Многоканальные пространственные системы

Рекомендации международных стандартов

Несколько лет тому назад Международное общество аудиоинженеров – AES (Audio Engineering Society) начало новую практику публикации обзорных статей по наиболее актуальным направлениям развития аудиотехники.
Одной из первых была статья, подготовленная Техническим комитетом по многоканальным и бинауральным аудиотехнологиям, посвященная проблемам развития многоканальных систем (Surround Sound).
Эта обзорная статья (AES TC-MBAT Information Document) обобщает основные параметры многоканальных пространственных систем, представленные в различных международных стандартах, а также опыт их использования, накопленный экспертами AES и других международных организаций.
Нам показалось, что эти материалы могут быть полезны нашим специалистам, поскольку, во-первых, отражают современное состояние в данной области аудиотехники, во-вторых, в настоящее время в мировой аудиотехнике происходит массовый переход на пространственные системы записи и воспроизведения звука как в профессиональных, так и в домашних системах, что потребовало разработки целой группы международных стандартов, определяющих требования к форматам звукозаписи и звуковоспроизведения, условиям записи, акустическим характеристикам контрольных агрегатов, нормам на параметры звукового поля в студиях и аппаратных и т. д. В нашей стране в связи с тем, что в начале 1990-х годов была отменена обязательная стандартизация (осталась только на электромагнитную совместимость и электробезопасность, т. е. если акустическая система током не бьет, то она вполне пригодна для использования), никаких новых отечественных стандартов уже более 20 лет не разрабатывалось и поэтому приведенные ниже требования являются по-существу единственным ориентиром при переходе на новые пространственные системы записи и воспроизведения. Хотелось бы надеяться, что этот материал послужит основой для разработки отечественных стандартов по всем направлениям, как это сделано практически во всех ведущих странах, участвующих в мировом прогрессе аудиотехники.
Основные действующие в настоящее время международные стандарты, которые определяют параметры пространственных систем Surround Sound (SS), следующие:
[1] ITU-R BS.775-1, “Multichannel stereophonic sound system with and without accompanying picture”, Rec., International Telecommunications Union, Geneva, Switzerland (1994). (“Многоканальные звуковые стереосистемы с и без сопровождающего видео”).
[2] SMPTE RP-173, “Loudspeaker placements for audio monitoring in high definition electronic рroduction”, Rec., SMPTE N 15.04/152-300B, Society of Motion Picture and Television Engineers (1991). (“Размещение громкоговорителей для аудиомониторинга высококачественной электронной продукции”).
[3] SMPTE “Channel assignments and levels on multichannel audio media”, Proposed Standard for Television, ITU Information doc. ITU-R 10C/11 and 10-11R/2 (1998 Mar. 16). (“Распределение каналов и уровней в многоканальных средствах передачи звука”).
[4] EBU R22, “Listening conditions for the assessment of sound programme material”, Rec., European Broadcasting Union (2000). For details see EBU Tech3276 with suppl. 1. (“Условия прослушивания для оценки звукового программного материала”).
 [5] ISO1996, “One-third octave band background noise level limits noise rating curves (NR)”, Rec., International Standards Organization, Geneva, Switzerland (1972). (“Оценочные кривые для допустимого уровня шума, измеренного в третьоктавных полосах”).
[6] ITU-R BS.1116-1, “Methods for the subjective assessment of small impairments in audio systems including multichannel sound systems”, Rec., International Telecommunications Union, Geneva, Switzerland (1997)”. (“Методы субъективной оценки малых искажений в аудиосистемах, включая многоканальные звуковые системы”).
[7] EBU R 91, “Track allocations and recording levels for the exchange of multichannel recording”, Rec., European Broadcasting Union (1998); (“Распределение треков и уровней записи для обмена многоканальными записями”).
[8] EBU R 96, “Formats for production and delivery of multichannel programme”, Rec., ibid. (2000). (“Форматы для записи и передачи многоканальных программ”).
[9] ITU-R BS.1384, “Parameters for international exchange of multi-channel sound recording, ” International Telecommunications Union, Geneva, Switzerland (1998)”. (“Параметры для международного обмена многоканальными записями”).

