Микрофонные системы для Surround Sound

Бинауральные микрофонные стереосистемы

В таких системах используется модель «искусственная голова», внутри слуховых каналов которой расположены микрофоны (рис.14). В этом приборе достаточно точно моделируется форма головы, ушных раковин, выбираются физико-механические параметры материалов таким образом, чтобы моделировать костную проводимость. Звуковой сигнал поступает на мембрану микрофона уже после обработки в раковине и слуховом канале, т.е. он несет в себе закодированную информацию о пространственном положении источника, которую можно передать по двум каналам передачи и воспроизвести на приемном конце через стереотелефоны. При этом слушатель получает достаточно точное пространственное ощущение первичного помещения.

Рис.14. Микрофонная бинауральная система "Искусственная голова";

а - принципиальная схема; б - общий вид; в - схема преобразования из бинаурального в стереосигнал;

«Искусственная голова» достаточно сложное и дорогое устройство, которое производится только немногими фирмами. Например, Neumann выпускает модель KU-100, фирма B&K – модель 4128С, фирма Head Acoustics – модель Aachen Head, фирма IRP – модель KEMAR. Каждая из этих моделей отличается определенными конструктивными особенностями. Так, модель 4128С дополнена моделью торса. Модель KU-100 обладает следующими параметрами: частотный диапазон 20 – 20000 Гц, чувствительность 20 мВ/Па, эквивалентный уровень звукового давления 16 дБА, максимальный уровень SPL при THD < 0,5% равен 135 дБ, динамический диапазон 119 дБ.

Начавшийся в 70-е гг. переход на четырехканальные (квадрофонические) системы, а затем с 90-х гг. широкое внедрение в домашнюю звукотехнику различных типов систем типа Surround Sound (Dolby Surround 5.1,Pro-Logic, Digital и др.) потребовали пересмотра требований к микрофонным системам. Главная цель всех систем типа Surround Sound – это улучшенная передача пространственной атмосферы зала, недоступная для стереофонических систем. В связи с этим изменились требования к технологии микрофонной записи, к числу основных из них можно отнести следующие:

· точная запись прямого звука со сцены с сохранением натурального баланса и естественности звучания;

· запись достаточного количества ранних отражений от сцены и припортальных боковых стен, приходящих в первые 25 – 60 мс, для передачи в последующем воспроизведении размеров первичного зала;

· запись реверберационного процесса и его некоррелированное представление во всех громкоговорителях воспроизводящей системы во вторичном помещении.

Для обеспечения этих требований стали использоваться новые микрофонные системы, обеспечивающие формирование четырех и более каналов, которые затем кодировались в два канала и декодировались в 5.1 (или более) каналов воспроизведения. Усовершенствование микрофонных систем шло по пути создания более усложненных (по сравнению со стереофоническими) как совмещенных, так и распределенных систем.

К первой группе можно отнести системы DoubleMS, Soundfield, Schoepsfield и др.

Рис.15. Система DoubleMS

· DoubleMS – для формирования четырехканального звука обычная стереосистема MS дополняется еще одним М-микрофоном. При этом S-микрофон используется как с передним, так и с задним М-микрофоном, который располагается выше первого. Схема и конструкция такой системы показаны на рис.15. Подбирая различные варианты характеристик направленности М-микрофонов (ненаправленные или кардиоиды), можно сформировать с помощью соответствующей процессорной обработки все каналы для системы 5.1. Такая система нашла особое применение в технике записи звука в кино для передачи пространственной атмосферы.

Рис.16. Сферическая система для Sorround Sound

· Surround Sphere – учитывая требования пространственных систем по увеличению числа каналов записи, фирма Schoeps разработала новую микрофонную сферическую систему KFM360, в которой наряду с двумя направленными микрофонами, находящимися на поверхности сферы, устанавливаются два микрофона с характеристиками направленности типа восьмерка, расположенными ниже их и направленными прямо по оси (рис.16). Благодаря достаточно широкому углу охвата (120⁰) такая система может располагаться достаточно близко к источникам. С помощью матричной обработки с ее помощью можно получить полный 5.1 формат, включая низкочастотный канал. Система обеспечивает хорошую локализацию и эффективно используется при записи музыки, в частности для передачи различных пространственных эффектов.

