О стереофонической звукозаписи

В дебрях микрофонной техники

 

Можно надеяться, что аудиофилы в конце концов, будут так же требовательны к звуковому качеству оборудования и микрофонной технике, применяемых при звукоза­писи, как и к качеству своей домашней аудиоаппаратуры.

Прежде всего, в буклетах, прилагаемых к компакт-дис­кам, должна появиться информация о том, с использова­нием какой микрофонной тех­ники делалась запись, с каки­ми соединительными кабеля­ми, усилительной и микшерной техникой, цифро-анало­говыми конверторами, запи­сывающей аппаратурой, како­вы акустические параметры студии звукозаписи.

Что касается электронного оборудования, то производи­тели звукозаписей уже делают робкие шаги в направлении high end, однако в области микрофонной техники царят разброд и шатание. Причина этого в том, что совершенная микрофонная техника стереозаписи пока еще не создана. По этой причине выпускае­мые на рынок записи пред­ставляют собой рожденный звукорежиссером - в муках - компромисс между реализ­мом передачи натурального звучания и его иллюзией.

Нам кажется, что знакомст­во с техникой звукозаписи, и, прежде всего с микрофонны­ми системами, поможет аудиофилу спуститься с небес на землю и научиться соотносить возможности стереозаписи с качеством звучания своей до­машней аудиосистемы.

Если не считать массовых случаев иррационального, „алхимического” применения микрофонной техники, в стереозаписи наметились две непро­тиворечивые, с точки зрения акусти­ка, тенденции.

Первая - это использование инди­видуальных микрофонов, улавливаю­щих прямой звук от акустически изо­лированных друг от друга музыкаль­ных инструментов (или групп инструментов) в условиях сильно заглушен­ной студии. Звук записывается в этом случае на многоканальный магнито­фон, то есть сигнал от каждого мик­рофона записывается на отдельную звуковую дорожку. Записанные сиг­налы обрабатываются в „компьютер­ном пространстве”, имитирующем акустические свойства „идеального” зала, после чего из них синтезируют два стереосигнала.

Возможности этого метода неогра­ниченны, однако его разработка еще только началась.

Вторая тенденция - это использо­вание только двух микрофонов, кон­структивное оформление которых по­зволяет улавливать временные (фазо­вые) и/или интенсивностные разли­чия ушных сигналов[1]. Запись в этом случае должна производиться в безу­пречном, с акустической точки зре­ния, концертном зале или студии. Яс­ность и прозрачность звучания стерео­записи достигаются тщательным под­бором акустических условий в студии и хорошим стереофоническим разре­шением, которое обеспечивается пра­вильно выбранной стереомикрофонной техникой. При сочетании одного с другим открывается возможность удалять микрофоны на расстояние, при котором без применения вспомо­гательных микрофонов получается удовлетворительный музыкальный баланс и хорошее пространственное впечатление.

Поговорим о технике двухмикро­фонной стереозаписи. Но сначала - о том, в какой мере в стереофонии мо­жет быть задействован пространст­венный слух.

 

СТЕРЕОФОНИЯ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ СЛУХ

Использование в стереосистеме только двух каналов продиктовано во­все не экономическими соображения­ми. Принцип стереофонической звукопередачи опирается на способность нашего мозга „конструировать” из сигналов двух громкоговорителей один или несколько фантомных ис­точников звука. Если сигналы от громкоговорителей одинаковые, то мы воспринимаем один фантомный источник, который локализуется точ­но посередине между громкоговори­телями. О том, насколько сигналы одинаковы, можно судить по так называемому коэффициенту когерент­ности. Сигналы считаются когерент­ными, если после совмещения их во времени и выравнивания масштаба по амплитуде они совпадут. Если сигна­лы совпадают частично, говорят о неполной когерентности. В этом случае область локализации фантомного ис­точника звука размывается. Некоге­рентные (или, как иногда говорят, статистически независимые) сигналы вызывают у слушателя ощущение, что фантомный источник распался на две зоны звучания, каждая из кото­рых локализуется у своего громкого­ворителя.