В этих стандартах, а также в других международных рекомендациях последовательно рассматриваются вопросы выбора конфигурации систем SS, требования к условиям прослушивания, включая требования к микшерским аппаратным, требования к выбору программного материала, а также вопросы выбора форматов кодирования и воспроизведения. Перейдем к их последовательному рассмотрению.

1. Требования к выбору конфигурации пространственных систем Surround Sound (SS)

Хотя принципы построения многоканальной стереофонии не ограничивают число каналов воспроизведения, несколько лет тому назад было достигнуто международное соглашение, которое представляло собой компромисс между необходимостью обеспечить оптимальное пространственное воспроизведение и практической целесообразностью и совместимостью с двухканальной стереофонией. Принятым решением было предложение использовать систему “5.1-канал”, в которой используется пять широкополосных каналов и один низкочастотный блок. Эта конфигурация была взята из систем звуковоспроизведения в кино и рекомендована для домашнего и других применений. К стандартной относится также конфигурация обозначаемая как “3/2-стерео” (имеется в виду три передних и два задних канала). Этот формат может быть расширен за счет дополнительного введения низкочастотного канала.
Одним из требований стандартов к выбору форматов систем SS является их иерархическая совместимость, т. е. совместимость вниз с двухканальным стерео и моноформатом и совместимость вверх с форматами 5/2 или 5/4 (правда, последние два формата не рекомендованы стандартом [1] для домашнего применения). В этом же стандарте был предложен метод матрицирования сигналов: например, для перехода к двухканальной стереофонии от формата 3/2 сворачиваются два задних канала, а центральный канал перераспределяется в два фронтальных с затуханием 3 дБ.
Допускается применение в виде исключения формата 3/1 (по предложению Японии). Однако при любом выборе форматов за базовую должна быть принята конфигурация, представленная на рис. 1 в соответствии с рекомендациями стандартов ITU-R BS.775-1 [1] и SMPTE [2].
Эта установка громкоговорителей для воспроизведения в формате 3/2 считается базовой независимо от выбранной системы передачи, процесса записи и системы кодирования (как по стандартам ISO/MPEG, так и Dolby Digital).
Точные размеры расстановки громкоговорителей С-центрального, L, R-левого, правого, LS, RS-левого тылового, правого-тылового приведены в таблице.
Чтобы создать большую слушательскую зону и улучшить восприятие окружающего пространства, допускается подключение дополнительных тыловых громкоговорителей. Для больших помещений (в кино, например) добавление дополнительных тыловых громкоговорителей необходимо, в этом случае для внесения добавочной декорреляции используются соответствующие задержки сигнала с помощью матричных процессоров.
Особое внимание уделено в стандартах способам воспроизведения низкочастотного диапазона в пространственных системах SS. Существует определенное непонимание пользователями разницы между системами SS со специальным низкочастотным каналом (LFE) и дополнительным низкочастотным излучателем (subwoofer) в системе SS стандартной конфигурации.
В системах звуковоспроизведения для кино стандартом ITU-R BS.775-1 введено использование специального низкочастотного канала с диапазоном 20–80...120 Гц для передачи дополнительной низкочастотной информации (в этом случае он добавляется в название как 0,1 (например, 5,1). В домашних или студийных системах использование такого канала допускается (но не является обязательным), поэтому, когда звук, записанный для кино, воспроизводится через домашние системы (ТВ или DVD), необходимо предусмотреть микширование этого канала в центральные каналы и при подготовке звуковых программ для домашнего применения стараться не использовать этот канал для передачи важной звуковой информации, резервируя его для передачи очень низкочастотной информации с большими уровнями, отсутствие которой, однако, не нарушало бы главную звуковую картину.
Другая ситуация, когда в пространственных системах стандартной конфигурации (рис. 1) центральные передние каналы построены по двухполосному принципу: до 80 Гц частотный диапазон воспроизводится отдельным НЧ блоком, а остальные громкоговорители работают с 80 Гц и поэтому имеют меньший объем, между ним и другими громкоговорителями используется кроссовер. При этом возможно использование как одного низкочастотного блока (для всех пяти громкоговорителей), так и нескольких (для фронтальных и тыловых каналов), но никакого дополнительного канала для него не выделяется. Такая конфигурация продолжает считаться форматом 3/2.
Однако допускается, что отдельный низкочастотный блок может быть так конфигурирован, что может использоваться как для формата 5.1, так и для формата 3/2 (без отдельного LFE канала) в соответствии со схемой на рис. 2, где применяются специальные полосовые фильтры для выделения низкочастотной части сигнала.
Общее качество воспроизведения, как и его уровень, зависит от расположения низкочастотных блоков (subwoofers) относительно позиции слушателя (кроме того, их нелинейные искажения также могут создавать ошибку в локализации). В различных исследованиях было показано, что при использовании одного НЧ блока (subwoofer) при его угловом расположении получается более гладкая АЧХ, лучшее воспроизведение басов, лучшее взаимодействие с резонансными модами помещения. Некоторые НЧ блоки проектируются специально для определенного расположения, другие требуют подбора оптимального расположения по субъективным критериям. Иногда для получения плоской АЧХ в области частоты раздела используется фазовый сдвиг между ним и главными громкоговорителями. Субъективная разница при изменении расположения НЧ блока (subwoofer) зависит от программного материала и частоты раздела (если она выше 120 Гц, разница становится больше). Если используется несколько НЧ блоков, то расположение их у стены (но не в центре), где находятся главные громкоговорители, оказывается полезным. Причины их локализации могут быть вызваны шумом фазоинвертора, искажениями, частотами, излучаемыми выше 120 Гц, и др.
Известно, что при воспроизведении через несколько низкочастотных громкоговорителей некоррелированных сигналов из первоначальной записи звук получается более естественным, поэтому если воспроизводится моноуральный низкочастотный сигнал, лучше воспроизводить его через два НЧ громкоговорителя, расположенных по сторонам слушателя, которые включены со сдвигом фаз 90 град., чтобы возбудить ассиметричные боковые моды и улучшить ощущение пространственности на низких частотах.