Рис.17. Система Soundfield. Блок-схема и процессор

· Soundfield – система, использующая четыре кардиоидных капсюля, организованных в форме тетраэдра (рис.17). Первичные сигналы, получаемые от этих капсюлей (LF , RB, RF, LB), образуют А-формат. Затем с помощью специального цифрового процессора из них формируются четыре новых сигнала 1-W, 2-X, 3-Y, 4-Z (В-формат), из которых 1-W соответствует сигналу от ненаправленного микрофона, 2-X, 3-Y, 4-Z – сигналы от микрофонов с характеристикой направленности типа «восьмерки», ориентированные слева-направо, вперед-назад, вверх-вниз. Используя специальный декодер, сигналы В-формата конвертируются в любые варианты сигналов для mono-, stereo-, surround- систем, вплоть до 10.1. Для конвертирования в самый распространенный формат 5.1 фирма Soundfield разработала процессор SP-451. Учитывая компактность такой системы, большие возможности процессорной обработки и совместимость с большинством известных stereo- и surround- форматов, она находит широкое применение в различных приложениях пространственной звукозаписи.

· Разновидностью этой системы можно считать предложенную фирмой Schoeps микрофонную систему, состоящую из одного ненаправленного микрофона и трех микрофонов с характеристикой направленности типа «восьмерка», закрепленных очень компактно друг с другом, т.е. эта система сразу записывает сигналы В-формата. В ней несколько проще процессорная обработка, можно использовать микрофоны разных фирм и др. Область применения ее такая же, как и предыдущей – пространственная звукозапись.

Системы с адаптивным цифровым управлением

Рис.18. Система Audio-Technica AT 895

· Audio-Technica AT 895, Microtech Gefell KEM 970 и др. – возможности цифровой обработки сигналов позволили создать новые микрофонные системы, представляющие собой своего рода микрофонные антенны, в которых с помощью цифровых фильтров синтезируются диаграммы направленности различной управляемой формы, ширины и ориентации, адаптированные к различным условиями окружающего пространства и задачам обработки. Такие системы находят себе все большее применение в системах звукозаписи и озвучения. Пример системы Audio-Technica AT 895, состоящей из центрального остронаправленного микрофона и четырех кардиоидных микрофонов, с последующей цифровой фильтрацией их характеристик, показан на рис. 18.

Кроме перечисленных выше «совмещенных» микрофонных систем, для пространственной звукозаписи широко используются различные варианты разнесенных микрофонных систем. Исторически именно «разнесенные» микрофонные системы начали использоваться на раннем этапе развития стереофонии (с 30-х гг. в лаборатории Bell Labs), поскольку они обеспечивали достаточно точную передачу пространственных признаков помещения, что давало возможность воспроизвести относительно точную иллюзию первичного пространства. К числу наиболее известных «разнесенных» стереосистем относятся АВ, DIN stereo, NOS stereo, ORTF stereo, Baffled stereo, а также Decca Tree. «Разнесенная» микрофонная техника также широко используется для записи в Surround Sound, особенно когда речь идет о записях классической музыки, наряду с «совмещенными» микрофонами типа Sound Field и др.

Все многообразие «разнесенных» микрофонных конфигураций, применяемых в системах Surround Sound, можно условно разделить на две большие группы (как было предложено в книге известного акустика F.Rumsey «Пространственный звук»): пятиканальные системы «главных микрофонов» и системы с разделением фронтальных и задних микрофонов.

Первый тип систем обычно включает в себя пять близко расположенных микрофонов, каждый из которых снимает сигнал для левого, правого, центрального и двух тыловых громкоговорителей. Такая система обеспечивает создание мнимых источников во вторичном помещении, распределенных в горизонтальной плоскости под углом 360⁰, формируя при этом удовлетворительное пространственное впечатление. Однако использование такой «главной» микрофонной конфигурации вызывает определенные проблемы в воссоздании чувства «пространственности» из-за малых расстояний между отдельными микрофонами, соответственно малых различий в структуре звукового сигнала (малой декорреляции между ними). Поэтому в практике звукорежиссуры (особенно европейской) такая «главная» конфигурация дополняется микрофонами для отдельных инструментов.

