Surround — объемный звук

1.12. Surround — объемный звук

С тех пор, как существует звукозапись, и слушатели, и конструкторы аппаратуры испытывают неистребимое желание сделать звук, записанный и затем воспроизведенный, в максимальной степени похожим на оригинал. Чего только не делают разработчики аудиотехники для того, чтобы приблизиться к идеалу: сражаются с шумом, минимизируют искажения, расширяют частотный и динамический диапазоны элементов тракта записи-передачи-воспроизведения звукового сигнала. А кроме всего прочего они стремятся заставить звуковое поле, создаваемое акустическими системами, передавать слушателю информацию о направлении на источники звуков и об акустических свойствах того помещения, в котором производилась запись.
На первом этапе своего развития звукозапись и радиовещание были монофоническими. Звук, раздающийся из динамика, до неузнаваемости отличался от живого звука концертного зала: искаженный баланс между различными музыкальными инструментами, искаженный тембр и, главное, полностью утраченная пространственность. Это очень серьезный недостаток. Ведь слуховой анализатор человека обладает способностью к пеленгации источников звука, что помогает нам ориентироваться в пространстве. Если же все звуки исходят из одной точки — это кажется противоестественным.

1.12.1. Немного истории

Первые эксперименты по получению объемного звучания (с помощью трех — семи каналов) проводились еще в 30-е годы прошлого века. Сравнительные испытания многоканальных и монофонических систем дали удивительные результаты. Было установлено, что при воспроизведении даже 2-х раздельных каналов субъективное качество звука резко улучшается. А самое поразительное заключается в том, что эксперты предпочитали стереозвук даже в тех случаях, когда им предъявляли объективно более качественные, но монофонические фонограммы. Решающим преимуществом стала возможность пространственной локализации кажущихся источников звука (рис. 1.33).

Рис. 1.33. Распределение кажущихся источников звука на стереопанораме

На начальном этапе разработчики решили ограничиться двумя каналами. Это, конечно, в первую очередь было обусловлено небогатыми возможностями аппаратуры тех времен: грампластинки реально позволяли разместить только два полноценных канала.
Стереозвук дает некоторую прозрачность звучания: партии отдельных инструментов становятся более различимыми на фоне оркестра. Кроме того, стереосистема способна воспроизвести подобие звуковой атмосферы помещения, в котором выполнялась запись. Началась эра 2-канальных стереофонических систем. Постепенно появились стереофонические грампластинки и стереопроигрыватели, стереомагнитофоны, стереофоническое радиовещание.
В свою очередь стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама ограничена углом между направлениями на громкоговорители и получается плоской. Такое звучание лишено естественности реального звукового поля, когда человек способен воспринимать реальные источники практически со всех направлений и оценивать расстояние до источников звука. Создающееся у слушателя ощущение объемного звучания могло бы существенно обогатить тембры музыкальных инструментов и голосов певцов. При этом можно было бы имитировать реверберационный процесс, свойственный помещению, в котором произведена запись.
Одной из первых попыток преодоления недостатков, присущих стереофоническим системам, стала квадрофония. Для воспроизведения квадрофонических фонограмм используются 4 акустические системы (рис. 1.34).
Первые бытовые квадросистемы появились в начале 70-годов прошлого века. Казалось, что их ждет славное будущее. Однако этого не произошло. Причин тому есть несколько. Одна из них традиционна для многих новинок техники и заключается в том, что производители квадрофонической аппаратуры так и не смогли прийти к единому стандарту записи и воспроизведения 4-канального звука. Свою роль сыграли несовершенство и большая стоимость приборов четырехканальной записи-воспроизведения. Но главное заключается в другом: с переходом от «стерео» к «квадро» в те времена новое качество звука не возникло. Квадрофонические системы, так же как и стереофонические, не обеспечивали полной передачи свойств реального звукового поля. Недостатков было только два, но они существенны:

при квадрофонии 70-годов прошлого века не получалась круговая стереопанорама — слушатель ощущал обычную стереопанораму перед собой и еще одну стереопанораму сзади себя;
все мнимые источники звука располагались в одной плоскости на линиях между динамиками, поэтому объемного трехмерного звучания по-прежнему не было.
Следует заметить, что эти недостатки обусловлены не столько ограниченными возможностями четырехканального воспроизведения звука, сколько трудностями реализации панорамирования кажущихся источников звука
при записи. При подготовке фонограмм для современных многоканальных систем этот фактор учитывается. Важную роль при этом играет именно компьютер, способный справиться с моделированием объемных реверберационных процессов и предоставляющий звукорежиссеру удобные регуляторы для перемещения источников звука по круговой панораме.