2. Требования к акустике комнат прослушивания и контрольных комнат

Для контроля качества записей пространственных систем требуется специальная установка студийных контрольных агрегатов (акустических мониторов) и особые требования к акустике комнат прослушивания и контрольных комнат (микшерских аппаратных). Общие условия прослушивания, влияющие на качество звукового поля, определяются:
• геометрическими и акустическими свойствами комнаты прослушивания,
• свойствами и системой установки громкоговорителей в ней,
• расположением слушателей и общей слушательской зоной.
Только строгое выполнение требований к помещениям прослушивания позволяет обеспечить нейтральный звук и объективный контроль за качеством звука с помощью акустических мониторов. Приведенные ниже требования есть только минимум, обеспечение которого необходимо для мониторинга высококачественного звука в системах SS (эти требования относятся к небольшим аппаратным, для кино, где аппаратные могут быть большими, требования другие). Разумеется, могут быть определенные отличия в конкретных комнатах прослушивания для достижения оптимального качества звучания.

Параметры комнат прослушивания для контроля за качеством звучания пространственных систем начинаются с рекомендаций к их размерам, которые даны в таблице 1.
Эксперименты с выбором оптимальных условий для помещений прослушивания пространственных систем SS показали, что общий объем студийных контрольных комнат должен быть не более 300 м3, а пропорции должны соответствовать таблице 1 для обеспечения оптимального распределения резонансных мод в помещении. Форма комнаты в основном симметричная относительно направления на зону прослушивания и расположения звукопоглощающего материала, особенно вокруг громкоговорителей, дверей, окон и технического оборудования, так, чтобы избегать любых акустических неоднородностей (например, поверхность микшерного пульта может служить причиной отражений).

