Перейти к содержимому

Добро пожаловать

Присоединяйтесь к нам сейчас, чтобы получить доступ ко всем функциями форума. После регистрации и входа в систему вы сможете создавать темы, отвечать на сообщения, оценивать темы, выставлять репутации другим пользователям, получать свои собственные личные сообщения, и многое другое. Все это быстро и совершенно бесплатно.

 
 

 

 

 


  • Авторизуйтесь для ответа в теме
В этой теме нет ответов

#1 Elijah_Glama

Elijah_Glama

    Администратор

  • Администраторы
  • 516 сообщений
  • ГородКиев

Отправлено 04 Май 2015 - 07:39

Автор: 
 Ирина Алдошина
Дата первой публикации: 
 сен 2011

Стереосистемы микрофонов.

С момента появления звукозаписи и начала широкого использования ее в кино, на радио и телевидении одной из основных проблем была и остается передача естественности тембров и пространственного ощущения звучания, которое возникает у слушателя, находящегося в первичном зале (концертном, театральном и др.).

Ощущение "пространственности" звучания в помещении складывается из "окруженности" слушателя звуком со всех сторон, формируемой за счет прихода прямого и отраженных звуков с разных направлений, соотношение уровней которых зависит от объема, формы, обработки стен помещения и др., а также из восприятия "протяженности" оркестра как единого звукового источника, которое зависит от степени коррелированности (близости) сигналов, приходящих на левое и правое ухо, уровня боковых отражений и др. Все это формирует "акустическую атмосферу" зала и помогает слушателю выделить интересующий его инструмент (это свойство называется "прозрачностью" звучания), а также оценить расположение отдельных инструментов по фронту и глубине.

Восприятие этой атмосферы происходит в первую очередь благодаря способности слуха к бинауральной локализации звуков в трехмерном пространстве: в горизонтальной плоскости (за счет оценки временной и интенсивностной разности сигналов), в вертикальной плоскости (за счет учета изменений спектральных составляющих звука из-за дифракции на голове и ушной раковине) и по глубине (за счет изменения уровня сигнала, изменения спектральных характеристик и оценки соотношений уровней прямого и отраженного сигналов). Кроме того, оценка тембра, прозрачности, общей атмосферы зала происходит за счет сложных процессов в высших отделах слуховой системы по выделению звуковых потоков, формированию музыкальных образов и др.

На первом этапе развития звукозаписи использовалась монофоническая запись, то есть запись производилась одним микрофоном, передавалась по одному каналу и воспроизводилась через один громкоговоритель. В этом случае не удавалось передать пространственные характеристики звука в первичном зале, поскольку прямые и отраженные звуки, записанные одним микрофоном, приходили к слушателю через один громкоговоритель, то есть из одной точки, а, как уже было сказано ранее, для возникновения ощущения пространственности необходимо, чтобы отраженные звуки поступали с разных направлений к слушателю (от боковых стен, потолка и др.), именно это и дает возможность оценить "протяженность" источника и "окружение" звуком. При этом также утрачивалась "прозрачность" звучания, то есть разделимость инструментов. Попытки улучшить качество монофонических систем проводились на протяжении длительного времени, предлагались системы моноамбиофонические, псевдостереофонические и др., в которых запись производилась с помощью нескольких микрофонов, воспроизведение происходило через систему распределенных громкоговорителей и т. д., но поскольку передача сигнала шла через один канал, принципиального улучшения в передаче пространственной информации не происходило.

В 30-40-годы начались первые эксперименты по созданию систем стереозвука (Harvey Fletcher, фирма Bell Labs, США), что было существенным шагом вперед в процессе передачи пространственных ощущений в записи, поскольку позволяло записать звук с помощью двух микрофонов, передать его по двум каналам связи и воспроизвести через два громкоговорителя. Это в значительно большей степени передавало ощущение пространственности, прозрачности и естественности звучания, при этом источники звука могли быть локализованы как по фронту на линии, соединяющей громкоговорители, так и по глубине (за счет передачи информации о реверберационном процессе в помещении). Субъективные экспертизы показали значительную предпочтительность слушателями качества звучания при стереофонических передачах по сравнению с монофоническими.

