2.5. Прием электрических звуковых сигналов и преобразование их в акустические колебания

После того как звук записан и обработан, он поступает в аппаратуру, находящуюся у слушателя дома. На последней стадии звуковоспроизведения обработка звукового сигнала проводится в очень ограниченных масштабах, поскольку в аппаратуру слушателя поступает сигнал, пригодный к преобразованию в звук. Обычно этот сигнал является двухканальным, и домашняя музыкальная установка должна быть спроектирована так, чтобы в ней воспроизводились отсутствующие в записи реверберационные сигналы. Фронтальный реверберационный сигнал обычно вводят непосредственно в запись, а отраженные сигналы, приходящие с боковых направлений и сзади, должны быть синтезированы. В результате создается эффект присутствия в зале, хотя настоящий реверберационный сигнал, приходящий сзади, при записи утрачивается. В квадрафонических системах этот недостаток пытаются восполнить введением пары каналов заднего эхо-сигнала, но, как правило, основная информация по-прежнему извлекается из двухканальной записи. Только в системе с четырьмя раздельными каналами (в бытовых условиях такие системы почти всегда основываются на специальных 4-дорожечных магнитофонах) можно получить реальные эхо-сигналы, приходящие сзади. Матричная квадрафопия имеет ограниченные возможности при имитации акустики концертного зала, поскольку дополнительные сигналы образуются в основном как суммы и разности основных, а задержанные эхо-сигналы отсутствуют.

Ощущение замкнутости пространства возникает на основе восприятия отражений, пришедших с разных направлений и с разными задержками. Эксперименты с использованием искусственно созданных эхо-сигналов показали [128], что добавление к основному сигналу задержанных копий сигнала, приходящих с боковых направлений, создает впечатление расширения источника сигнала или же увеличения размеров зала. В результате этих экспериментов было предложено использовать в качестве характеристики кажущихся размеров помещения отношение энергии сигнала, приходящего сбоку, к энергии сигнала, приходящего спереди за первые 80 мс после прямого звука. Хотя звук, создаваемый фронтальными громкоговорителями стереофонической системы, содержит реверберационный сигнал, а также подвергается дополнительной реверберации в комнате, энергия боковых ре-верберационпых сигналов получается очень низкой. Стены помещений хорошо поглощают звуковые волны, и поэтому эхо быстро затухает. Таким образом, независимо от величины эхо-сигнала, включенного в основную запись, для создания полного ощущения пространства необходимы какие-то дополнительные меры.

Стереофоническое звуковоспроизведение может дать только ограниченное ощущение пространства.

Независимо от направления, с которого отраженный звук приходил к микрофону во время записи в зале или в студии, при воспроизведении в домашних условиях реверберационный сигнал исходит от фронтальных громкоговорителей. Эта реверберация необходима для создания впечатления, что музыка, исполняется в большом хорошем концертном зале, но она не может создать у слушателя ощущения, что он сам находится в этом зале. Слушатель как бы заглядывает в зал, но не сидит в нем. Стереофоническая музыка на слух воспринимается так, как если бы слушатель находился в небольшом фойе, соединенном с залом открытой дверью. Этот эффект наиболее заметен при прослушивании церковной музыки и наименее заметен в записях камерной музыки.

Пространственные и временные свойства воспринимаемого слухом звукового поля весьма сложны. Различия в моментах прихода и громкостях звуков от фронтальных громкоговорителей позволяют слушателю локализовать сигналы [58]. Эхо-сигналы, приходящие с небольшими задержками и с разных направлений, создают ощущение замкнутости пространства [62]. Отраженные сигналы, приходящие с большой задержкой, помогают почувствовать размеры зала. В лучших концертных залах эхо-сигналы с боковых направлений начинают приходить через после прямого звука [65]. Примерно через 100 мс поток отражений становится весьма плотным и Эхо-сигналы приходят с частотой более . Время, за которое мощность реверберации уменьшается на ,60 дБ, называется временем реверберации; оно зависит от размеров зала и поглощательной способности стен зала и находящихся в зале предметов.