Если сигналы когерентны, но при этом громкость звучания громкогово­рителей различна, то фантомный ис­точник перемещается в сторону того громкоговорителя, который звучит громче. Эта особенность нашего вос­приятия используется, например, в ре­гуляторах стереобаланса. Важно заме­тить, что, как бы мы ни вращали руч­ку стереобаланса, фантомный источ­ник не выйдет за пределы пространст­ва между громкоговорителями.

Эффект перемещения фантомного источника звука можно создать и при одинаковой громкости звучания громкоговорителей - для этого нуж­но сигнал одного из них задержать во времени. В этом случае фантомный источник переместится в сторону того громкоговорителя, из которого звук приходит раньше. Чтобы таким спо­собом переместить фантомный источ­ник до предела (то есть правого или ле­вого громкоговорителя), необходимо задержать сигнал другого громкогово­рителя на 3 мс. Этот эффект наблюда­ется, когда в эксперименте использу­ются импульсные сигналы. Тональ­ные же сигналы вызывают у слушате­ля ощущение, что фантомный источ­ник блуждает. Как выяснилось, при­чиной этого является возникающая как в правом, так и в левом ухе интер­ференция прямого и перекрестного сигналов. Напомним, что сигнал из правого громкоговорителя попадает не только в правое ухо (прямой сиг­нал), но также, обогнув голову, - в левое (перекрестный сигнал). Если за­держка перекрестного сигнала отно­сительно прямого равна (или кратна) половине периода локализуемого зву­ка, то сигналы в зоне уха компенси­руются, а когда задержка равна или кратна целому периоду, то складыва­ются. При одинаковой громкости пря­мого и перекрестного сигналов возни­кает эффект так называемой гребенча­той фильтрации. Это означает, что звуковое давление у каждого уха на­чинает периодически изменяться в за­висимости от частоты сигнала, падая на определенных частотах до нуля. При длительности задержки около 3 мс гребенчатая фильтрация наблюдается, начиная с частоты 160 Гц и вы­ше. Если задержка между прямым и перекрестным сигналами для правого уха не равна аналогичной задержке для левого уха (этот случай соответст­вует смещенному вправо или влево фантомному источнику), то частоты пиков и провалов звукового давления у правого и левого уха не совпадут. Ощущаемая слушателем нестабиль­ность соотношения уровней ушных сигналов в этом случае воспринимает­ся как блуждание фантомного источника звука.

При восприятии реальных источ­ников звука (не фантомных) или при прослушивании стереозаписи через головные телефоны перекрестные сиг­налы не образуются и, как следствие, не возникает гребенчатая фильтра­ция. Локализация же источников звука происходит в соответствии с не­сколько иными закономерностями, чем те, которые мы рассмотрели вы­ше. Так, при локализации источни­ков звука в горизонтальной плоскости действуют три независимых и допол­няющих друг друга слуховых меха­низма:

1. временной (или фазовый); дей­ствует ниже частоты 1600 Гц и основан на различии между временем прихо­да сигнала от источника звука в одно и другое ухо, определяемом расстоя­нием между ушами. Максимальная разница во времени, соответствующая полному смещению источника звука вправо или влево, не может быть боль­ше 630 мкс;

2. интенсивностный (или уровневый); действует выше частоты 1600 Гц. Здесь работает различие интенсивностей сигналов для левого и правого уха, которое образуется при смещении источника звука вправо или влево от слушателя. Это различие возникает из-за ослабления интенсив­ности звука, направленного в проти­воположную от источника звука сто­рону, и объясняется экранирующим действием головы. В этом же диапазо­не частот слухом улавливается разни­ца между временем прихода огибаю­щей сигнала в одно и другое ухо;

3. частотный; действует выше ча­стоты 500 Гц. Базируется на различии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ушных сигналов, которое на­блюдается при смещении источника звука влево или вправо от центра и объ­ясняется действием дифракции звука вокруг головы и ушных раковин слу­шателя. Особенности АЧХ ушных сиг­налов позволяют нашему мозгу без­ошибочно определять направление на источники звука, расположенные не только спереди, но и сзади.