Впервые идея использовать специальную систему из двух совмещенных микрофонов для записи стереосигналов была предложена в 1931 году Аланом Блюмляйном (Alan Blumlein), одновременно с этим на фирме Bell Laboratory была разработана система разнесенных микрофонов (Harvey Fletcher), с помощью которой были сделаны первые экспериментальные записи филадельфийского оркестра.

С середины 80-х годов ХХ века, когда стал активно внедряться цифровой звук, появились новые возможности в передаче пространственности звучания. В настоящее время активно развиваются такие системы записи, передачи и воспроизведения звука как Dolby Digital, Binaural, Ambiophonic, Wave Field и др. Соответственно, для обеспечения многоканальной записи разрабатываются специальные микрофонные системы для пространственного звука, особенно много новых систем появилось за последние годы.

Большинство промышленно выпускаемых в настоящее время микрофонных стереосистем можно разделить на следующие группы:
- раздельные стереосистемы (АВ, DIN, NOS, ORTF, Baffled);
- совмещенные стереосистемы (XY, MS, Blumlein);
- "верхние" стереосистемы (Overhead);
- системы типа "искусственной головы" (Head related);
- бинауральные стереосистемы (Binaural).

Специальные микрофонные системы, созданные для пространственного звука, будут представлены во второй части этой статьи.

Раздельные микрофонные стереосистемы
AB. При записи с помощью такой системы по фронту перед исполнителями устанавливаются два (или несколько включенных на один канал) одинаковых по чувствительности и направленности микрофона на некотором расстоянии друг от друга, так чтобы каждый канал мог работать на свою зону. Акустические оси микрофонов могут быть параллельными или развернутыми. Микрофоны могут быть как ненаправленными, так и направленными (например, две кардиоиды или две восьмерки). Общая схема записи показана на рис. 1. Пример промышленной реализации системы АВ показан на рис. 2. Поскольку основное влияние на локализацию при такой записи оказывает сдвиг по времени между звуковыми волнами от различных источников (так как при ненаправленных микрофонах разница по интенсивности будет только из-за разницы расстояний между левым и правым микрофоном до источника, и она не очень значительна, особенно на низких частотах), то систему относят к "временной стереофонии", хотя, если применять направленные микрофоны, то можно получить и более значительную разность по интенсивности, что сделает локализацию более отчетливой. Преимущества такой микрофонной системы заключаются в том, что она достаточно хорошо передает пространственную панораму в звукозаписи.

8x50avmr2418.jpg

 

o04lis62oj14.jpg

Однако, как показали экспериментальные исследования системы АВ, она обладает определенными недостатками, а именно: не точно передает информацию о позиции первичного источника звука при его перемещении и о скорости его движения. При движении реального источника звука (например, солиста вдоль сцены) аналогичное перемещение мнимого источника во вторичном помещении наблюдается только в достаточно узкой зоне. При увеличении отношения расстояния до микрофонов от источника (Y) к ширине базы между микрофонами (ВМ) искажения будут возрастать (например, когда Y/ВМ=1 искажения составят 50%, то есть мнимый источник будет проходить только половину пути вместе с реальным источником, а затем окажется локализованным в правом (или левом) громкоговорителе, хотя реальный источник будет продолжать двигаться). При этом будет происходить и искажение скорости движения реального источника. Результаты измерений показывают, что для расширения зоны правильной передачи движения звукового источника надо уменьшить отношение Y/ВМ, например, при Y/ВМ=0,1 правильность передачи движения будет составлять 75% пути. Однако возможности таких изменений ограничены, поскольку при уменьшении расстояния между микрофонами и источником (Y) возрастают искажения по глубине; при использовании ненаправленных микрофонов они меньше, чем при применении направленных микрофонов (кардиоидных или с характеристикой направленности "восьмерка"), но у двух последних повышается уровень низких частот за счет "эффекта близости". При этом искажения по глубине увеличиваются при движении источника от краев к центру (то есть центральные источники кажутся более удаленными). Кроме того, поворот микрофонов в системе АВ друг от друга также приводит к увеличению искажений по глубине, но при этом расширяется зона правильной передачи фронтального движения источника. Увеличение расстояния между микрофонами (ВМ) может приводить к нарушению музыкального баланса, то есть преувеличению громкости боковых источников и ослаблению центральных (провал середины, например, он имеет место при расстоянии между микрофонами больше 1 м, что на практике для двух микрофонов не используется, обычно применяемое расстояние 50-60 см). С уменьшением расстояния между микрофонами угол охвата расширяется, однако при приближении микрофонов на расстояние меньше 40 см стереоэффект практически исчезает. Выбор параметров системы АВ (расстояния между микрофонами, характеристик направленности и угловой ориентации, расстояния до источника звука и др.) — задача неоднозначная, зависит от особенностей ансамбля, жанра произведения и др. По совокупности искажений по фронту и глубине лучшим в системе АВ считается вариант с кардиоидными микрофонами. Изменяя значения Y/ВМ, в зависимости от поставленной творческой задачи можно подчеркнуть фронтальное или глубинное положение источника звука или усилить пространственность звучания.

