Многоканальная пространственная звуковая система 22.2

И.А. Алдошина

В серии статей по пространственным системам звукопередачи («Шоу-Мастер», 2005-2006 г.) были рассмотрены наиболее известные из них: Surround Sound, Ambiophonic, Wave Field Synthesis и др. Однако на последних конгрессах AES японская фирма NKH Science& Technical Research Lab. под руководством известного акустика K. Хамасаки представила новую пространственную систему 22.2, возможности которой были впервые продемонстрированы на всемирной выставке в Японии в 2005 г.

Необходимо отметить, что, хотя за последние годы достигнут значительный прогресс в развитии пространственных систем воспроизведения звука, остаются проблемы, которые требуют своего решения, в частности расширение ограниченной зоны оптимального прослушивания «sweet sport». Переход от стереосистем к системам Surround позволил несколько расширить эту зону, однако при этом предполагалось, что расстояние от слушателя до громкоговорителей сохраняется неизменным. При приближении слушателя к фронтальным громкоговорителям достаточно широкий звуковой образ сужается и становится более плоским. В то же время при прослушивании симфонического оркестра в реальном зале впечатление ширины и глубины звукового образа сохраняется для разных слушательских мест (хотя, конечно, они меняются для разных позиций слушателя).
Создание новой системы, которая не имела бы таких недостатков, требует изменения в технологии записи, передачи и воспроизведении звука. Одним из таких направлений является развиваемая в рамках проекта Carrouso система Wave Field Synthesis, о которой уже было достаточно подробно рассказано в предыдущей статье.
Второе направление, которое создается в Университете McGill (Канада), направлено на разработку новых систем интерактивной мультисенсорной виртуальной реальности (включающих передачу видео, звука, вибраций и др.), о которых постараемся рассказать в дальнейшем.
Третье направление, развиваемое на фирме NKH Science& Technical Research Lab., и привело к созданию новой системы 22.2, ставящей своей целью передачу глубины «живого пространства» для широкой слушательской зоны.
Необходимость создания такой системы обуславливается прежде всего разработкой в Японии нового поколения видеосистем высокой четкости, получивших название “Super Hi-Vision”. По сравнению с телевидением высокой четкости HDTV они обладают улучшенной в 16 раз разрешающей способностью (4320х7680 пикселей), углом обзора более 100 град. и пр.
Появление таких видеосистем, обеспечивающих широкий угол обзора на очень больших экранах, создает возможность перемещения видеообраза в горизонтальном и вертикальном направлениях в очень широких пределах. При этом соответствующее перемещение звукового образа не может быть обеспечено обычными системами Surround Sound 5.1, которые реализуют его локализацию только в горизонтальной плоскости преимущественно во фронтальной части, при этом угол обзора звукового образа у них достаточно узкий. Поэтому появилась необходимость в создании новой системы звуковоспроизведения для «Super Hi-Vision».
Система должна была удовлетворять следующим условиям:
– обеспечивать стабильную локализацию звукового образа в любой точке экрана;
– воспроизводить звуковой образ во всех направлениях вокруг зрителя с соответствующим качеством;
– создавать трехмерное пространственное ощущение, в первую очередь обеспечивать реалистическое воспроизведение глубины и ширины звукового пространства;
– обеспечивать широкую зону прослушивания при перемещении слушателя, адекватную концертному залу;
– обладать способностью записи, передачи и воспроизведения живых записей симфонического оркестра с сохранением тембра и баланса;
– адаптировать воспроизведение к различным акустическим условиям (большим и малым помещениям);
– обеспечивать совместимость с существующими пространственными системами.

Рис. 1. Общая структура пространственной системы 22.2

Исходя из этих требований, была разработана новая пространственная система звуковоспроизведения, включающая в себя 22.2 канала. Структурно система состоит из трех слоев громкоговорителей (рис.1): верхний включает девять каналов, средний – десять каналов, нижний – три канала полюс два низкочастотных канала (LEF).
Данная система звуковоспроизведения обеспечивает совместимость со всеми разработанными к настоящему времени системами матричной стереофонии, сравнительный анализ которых приведен в таблице 1 на рис.2.
Как видно из таблицы 1, принципы построения и размещения излучателей для каждой из систем, используемых в настоящее время (в первую очередь в кинотеатрах), различаются следующим образом.

