3. СТЕРЕОФОНИЯ

Благодаря бинауральному эффекту, человек способен определять направление на источник звука (см. гл. 1). Слуховое восприятие различного рода звучаний неразрывно связано с бинауральным эффектом. Психофизические особенности слуха позволяют выделять из общего звучания ансамбля отдельные источники звука (музыкальные инструменты или голоса исполнителей), сосредоточивать внимание в определенном направлении, отстраиваясь от звуков, приходящих с направлений, не интересующих слушателя. Следует также отметить способность слушателя подсознательно отделять отраженный звук от прямого.

Слушатель, сидящий в концертном зале, воспринимает звуки, приходящие с различных направлений. Звучание каждого инструмента «прозрачно», его легко выделить из общей звуковой картины. Большое значение для звучания имеет акустика зала. Все перечисленные особенности слушания натуральных звучаний (в концертном зале, оперном театре и т. п.) делают эти слушания эталоном для сравнения воспроизводимого звука при звукопередаче.

 

 

При монофонической передаче звука (или монофонической звукозаписи) звуковые колебания, преобразованные в первичном звуковом поле несколькими микрофонами, смешиваются (рис. 70) и на приемной стороне излучаются одним громкоговорителем. В результате этого все особенности слухового восприятия, вызванные бинауральным эффектом, в первичном поле, теряются во вторичном. Звучание слышится практически из небольшого пространства, ограниченного размерами громкоговорящего устройства.

Звучания прямых и отраженных звуков приходят к слушателю наложенными друг на друга.

Включение нескольких громкоговорителей, разнесенных друг от друга на некоторое расстояние, или подключение их через устройства задержки времени (так называемые системы псевдостереофонии) существенного улучшения монофонической звукопередачи не приносят.

Идеальную по качеству звукопередачу можно осуществить при помощи стереофонической системы, показанной на рис. 71. В первичном акустическом реле устанавливают большое количество миниатюрных микрофонов, размеры которых существенно не влияют на структуру поля. Каждый из микрофонов соединяют каналом связи с миниатюрным громкоговорителем, установленным в зале прослушивания 2. Если число каналов достаточно велико, а помещение для прослушивания 2 близко по акустическим характеристикам помещению 1, то громкоговорители возбудят звуковое поле, идентичное первичному звуковому полю. В рассмотренной системе звукопередачи первичное звуковое поле из зала 1 переносится как бы по точкам в зал 2. Эта система называется идеальной многоканальной стереофонической.

Идеальную стереофоническую звукопередачу практически осуществить невозможно, поэтому применяют системы звукопередачи с ограниченным числом каналов. Уменьшение количества применяемых каналов приводит к появлению некоторых ошибок при звуковоспроизведении. Однако, как показали многократные исследования, для получения достаточно хорошего стереофонического эффекта при звуковоспроизведении не обязательно иметь большое количество каналов. Если использовать всего два канала, то качество звучания резко улучшается по сравнению с монофонической (одноканальной) системой звукопередачи.

Если принять коэффициент стереофоничности при монофонической передаче равным 0, а при большом числе каналов равным 1, то при двухканальном воспроизведении звука он

 

 

находится в пределах 0,6—0,7. Поэтому двухканальная система стереофонии получила широкое развитие как бытовая система и в СССР, и за рубежом. В последнее время все более широкое признание получает бытовая система стереофонии с четырьмя каналами (квадрафония). Рассмотрим существующие системы двухканальной стереофонической звукопередачи (звукозаписи).

Система АВ. При этом способе звукопередачи используют два микрофона, идентичных по своим техническим характеристикам, которые расположены на некотором расстоянии друг от друга (рис. 72, а, 73, а). Оба микрофона воспринимают один и тот же звук с некоторой разницей во времени прихода и различной силой звука. Этими двумя факторами определяется возможность локализации источников звука в горизонтальной плоскости при воспроизведении. При перемещении источника звука в студии, например, слева направо, меняется время прихода и сила звука, приходящего к А и В микрофонам, и, следовательно, меняется громкость звучания громкоговорителей А' и В', причем громкость звучания громкоговорителя А' уменьшается, а громкоговорителя В' увеличивается. В результате этого слушатель ощутит перемещение кажущегося (виртуального) источника звука. Источник звука, находящийся на линии, проходящей посредине между микрофонами, будет с одинаковой громкостью воспроизведен обоими громкоговорителями и услышан из точки, находящейся посредине между ними.

 

 

При использовании системы АВ важно выбрать расстояние между микрофонами. Слишком малое расстояние ведет к уменьшению стереофоничности звука, приближаясь к монозвучанию, слишком большое — к разрыву звучания. Оптимальное расстояние 20—40 см. При увеличении расстояния до 80—100 см воспринимаемая при прослушивании

 

 

звуковая картина распадается на две (правую и левую) и естественная непрерывность звуковой картины разрушается.