Рис. 1.34. Распределение кажущихся источников звука на квадропанораме

Но в те далекие времена квадрофония отступила, а стереофония победила и стала развиваться по линии миниатюризации аппаратуры, улучшения ее технических и потребительских качеств, перехода к новым носителям — компакт-кассетам и компакт-дискам. Перед звукозаписывающими компаниями и производителями аудиоаппаратуры все еще существовал широчайший фронт работ и емкий рынок сбыта. В который раз они предлагали слушателям смену фонотек. Накопленный на грампластинках за предшествующие десятилетия музыкальный материал, обновленный и адаптированный сначала под монофонические катушечные магнитофоны, затем реализованный на компакт-кассетах в стереоформате, в очередной раз предлагался меломанам, но теперь уже на лазерных дисках.
Однако в самом конце XX века стереофония, кажется, все-таки начала сдавать свои позиции. Цифровые технологии записи звука, а также емкие,, удобные и дешевые носители сняли ранее существовавшую проблему хранения многоканальных фонограмм большой длительности. Кроме того, в звуке, передающем акустические свойства окружающего пространства, появилась острая потребность. Виртуальные графические миры компьютерных игр становятся все более сложными и похожими на реальность, а значит, требуют и адекватного звукового оформления. Кинематограф, переживший кризис в состязании с телевидением, возродился в виде домашних кинотеатров и кинозалов нового формата, основное отличие которых от предшественников кроется не в изображении, а в принципиально новом звуке (хотя и качество изображения тоже улучшилось, благодаря DVD и современным проекционным средствам).
Новая эра в звукозаписи началась в результате исследований, выполненных инженерами Dolby Laboratories (http://dolby.com). Это был принципиально новый подход к передаче многоканального звука. Отличие от традиционного способа заключалось, прежде всего, в том, что для хранения аудиосигналов двух дополнительных каналов использовалось матричное кодирование, т. е. их подмешивание к основным двум каналам. Изменился и способ размещения акустических систем — дополнительно к традиционному для квадрофонии расположению акустических систем по углам помещения добавлен центральный канал, размещенный между правым и левым фронтальными каналами, чтобы сохранить широкую стереобазу для зрителей, сидящих на боковых местах, а за спинами размещен канал эффектов (Surround). Так появилась система нового кинотеатрального звучания Dolby ® Stereo.
Как вы уже знаете, этот четырехканальный формат является матричным форматом, при котором звук, предназначенный для каждого из четырех каналов, кодируется и записывается на два канала, а при воспроизведении декодируется вновь в четыре канала: левый, центральный, правый и задний. Сигнал заднего канала, как правило, направляется на две тыловые акустические системы одновременно. Впервые формат Dolby ® Stereo был применен в фильме «Star Wars» в 1975 году.
Используемая технология кодирования не позволяла обеспечить разделение между каналами более 8 дБ. Позже она была изменена, и разделение между каналами достигло 15 дБ, но частотный диапазон заднего канала остался ограниченным в диапазоне 100 Гц — 7 кГц.