По обобщенным эксперименталь­ным данным, точность локализации источника звука в горизонтальной плоскости на частотах от 100 до 800 Гц составляет 1°, а на частотах от 1,4 до 4 кГц - 3°. Как оказалось, временной механизм локализации обеспечивает наибольшую разрешающую способ­ность. Наихудшее разрешение наблю­дается в области частоты перехода от временного к интенсивностному меха­низму локализации.

Человеческий слух обладает фено­менальной способностью локализовывать источник звука в так называемой медианной плоскости[2]. Для слушате­ля всегда ясно, где находится источ­ник звука - впереди, над ним или сза­ди него. По какому критерию слух оп­ределяет направление, в котором на­ходится источник звука? Понятно, что не по различию ушных сигна­лов - они в данном случае равны. Оказалось, что для слушателя призна­ком того, в каком направлении нахо­дится источник звука, является соот­ношение подъемов и провалов в АЧХ ушных сигналов на частотах 500 Гц, 2 и 8 кГц. Эти области частот принято называть пеленговыми полосами. Пе­рераспределение уровней пеленговых полос объясняется дифракцией зву­ковых волн на голове и ушных рако­винах слушателя.

Проще всего объясняется локали­зация источников звука в глубину.

Признаками того, насколько уда­лен источник звука от слушателя, яв­ляются

- уровень его громкости относитель­но других источников звука;

- степень затухания высоких частот;

- то, насколько размыта локализа­ция (в результате смешивания сигна­ла источника звука с реверберацией);

- соотношение между прямым зву­ком и реверберацией.

Из всего этого можно вывести глав­ные отличия восприятия „живого” ис­полнения музыки от прослушивания его через стереосистему. Во-первых, существенно различаются размеры воспринимаемого слушателем про­странства. При „живом” исполнении слушатель улавливает звуки, прихо­дящие отовсюду, для слушателя же стереосистемы это пространство сжа­то в горизонтальную плоскость, огра­ниченную с боков громкоговорителя­ми. Во-вторых, точность локализации источников звука при прослушива­нии через стереосистему заметно ху­же, чем при „живом” исполнении, из-за некорректного, как правило, ис­пользования микрофонной техники, а также из-за уменьшения когерент­ности стереосигналов. Ведь они про­ходят через сотни метров микрофон­ного кабеля, звукорежиссерский пульт и другое электронное оборудо­вание[3], включая вашу домашнюю аудиосистему.

Как отличие стереозаписи от „жи­вого” исполнения слушатель воспри­нимает невосполнимую потерю про­странственного впечатления, а, кро­ме того, потерю ясности (прозрачно­сти) звучания.

Объяснение последнего эффекта следует искать в механизмах так на­зываемой бинауральной маскировки. Наш мозг устроен так, что, когда два источника звука совмещены в про­странстве (например, при монозвуча­нии), источник более низкого по частоте звука маскирует (мешает слы­шать) более высокий по частоте звук другого источника. Если же источники звука разнесены в пространстве, эффект маскировки заметно ослабля­ется. Чем точнее локализуются источ­ники звука и чем больше угол, верши­ной которого является слушатель, а сторонами - воображаемые линии, соединяющие его с источниками, тем меньше маскировка и тем более яс­ным становится звучание источни­ков.

Благодаря бинауральной маски­ровке слушатель „живого” исполне­ния музыки легко различает голоса инструментов в оркестре и отделяет их от реверберации. Если же с этого слушательского места произвести стереозапись, то она, скорее всего, будет забракована как не соответствующая критерию „ясность”.

Получение ясной (прозрачной) зву­козаписи при не полностью задейство­ванных механизмах бинауральной маскировки - самая трудная задача для специалистов звукозаписываю­щих фирм. Отчасти они решают ее, со­вершенствуя акустику студии звукозаписи и стремясь оптимально разме­щать в ней музыкантов и микрофоны.

 

АКУСТИКА СТУДИИ ЗВУКОЗАПИСИ

„Живая” музыка, по мнению авто­ра, может принести наслаждение, только если она звучит в зале с превос­ходной акустикой. Качество звучания стереозаписи в еще большей степени зависит от акустических свойств по­мещения, в котором эта запись осуще­ствлена.