Из многолетних исследований Беранека видно, что наибольшую связь с ощущением «пространственного» распределения источника в помещении показывают результаты измерения коэффициента внутрислуховой кросс-корреляции сигнала. Этот коэффициент определяет степень разности звуковых сигналов на обоих ушах как по времени, так и по амплитуде. Чем менее подобны звуки на левом и правом ухе, тем меньше этот коэффициент и тем больше кажущееся расширение источника. В случае, если звуки одинаковы, коэффициент становится равным единице и кажущийся источник звука концентрируется в центре.

Измерения, выполненные в различных залах с помощью прибора «искусственная голова» на 20 позициях при разных положениях источников звука, показали, что значения этого коэффициента для лучших по качеству звучания залов мира оказались в пределах 0,3 – 0,6. Если при записи микрофоны находятся на слишком близком расстоянии друг от друга, то различия между сигналами в разных каналах будут малыми и соответственно коэффициент корреляции будет больше 0.6, т.е. будет мала декорреляция между сигналами.

По поводу выбора параметров в центральных микрофонных системах, таких как характеристики направленности, расстояния между микрофонами, угол наклона и др., обеспечивающими создание оптимального мнимого образа, большой комплекс работ был проделан М. Вильямсом, а результаты были представлены им на конгрессах AES и в специально посвященной этим вопросам книге.

Дизайн таких микрофонных комбинаций включает в себя следующие последовательные этапы: выбор желаемого угла охвата источника в пределах от + / - 90⁰ до + / - 50⁰ для передних микрофонов; определение желаемого баланса между передними и тыловыми микрофонными комбинациями (отсюда определение необходимых временных задержек между ними); установление угла охвата для тыловой комбинации микрофонов и расчет боковых сегментов охвата.

В работах М. Вильямса были проанализированы сотни комбинаций микрофонов с различными характеристиками направленности и построены номограммы, позволяющие рассчитать необходимое расстояние между микрофонами в зависимости от заданного угла охвата источников при записи.

Один из примеров расчета для кардиоидных микрофонов представлен на рис. 19 для передней группы микрофонов.

Рис. 19. Пятиканальная конфигурация центральных микрофонов в соответствии с таблицей М. Вильямса

Пользуясь этими таблицами, можно составить различные варианты из передних и тыловых групп микрофонов. В последних работах, представленных на 118 конгрессе AES, М. Вильямс продемонстрировал результаты анализа возможных конфигураций микрофонов для пятиканальных систем, обеспечивающих зоны покрытия выше и ниже горизонтальной плоскости, что может быть обеспечено выбором соответствующего сдвига микрофонов относительно друг друга не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости.

Следующим примером «главной» микрофонной системы, выполненной в соответствии с рекомендациями М. Вильямса, является пятимикрофонная система INA-5 (рис. 20), собранная из кардиоидных микрофонов, которые могут двигаться, поворачиваться и их диаграммы направленности могут варьироваться. Промышленная реализация такой системы показана на рис. 21.

Рис. 20. Микрофонная система типа INA-5

Рис. 21. Микрофонная система звукозаписи Atmos 5.1

Эти данные относятся только к передним микрофонам, задние должны быть расположены под углом, равным углу охвата источников.

Вторая группа микрофонных пятиканальных систем предполагает использование трех передних микрофонов для создания точного мнимого фронтального образа, а задних микрофонов – только для схватывания «окружающего» пространства. Обычно для этого применяется известная комбинация трехканальных передних микрофонов, используемых в стереофонии, и к ней добавляются два микрофона с различным расположением в пространстве, обеспечивающих декоррелированную запись реверберации в помещении.

Рис. 22. Микрофонная система Fukada Tree

Примером может служить система Fukada Tree (рис. 22), где в качестве передней используется конфигурация типа Decca Tree (о которой было рассказано в предыдущей статье), только ненаправленные микрофоны заменяются кардиоидными с целью уменьшения количества реверберирующего звука, схватываемого передними микрофонами. Иногда добавляются два ненаправленных микрофона LL и RR с целью увеличения ширины охвата оркестра. В качестве задних микрофонов используются также кардиоидные и располагаются на «критическом» для данного помещения расстоянии. «Критическим» называется расстояние, на котором величины прямой и отраженной энергии равны друг другу. Величина критического расстояния зависит от времени реверберации (Т, с) и объема зала (V, м ³ ): rкр = 0,057 . Например, в лучших концертных залах мира, таких как Musikvereinssaal в Вене, оно равно 4,6 м, театре Национальной оперы в Париже – 5,4 м, Карнеги Холл в Нью-Йорке – 6,8 м, Альберт Холл в Лондоне – 10,6 м и т.д.

