Амбиофония

И.А.Алдошина

В предыдущих статьях («Шоу-Мастер», № 2-3, 2003 г, № 6, 2004) были проанализированы принципы построения и пути развития различных систем пространственной передачи звука. Именно создание у слушателя ощущения пребывания в первичном звуковом пространстве (you are there) является одной из главных задач производителей современной аудиотехники.

Государственного Кремлевского Дворца"> Рис.1. Общая схема озвучивания Государственного Кремлевского Дворца

Основные принципы воссоздания первичного звукового поля можно разделить на две большие группы.
Первая - передача по нескольким каналам физических параметров первичного звукового поля и воспроизведение их через несколько громкоговорителей, распределенных во вторичном помещении. Так работают все виды систем Surround Sound (типа 5.1,7.1 и т.д.), а также системы типа Ambisonics и Wave Field Synthesis - синтез волнового поля), предложенные М.Герценом, которые пытаются воспроизвести
первичное пространство с помощью реконструкции волновой структуры его звукового поля за счет передачи информации
о физических характеристиках по нескольким каналам и последующего воспроиз
ведения через большое количество распределенных громкоговорителей. Однако для реалистичной передачи пространственной трехмерной информации число таких громкоговорителей должно быть бесконечно велико, иначе возникают значительные ошибки в локализации звукового образа.
Вторая - передача по двум каналам звуковых сигналов, записанных на «искусственной голове», с последующим воспроизведением их через стереотелефоны или громкоговорители (бинауральная стереофония). При этом создается достаточно реалистическая картина пространственного звукового поля, однако имеется ряд проблем, связанных с узкой зоной пространственного эффекта, определенными ошибками в локализации, особенно в медианной плоскости, за счет несоответствия параметров «искусственной головы» индивидуальных особенностей ушных раковин, слуховых каналов и др. Работа над устранением этих проблем в настоящее время ведется достаточно интенсивно (о некоторых результатах см. статью «Бинауральная стереофония» в «Шоу-Мастере» №4, 2004 ).
Попытка объединить достоинства этих двух направлений предпринята в системе Ambiophonics (от слова ambience-окружение), развиваемой специально созданным для этой цели Институтом Амбиофонии (США) под рук. Р. Глэзгала. О результатах работы сделано ряд докладов на конгрессах AES (например, на 111 конгрессе, пр.5426) и различных конференциях. К внедрению этой системы активно подключился коллектив исследователей под рук. проф. А. Фарины (поддерживаемых фирмой Fiat, Италия).
Амбиофонические системы давно
были известны в технике звукоусиления, примером может служить система, использованная при озвучивании Государственного Кремлевского Дворца (рис.1). К прямому звуку, излучаемому в помещение исходным источником, подмешиваются сигналы, прошедшие через линию задержки (первые
устройства были реализованы на магнитофонах) и излучаемые через систему распределенных по стенам громкоговорителей, что позволяет имитировать задержанные отражения от стен, приходящие по различным направлениям, т.е. это была особая система искусственной реверберации.
Созданная за последние годы система Ambiophonics предназначена для домашнего воспроизведения. Она объединяет
определенные свойства двух систем: бинауральной и систем типа Ambisonics или Wave Field Synthesys и ставит своей целью воссоздание у слушателя ощущения простран-
ственного первичного звукового поля в концертном зале.
Принципиальными отличиями предлагаемой системы являются:
- Способность работать с существующими двухканальными записями (стерео, СD, DVD и др.), а также с записями по системе 5.1,6.0,7.1.и др., сделанными с помощью любой системы стереомикрофонов: MS, ORTF, XY и др. Однако для оптимального использования возможностей этой системы лучше подходят двухканальные записи, сделанные с помощью микрофонной системы Ambiophones, принцип действия которой будет рассмотрен позже.
- Использование для воспроизведения во вторичном помещении двух близко расположенных громкоговорителей с экраном между ними или с использованием специального процессора для подавления перекрестных связей.
- Воспроизведение реверберационного процесса первичного концертного зала с помощью системы распределенных громкоговорителей, сигнал на которые формиру ется с помощью свертки сигналов левого
и правого каналов с импульсными характеристиками первичного помещения, записанными для разных направлений прихода звука.
- Коррекция вторичного помещения прослушивания акустическими методами или электронным путем для снижения уровня отраженных сигналов в нем.
Общая структура системы Ambiophonic для домашнего прослушивания показана на рис.2 .