Следует отметить, что в случае использования системы АВ возникают проблемы при необходимости совмещения записи в одну монофоническую фонограмму — из-за наличия временных сдвигов между канальными сигналами при совмещении появляются интерференционные искажения. Стереосистемы АВ используются, в основном, для передачи ощущения пространства (за счет натуральных реверберационных процессов в помещении). Для точной локализации отдельных источников внутри ансамбля система АВ менее полезна. Обычно система АВ используется с дополнительными центральными или совмещенными стереомикрофонами (например, типа XY и МS).

В практике звукозаписи используется также особая группа раздельных микрофонных стереосистем, в которых микрофоны размещены на близком расстоянии друг от друга (17-20 см), примерно равном диаметру головы. С одной стороны, это сохраняет "воздух", делает более открытым звук, с другой — обеспечивает лучшую совместимость с моно, так как разность фаз (то есть разница по времени прихода сигнала на каждый микрофон) незначительна и существенно сказывается только на высоких частотах.

К числу наиболее распространенных систем такого типа относятся ORTF, DIN, NOS и Baffle.

ORTF (Office de Radiodiffusion Television Francaise — французское национальное агентство по радиовещанию) использует два кардиоидных микрофона, разнесенных на 17 см под углом 110 град между капсюлями (рис. 3). Размещение микрофонов соответствует расстоянию между ушами, а угол моделирует теневой эффект человеческой головы. Поскольку здесь используется как различие между сигналами по интенсивности, так и по времени (последнее становится существенным на частотах выше 1000 Гц), эта техника создает четкий стереообраз, хорошую локализацию источников, обеспечивает угол охвата 95 град, сохраняет ощущение "открытости" и др., поэтому она широко используется в практике звукозаписи.

jgs1h3eyn7ac.jpg

DIN (Deutsche Institute fur Normung — немецкий институт стандартизации) также является разновидностью системы АВ. Стереообраз создают два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 90 град на расстоянии 20 см. Система создает временной и интенсивностно-разностный стереосигнал, обеспечивает угол охвата порядка 115 град, она полезна для записи на близких расстояниях, например, пианино, малых ансамблей и др.

NOS (Nederlandsche Omroep Stichting — радио Нидерландов) использует два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 90 град на расстоянии 30 см друг от друга. Стереообраз также создается с помощью комбинации интенсивностной и временной стереофонии (поскольку здесь больше расстояние между микрофонами, чем у ORTF, разница по времени начинает сказываться уже с 250 Гц, что создает проблемы при необходимости совмещения с монопередачей). Эта техника используется, в основном, на близких расстояниях для записи малых ансамблей (угол охвата меньше 80 град).