Рассмотрим, что привносит в зву­чание акустика студии звукозаписи и какие акустические условия в ней следует считать наилучшими.

Звуки, достигающие микрофона (или ушей слушателя), следует разде­лять на прямые (идущие непосредст­венно от источника) и отраженные от стен, пола и потолка студии. Резуль­татом многократных отражений и частичного поглощения их энергии внутренней поверхностью студии яв­ляется звуковой процесс, который принято называть реверберацией.

Если наблюдать за процессом ре­верберации в точке размещения мик­рофона, можно увидеть, что он разво­рачивается во времени, начиная с мо­мента прихода первых отражений (от ближайших к источнику стен, пола или потолка), и постепенно затухает после того, как источник перестает звучать. Первые, или ран­ние, отражения имеют дискретный характер (разделены во времени). Од­нако плотность отражений возраста­ет пропорционально третьей степени текущего времени, поэтому очень бы­стро процесс реверберации приобрета­ет непрерывный характер. Огибаю­щая реверберационного процесса до­стигает стационарного уровня, когда мощность, излучаемая источником звука, становится равной мощности, поглощаемой студией.

Стандартное время реверберации является главной константой, харак­теризующей акустическое качество студии, оно определяется как период времени (начиная с момента оконча­ния сигнала), в течение которого уро­вень реверберационного сигнала пада­ет на 60 дБ. Время установления ре­верберации (до половины установив­шегося значения ее интенсивности) равно 0,05 от величины времени ре­верберации.

Для формирования впечатления от звучания главным является участок затухания реверберации до -15 дБ. Слу­шатель воспринимает этот участок как отзвук помещения студии. Важно, что­бы на этом участке затухание ревербе­рации было плавным. Записанный на самописце уровня спад реверберации должен иметь вид наклонной прямой без изломов и периодических колеба­ний. Например, появление колебаний частотой от 16 до 40 Гц вызывает у слу­шателя ощущение жесткости звуча­ния. Время реверберации в студии должно иметь оптимальную величину, которая, в зависимости от объема сту­дии, может находиться в пределах от 0,5 до 2 с. Установлено, что в этих пре­делах опытный слушатель различает около 30 градаций времени ревербера­ции.

При оценке акустического качест­ва студии обязательно определяют за­висимость времени реверберации от частоты. Важно, чтобы эта зависи­мость была монотонной: области час­тот, где время реверберации больше среднего значения, слушатель вос­принимает как зоны окрашенного звучания. Область частот с „окра­ской” нельзя скомпенсировать, например, с помощью эквалайзера. До некоторой степени ее можно регули­ровать, меняя положение музыкантов и микрофонов, однако наилучшие ре­зультаты дает применение звукопо­глощающих элементов, настроенных на частоту „окраски” студии.

Рассмотренные параметры и ха­рактеристики реверберации относятся к студии в целом. Чтобы точно оп­ределить, где лучше всего разместить музыкантов и микрофоны, учитыва­ют дополнительно следующие пара­метры. Первый - это отношение ин­тенсивности прямого звука к интен­сивности вызываемой им ревербера­ции, взятое в точке предполагаемого размещения микрофона. Так как ин­тенсивность прямого звука определя­ется расстоянием от микрофона до ис­точника звука, а интенсивность ревер­берации практически не зависит от этого расстояния, отношением этих величин можно управлять, изменяя только расстояние между музыканта­ми и микрофоном (микрофонами).

Следующий параметр относится к определенному месту в студии. Для его вычисления обычно используют ос­циллограмму акустического отклика студии на выстрел из стартового пис­толета. Численное значение этого па­раметра определяется как отношение энергии прямого звука выстрела, вме­сте с отражениями за первые 80 мс, к энергии отклика студии за время, сле­дующее за этим интервалом. При опти­мальном размещении микрофонов относительно музыкантов и при соответ­ствующем ему времени реверберации студии упомянутое отношение энергий будет находиться в пределах от 1 до 2,5. Это отношение рассматривается саунддизайнерами как критерий ясности (разборчивости) звучания будущей за­писи.