Ambiophonic"> Рис.2. Общая структура системы Ambiophonic

Остановимся теперь более подробно на основных принципах ее построения.
Любая система пространственного
звука, которая ставит своей целью воссоздание пространственной атмосферы
концертного зала в домашних условиях должна опираться на глубинное понимание механизмов, с помощью которых слуховая система формирует ощущение трехмерного звукового пространства. Исследования Беранека, Олсона, Андо и многочисленные исследования других ученых позволили сформулировать основные законы пространственного восприятия.
Когда слушатель находится в концертном зале (рис.3) он может детектировать левую- правую позицию музыкантов на сцене, глубину их расположения и высоту
(например, если хор стоит на различных уровнях), размеры пространства, ощущать пространство позади себя и чувствовать «жизненность»звучания музыки и пения.
Задача пространственной системы звукозаписи состоит в том, чтобы выделить какие-то параметры, воспроизведение которых в домашних условиях даст возможность слушателю чувствовать себя дома, как в концертном зале.
Ощущение пространственности звучания складывается из двух компонентов: ощущение ширины источника (распределения музыкантов на сцене) и ощущение окружения звуковым пространством в зале – «обертывание» (LEV).

звуковых волн в концертном зале"> Рис.3. Направления прихода звуковых волн в концертном зале

Важнейшим параметром в восприятии пространственности, как показано в последних работах Беранека, Андо и др., является коэффициент междуушной кросс-корреляции (IACC). Этот коэффициент определяет степень различия между сигналами, поступающими в разные уши. Когда он равен единице, это означает, что сигналы в оба уха практически одинаковы и источник звука стягивается в точку. Поэтому для расширения воспринимаемого источника необходимо, чтобы этот коэффициент был существенно ниже единицы (в работах Беранека рекомендуется значение 0,3-0,4). Именно поэтому в концертных залах и комнатах прослушивания желательно избегать строго симметричных стен и одинаковых способов их акустической обработки. Наименьшее значение коэффициента IACC обеспечивается за счет боковых отражений. Именно поэтому принципиально важным для восприятия ширины источника является уровень первых боковых отражений (особенно из направлений под углом 55 град.), которые должны прибывать к слушателю в первые 15-50 мс (в зависимости от назначения зала). Отражения, которые приходят сверху на оба уха, достаточно высоко коррелированны, поэтому они оказывают значительно меньший эффект на пространственное восприятие. По мере нарастания числа отражений в зале поле становится диффузным и коэффициент кросс-корреляции возрастает, скорость, с которой он увеличивается, определяет степень соответствия зала данному типу музыки (например, органной музыке лучше подходит церковь).

от направления прихода звука"> Рис.4. Форма АЧХ в зависимости от направления прихода звука

Восприятие глубины источника зависит от таких параметров, как уровень громкости, различия в тембре, отношение прямого звука к диффузному и др.
Наконец, существенную роль для ощущения общего пространства зала (степени окружения, или обертывания) играет направление прихода отраженных сигналов (боковое, заднее, верхнее, переднее и т.д.) по возможности менее коррелированных друг с другом, а также число этих отражений (для достижения реализма при их воссоздании желательно не менее восьми).
Как известно, локализацию звукового источника в горизонтальной плоскости слуховая система осуществляет с помощью оценки временной разности между сигналами, поступающими на левое и правое ухо в области низких частот, и разности по интенсивности в области средних и высоких частот. Главным определителем пространственного направления прихода звуковых сигналов является ушная раковина, которая выполняет функции дифракционного фильтра. Ушная раковина изменяет частотную характеристику звука, приходящего по разным направлениям (рис.4), за счет появления дополнительных пиков и провалов на ней в области выше 1 кГц и позволяет мозгу оценить пространственное расположение источника. Следует отметить, что индивидуальные различия в расположении этих пиков и провалов довольно значительны. Таким образом, в зависимости от направления, из которого данный звуковой сигнал попадает в ушную раковину, он обрабатывается ею по-разному.