Таблица 1. Сравнитальный анализ различных многоканальных систем

– Система 5.1 «Dolby Surround» использует пять (плюс один) каналов звуковоспроизведения: три излучателя (акустические системы) во фронтальной части за экраном и два в тыловой части, причем они расположены в средней горизонтальной плоскости, один сабвуфер расположен на низком уровне (на полу). Эта система уже достаточно давно применяется в кинотеатрах, домашних кинотеатрах и др.
– Система 6.1 использует шесть основных каналов (плюс один низкочастотный) для трех фронтальных и трех тыловых громкоговорителей и одного сабвуфера. Все они расположены в горизонтальной средней плоскости (на уровне голов слушателей), только один низкочастотный блок – на уровне пола. Такие системы также используются в некоторых кинотеатрах.
– Разновидностью этой системы является система 6.1, но с другим расположением громкоговорителей: в качестве тыловых систем используются только два излучателя, а один размещен над экраном выше голов слушателей. Такие системы были предложены в 1983 г. для так называемых IMAX театров.
– Система 7.1 использует семь (плюс один) каналов: пять громкоговорителей за экраном и два в тыловой плоскости. Система начала недавно применяться в кинотеатрах совместно с системами SDDS.
– Система 10.2, в которой используется пять громкоговорителей за экраном, три в тыловой плоскости на среднем горизонтальном уровне, два сабвуфера, a на нижнем уровне и два излучателя в верхней плоскости (всего десять плюс два канала). Такая система недавно была предложена Т. Хольманом (корпорация TMH США).
– Система 22.2 использует 22 плюс два канала, расположение громкоговорителей в которой показано на рис. 1 и в таблице 1.

Рис. 3. Схема совмещения каналов для перехода к системам 5.1и 2.0

Для совместимости предложенной системы 22.2 с наиболее распространенными системами матричной стереофонии 5.1 и 2.0 (стерео) лабораторией NHK была предложена схема совмещения каналов, изображенная на рис. 3. При этом каналы были сформированы следующим образом. Для системы 5.1 (при расположении громкоговорителей в соответствии со стандартом ITU–R BS 775.1): левый фронтальный канал формировался из каналов 1, 2, 6, 20, 11, 14 (показанных на рис.3) со специально подобранными коэффициентами, правый фронтальный – из 5, 4, 7, 22, 13, 16, центральный фронтальный – из 3, 2, 4, 21, 12, 15, левый тыловой – из 8, 6, 9, 17, 14, 15, правый тыловой – из 10, 7, 9, 19, 16, 15, низкочастотный канал – из S1 и S2. Для перехода к обычной стереофонической системе полученные таким образом пять каналов объединялись в два канала с соответствующими коэффициентами:

Lt = L + 0.7071C + 0.7071 LS + 0.7071RS + 0.7071LFE

Rt = R + 0.7071C + 0.7071LS + 0.7071RS + 0.7071LFE

На Всемирной выставке в 2005 г. в Японии система «Super Hi-Vision» была продемонстрирована с экраном размером 600” (15.24 м) для 350 зрителей, при этом изображение сопровождалось звуком с помощью 22.2 канальной системы, использующей 75 громкоговорителей.

Рис. 4. Частотные характеристики используемых в системе громкоговорителей

Поскольку задача состояла в том, чтобы передать звучание симфонического оркестра с максимальной достоверностью, к параметрам громкоговорителей предъявлялись особые требования:
– частотная характеристика каждого громкоговорителя имела широкий диапазон от 40 до 15000 Гц, а дополнительные низкочастотные блоки имели диапазон 20-200 Гц (см. рис. 4);
– для обеспечения равномерного покрытия слушательских мест громкоговорители имели широкую диаграмму направленности (угол покрытия 120 град. в горизонтальной плоскости и 100 град в вертикальной);
– видеоэкран был акустически непрозрачным, поэтому три верхних и три нижних громкоговорителя были панорамированы таким образом, чтобы образовать три мнимых источника на центральной линии экрана (см. рис. 4);

Рис. 5. Распределение звукового давления при вертикальном расположении низкочастотных блоков

– для определения оптимальной высоты расположения громкоговорителей верхнего слоя была проведена серия субъективных экспертиз, позволившая выбрать значение высоты, соответствующее 45 град. по отношению к плоскости расположения зрителей.
Прослушивание показало, что предлагаемая система пространственного звука 22.2 имеет несомненные преимущества перед системой 5.1, по таким критериям, как натуральное пространственное впечатление в широкой зоне и трехмерное перемещение множественных мнимых источников.
Проведенная субъективная экспертиза отчетливо показала преимущества последней системы также и при воспроизведении тембральных особенностей. По всем критериям, выбранным для оценки тембров, система получила более высокие оценки у 53 экспертов (см. рис. 6).
Для реализации всех потенциальных возможностей такой системы оказалось необходимым использовать специальную технику микрофонной записи.