Baffle (стерео с экраном) — разнесенная микрофонная стереотехника, использующая акустический поглощающий экран. Экран размещается между двумя микрофонами в разнесенных стереосистемах, например, типа ORTF. Поглощающий эффект экрана оказывает положительное влияние на затухание звука от источников вне оси и улучшает разделение каналов. Одна из широкоизвестных экранированных стереосистем Jecklin Disk (по имени ее изобретателя — Jurg Jecklin) использует два ненаправленных микрофона, размещенных на расстоянии 16,5 см, и специальный акустически обработанный диск диаметром 28 см, размещенный между ними (рис. 4). Реальные преимущества такой системы проявляются при ее установке на относительно большом расстоянии от источника, где имеется баланс между прямыми и отраженными сигналами в помещении, которые хорошо "схватываются" ненаправленными микрофонами, что особенно ценно в "сухих" помещениях с малым временем реверберации.

g8yocqatvymw.jpg

Попытки найти оптимальные соотношения между расстояниями и углами установки микрофонов продолжаются все время. Обобщая полученные результаты таких работ, Michael Williams построил полезную номограмму (рис. 5), позволяющую установить связь расстояния и угла между микрофонами и эффективного угла охвата источников при записи (угол охвата является параметром кривых).

tkg0dy1buqoy.jpg

Совмещенные микрофонные стереосистемы

Эта техника стереозаписи предполагает использование двух направленных микрофонов, расположенных в одной точке (практически они устанавливаются друг над другом, пример конструкции показан на рис. 6). Ширина стереообраза зависит от формы характеристик направленности микрофонов, их угла разворота и выбора места установки. В этих системах используется только интенсивностная разность сигналов в каналах, временные (фазовые) различия в них отсутствуют, поскольку расстояния от источника звука до обоих микрофонов одинаковы. Некоторые специалисты считают, что такая техника не обеспечивает достаточной пространственности, но дает четкий и сухой звук. Наиболее известные системы такого типа: XY, MS и Blumlein.

XY. В этой системе используются два направленных микрофона (две кардиоиды, две суперкардиоиды или две восьмерки), установленные на одной оси. Акустические оси микрофонов повернуты и образуют некоторый угол, чаще всего в пределах 60-130 град, в зависимости от размеров звукового источника и расположения микрофонной пары.

Пример конструкции стереомикрофона фирмы Neumann показан на рис. 6. Стереофонический эффект возникает здесь за счет разностей интенсивностей сигналов от источника (так называемая "интенсивностная "стереофония). Система XY дает правильное соответствие мнимого и реального источников, если он находится в определенных угловых пределах. Связь между углом разворота микрофонов (стереоуглом) и углом охвата при записи показана на рис. 7 для кардиоидных и суперкардиоидных микрофонов. Благодаря отсутствию в сигналах левого и правого каналов временных сдвигов, система XY обладает хорошей совместимостью с монофонической системой. В этой системе должны выполняться жесткие требования к остроте и идентичности характеристик направленности микрофонов (иначе не удается получить разность по интенсивности), кроме того, у направленных микрофонов проявляется "эффект близости" при приближении к источнику. Поэтому часто используются более направленные микрофоны (супер- или гиперкардиоидные), поскольку их можно установить на большем удалении при сохранении отношения сигнал/шум. В этом случае "эффект близости" проявляется меньше, но и угол охвата у них будет меньше.

shl3bec38bfm.jpg

Однако при использовании этой системы также возникают искажения пространственной панорамы по глубине и по фронту (они будут рассмотрены совместно со следующей системой — MS).

