Методы моделирования пространственного звучания

Продолжим обсуждение вопроса о том, что нужно сделать, чтобы донести до слушателя оригинальное пространственное звучание. Суть проблемы заключается в следующем. Человек всегда хотел услышать у себя дома голос исполнителя, ре­акцию зала, шумовую атмосферу, например, концерта так, как если бы он сам присутствовал в концертном зале. Как это осуществить, что нужно делать с ори­гинальным звуком при его записи, как вообще нужно его записывать, какая зву­козаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура необходима, как она должна быть расставлена в пространстве — вот комплекс вопросов, на которые в конечном итоге нужно ответить, чтобы решить поставленную задачу. Попробуем найти под­ход к ее решению, для чего вернемся к упомянутому примеру с концертным залом.

Звуковая волна, приходящая к каждому конкретному слушателю в зале, явля­ется очень сложной результирующей волной. Дело в том, что звук, исходящий, скажем, от исполнителя на сцене, расходится во все стороны от него, "рассыпаясь" на множество звуковых волн, часть из которых напрямую приходит к слушателю, а часть, отражаясь от сцены, стен, потолка, сидений, обивки, других слушателей, огибает различные препятствия (в том числе и голову самого слушателя), частично поглощается, трансформируется и только после этого достигает слухового аппарата слушателя. Таким образом, то, что слышит слушатель, есть сложная результи­рующая звуковая волна, являющаяся результатом суперпозиции множества дру­гих волн. Понятно, что состав этой волны зависит также и от положения слушате­ля в зале.

Учитывая изложенное, можно сказать, что, в целом, задача донесения до сред­нестатистического слушателя настоящего живого звучания в записи (будь то зву­чание в концертном зале или где-то еще) состоит в как можно более точном модели­ровании всех тех процессов и преобразований, которые звук претерпевает на своем пути от настоящего источника звука к слушателю. От совершенства принятой мо­дели и правильности ее реализации зависит конечный результат — качество и дос­товерность воспринимаемого слушателем звучания при воспроизведении записи.

Все общепринятые схемы звукозаписи и звуковоспроизведения, начиная с са­мой примитивной [один микрофон — устройство записи — громкоговоритель] и заканчивая базовой моделью на основе многоканальных систем, обобщенную схему которой можно описать как [ m микрофонов — устройство высококачественной многоканальной записи — n динамиков], не могут сами по себе обеспечить по-настоящему реалистичного эффекта пространственного звучания. Так же следует сказать, что последняя схема способна доносить до слушателя звучание, близкое к реальному, или, точнее, имитировать его, но и она крайне далека от совершенства. Основная проблема описанных моделей звукозаписи и звуковоспроизведения заключается в том, что они построены без учета всех упомянутых выше факторов, деформирующих исходную звуковую волну, а также без достаточного учета психофизиологических особенностей восприятия звука человеком.

Как показывают исследования в области звука, без учета перечисленных выше факторов, влияющих на звуковую волну при ее распространении, а также без дос­таточного учета психоакустических особенностей восприятия звука человеком невозможно добиться дальнейшего прогресса в области звукозаписи и звуковоспроиз­ведения.

В основе более развитой модели, пришедшей на смену предыдущим, лежит сле­дующая концепция: источник звука, слушатель и пространство, в котором распро­страняется звук, — это некая система, на входе которой находится источник зву­ка, на выходе — слушатель, а все преобразования, которые претерпевает звук на своем пути, заключаются внутрь этой системы (рис. 5.25).

Рис. 5.25. Модель прохождения звука от источника к слушателю

Суметь смоделировать происходящие внутри этой системы процессы — значит суметь смоделировать все то, что происходит со звуковой волной на ее пути от ис­точника звука к уху слушателя.

Один из подходов моделирования процессов внутри системы заключается в физико-математическом моделировании на уже существующей научной и практиче­ской базах в области волновых процессов и психофизиологической акустики, а также в проведении дальнейших научных исследований (теоретических и экспе­риментальных) в этой области. Понятно, что такой путь моделирования сложный, трудоемкий и длительный, особенно когда это касается сложных систем (например, если нужно рассчитать и реализовать физико-математическую модель распространения звуковой волны в концертном зале с учетом всех перечисленных выше факторов). А вот если решать аналогичную задачу, например, для несложно­го (геометрически и пр.) помещения, то такой подход может быть реализован, хотя и в этом случае из-за различных допущений в существующих теоретических расче­тах возможна сравнительно большая погрешность на выходе системы.

Поэтому существует второй, параллельный, так называемый эксперименталь­ный, подход к решению проблемы, суть которого состоит в следующем. Исследуемую систему в каждом конкретном случае рассматривают как некий "черный ящик". Подавая на вход анализируемой системы различные тестовые звуковые сигналы, на выходе проверяют реакцию на эти сигналы и делают конкретные выводы о том, что происходит внутри данной конкретной системы, т.е. какие преоб­разования претерпевает звуковая волна. Создавая таким образом библиотеку - каталог тестов, можно воспроизвести искусственную модель, осуществляющую приблизительно те же преобразования, какие происходит внутри черного ящика (системы) и тем самым имитировать реальные процессы. Конечно, этот метод в чистом виде также имеет свои допущения и погрешности, однако в совокупности с физико-математическим моделированием такой комбинированный подход дает неплохие результаты.