Расстояние между этими микрофонами может варьироваться в зависимости от ситуации. Выбор расстояния обеспечивает нужную декорреляцию между сигналами, что позволяет создать необходимое ощущение пространственности. Существуют варианты такой системы (например, используемые датской звукозаписывающей фирмой Polyhymnia Int.), где применяются только ненаправленные микрофоны, что, по мнению фирмы, улучшает общий пространственный эффект.

Рис. 23. Микрофонная система типа Hamasaki (NHK)

Японская радиовещательная корпорация NHK предложила другую микрофонную конфигурацию для записи Surround Sound (иногда ее называют системой Hamasaki), показанную на рис. 23: два кардиоидных микрофона размещены на расстоянии 30 см друг от друга и разделены экраном (типа диска Jecklin’a, о котором было рассказано в предыдущей статье). Центральный микрофон также с кардиоидной характеристикой направленности расположен немного спереди. Два боковых ненаправленных микрофона находятся на расстоянии 3 м друг от друга. Они фильтруются на частоте 250 Гц и подмешиваются к левому и правому центральным микрофонам, для улучшения пространственного воспроизведения низких частот. Микрофоны левый LS и правый RS расположены на расстоянии 2 – 3 м от центральных микрофонов и на расстоянии 3 м друг от друга.

Эта центральная конфигурация дополнена специальной комбинацией из четырех микрофонов с характеристикой направленности в форме восьмерки на расстоянии 1 м друг от друга, которая устанавливается с целью передачи общего пространственного ощущения зала достаточно высоко в глубине помещения, где происходит запись.

Рис. 24. Трехканальная передняя система микрофонов OCT

Немецким институтом IRT была предложена новая система микрофонов (затем реализованная фирмой Schoeps как конфигурация OCT-Optimum Cardioid Triangle), представляющая собой конструкцию (рис. 24), в которой предлагается использовать центральный кардиоидный микрофон и два боковых суперкардиоидных микрофона, дополненных ненаправленными микрофонами, сигнал которых фильтруется на частоте 100 Гц и подмешивается к левому и правому каналам, кроме того, сигнал центрального микрофона также фильтруется ФВЧ на частоте среза 100 Гц. Поскольку суперкардиоида более направленная характеристика, чем кардиоида, и имеет наибольшее отношение прямой /отраженный звук, такая конфигурация обеспечивает наилучшее разделение между каналами.

Рис. 25. Тыловая комбинация микрофонов IRT Cross

Для схватывания окружающего пространства была предложена комбинация из четырех кардиоидных (или ненаправленных) микрофонов (рис. 25), расстояние между которыми выбирается в зависимости от желаемой степени корреляции между каналами. Такая комбинация получила название IRT Cross.

Кроме вышеперечисленных разнесенных микрофонных систем для записи, в Surround Sound применяются сдвоенные системы типа MS: боковые центральные каналы формируются с помощью сложения или вычитания сигналов от двух микрофонов М (ненаправленный или кардиоидный микрофон) и S (с характеристикой направленности типа восьмерка), центральный канал обеспечивается сигналами от микрофона М. В некоторых системах используется дополнительный пятый микрофон специально для центрального канала. Задняя пара микрофонов MS должна располагаться на расстоянии больше критического, и сигнал на нее должен подаваться с задержкой 10 – 30 мс.

Рис. 26. Псевдобинауральная техника

Интересная конфигурация была предложена фирмой Telarc, где используются «искусственная голова» Neumann (рис. 26) и две пары MS микрофонов, включенных между каналами левым центральным и тыловым L и LS, а также правым центральным и тыловым R и RS. Получается некоторая смесь бинауральной стереофонии и стереофонии Surround Sound, что позволяет создать достаточно любопытные пространственные эффекты.