MS. Эта система также содержит два совмещенных микрофона в одной точке, но с различающимися характеристиками направленности, сигналы которых подвергаются суммарно-разностному преобразованию. Обычно используются два совмещенных микрофона с характеристиками направленности круг-восьмерка или кардиоида-восьмерка (рис. 8). Название системы образовано первыми буквами слов Mittel (середина) и Seite (сторона). Напряжение на выходе микрофона М будет неизменным (если выбран ненаправленный микрофон) при любом положении источника, а напряжение с микрофона S определяется формой его характеристики направленности (восьмерки): при положении источника слева или справа оно будет максимальным, при положении в центре равно нулю. Поэтому при расположении источника под углом +90 град выходное напряжение будет равно сумме напряжений с микрофонов М и S, при положении источника под углом 0 град оно будет равно только напряжению с М-микрофона, а при положении -90 град оно равно разности напряжений с М- и S-микрофонов. В результате суммарно-разностного преобразования формируются сигналы в двух каналах передачи. Система MS требует введения в схему дополнительных узлов: суммарно-разностных преобразователей, стереорегуляторов направления и базы, но она имеет и ряд преимуществ перед системой XY, например, дает возможность легко регулировать как общую ширину базы, так и ширину отдельных участков, занятых группами исполнителей. MS-техника обеспечивает точную локализацию источников внутри ансамбля и очень полезна для записи движущихся источников звука. Она обеспечивает хорошую моносовместимость и гибкость при микшировании.

wyzdv6xkfuq8.jpg

Искажения по глубине в системах XY и MS больше, чем в системе АВ, они уменьшаются при удалении от источника звука. В отличие от системы АВ при смещении источника от центра к краям искажения возрастают (в системе АВ происходит наоборот) — слушателю кажется, что по мере смещения реального источника от центра базы к краю сцены мнимый источник удаляется в глубину.

В системах XY и MS также возникают искажения в передаче фронтального движения источника (по протяженности фронта и скорости движения), они зависят от вида характеристик направленности микрофонов, от расстояния до источника (чем оно больше, тем больше сокращение фронта, но меньше искажения скорости движения). Поворот микрофонов к оси вызывает увеличение искажений фронтального типа. Пространственная реверберация в таких системах проявляется значительно меньше, чем в системе АВ.

Поэтому довольно часто выбирается комбинированная система АВ и XY или MS.

Blumlein — совмещенная стереотехника (разновидность XY-стереофонии), использующая два микрофона с характеристикой направленности типа "восьмерка", установленных в одной точке под углом 90 градусов. За пределами определенного угла охвата смещение реального источника не сопровождается соответствующим смещением мнимого источника. Эта техника в настоящее время используется редко.

Overhead (микрофоны над головой)
За счет размещения микрофона выше музыкальных инструментов на большом расстоянии часто оказывается возможным получить более натуральный тембр, так как звуки от разных индивидуальных инструментов достигают микрофонов с более реальным распределением по времени, чем при их близком расположении. Кроме того, имеется возможность записать при этом несколько первых отражений в помещении, что больше соответствует естественному окружению инструментов.

Spaced Оmni — ненаправленные микрофоны устанавливаются на стойках перед исполнителем на высоте 1,2-2,4 м, для улучшения пространственности их иногда поднимаются на 3 м или выше. Эта техника дает глубину и хороший стереообраз, но может вносить фазовые искажения.

Decca Tree — эта техника была развита на британской студии Decca Records в середине 50-х и до сих пор еще используется. Три ненаправленных микрофона размещаются на стойках на 3-3,7 м выше и слегка позади головы дирижера. Они наклонены приблизительно на 30 град вниз по направлению к оркестру и установлены под определенным углом друг к другу: один направлен в центр, два других — под 45 град от центра (рис. 9). Расстояние между стойками правого и левого микрофона приблизительно 2 м, центральный микрофон сдвинут на 1,5 м вперед. Кроме того, два дополнительных ненаправленных микрофона располагаются по краям оркестра, обычно немного сзади, чтобы записать реверберацию зала. Эта техника дает реалистический стереообраз, обеспечивает хороший баланс между инструментами оркестра и позволяет записывать отдельно центральный канал, что полезно при микшировании в пространственных системах. В практике звукозаписи, особенно для кино, используются различные варианты конфигураций системы Decca Tree: варьируются расстояния между микрофонами, используются различные варианты характеристик направленности микрофонов, применяются в качестве центрального микрофона стереопары XY или MS,что позволяет четко локализовать стереообраз и подчеркнуть пространственность.

p3vd8a3ob6zr.jpg

Стереосистемы типа "искусственная голова"
При естественном прослушивании разница по времени и по интенсивности двух сигналов, приходящих на левое и правое ухо, формируется за счет разнесенности приемников на расстояние, равное диаметру головы, а также за счет дифракции на голове и ушных раковинах (а также на торсе), что позволяет слуховой системе формировать пространственный звуковой образ. Поэтому уже на протяжении длительного времени ведутся поиски микрофонных стереосистем, которые обеспечивали бы эти признаки похожим образом.