Одна из технологий, основанных на описанной идее моделирования, получила название HRTF (Head Related Transfer Function — передаточные функции, относи­тельные головы). Суть HRTF — накопление библиотеки передаточных функций, описывающих психофизиологическую модель восприятия пространственности звучания слуховой системой человека. Для создания библиотек HRTF применяют­ся различные устройства и методики, одна из которых основывается на использо­вании искусственного манекена KEMAR (Knowles Electronics Manikin for Auditory Research). Суть проводимых измерений состоит в следующем.

Манекен располагают в тестовом помещении (пространстве), моделирующем некую акустическую среду. Форма манекена повторяет форму тела человека. В уши манекена встраиваются микрофоны, с помощью которых ведется аудиоза­пись (эти микрофоны располагаются как бы на выходе исследуемой системы — окружающей среды, помещения). Звук воспроизводится источниками (на входе системы), расположенными вокруг манекена. В результате аудиозапись от каждо­го микрофона представляет собой звук, "прослушанный" соответствующим ухом манекена, и естественным образом учитывает все изменения, которые звук претер­пел на своем пути от источников к уху (отражение, поглощение, преломление, оги­бание препятствий, стен, углов, частей тела и пр.). Расчет передаточных функций HRTF производится путем сравнения оригинального, воспроизведенного звука и звука, "считанного" ("услышанного") микрофоном в ухе манекена. По разнице различных параметров этих звуков оцениваются и анализируются изменения, ко­торые претерпевает звуковая волна при прохождении через систему.

Собственно, сами опыты заключаются в воспроизведении разных тестовых и ре­альных звуковых сигналов, их записи с помощью манекена и дальнейшем анализе. Выражаясь математически, HRTF— это, по сути, набор трансформаций, которые претерпевает звуковой сигнал на пути от источника звука к слуховой системе человека. Рассчитанные однажды опытным путем, HRTF могут быть применены для обработки звуковых сигналов с целью имитации реальных изменений звука на его пути от источника к слушателю. Различные формы реализации HRTF нашли свое применение в разнообразных технологиях объемного звучания, в частности в мето­дах имитации пространственного звучания при воспроизведении звука с помощью наушников.

Использование идеи HRTF как оказалось, также не решает поставленную зада­чу в полной мере. Дело в том, что один и тот же комплект HRTF не подходит оди­наково для всех слушателей. Идея создания некоего сбалансированного усредненного единого комплекта HRTF для среднестатистического слушателя, который смог бы подойти всем слушателям, не получила широкого распространения из-за ее проблематичности ввиду специфики индивидуального восприятия звука каждым слушателем в отдельности.

Помимо проблемы необходимости усреднения HRTF, существует также проблема, связанная с поворотами слушателем головы, когда речь идет о воспроизве­дении звука не через наушники. Дело в том, что если источниками звука являются, например, две акустические системы, то для создания реального (естественного) пространственного звучания необходимо среди прочего точно отслеживать поворо­ты головы слушателя для соответствующей корректировки сигналов каждого фи­зического источника. Кроме того, при воспроизведении звука сигналы от двух акустических систем смешиваются, в результате чего появляются перекрестные искажения звуковых волн и бинауральный эффект ухудшается (чего, естественно, не происходит при использовании наушников). В дополнение ко всему при использовании в качестве источников звука акустических систем возникает проблема необходимо­сти расположения слушателя строго в определенной области пространства между источниками звука (поскольку библиотека HRTF не может быть рассчитана на лю­бое местоположение слушателя в пространстве). Область, в которой должен нахо­диться слушатель, называется Sweet Spot. Sweet Spot накладывает строгие ограни­чения на расположение слушателя. Если слушатель покидает область Sweet Spot, то звучание, создаваемое источниками звука, перестает восприниматься им как пространственное. Поэтому при разработке технологий пространственного звуча­ния перед разработчиками, помимо перечисленных проблем, возникает также про­блема необходимости расширения области Sweet Spot.

Наряду с описанными проблемами реализации звучания с помощью HRTF у лю­бой системы звуковоспроизведения есть проблемы другого плана, например наушни­ки слабо справляются с воспроизведением фронтальных сигналов; при использова­нии наушников возникает проблема локализации звукового сигнала внутри головы слушателя, а также эффект бесконечного расширения стереобазы (стереопанорамы) из-за размещения источников звука строго по разные стороны от головы; двухканальные системы плохо обеспечивают восприятие слушателем звучания сзади; в I реализации многоканальных систем слабым местом является необходимость достаточно точного расположения источников сигнала и другие проблемы. Конечно, существуют способы борьбы с этими проблемами, однако их эффективность не сто процентная. Таким образом, несмотря на теоретически правильно выбранный об­щий подход к моделированию пространственного звучания, его практическая реализация сталкивается с серьезными трудностями, связанными с необходимостью учета:

· множества особенностей реальных помещений, их конфигураций;

· расположения слушателя в пространстве (в том числе в динамике);

· особенностей звуковоспроизводящей аппаратуры и т.д.

Тем не менее, можно сказать, что подход, комбинирующий экспериментальное и физико-математическое моделирование, все-таки наиболее совершенен, поскольку он хотя бы теоретически учитывает все тонкости звукопередачи, а связанные с его реализацией сложности могут решаться в каждом конкретном случае с той или иной степенью надежности.