в стереосистемах"> Рис.5. Ошибки в локализации источников в стереосистемах

В связи с этим одним из недостатков воспроизведения в стереосистемах наряду с невозможностью правильной локализации широко расположенных источников (рис.5) является то, что сигналы, записанные в первичном концертном зале и содержащие как прямой звук, так и звуки, приходящие по различным направлениям, воспроизводятся только через два передних громкоговорителя и обрабатываются ушными раковинами как «передние» звуки, что не дает возможности сформировать ощущение полного первичного пространства.
Поэтому главными правилами в амбиофонической системе является воспроизведение звуков первичного поля их реальным направлениям (с помощью дополнительных громкоговорителей) и без применения дополнительных ушных раковин на «искусственной голове» при записи). Например, если концертный зал имеет сильные ранние отражения направления 55 град. (что крайне желательно для хороших концертных залов), то во вторичном помещении должны быть обеспечены звуковые сигналы приблизительно этих же направлений.

для системы Ambiophonic"> Рис.6. Оптимальный способ записи для системы Ambiophonic

Как уже было отмечено выше, предлагаемая амбиофоническая система может работать с любыми двухканальными записями (а также с записями в формате 5.1 и др.), однако оптимальным для данной системы является способ записи звука в концертном зале, представленный на рис.6. На определенном месте в концертном зале (например, в 5-м или 10-м ряду) размещается система микрофонов, расположенных на сфере (промышленная модель фирмы Schoeps KFM-6), или «искусственная голова» без ушных раковин и записывается двухканальный звук, включающий прямой звук и ранние отражения от сцены и просцениума (отчасти и реверберационная часть, но поскольку она в основном формируется отражениями от задних и верхних стен, ее вклад незначителен). Для исключения записи отраженных звуков от задних, верхних и дальних боковых стен вокруг микрофонов устанавливается поглощающий экран (см. рис.6). При такой записи удается воспроизвести ширину источников, расположенных на сцене, примерно в 2,5 раза шире, чем при обычной стереозаписи (или записи в формате 5.1). Такая микрофонная система получила название Ambiophones.

перекрестных связей"> Рис.7. Система подавления перекрестных связей

Записанные таким образом сигналы воспроизводятся через два близко расположенных громкоговорителя со специально выбранными достаточно узкими характеристиками направленности, например, могут быть использованы широкополосные электростатические громкоговорители (см. рис.1). Для обеспечения бинаурального эффекта необходимо устранить перекрестные связи между сигналами, попадающими на разные уши (сигнал от левого канала должен поступать строго в левое ухо, а от правого - в правое). Поэтому на входе громкоговорителей стоит блок инверсных цифровых фильтров (рис.7), устраняющих перекрестные сигналы hlr и hrl (бифонический процессор). Кроме того, в этом блоке предусмотрена коррекция характеристик в зависимости от выбранной системы микрофонов при записи (ХУ, ORTF, MS или другие). Вся эта система в целом называется Ambiopole. На первых этапах развития этих систем предлагалось использовать звукопоглощающий экран, установленный между громкоговорителями для устранения перекрестных связей.
Такая система позволяет обеспечить бинауральный эффект для 6-7 слушателей, расположенных вдоль оси. Кроме того, если ширина диаграммы направленности громкоговорителей шире размеров ушной раковины, то в определенных пределах можно вращать головой, сохраняя при этом перспективу фронтального сценического образа. Таким образом, хотя зона оптимального прослушивания в данной системе шире, чем у обычной бинауральной системы, тем не менее, проблемы с расширением зоны прослушивания остаются.
Следуя идеологии авторов этой системы, необходимо во вторичном помещении обеспечить поступление поздних отражений тех же направлений, что и в первичном концертом зале, тогда они будут соответствующим образом обрабатываться ушными раковинами и формировать ощущение пространства в первичном поле. С этой
целью во вторичном помещении устанавливается несколько распределенных громкоговорителей (не менее восьми, из них два под углом 55 град.), на которые подаются сигналы, представляющие собой свертку сигнала из правого или левого канала (рис.1).
На каждый громкоговоритель подается сигнал, полученный путем «свертки» (обобщенного умножения) сигнала из левого или правого каналов с импульсной характеристикой, снятой в первичном помещении, соответствующей данному направлению (под которым установлен каждый громкоговоритель). Помещение представляет собой линейный аналоговый фильтр, который изменяет первичный сигнал от источника по-разному в зависимости от того направления, под которым он отражается и приходит к слушателю. Поэтому в системе используются два цифровых процессора (Ambiovolvers), которые осуществляют свертку сигналов с различными импульсными характеристиками, заранее измеренными в различных помещениях и сохраняемыми в памяти компьютера. Цифровые процессоры могут выполнять эти операции в реальном времени, при этом они производит коррекцию характеристик громкоговорителей и помещения, если в этом есть необходимость. Таким образом, к слушателю во вторичном помещении приходят отраженные сигналы тех же направлений, по которым они поступали к нему в первичном концерном зале (обработанные так, как это было сделано в конкретном зале, который воссоздается такой системой). Конечно, в реальном зале приходят сотни отражений с разных сторон, но даже воспроизведение их с восьми или десяти направлений (в зависимости от количества окружающих громкоговорителей) дает значительно более реалистическую картину, чем в стереосистеме или системе 5.1.
Для измерения импульсных характеристик, соответствующих различным направлениям прихода звука в концертном или театральном зале, используются различные микрофонные системы: группа из трех микрофонов с характеристикой направленности «восьмерка» и одним ненаправленным микрофоном, специальная система B&KWA0447 и микрофон типа Soundfield MK-V (рис. 8а, б, в). Все эти системы позволяют записывать
трехмерные характеристики звукового поля, из которых математически рассчитываются импульсные характеристики, соответствующие различным направлениям прихода звука в заданную область поля. Измерения проводятся для разных положений источников на сцене и разных положениях микрофонной системы в зале. (Пример расположения системы микрофонов в зале оперного театра Ла Скала показан на рис. 9).