В 1991 году Guenther Theile предложил стереосистему, в которой два ненаправленных микрофона размещаются на твердой сфере диаметром 20 см, моделирующей акустическое поле вокруг человеческой головы. Диафрагмы микрофонов совмещены с поверхностью сферы. Геометрические размеры, используемые в этой технике (ее часто называют Theile Sphere), моделируют базовые пропорции человеческой головы, то есть междуушное время задержки. Пример конструкции такой микрофонной системы — Neumann KFM100, а также ее АЧХ (которая является равномерной, в отличии от искусственной или реальной головы) показаны на рис. 10. Аналогичную модель выпускает фирма Schoeps — KFM6U. Записи, сделанные с помощью этого устройства, звучат довольно реалистично в стереотелефонах, но имеют значительное окрашивание при воспроизведении через громкоговорители.

fzy2ibmfl695.jpg

Кроме того, есть стереосистемы, в которых используется модель искусственной головы (Dummy Head) с микрофонами, расположенными внутри слуховых каналов (рис. 11a). В таком приборе довольно точно моделируется форма головы и ушных раковин, а физико-механические параметры материалов выбираются таким образом, чтобы моделировать костную проводимость. В этой системе звуковой сигнал поступает на мембрану микрофона уже после обработки в раковине и слуховом канале, то есть он несет в себе закодированную информацию о пространственном положении источника, которую можно передать по двум каналам и воспроизвести через стереотелефоны. При этом слушатель получает достаточно точное пространственное ощущение первичного помещения. Однако необходимо, чтобы прослушивание происходило через стереотелефоны, при прослушивании через громкоговорители возникают перекрестные связи и пространственные ощущения разрушаются, для их восстановления необходимо использование специальных бифонических процессоров.

zlnwdq1r9c98.jpg

Искусственная голова — довольно сложное и дорогое устройство, которое производится только немногими фирмами, например: Neumann KU100, B&K 4128С, Head Acoustics Aachen Head, IRP KEMAR (рис. 11b). Каждая из этих моделей отличается определенными конструктивными особенностями, например, система 4128С дополнена моделью торса. Модель KU100 обладает следующими параметрами: частотный диапазон 20-20000 Гц, чувствительность 20 мв/Па, эквивалентный уровень звукового давления 16 дБ-А, максимальный уровень SPL при THD<0,5% равен 135 дБ, динамический диапазон 119 дБ.

 

Таким образом, все существующие стереосистемы микрофонов создаются с целью передачи в звукозаписи тембральной и пространственной информации максимально близко к естественному восприятию звука. Каждая из рассмотренных систем решает эту задачу с разной степенью приближения. Наилучшее приближение достигается при записи на искусственной голове, но здесь возникают проблемы при воспроизведении, так как для воссоздания пространственной информации требуется прослушивание через стереотелефоны, при использовании громкоговорителей необходима дополнительная процессорная обработка. Однако следует отметить, что если запись с помощью микрофонных стереосистем пассивно фиксирует физические различия сигналов в стереоканалах, то слуховая система производит активную обработку информации в высших отделах коры, что позволяет ей отличать прямые звуки от отраженных, восстанавливать размеры помещения по отраженным звукам, производить локализацию по первому звуку (маскируя последующие, приходящие в течение 30-50 мс), выделять и распознавать отдельные источники в ансамбле и многое другое, что, естественно, ни одна микрофонная система сделать не может.







Темы с аналогичным тегами Алдошина, микрофоны, стереопары, виды стереопар, звукорежиссура

Количество пользователей, читающих эту тему: 0

0 пользователей, 0 гостей, 0 анонимных