И последний параметр - отноше­ние интенсивности отражений в сту­дии, приходящих из любого направ­ления (кроме того, в котором разме­щены источники звука), к интенсив­ности суммы прямого звука и отраже­ний, приходящих из того же направ­ления. Эта величина должна нахо­диться в пределах от 1,5 до 0,7 и рас­сматривается как критерий хорошего пространственного впечатления у слу­шателя от звучания музыки в студии. Я не оговорился - у слушателя: дело в том, что стереотехника не способна полноценно передать пространствен­ное впечатление от прослушивания „живого” исполнения, поэтому к последнему параметру саунддизайнеры относятся с осторожностью - в основ­ном для выбора наилучшего размеще­ния музыкантов в студии, то есть по­иска мест, где поле реверберации име­ет наибольшую диффузность. Если упомянутое отношение выбрано пра­вильно, то решающим для получения хорошего пространственного впечат­ления от записи становится правиль­ный выбор стереомикрофонной тех­ники.

 

ТИПЫ ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ЗВУКОЗАПИСИ МИКРОФОНОВ

Эра высококачественной электри­ческой звукозаписи началась после изобретения двух совершенных по своим характеристикам микрофонов: конденсаторного (Д. Оливер, 1930) и ленточного (Г. Олсон, 1931).

Они стали родоначальниками двух основных типов микрофонов, кото­рые до сих пор используются при зву­козаписи и отличаются друг от друга, прежде всего способом регистрации звукового поля. К первому типу отно­сят так называемые приемники давле­ния. В их число входит, в частности, конденсаторный микрофон Оливера. Ко второму типу - приемники гради­ента давления. Сюда относится и лен­точный микрофон Олсона. Сигнал на выходе приемника градиента давле­ния пропорционален разности давле­ний воздуха между передней и тыль­ной сторонами мембраны микрофона. Микрофоны - приемники давления имеют независимую от направления прихода звуковых волн чувствитель­ность.

Наглядно это можно представить с помощью так называемой характери­стики направленности - зарегистри­рованной в полярных координатах за­висимости чувствительности микро­фона (на определенной частоте сигна­ла) от угла поворота его оси относи­тельно направления на источник зву­ка. Характеристика направленности микрофона приемника давления име­ет форму круга, поэтому микрофоны этого типа часто называют круговыми (шаровыми) или всенаправленными (omni).

У микрофонов, которые являются приемниками градиента давления, вид характеристики направленности другой. Их характеристика имеет два инвертированных по фазе выходного сигнала максимума чувствительно­сти. Эти максимумы ориентированы в направлении оси микрофона, а ми­нимум чувствительности находится под углом 90° к этой оси. Характеристика направленности микрофонов этого типа напоминает восьмерку, по­этому их часто называют восьмерочными, или двунаправленными.

В помещении, где нет ревербера­ции, например в звукозаглушенной камере, действующее у мембраны всенаправленного микрофона звуковое давление и, соответственно, напряже­ние на его выходе изменяется обрат­но пропорционально расстоянию до источника звука. Например, при со­кращении расстояния между источником звука и микрофоном в два раза напряжение на его выходе увеличива­ется на 6 дБ.

При приближении к источнику звука микрофона - приемника гра­диента давления напряжение на его выходе увеличивается обратно про­порционально расстоянию до источника только на средних и высоких частотах.

На низких частотах (обычно ниже 200 Гц) напряжение растет быстрее. Это означает, что АЧХ этого типа мик­рофонов на близком расстоянии от ис­точника звука имеет подъем низких частот, который обычно достигает 10-15 дБ. Этот „недостаток” часто ис­пользуют эстрадные певцы. Для того чтобы подчеркнуть нижнюю форман­ту своего голоса, они не отрывают микрофон ото рта.

Отмеченная нами особенность восьмерочных микрофонов свойст­венна всем типам направленных мик­рофонов, в которых хотя бы частично задействован принцип действия при­емника градиента давления.