пространственной записи для измерения импульсных характеристик а-б-в"> Рис.8. Микрофонные системы пространственной записи для измерения импульсных характеристик а-б-в

Следующим обязательным условием создания атмосферы концертного зала в домашних условиях является устранение влияния вторичного помещения прослушивания. Для этого необходимо обеспечить низкий уровень шумов (NC20), общее время реверберации в широком диапазоне частот порядка 0,2 с и отсутствие акустических аномалий на позиции слушателя, таких, как отражения или низкочастотные резонансы. Влияние вторичного помещения должно быть уменьшено до такого уровня, чтобы оно не вкладывало существенного влияния в воспроизводимый прямой звук и звуковые сигналы, излучаемые распределенными громкоговорителями. Поглощение отраженных сигналов на частотах выше 500 Гц может быть получено путем размещения поглощающих панелей из волокнистых материалов на стенах. Поглощение на низких частотах требует значительной толщины панелей и размещения их на определенном расстоянии от стены. Однако именно низкочастотные резонансы помещений небольших размеров вносят основные тембральные искажения в воспроизводимый сигнал (именно поэтому в международных рекомендациях по выбору минимального объема помещения для записи музыки указывалось, что он должен быть не менее 300 куб.м). Для решения этой проблемы рекомендовалось использовать помещения с непараллельными стенами, применять «басовые ловушки», т.е. размещать специальные наклонные экраны на стенах и потолке, и т.д.

Рис.9. Расположение микрофонной системы в оперном театре Ла Скала"> Рис.9. Расположение микрофонной системы в оперном театре Ла Скала

Однако появление новых процессорных устройств и соответствующего программного обеспечения позволяет в настоящее время обеспечить компьютерную коррекцию параметров вторичного помещения в области низких частот. С помощью предварительных измерений импульсных характеристик различных распределенных громкоговорителей в точке прослушивания можно определить необходимую коррекцию искажений, вносимых помещением и громкоговорителями, и выполнить ее с помощью цифровых процессоров, т.е. создать своего рода низкочастотные электронные ловушки.