Одним из способов увеличения кажущегося объема помещения является создание боковых отражений акустическим путем. Часть громкоговорителей направляют звук по всем направлениям. Волны излученные в стороны, отражаются от стен и создают впечатление сильного источника звука, расположенного сбоку от акустической колонки. Часто такой прием дает вполне удовлетворительное ощущение большей ширины источника или большего объема комнаты. Однако это увеличение не слишком велико, так как обычно получается только одна сильная отраженная волна, которая приходит к слушателю с того же направления, что и первичная волна. Кроме того, эффект зависит от взаимного расположения колонок и мебели.

Чтобы создать полное ощущение пространства, в системе должны формироваться боковые отражения. Эти отражения по существу являются задержанными копиями основного сигнала, и их не надо записывать или передавать. При воспроизведении записи можно предусмотреть в системе обработки необходимые задержкп и подавать задержанные сигналы на специальные громкоговорители

имитирующие отражения. При этом комната будет казаться гораздо больше, чем она есть.

Система имитации акустики концертных залов была построена Болтом, Беранеком и Ньюмэном [60, 61] на основе -канальной системы, воспроизводящей структуру звукового поля, которое слушатель почувствовал бы, сидя в зале.

Рис. 2.21. Методика определения векторного импульсного отклика концертного зала. В данном примере 12 микрофонов с узкими диаграммами направленности были расставлены вокруг одного кресла. Источником возбуждающего импульса служил искровой разряд. Сигналы, получаемые во всех микрофонах, записывались для последующей обработки и анализа.

С помощью масштабной модели бостонского симфонического зала по 12 направлениям был измерен импульсный отклик акустической системы, в которой сцена рассматривалась как вход, а кресло слушателя — как выход. На рис. 2.21 поясняется процесс измерения. Искровой разряд создавал звуковой импульс (фактически получался двойной щелчок), служивший возбуждающим сигналом. С помощью 12 микрофонов с узкими диаграммами направленности записывали звук вблизи конкретного кресла в зале. Затем этот импульсный отклик моделировался с использованием многоотводной линии задержки, формировавшей начальный участок эхо-сигналов (т. е. слышимую реверберацию). Задержка в линии составляла а отводы соответствовали временным интервалам Сигналы с отводов подавались на вход -канальной системы с амплитудами,

подобранными так, чтобы аппроксимировать измеренный отклик. Конечный период процесса реверберации формировался посредством добавления сигналов с листового ревербератора или из реверберационной камеры.

Такое моделирование можно выполнить с помощью обыкновенной стереофонической записи. Сигналы из двух стереофонических каналов поступают на два фронтальных громкоговорителя и создают стереоэффект. Кроме того, оба сигнала складываются и подаются на входы 12 трансверсальных фильтров, каждый из которых питает соответствующий громкоговоритель. Такой метод моделирования был назван методом предельной верности (the ultimate hi-fi), поскольку звуковое поле, создаваемое вокруг слушателя, воспринимается так же, как звук в настоящем концертном зале. Слушатели, хорошо знающие бостонский симфонический зал, могли указать даже номер кресла [61].

В фирме Teledyne Acousitic Research для тех же целей была построена цифровая система задержки [129]. Для кодирования монофонического сигнала здесь использовалась -разрядная ИКМ. Квантованные отсчеты сигнала, взятые с частотой записываются в ЗУ с произвольным доступом емкостью 8192 слова, что позволяет создать задержку до 256 мс. В системе имеется 16 выходных каналов, причем в каждом регулируется задержка (с шагом 1 мс) и уровень сигнала. С приходом нового отсчета 16 отсчетов, соответствующих выбранным задержкам, преобразуются в аналоговые напряжения с помощью ЦАП и считываются через 16-канальный коммутатор.

