрения и совершенствования различных пространственных систем звукозаписи, передачи и воспроизведения (Dolby-Surround, Binaural, Ambiophonic, Wave Field и др). Соответственно для обеспечения многоканальной записи разрабатываются специальные микрофонные системы, особенно много новых и достаточно сложных систем появилось за последние годы.

Впервые идея использовать систему из двух микрофонов для записи стереосигналов была предложена в 1931 г. Блюмляйном (это была совмещенная система из двух направленных микрофонов) и реализована в производстве в 1950 г. фирмой Neumann.

Большинство выпускаемых в настоящее время микрофонных стереосистем можно разделить на следующие группы:

· стереосистема АВ;

· стереосистема XY;

· стереосистема MS;

· бинауральные стереосистемы (Binaural stereo).

Рассмотрим принципы построения и характеристики этих систем.

Стереосистема АВ

Сам по себе стереоэффект определяется двумя факторами: разно­стью во времени прихода сигнала к левому и правому уху и разностью интенсивностей бинауральной пары сигналов. На первый взгляд кажется, что наиболее полно эти два фактора будут реализованы в системе АВ,в которой два микрофона А и В с одинаковыми характеристиками распо­лагают симметрично по двум сторонам помещения (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Микрофонная система АВ

 

Сигналы с выходов микрофонов по отдельным каналам поступают к двум громко­говорителям, расположенным справа и слева относительно слушателя.

Достижение стереофонического эффекта достигается тем, что звук, принимаемый ближним к источнику звука микрофоном, имеет более высокий уровень и опережает по времени тот же звук, принимаемый другим микрофоном. Это соотношение уровней и временных сдвигов сохраняется и в звуках, воспроизводимых соответствующими громкого­ворителями для слушателей, находящихся в так называемой зоне стерео­эффекта. Она располагается вдоль оси симметрии громкоговорителей и постепенно расширяется по мере удале­ния от них. При перемещении источни­ка звука между микрофонами изменя­ются уровни и временные сдвиги звуков, воспринимаемых микрофонами. Соот­ветственно изменяются условия воспро­изведения звуков в помещении для про­слушивания. На слух это будет воспри­ниматься как перемещение кажущегося источника звука между громкоговорителями. Одним из основных недостатков системы АВ является невозможность удовлетворить требование совмести­мости, которое технически сводится к тому, чтобы сумма левого и пра­вого сигналов стереопары давала бы полноценное монофоническое зву­чание. Но, как нетрудно видеть, при сложении сигналов, принимае­мых микрофонами А и В, неизбежны частотные искажения, связанные с разностью хода звуковых волн от источника звука до каждого из ми­крофонов и, следовательно, с соответствующими интерференционными эффектами. Заметим, что разность хода может внести фазовый сдвиг в 180°, при этом в монофоническом сигнале звук этой частоты будет вообще отсутствовать.

Для устранения интерференционных эффектов разработаны так на­зываемые совмещенные микрофонные системы, в которых стереоэффект формируется только за счет разности уровней сигналов. Микрофоны в таких системах должны иметь различные или различно ориентирован­ные диаграммы направленности.

Стереосистема XY

В системе XY (рис. 5.2) два микрофона с одинаковыми характери­стиками и диаграммами направленности в виде восьмерки (кардиоиды или суперкардиоиды) расположены практически в одной точке так, что оси их диаграмм направленности образуют угол около 90°. Микрофо­ны соединены каналами связи с левым и правым громкоговорителями.

Рис. 5.2. Микрофонная система XY

Стереофонический эффект здесь получается за счет разной чув­ствительности микрофонов к звуковым волнам, приходящим от источ­ника звука. Так, звучание инструмента, находящегося в направлении оси X, будет воспринято только одним микрофоном, а инструмента, на­ходящегося в направлении оси Y — только другим. И лишь звучание инструмента, находящегося в середине сцены (на оси симметрии), бу­дет воспринято обоими микрофонами с равной интенсивностью. При расположении микрофонов в одной точке сдвига фаз между левым и правым сигналами нет. При звукопередаче по, способу XY можно использовать микрофо­ны с характеристикой направленности в виде кардиоиды. Угол между главными осями диаграмм направленности звукорежиссер может изме­нять. Система XY является более совместимой, чем система АВ, однако источники звука, расположенные в центре сцены, имеют повышенную громкость и при монофоническом воспроизведении кажутся более при­ближенными к слушателю. Система XY находит применение при за­писи неподвижно расположенных исполнителей, при этом центральные источники располагаются дальше от микрофона.

 

Стереосистемы MS

При звукопередаче по способу MSмикрофоны, как и при способе XY, расположены в центре сцены. Однако в этом случае один микрофон для канала, обозначенного буквой М, ненаправленный (т.е. одинаково хорошо воспринимает звук со всех сторон), а другой направлен так, что воспринимает звук с боковых частей сцены и имеет диаграмму напра­вленности в виде восьмерки (или «кардиоиды-восьмерки», «восьмерки-восьмерки») (рис. 5.3,а).

Изменение напряжения на выходах микрофонов в зависимости от угла прихода звука показано на (рис. 5.3,б). Для микрофона канала М напряжение всегда постоянно, а на выходе микрофона канала S напря­жение максимально лишь в тех случаях, когда звук приходит с напра­влений — 90° и +90°. При угле, соответствующем 0°, напряжение на выходе микрофона канала S равно нулю. При переходе от одного ле­пестка характеристики направленности к другому изменяется фаза вы­ходного сигнала микрофона. На (рис. 5.3,б) этот факт нашел отражение в изменении полярности напряжения.

Рис. 5.3. Микрофонная система MS

 

При воспроизведении звука к левому громкоговорителю подается сумма напряжений от обоих микрофонов (Uм + Us), а к правому — разность напряжений (Um — Us). Разделение левого и правого стерео­фонических сигналов производится при помощи суммарно-разностного преобразователя. Результат работы суммарно-разностного преобразо­вателя показан на (рис. 5.3,в).

Способ MS имеет явные преимущества. Канал М является полно­ценным монофоническим сигналом, таким образом, система MS полностью совместима. Кроме того, звукорежиссер в процессе формиро­вания стереосигнала может электрическим путем (при помощи регу­лятора) изменять соотношение сигналов М и S и тем самым ширину стереопанорамы.

Бинауральные стереосистемы

В таких системах используется модель «искусственная голова», внутри слуховых каналов которой расположены микрофоны (рис.5.4). В этом приборе достаточно точно моделируется форма головы, ушных раковин, выбираются физико-механические параметры материалов таким образом, чтобы моделировать костную проводимость.

Рис. 5.4. Бинауральный стереомикрофон

 

Звуковой сигнал поступает на мембрану микрофона уже после обработки в раковине и слуховом канале, т.е. он несет в себе закодированную информацию о пространственном положении источника, которую можно передать по двум каналам передачи и воспроизвести на приемном конце через стереотелефоны. При этом слушатель получает достаточно точное пространственное ощущение первичного помещения. «Искусственная голова» достаточно сложное и дорогое устройство, которое производится только немногими фирмами. Например, Neumann выпускает модель KU-100, фирма B&K – модель 4128С, фирма Head Acoustics – модель Aachen Head, фирма IRP – модель KEMAR. Каждая из этих моделей отличается определенными конструктивными особенностями. Так, модель 4128С дополнена моделью торса. Модель KU-100 обладает следующими параметрами: частотный диапазон 20 – 20000 Гц, чувствительность 20 мВ/Па, эквивалентный уровень звукового давления 16 дБА, максимальный уровень SPL при THD < 0,5% равен 135 дБ, динамический диапазон 119 дБ.