Система XY. В этой системе два микрофона с одинаковыми техническими характеристиками и диаграммами направленности типа восьмерки или кардиоиды расположены на одной стойке под углом друг к другу, так что проекция осей симметрии их диаграмм направленности образует угол 90° (рис. 72, б, 73, б).

Стереофонический эффект получается вследствие различия чувствительности микрофонов к звуковым волнам, приходящим с различных направлений. Если источник звука находится в крайнем левом положении (ось х), то звук воспринимается только микрофоном X. Чувствительность микрофона Y в направлении х равна 0. Слушатель услышит звук, исходящий только из громкоговорителя А. Аналогично звук, приходящий со стороны направления Y, воспринимается только микрофоном Y и его услышат из громкоговорителя В. Источник звука; находящийся на оси 00', будет одинаково воспринят обоими микрофонами, и слушатель его услышит посредине между громкоговорителями. При сложении диаграмм направленности обоих микрофонов (рис. 72, а, штриховая линия) видно, что громкость источников звука, расположенных на оси 00', усиливается, и они как бы приближаются к слушателям.

Звуки приходят к микрофонам X и У в одно и то же время, поэтому различия во времени прихода звука нет. В системе используется различие в силе звука, воспринимаемого обоими микрофонами. Из-за отсутствия информации о временных сдвигах эффект локализации в системе XY выражен несколько слабее, чем в системе АВ.

Система MS. При звукопередаче по системе MS микрофоны также расположены на одной вертикальной стойке. Однако один микрофон с широкой диаграммой направленности (круг или кардиоида) направлен на середину сценической площади (рис. 72, в и 73, в). Этот микрофон входит в канал, обозначенный буквой М. Другой микрофон имеет диаграмму направленности в виде восьмерки. Он расположен так, чтобы воспринимать информацию с боковых сторон сцены (канал S). После обработки сигналов, полученных на выходе каналов М и S в, блоке суммарно-разностного преобразователя СРП, образуются стереофонические сигналы,, направляемые в дальнейшем на громкоговорители А и В. Для образования сигнала, подаваемого к громкоговорителю А, на выходе каналов М и S сигналы складываются, а сигнал для громкоговорителя В образуется при вычитании сигналов в каналах М и S.

Как видно из рис. 73, в, при сложении и вычитании диаграмм направленности микрофонов М и S суммарный сигнал (М + S) соответствует информации о левой стороне звукового поля, а разностный (М — S) — о правой.

Таким образом, система MS отличается от системы XY способом образования передаваемой информации о правой или левой сторонах звукового поля. Путем суммарно-разностного преобразования систему стереофонической звукопередачи (звукозаписи) XY можно преобразовывать в систему MS, например, X + Y — М, X — Y = S. Система MS более удобна, так как микрофон канала М, получающий информацию со всей сцены, может непосредственно использоваться для обычной монофонической передачи звука.

Совместимость. Под совместимостью стереофонической и монофонической звукопередачи понимают возможность слушать стереофоническую звукопередачу, пользуясь монофонической аппаратурой. При этом в результате простого сложения информации обоих каналов, за исключением стереофоничности, слушатель должен получить всю информацию о передаче. Все перечисленные выше системы удовлетворяют требованию совместимости, так как в них по одному каналу передается информация о левой стороне звукового поля, а по другому — о правой стороне, а сумма их представляет информацию обо всем поле. На практике же полная совместимость не всегда достигается.

Различают техническую и художественную совместимости стереофонической звукопередачи (звукозаписи). Техническая совместимость определяется по тому, насколько качественные показатели суммы сигналов правого и левого каналов удовлетворяют требованиям, предъявляемым к сигналам монофонической звукозаписи. Техническая совместимость обеспечивается выбором электроакустической и усилительной аппаратуры и их техническими характеристиками. Художественная совместимость определяется тем, насколько в монофоническом сигнале правильно переданы соотношения громкостей отдельных исполнителей и групп.

Если не принять мер, обеспечивающих художественную совместимость, то при моновоспроизведении могут появиться пики и провалы звучаний, нарушающие баланс звучаний.

Искажения при стереофонической звукопередаче. Действие различных видов искажений (амплитудных, нелинейных, шумов) примерно одинаково при моно- и стереовоспроизведении, если эти искажения имеются в обоих стереоканалах. Если искажения появляются только в одном из каналов, то они заметны меньше [32]. К специфическим искажениям для системы стереофонической звукопередачи относятся: разбаланс уровней, переходные помехи между каналами, разбаланс фазовых характеристик стереоканалов.

Разбаланс уровней громкости. Если угол, под которым слушатель видит громкоговорители, равен 2φ, а источник звука расположен посредине, то разбаланс уровней громкости (ΔL) на 1 дБ вызывает смещение кажущегося источника звука в среднем на угол 0,1 φ, при разбалансе в 3 дБ смещение не превышает 0,3 φ, при разбалансе 12 дБ и больше звук кажется исходящим из точки, где размещен громкоговоритель более громкого канала (рис. 74, а). Увеличивая временный сдвиг между канальными сигналами (рис. 74, б), можно также осуществить изменение положения кажущегося источника звука.