Рис. 6. Результаты сравнительных субъективных оценок тембральных характеристик для систем 22.2, 5.1, 2.0

Обычно при записи симфонического оркестра применяется запись главным микрофоном, который схватывает звук оркестра в целом, этот звук воспроизводится фронтальными громкоговорителями (в системах типа 5.1), которые расположены симметрично и на одинаковом расстоянии от слушателя. Поэтому оптимальная зона прослушивания получается очень ограниченной и такой способ записи не позволяет приближаться к громкоговорителям.
Для исследования различных вариантов микрофонной техники и оценки ее влияния на качество воспроизведения была предложена экспериментальная система, использующая несколько групп микрофонов, схватывающих прямой звук отдельных групп инструментов (струнных, духовых, ударных и пр.), который затем воспроизводился соответствующими группами громкоговорителей, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Экспериментальная микрофонная система для записи отдельных групп микрофонов

Отраженные звуки записывались другими микрофонами и воспроизводились тыловыми громкоговорителями окружения. Ненаправленные микрофоны также располагались перед оркестром на определенном расстоянии и высоте, чтобы «схватить» низкочастотные компоненты, которые подавались на сабвуферы.
Были исследованы различные способы расстановки микрофонов, пример для записи симфонического оркестра показан на рис. 8. При этом серьезные проблемы возникали при панорамировании звука в различных каналах такой системы (что станет, вероятно, предметом дальнейших исследований).
Для проведения субъективных оценок различных видов записи и воспроизведения через систему 22.2 были выбраны различные отрезки симфонической музыки. Полученные результаты подтвердили принципиальную важность точности воспроизведения ширины и глубины звуковых образов фронтальными громковорителями для улучшения натуральности, пространственности и четкости звучания симфонического оркестра.

Рис. 8. Способ расстановки микрофонов для записи симфонического оркестра

Вопрос о важности воспроизведения ширины и глубины реальных источников (в частности, инструментов симфонического оркестра), привлекает внимание различных исследователей. Например, в специальном докладе Хамасаки на 19-й международной конференции AES обсуждались наиболее важные задачи именно в этом направлении, поскольку их нельзя реализовать с помощью современных системам типа 5.1.
В концертном зале слушатель воспринимает звук оркестра от фронтального направления, отраженные звуки от других направлений создают ощущение общего пространства. При прослушивании в домашних условиях слушатель ожидает стабильной локализации звуков оркестра во фронтальной части, пространственного ощущения подобного восприятию в концертном зале, звукового восприятия каждого музыкального инструмента аналогичного живому, и при этом эти ощущения должны поддерживаться стабильными в достаточно широкой слушательской зоне. Именно это и должна обеспечивать любая система пространственного воспроизведения звука.

Рис. 9. Система записи первых отражений в помещении

Анализ процессов восприятия в концертном зале позволяет выделить принципиально важные признаки, которые необходимо сохранить и передать в процессе записи:
– локализацию каждого звукового источника во фронтальном поле;
– окружающее звуковое поле;
– пространственное впечатление;
– адекватную реверберацию;
– тембр;
– локализацию звуковых источников в тыловом пространстве.
Структура звукового поля в любом помещении формируется из прямого звука, ранних отражений и поздних отраженных звуков (реверберации) (см. рис. 9).
Их степень влияния на перечисленные выше параметры представлена в таблице 2.