Структура звукового поля на позиции слушателя определяется нормами и требованиями, представленными в таблице 2 на рис. 3 и рис. 4.
Под прямым звуком понимается звук без влияния отражений и реверберации в помещении. Его параметры зависят от характеристик громкоговорителей (таблица 3). Отраженный звук (реверберационное поле) расщепляется на ранние отражения в первые 15 мс в области 1–8 кГц и диффузный звук в реверберационном звуковом поле (с линейным спадом). Допуски разброса для времени реверберации (Т-Тm) показаны на рис. 3. Измерения сделаны с 1/3-октавными полосовыми фильтрами с использованием громкоговорителей, где Тm – это арифметическое среднее измеренного времени реверберации Т в 1/3-октавных полосах от 200 Гц до 4 кГц.
Значение времени реверберации Тm должны быть в пределах 0,2–0,4 с (таблица 2) для получения натурального пространственного восприятия. В больших микшерских комнатах для кино иногда используются большие значения. Частотная характеристика времени реверберации должна быть постоянной и не иметь резких скачков. Отклонения в диапазоне 200 Гц – 4 кГц не должны превышать +/-0,05 с, ниже 200 Гц допускается отклонения на 25 процентов от максимального значения. Кривая допустимых разбросов для времени реверберации приведена на рис. 3.
Стационарное звуковое поле характеризуется прежде всего рабочей кривой уровня звукового давления, допустимые пределы разброса для которой показаны на рис. 4. Это важный критерий для оценки взаимодействия излучателей с помещением и характеристики условий на месте прослушивания. Он измеряется как частотная характеристика на позиции слушателя на полосовом розовом шуме. Разбросы проверяются для каждого громкоговорителя, особенно это важно для фронтальных громкоговорителей (диапазон от 20 до 30 Гц должен быть исключен).
Требования к фоновому шуму, обусловленному внешними и внутренними источниками (вентиляционными, осветительными и другими приборами), задается в соответствии с требованиями стандартов ISO в виде стандартных кривых (NR) для уровня звукового давления шума, усредненного в третьоктавных полосах в диапазоне от 50 до 10 кГц. Требования, чтобы уровень шума не превышал значения по кривой NR10 (не более NR15), являются очень жесткими.

Минимальные требования к эталонным контрольным агрегатам (и советы для домашних громкоговорителей) для пространственных систем SS приведены в таблице 3.
Следует отметить, что удовлетворение данным требованиям еще не гарантирует, что эти агрегаты подходят для всех жанров музыки, это требует дополнительного субъективного отбора. Обычно измерения всех параметров производятся на расстоянии больше 2 м, но результаты пересчитываются к расстоянию 1 м. Допустимая погрешность для акустических измерений в полном диапазоне частот должна быть меньше +/-1 дБ, для электрических +/-0,2 дБ. Амплитудно-частотная характеристика измеряется в условиях свободного поля на третьоктавном розовом шуме в диапазоне от 31,5 Гц до16 кГц при установке микрофона на оси 0 град. и под углом +/-100, +/-300. Допустимые разбросы даны в таблице 3. Характеристики должны быть симметричны относительно рабочей оси.
Индекс направленности или вычисляется из характеристик направленности в свободном поле, или определяется по разности измерений в свободном и диффузном поле (методика измерений дана в журнале Install-Pro, № 6, 2001 г.). В соответствии со стандартом ITU-R BS.1116-1 индекс направленности должен быть больше 6 дБ с постепенным увеличением к высоким частотам. Ненаправленные излучатели не рекомендуются для фронтальных громкоговорителей, хотя для тыловых громкоговорителей это может допускаться для некоторых музыкальных программ. Но действующие в настоящее время стандарты рекомендуют одинаковые (по характеристикам направленности) громкоговорители для всех пяти каналов.

Вышеописанные рекомендации относятся к любым комнатам прослушивания, где используются и оцениваются пространственные системы, однако японский форум HDTV предложил дополнительные требования (которые не противоречат, а скорее уточняют стандартные) для малых и средних контрольных комнат (микшерских для работы с пространственным звуком). Они приводятся в международных рекомендациях не как обязательный, а как справочный материал.
Основные требования к микшерским аппаратным и к акустическим агрегатам для пространственных систем SS даны в таблице 4.
Требования к разбросам времени реверберации в аппаратных микширования и допускам на разброс АЧХ громкоговорителей приведены на рис. 5 и 6.