Рис. 1.35. Размещение излучателей звука в системе Dolby ® Stereo

Системой воспроизведения совершенно нового качества, совместимой со старым стандартом звукозаписи, стала система Dolby ® Pro Logic ®. В ней был применен декодер, реализующий пространственную фокусировку звуковых образов — технологию, используемую для снижения взаимного проникновения сигналов одного канала в другой. В Dolby ® Pro Logic ® также появилась возможность создавать задержку звукового сигнала в тыловом канале. Тем самым было обеспечено согласование геометрических и акустических характеристик конкретного помещения с характеристиками «эталонного кинозала», под который при производстве сводился мультитрековый звук. Очень важно, что к настоящему времени накоплено огромное количество музыки, фильмов, телепрограмм, записанных на различных современных носителях со звуком в формате Dolby ® Pro Logic ®. А потом наступила эпоха цифрового кодирования и цифровой записи многоканального объемного звука, и появилась система Dolby ® Digital. Для кодирования цифрового звука в ней используется алгоритм, называемый АС-3 (Dolby’s third generation audio coding algorithm — алгоритм кодирования звука Dolby третьего поколения). АС-3 представляет собой алгоритм компрессии многоканального звука (количество независимых каналов от 1 до 6) с потерями. Достижения в области психоакустики, учитывающие особенности человеческого слухового аппарата, используются в нем для принятия решения о том, какую часть информации в аудиосигнале можно отбросить, чтобы это было не очень заметно для человеческого уха. При кодировании алгоритмом АС-3 могут использоваться битрейты от 32 Кбит/с (для одного монофонического канала с минимальным качеством) до 640 Кбит/с (для каналов 5.1 с минимальными потерями качества). Типичный битрейт для 5.1 записей составляет 385 Кбит/с.
Кодер Dolby® Digital поддерживает частоты дискретизации цифровых данных 32 кГц, 44,1 кГц и 48 кГц при разрядности 16, 18 или 20 бит. Предусмотрена возможность увеличения разрядности до 24 бит. Используется сжатие данных с потерями, однако качество звука все равно получается выше, чем у предшествующих аналоговых систем. Dolby® Digital может обеспечить кодирование до 6 каналов в формате 5.1, где 5 — это каналы с полным частотным диапазоном (2020 000 Гц) и .1 — канал низкочастотных (менее 120 Гц) эффектов (LFE).
Объемность акустических сцен, более четкая детализация, естественность перемещений источников звука из фронтальной области в тыловую, стереофоническое звучание в тыловой области — все это обеспечило успех системы.
Следующий шаг эволюции систем объемного звучания — система Dolby ® Digital EX, которую можно считать надстройкой над Dolby ® Digital. В Dolby ® Digital EX, как и в Dolby ® Digital физически может кодироваться до 6 независимых каналов (5.1), однако, за счет использования матричного кодирования, в левый и в правый тыловые каналы подмешивается информация еще одного или двух surround-каналов. Благодаря такому решению сохранена совместимость с оборудованием Dolby ® Digital, и в то же время, за счет введения дополнительных surround-каналов (6.1, 7.1) на оборудовании Dolby ® Digital EX достигается еще более высокая точность локализации звуковых источников в пространстве.
Конечно, многоканальным звуком занимается не только Dolby Lab.
Например, фирма RSP Technologies создала матричную систему Circle Surround, которая имеет тыловой канал с полным диапазоном частот и тем самым оказывается наилучшим образом приспособленной для воспроизведения музыки. Новая версия Circle Surround может также работать в шести -канальном режиме с раздельными тыловыми каналами и каналом сабвуфера (сверхнизкочастотной акустической системы).
В настоящее время можно говорить о распространении нового потребительского формата: DVD-audio. Звуковые данные на этом носителе могут храниться с использованием различных алгоритмов кодирования, включая Dolby ® Digital. Однако в связи с большой емкостью носителя DVD (4,7 Гб на однослойном диске) необходимость сжатия звуковой информации с потерями отпадает. На DVD-audio можно хранить многоканальные записи в формате вплоть до 24 бит/96 кГц без какого либо сжатия и, соответственно, без каких-либо потерь.

1.12.2. Формат 5.1

Обозначение «5.1″ указывает на количество каналов, но не несет в себе информации о каком-либо определенном способе кодирования многоканального звука. Используется пять каналов с полным частотным диапазоном (левый передний, центральный, правый передний, левый задний и правый задний), а также один низкочастотный канал (с диапазоном от 3 до 120 Гц), подключаемый к сабвуферу (рис. 1.36).
В этой системе 5.1 формируется круговая стереопанорама. Поскольку на сверхнизких частотах наш слух практически лишен способности определять направление на источник звука, место расположения сабвуфера не имеет существенного значения.
Сабвуфер применяется и в обычных стереосистемах. В его канал подается низкочастотная часть спектра суммарного сигнала стереоканалов, в результате чего обеспечивается гарантированное воспроизведение басовых звуков. Однако в системе 5.1 канал низкочастотных эффектов играет особую роль. Его стоит рассматривать не как низкочастотную компоненту многополосной акустической системы, а именно как независимый канал низкочастотных эффектов.
При записи на магнитофон для большинства систем 5.1 принят следующий порядок каналов (начиная с первой дорожки): левый передний, центральный, правый передний, левый задний, правый задний и низкочастотный каналы. В ряде случаев (например, в многоканальных звуковых картах) предусмотрен и другой порядок: левый передний, правый передний, левый задний, правый задний, центральный, низкочастотный.
По мнению специалистов, формат 5.1 является наиболее перспективным, поскольку поддерживается основными разработчиками. Важно, что имеются подходящие носители (DVD).