Значения задержек выбираются согласно расчетным значениям времени запаздывания первых эхо-сигналов в прямоугольном помещении с размерами концертного зала. Каждый из 16 сигналов поступает на свой громкоговоритель. Громкоговорители расставлены вокруг слушателя в два яруса и каждый питается сигналом с задержкой, равной запаздыванию первого эхо-сигнала для данного громкоговорителя. Эта система отличается от системы Болта, Беранека и Ньюмэна тем, что в каждый громкоговоритель поступает только один эхо-сигнал, а не 12, и что моделируется некоторый объем, а не конкретный концертный зал. Долговременная часть реверберационного процесса к сигналу не добавляется, так как в большинстве записей реверберация вводится при составлении программы. Слушатели положительно оценили эту систему, поскольку она легко создает ощущение большого пространства, причем кажущийся объем легко изменяется регулировкой громкости и задержки сигналов.

Обе описанные системы являются исследовательскими установками. Применяемая в них аппаратура пока что слишком дорога для массового покупателя, но подобные устройства являются прообразом звуковоспроизводящих систем будущего. Для широкого потребления были, разработаны более простые системы.

В работе [57] показано, что задержка обоих стереофонических сигналов на 12 мс значительно улучшает ощущение объемности. Следует признать, что такая система несовершенна, но все же является шагом вперед. Кроме того, по мнению некоторых слушателей, она создает лучшее звучание, чем системы матричной квадрафонии [91]. Введение только двух, а не бесконечного множества эхо-сигналов по схеме, приведенной на рис. 2.22, также создает отчетливое впечатление расширения размеров источника звука и ощущение объемности пространства.

Если дискретные эхо-сигналы появляются с нужной задержкой, то они сливаются с прямым звуком и не воспринимаются как эхо [62], Поскольку в системе, предложенной Мэдсеном, задержки не очень велнки, то требования к объему памяти оказываются вполне умеренными даже при сравнительно высокой скорости создания информации.

Брлее совершенная система имитации акустики зала серийно выпущена фирмой Hybrid Systems; ее схема показана на рис. 2.23 [92], В отличие от системы Мэдсена реверберационные сигналы для боковых и задних громкоговорителей формируются из сигнала реверберации, присутствующего в основном стереосигнале, который воспроизводится через фронтальные громкоговорители. Сигналы из обоих каналов складываются и поступают на вход линии задержки, являющейся элементом рециркулятора, т. е. сигнал с выхода линии задержки подается на ее вход через цепь обратной связи. Принцип формирования реверберации в этой системе основан на получении импульсных откликов в рециркуляторе пр отсчетам основных стереосигналов. Поскольку реверберационные составляющие в соседних отсчетах основных сигналов можно считать некогерентными, то и выходные сигналы системы, предназначенные для питания задних громкоговорителей, также будут некогерентными. Основные стереосигналы в свою очередь состоят из суммы прямого сигнала и эхо-сигналов, обусловленных реверберацией. Тогда сигналы задних громкоговорителей будут содержать прямой сигнал и совокупность эхо-сигналов, которая образуется в виде свертки исходной (содержащейся в записи) реверберации и импульсной характеристики рециркулятора. Все четыре реверберационных сигнала представляются слушателю совершенно некогерентными.

Качество работы любой системы имитации эффекта присутствия зависит от того, насколько ее конструктор знаком с положениями психоакустики. В таких системах не дублируются процессы, происходящие в концертных залах, а образуются некоторые слуховые аналоги, которые создают у слушателя ощущение большого замкнутого пространства. Поскольку структура звукового поля, создаваемого рассмотренными выше системами, не зависит от архитектурных особенностей помещения, слушатель может по собственному усмотрению имитировать акустическую обстановку

(кликните для просмотра скана)

и подстраивать ее даже применительно к конкретному музыкальному произведению. Некоторые из слуховых эффектов, создаваемых системой, вообще невозможно получить в обстановке реального концертного зала. Таким образом, обработка сигналов дает возможность копировать известные акустические эффекты и создавать новые, и поэтому в будущем она станет важной частью процесса звуковоспроизведения.