На 118 конгрессе AES специалистами из английского Университета Surrey были представлены результаты сравнительного анализа перечисленных выше микрофонных систем с точки зрения технического обеспечения записей и их субъективной оценки. Для анализа были выбраны четыре комбинации передних микрофонов и две тыловые, используемые в указанных выше системах. В качестве передних применялись комбинации трех микрофонов типа INA, Fukada Tree, OCT, NHK (Hamasaki), в качестве тыловых – четыре микрофона системы NHK или просто две разнесенные кардиоиды.

Запись производилась в большой акустической студии размером 17 х 14,5 х 6,5 м (передняя центральная группа микрофонов устанавливалась на расстоянии 7 м от источника звука, тыловая – на расстоянии 14 м). Запись выполнялась как отдельных инструментов (рояля, скрипки, тромбона, клавесина и др.),так и различных ансамблей и голоса. Пример установки микрофонов при записи клавесина показан на рис. 27.

Рис. 27. Установка микрофонов в студии

Полученные записи проходили субъективную экспертизу, обобщенные результаты экспертиз приведены на рис. 28.

Рис. 28. Сравнительная субъективная оценка различных микрофонных систем

Как видно из этих данных, наибольшее предпочтение для передней группы микрофонов получила комбинация Fukada Tree. Эта техника обеспечивала хорошее пространственное впечатление (вероятно, за счет большей разнесенности микрофонов), уверенную локализацию по глубине, хороший тембральный баланс. Второе место заняла конфигурация INA, у нее несколько хуже локализация, но зато она обеспечивает «открытость» звука и приятный тембр, может быть рекомендована для записи сольных инструментов. Конфигурация OCT обеспечивала хорошую локализацию, но источники казались слишком узкими. Возможно, она лучше подошла бы для записи больших ансамблей и оркестра при близком расположении.

Сравнение тыловых комбинаций микрофонов дает несомненные преимущества для комбинации из четырех микрофонов NHK (Hamasaki), поскольку она обеспечивает наилучшее ощущение пространственности, создает более стабильный звуковой образ, более когерентное смешивание с передними микрофонами. Эксперименты эти предполагается продолжить для оценки влияния различных типов микрофонов, для более широкого класса источников и более широкого сочетания различных комбинаций микрофонов. Однако уже сейчас очевидно, что предложенные комбинации «разнесенных» микрофонных систем могут уверенно использоваться в технике звукозаписи для систем Surround Sound типа 5.1 и др. Поиски различных комбинаций микрофонов продолжаются, не исключено, что по мере накопления опыта работы могут быть предложены и другие варианты таких систем.

Необходимо отметить, что не только выбор конфигурации микрофонов для записи в технике Surround Sound представляет трудности, но и отработка технологии многоканального панорамирования. Законы панорамирования, отработанные для стереосистем, т.е. при воспроизведении через два громкоговорителя, здесь оказываются не удачными, так как звук от тыловых громкоговорителей значительно изменяется по спектру за счет дифракции на ушных раковинах. Один из вариантов выбора коэффициента усиления для пятиканальной комбинации микрофонов и громкоговорителей, в которой передние громкоговорители расположены под углом + / - 30 ⁰ относительно центрального, а задние – под углом + / - 110 ⁰, показан на рис. 29.

Рис. 29. Баланс между громкоговорителями в пятиканальной системе

В настоящее время проводятся интенсивные исследования законов панорамирования, основанных на различных психоакустических принципах, однако эту технологию еще нельзя считать окончательно отработанной.

Кроме описанных выше дополнительных дальних (room) микрофонов для получения реверберационного отклика помещения, основная микрофонная система может дополняться ближними микрофонами для придания ясности, сигнал которых при сведении обычно подвергается задержке, компенсирующей запаздывание звукового сигнала:

T [сек] = L[м]/340 [м/с]

Запись главной системой (и, тем более дальними микрофонами) возможна только в помещении с достаточно хорошей акустикой, поэтому, при низком бюджете, все чаще предпринимаются попытки получить «сухой» звук ближних микрофонов без основной микрофонной системы. Использование только ближних микрофонов ведет к взаимным задержкам, которые невозможно компенсировать, что требует использования дополнительных акустических и электронных методов для снижения проникновения сигнала между каналами.