Рис. 1.36. Размещение излучателей звука в системе 5.1

И хотя пока не принят единый стандарт и одновременно существует несколько систем кодирования для 5.1, однако фиаско «первобытной» квадрофонии вряд ли повторится, даже если «выживет» не одна, а несколько различных систем кодирования. Принципиальное отличие формата 5.1 от квадрофонии тридцатилетней давности заключается в том, что в данном случае аудиосигнал имеет цифровую форму, поэтому создание универсального декодера, способного работать со звуком, закодированным различными системами, не вызовет особых трудностей и не приведет к заметному удорожанию аппаратуры.
В успехе формата 5.1 заинтересованы производители аудио-, видеоаппаратуры, компьютеров, компьютерных комплектующих и программ. К нему с интересом относятся потребители: зрители, слушатели, геймеры. Звукорежиссеры и музыканты находят в этом формате новые выразительные средства для реализации творческих замыслов и усиления влияния на наши эмоции. Формат действительно придает воспроизводимому звуку новое качество: слушатель окружен им. Правда, виртуальный звуковой мир и в этом случае не дотягивает до реального. В синтезированном звуковом пространстве источник звука может находиться справа, слева, спереди, сзади, перемещаясь в этих «координатах». А у настоящего звукового пространства, кроме того, есть еще «верх» и «низ».

1.12.3. Особенности оборудования студии формата 5.1

Сейчас мы поговорим только об основных элементах звуковой студии, к которым в первую очередь следует отнести:

микшер;
устройство многоканальной записи;
приборы обработки и эффектов;
мониторы для прослушивания фонограмм.
Основным инструментом сведения многоканального звука является микшер, снабженный средствами панорамирования.
В стереоформате для размещения кажущегося источника звука в определенном месте предназначен регулятор панорамы. Им вы устанавливаете относительные уровни звуковых сигналов, которые подаются в каждый из двух каналов, и тем самым определяете положение источника звука между двумя акустическими системами. При работе с многоканальным звуком вам надо управлять аналогичным процессом в 5 каналах, кроме того, конечно, требуется также регулировать и канал сабвуфера. Поэтому при использовании традиционного микшера для позиционирования одного источника звука необходимо манипулировать несколькими регуляторами. Заметим, что состояние фейдеров, управляющих уровнем сигнала, и регуляторов панорамы в каждом канале трудно сопоставить с положением кажущегося источника звука на круговой панораме. Еще сложнее заставить звук перемещаться по заданной траектории. Это возможно только в микшерах с автоматизацией. В качестве регулятора круговой панорамы в микшере, предназначенном для работы с многоканальным звуком, очень подошел бы джойстик.
Ко всему прочему, микшер, способный работать с объемным звуком, должен иметь не один, а несколько выходов (по числу каналов). Например, в системе 5.1 у микшера должно быть не менее 6 выходов. Оборудование стереофонической студии звукозаписи стоит недешево, а уж о цене студии формата 5.1 и подумать страшно!
Дороговаты также и устройства записи многоканального звука. Они должны иметь 6 и более каналов. Причем крайне желательно, чтобы звук в них представлялся не менее чем 24 разрядами.
Микшеры и цифровые магнитофоны — устройства, многоканальные по своей сути. Поэтому некоторые из моделей, предназначенных для работы со стереозвуком, можно с большим или меньшим удобством применять и в студии формата 5.1. А вот с эквалайзерами, приборами динамической обработки и особенно эффектами дело обстоит сложнее. Конечно, можно обеспечить 6 каналов, собрав «батарею» из 3-х двухканальных приборов. Однако об осмысленной регулировке параметров в этом случае говорить не приходится. Вообразите себе, например, трудности создания в многоканальной системе реалистичной реверберации.
Достойной заменой цифровым магнитофонам и аппаратным микшерам могут служить программные мультитрековые студии и имеющиеся в составе некоторых из них виртуальные микшеры, позволяющие управлять панорамированием с помощью обычной мыши. Удобный в работе и наглядно отображающий положение источника звука на круговой панораме surround-микшер имеется в программе Cubase SX (см. главу 5).
Не всякий владелец домашней студии стереофонического формата может позволить себе иметь мониторную акустическую стереосистему. Однако в случае сведения в стерео приемлемым выходом из положения являются относительно дешевые мониторные наушники. А в формате 5.1 стереонаушники вас не спасут. Без пяти широкополосных акустических систем (а также сабвуфера) не обойтись.
При работе со стереозвуком основными требованиями к мониторам являются: равномерность их частотной характеристики, низкий уровень искажений и полная идентичность двух акустических систем.
Аналогичные требования можно было бы предъявить и к пяти широкополосным мониторам формата 5.1. Они вроде бы тоже должны быть абсолютно одинаковыми. Но в таком случае сведение в круговую панораму вы будете осуществлять в условиях, отличающихся от тех, в которых будут находиться многие слушатели вашей композиции. Дело в том, что у большинства владельцев домашних театров тыловые акустические системы не только по мощности слабее фронтальных, но, кроме того, они могут иметь конструктивное исполнение другого типа. В свою очередь, центральная акустическая система зачастую отличается от крайних передних. Получается, что впечатление слушателя может не совпадать с тем, которое замышляли вы.
Заметим, что подобная проблема существует и при работе со стереозвуком: сведение осуществляется на студийных мониторах, а воспроизведение — на самой различной акустике, начиная от высококачественных колонок и кончая динамиками переносного кассетного магнитофона. Правда, в процессе мастеринга фонограммы должны проходить тест на совместимость с оборудованием низкого качества, да и одной из основных задач этого этапа является адаптация записи к конкретному типу носителя.
Что касается канала низкочастотных эффектов системы 5.1, то при сведении музыкальной композиции сабвуфер вообще не должен использоваться, если по художественному замыслу в музыкальной композиции не присутствует эффект типа взрыва, выстрела из пушки и т. п.
Но опыт прошлых лет, когда царствовал формат CD-audio, показывает, что всякие официальные рекомендации по использованию формата выполняются только на первых порах. Постепенно звукорежиссеры и продюсеры в своих творческих замыслах становятся смелее и пересекают ту черту, которая называется «официальными рекомендациями». Как нам подсказывает интуиция, в конечном итоге низкочастотный канал системы 5.1 будет использоваться «на полную катушку»: там, где это нужно и где не нужно. Например, сама собою напрашивается идея задействовать низкочастотный канал для усиления ударов басового барабана в танцевальной музыке.
Как организовать мониторинг при сведении многоканального звука? Об этом идут споры. Однако большинство специалистов рекомендует использовать одинаковую акустику, не внося поправку на несовершенство домашних систем. Мониторы следует располагать на равном расстоянии от слушателя, в частности, три фронтальных монитора должны образовать дугу, а не прямую линию. Если это невозможно, то следует соответственно снизить громкость центрального монитора.
А как в идеале должны располагаться мониторы системы 5.1? Представьте себе, что вы находитесь в центре системы 5.1. Центральный монитор должен располагаться перед вами. Воображаемая линия между вами и центральным монитором является осью, относительно которой будет определяться расположение остальных мониторов. Левый и правый фронтальные каналы располагаются под углами -30° и 30° относительно этой оси. Таким образом, угол «левый монитор-вы-правый монитор» составляет 60°. В случае необходимости этот угол может быть уменьшен до 50° — 45°. Сабвуфер тоже должен располагаться где-нибудь перед вами. Тыловые мониторы должны располагаться под углами -110° (левый тыловой) и 110° (правый тыловой). В идеале все мониторы должны быть равноудалены от вас и откалиброваны таким образом, чтобы при подаче сигналов одинакового уровня на разные мониторы вы слышали их с одинаковой громкостью. Высота размещения мониторов — на уровне вашей головы или немного выше.
равноудалены от вас и откалиброваны таким образом, чтобы при подаче сигналов одинакового уровня на разные мониторы вы слышали их с одинаковой громкостью. Высота размещения мониторов — на уровне вашей головы или немного выше.

Здесь можно оставить свои комментарии. Выпуск подготовленплагином wordpress для subscribe.ru