Ambiophonic"> Комплект оборудования для системы Ambiophonic

Полный комплект аппаратуры, необходимый для реализации системы Ambiophonic, включает в себя (рис.10) набор громкоговорителей (двух передних и восемь распределенных в помещении), источник программ (например, профессиональный СD-плейер), специальный процессор, обеспечивающий подавление перекрестных связей между передними громкоговорителями (например, BSS Sound Web9088ii), а также два процессора, обеспечивающих свертку импульсных характеристик с сигналами левого и правого канала для обеспечения восьми громкоговорителей пространственного воспроизведения (например,Sony DRES-777).

Panorambiophonics"> Рис.11. Система Panorambiophonics

В настоящее время продолжается разработка нового программного обеспечения, так что, возможно, выполнение этих операций будет производиться только с помощью высокопроизводительного компьютера.
Субъективные прослушивания, проведенные в университете в Парме под рук. проф. А. Фарины, показали несомненные преимущества воспроизведения звука с помощью амбиофонии по сравнению с системами формата стерео, 5.1 и Ambisonics.

Рис.12. Система Periambiophonics

Преимуществами системы являются возможность работать с двухканальными записями, сделанными с помощью практически любой системы стереомикрофонов, возможность воссоздать во вторичном помещении прослушивания ощущение нахождения в любых концертных залах (импульсные характеристики которых заранее записаны в памяти компьютера), значительное расширение (по сравнению с обычной бинауральной системой) зоны прослушивания пространственного эффекта, возможность воспроизведения пространственного распределения источников звука на сцене и реалистического воспроизведения пространственной атмосферы первичного зала и др.
Как уже было отмечено выше, система Ambiophonics может воссоздать атмосферу концертного зала, используя двухканальные записи на CD, MP3 или LP с помощью двух близко расположенных громкоговорителей и процессора подавления перекрестных связей (Ambiopole).

Следующим этапом развития такого рода систем явились системы пространственного воспроизведения типа Panorambiophonics и Periambiophonics, предназначенных для воспроизведения четырех- (типа DVD или SACD) и шестиканальных записей (DVD-A, DTS-EX). В системе Panorambiophonics используются две пары сдвоенных фронтальных и тыловых громкоговорителей (Ambiopole) система распределенных громкоговорителей, на которые также подаются сигналы через Convolver, процессор, осуществляющий свертку основных сигналов с импульсными характеристиками концертного зала. (рис.11). Оптимальной системой для записи в этом случае является система из двух микрофонов (типа «искусственной головы», но без ушной раковины, размещенных друг за другом), Panambiophone, защищенная экраном от задних отражений. Такая система позволяет обеспечить воспроизведение первичных источников с очень широкой панорамой прямого звука и воссоздать приход отраженных звуков заданных направлений. Это открывает большие возможности для создания различных звуковых эффектов, например, в кино или концертных залах.
В системе Periambiophonics предусмотрено добавление третьей пары Ambiopole (сдвоенной пары громкоговорителей), поднятой на высоту. (рис.12). Эта третья пара громкоговорителей дополнительно обеспечивает восприятие прямого звука по высоте, что позволяет получить более полное объемное ощущение звука со сцены. При записи также желательно использовать дополнительную микрофонную систему, поднятую на высоту. Такое воспроизведение может использоваться в домашних условиях, кино, играх и др. Обе эти системы подходят для создания и воспроизведения электронной музыки и трехмерных виртуальных звуковых проектов.
Главными энтузиастами развития таких систем является Р.Глэзгал и его Институт Амбиофонии, однако к ним присоединилось за последние годы достаточно много исследователей из других стран. Учитывая, что в настоящее время происходит интенсивное развитие цифровых процессоров, можно ожидать появления достаточно дешевых и эффективных приборов или программных пакетов для подавления перекрестных связей и коррекции характеристик громкоговорителей и вторичного помещения в реальном времени, что может сделать достаточно доступным применение таких
систем в домашних условиях. Конечно, имеется еще много проблем, например, расширение зоны пространственного эффекта, хотя, как утверждают авторы, она значительно шире, чем в обычных бинауральных системах (слушатель может перемещаться по оси, сидеть или стоять, поворачивать голову и т.д.), однако значительное отклонение от оси все равно не допускается.
Тем не менее в таких системах используют достаточно новые идеи, которые позволяют действительно получить ощущение первичного звукового пространства и, возможно, найдут себе применение как в домашних, так и в профессиональных системах звуковоспроизведения.