Степень влияния элементов структуры звукового поля в помещении на процесс восприятия"> Таблица 2. Степень влияния элементов структуры звукового поля в помещении на процесс восприятия

Для стабильной локализации пространственного звукового образа в любой системе пространственного воспроизведения огромную роль играет наличие центрального канала воспроизведения, который позволяет стабилизировать фронтальный звуковой образ. Правда, для этого уровень звукового давления от центрального канала должен быть выше, чем от остальных каналов.
Ощущение окружения звуковым полем складывается из отношения уровня первых отражений к уровню прямого звука, которое должно быть достаточно высоким. Для этого при записи полезно использовать два направленных микрофона, противоположно ориентированных для записи прямого звука и первых отражений, как показано на рис. 9.
Общее пространственное впечатление определяется структурой ранних отражений, в том числе и направлениями их прихода, а также общей структурой поздних отражений, формирующих реверберационное звуковое поле, поэтому при записи и необходимо применять специальную систему микрофонов для записи отраженных сигналов, как показано на рис.8. При воспроизведении использование только двух тыловых каналов, как в системе 5.1, оказывается явно недостаточным для воссоздания реального пространственного впечатления (это показали многочисленные слуховые экспертизы), поэтому в предложенной системе 22.2 значительно увеличено количество тыловых каналов.
Запись реального процесса реверберации трудно осуществить во время записи живого исполнения, для этого необходимо использовать отдельную систему тыловых микрофонов и иногда добавлять искусственную реверберацию.
Запись направленными микрофонами приводит к потере низких частот, поэтому целесообразно дополнять систему двумя ненаправленными микрофонами, как это показано на рис. 8. Чрезвычайно трудно обеспечить при записи локализацию звуковых источников, если они находятся в задней части пространства, иногда с такой ситуацией приходится иметь дело при записи. Для этого необходимо разрабатывать специальную систему микрофонов.
Все эти соображения позволили предложить многослойную систему микрофонной записи для многоканальных пространственных систем звуковоспроизведения, состоящую из набора главных микрофонов и микрофонов для записи окружающего звука (а также дополнительных систем искусственной реверберации), как это показано на рис. 10 а,б.

Рис. 10 а, б. Многослойная микрофонная система записи"> Рис. 10 а, б. Многослойная микрофонная система записи

Причем в систему главных микрофонов должны входить как направленные, так и ненаправленные микрофоны (выходы от которых фильтруются и подаются на низкочастотные каналы воспроизведения – сабвуферы), кроме того, в эту же систему должны входить и противоположно направленные микрофоны для записи первых отражений, о чем было сказано выше.
Во вторую систему для записи пространственного звука входят направленные микрофоны (сигналы от которых должны быть декоррелированы), при этом она должна быть установлена на расстоянии больше критического от источника звука.
Установка этих многослойных микрофонных систем зависит от реальной звуковой ситуации и архитектуры концертных залов для записи.
Таким образом, проделанный фирмой NHK (под руководством К. Хамасаки) огромный объем работ позволил представить новую пространственную систему 22.2, которая, по мнению авторов, имеет ряд преимуществ перед обычными пространственными системами (типа 5.1), позволяя обеспечивать точную локализацию источников, ощущение глубины, высоты и ширины звукового образа, очень натуральное пространственное впечатление в широкой слушательской зоне, трехмерное перемещение кажущихся источников вокруг слушателей и др.
Следует отметить, что выполненный авторами комплекс исследований по субъективной оценке параметров такой системы показал, что ощущение глубины, высоты и ширины фронтальных источников является решающим фактором для улучшения пространственного впечатления и натуральности звучания симфонического оркестра и различных музыкальных ансамблей. Причем именно применение главной системы микрофонов создает ощущение глубины, т.е. звуковые источники кажутся расположенными позади базы громкоговорителей. Интересно отметить следующее. Внимательные слушатели замечают, что звук инструментов, расположенных справа или слева от микрофонной базы, кажется ближе, чем от инструментов, расположенных в центре. Поскольку восприятие глубины звукового образа зависит в значительной степени от структуры первых боковых отражений, главная микрофонная система по-разному записывает их для боковых и центральных инструментов, поэтому и создается разное ощущение глубины. Из этого следует также, что можно усилить ощущение глубины, добавив боковые отражения электронным путем.
Таким образом, создание системы 22.2 потребовало развития новой микрофонной техники записи. Правда, для последующего исследования остаются проблемы микширования звуковых каналов для такой системы.
Фирма собирается продолжать эти исследования, рассматривая предложенную систему как следующий этап в развитии пространственных систем звукозаписи для создания трехмерного звукового поля в кинотеатрах, концертных залах и для систем радиовещания.