Переходные помехи между каналами. Если стереофонические сигналы проникают из одного канала в другой, то снижается эффект «стереофоничности». Снижение качества стереофонической передачи практически незаметно, если величина переходного затухания между стереоканалами в полосе пропускания достигает 25 дБ [32]. При понижении переходного затухания до 15 дБ снижение стереофонического эффекта становится уверенно заметным.

Разбаланс фазовых характеристик стереоканалов определяется как разность времени прохождения Дт сигнала по обоим каналам. Фазовый сдвиг в градусах  Δφ = 360Δτf f частота, для которой вычисляется фазовый сдвиг, Гц.

Фазовые сдвиги наиболее проявляются в области частот 100—1600 Гц. Если фазовый сдвиг в этой области составляет примерно 90°, то появляется ощущение «размытости» положения источников звука, четкость определения направления на них теряется.

График минимальных заметных фазовых сдвигов между сигналами в стереоканалах от частоты сигнала изображен на рис. 75. Наиболее жесткие требования к фазовым искажениям следует предъявлять при частоте 400 Гц.,

Зона стереоэффекта. Территорию, в пределах которой особенности стереофонии проявляются в достаточно полной мере, называют зоной стереоэффекта. Границы этой зоны принято определять максимально допустимой ошибкой локализации центра базы при равных уровнях канальных сигналов. Расстояние между громкоговорителями (размер базы) оказывает значительное влияние на величину зоны стереоэффекта. При уменьшении базы с 3 до 0,8 м площадь зоны стереоэффекта возрастает с 0,4 до 1,2 м². Уменьшение размера базы приводит к более громкому звучанию центральных источников, что ухудшает «прозрачность» звучания боковых источников. «Прозрачность» звучания для боковых и центральных источников стереопанорамы увеличивается при увеличении базы. С учетом этого размер базы при воспроизведении выбирается в соответствии с размером базы контрольных акустических систем и равен 2—3 м. С увеличением размера базы (более 3 м) из-за интерференционных явлений локализация центральных источников становится менее четкой.

 

При проектировании стереофонических воспроизводящих систем предполагалось, что идеальная стереофоническая система воспроизведения; должна состоять из двух идеальных монофонических. Однако идеальный монофонический громкоговоритель должен быть ненаправленным во всем диапазоне частот. Стереофоническая система, состоящая из ненаправленных громкоговорителей, обладает очень малой зоной стереоэффекта.

На рис. 76, а показана зона стереоэффекта системы с обычными громкоговорителями (заштрихованная область). При базе, равной 3 м, ширина допустимой погрешности локализации составляет 12 см на расстоянии 1 м от базы, 21 см при удалении на 3 м и 38 см на расстоянии 5 м и более лишь в области средних частот. Взаимозаменяемость влияния разности уровней и сдвига во времени на слуховые восприятия позволяет расширить зону стереоэффекта. Смещение слушателя в сторону от оси симметрии приводит к появлению временного сдвига, обусловленного изменением расстояния до обоих громкоговорителей. Это изменение, как правило, сопровождается повышением уровня опережающего сигнала от ближайшего громкоговорителя и снижением уровня запаздывающего сигнала. При этом кажущийся источник звука смещается из центра базы в том же направлении, что и слушатель. Правильную локализацию центра можно восстановить, если при смещении слушателя в сторону громкоговорителя А уровень N_А снижается, тогда когда уровень N_В, наоборот, повышается.

Диаграмма направленности будет оптимальной, когда расположение отдельных звуковых образов на линии базы практически не будет зависеть от расположения слушателя относительно громкоговорителей системы воспроизведения.

Для удовлетворительной компенсации эффекта бокового смещения слушателя достаточно обеспечить требуемые диаграммы направленности лишь в области средних частот. Рассмотрим два способа изменения уровней N_А и Nв при боковом смещении. При первом (рис. 76, а) используют двухполосные акустические системы, в каждой из которых звено, воспроизводящее средние и высокие частоты, заменено двумя параллельно включенными группами излучателей, одна из них (1 или ,2 на рис. 76, а) совмещена с низкочастотным звеном (5 или 6), другая (3 или 4) находится вблизи от центра базы. Оси двух центральных групп развернутые сторону от сред­ней линии. Зона допустимых смещений при стереобазе, равной 5 м, имеет ширину 2,4 м на расстоянии 1 м от базы и расширяется до 5 м при удалении на 5 м и более [108]. При втором способе используют акустические линзы, поворачивающие диаграмму направленности среднечастотных звеньев трехполосных громкоговорителей в сторону оси симметрии системы (рис. 76, б).

Для получения сдвига во времени применяют пластинчатые акустические линзы, которые устанавливают перед группой громкоговорителей. Если направление излучения звука совпадает с направлением пластин, они не оказывают никакого воздействия на формирование суммарного сигнала в удаленной точке звукового поля. Для прочих направлений сигналы, поступающие из разных каналов, образованных соседними пластинами линзы, имеют сдвиг во времени.