В современной технике звукозапи­си широко применяются еще четыре вида направленности микрофонов (кроме восьмерочной), которые фор­мируются за счет использования со­ставляющей градиента давления. Так, если приемник давления и при­емник градиента давления совместить в пространстве (иначе говоря, помес­тить в один корпус), а их сигналы сло­жить, то мы получим так называемый комбинированный микрофон, характеристикой направленности которого можно управлять, изменяя соотноше­ние суммируемых на его выходе сиг­налов.

Когда сигналы равны (при условии, что максимум чувствительности при­емника градиента давления ориенти­рован на источник звука), характери­стика направленности комбинирован­ного микрофона представляет собой кардиоиду (некоторым микрофонным фирмам она по форме, видимо, напо­минает почку, потому что эту характе­ристику иногда называют „почеч­ной”). В этой характеристике макси­мум чувствительности расположен с фронтальной, а минимум - с тыльной стороны микрофона.

Если сигнал от приемника градиен­та давления меньше, чем от приемни­ка давления, график характеристики направленности комбинированного микрофона имеет форму круга, при­плюснутого с одной стороны (соответ­ствующей тыльной стороне микрофо­на). Так выглядящую характеристи­ку направленности микрофона назы­вают субкардиоидой.

Если же сигнал от приемника гра­диента давления больше, чем сигнал от приемника давления, то характе­ристика направленности имеет вид кардиоиды, в точке минимума которой образуется дополнительный лепе­сток направленности. Этот лепесток тем больше, чем больше сигнал от приемника градиента давления. Ха­рактеристику направленности микро­фона с меньшим дополнительным ле­пестком называют суперкардиоидой, а с большим - гиперкардиоидой. Ха­рактеристики направленности рас­смотренных типов микрофонов см. на рис.1.

 

 

Комбинация приемника давления и приемника градиента давления - не единственный способ формирова­ния характеристики направленности микрофона.

Например, в двухмикрофонной стереотехнике получило распростра­нение формирование характеристики направленности за счет дифракции звуковых волн на объемном теле, в которое вмонтирован всенаправленный микрофон.

Направленные микрофоны исполь­зуют в студиях звукозаписи, прежде всего для формирования интенсивностных различий стереосигналов. Кро­ме того, их применяют для уменьше­ния в микрофонных сигналах состав­ляющей реверберации относительно прямого звука. Например, в случае применения суперкардиоидного или гиперкардиоидного микрофонов от­носительный уровень реверберации ослабляется на 5 дБ. Направленные микрофоны также применяют для то­го, чтобы „отстроиться” от мешающих источников звука (или шума).

 

ДВУХМИКРОФОННАЯ СТЕРЕОТЕХНИКА

Когда на концерте симфонической музыки вы видите много микрофонов, можете быть уверены, что качествен­ной записи этого концерта не полу­чится. Причин этому две. Во-первых, каждый установленный в зале микро­фон принимает звучание не только тех музыкальных инструментов, око­ло которых он установлен, в него так­же попадают звуки других инстру­ментов оркестра. Это явление получи­ло название „утечка” (leakage). Даже при правильном использовании ха­рактеристик направленности микро­фонов уровень утечки относительно уровня полезного сигнала составляет от -15 до -20 дБ. Если обратить внима­ние на расстояние между микрофона­ми (которое достигает 10-15 м), то не­трудно подсчитать, что сигналы утеч­ки могут по сравнению с полезным сигналом опаздывать на 30-40 мс. Это означает, что запись, в которой сведе­ны сигналы от нескольких микрофо­нов, оказывается „размазанной” во времени. Обычно это ощущается как нечеткость атаки коротких звуков, нивелирование их динамики, а также жесткость и загрязненность звуча­ния оркестра в целом.

Во-вторых, ощущение реального размера зала формируется у слушате­ля из приходящих к нему отражений от стен и потолка. Когда отражения попадают в микрофоны, расположенные в разных местах зала, естествен­ное соотношение между ними нару­шается. В итоге „записанное” про­странство зала утрачивает свою ин­дивидуальность. И это еще не худший результат. Чаще в записи, произве­денной подобным образом, каждая группа музыкальных инструментов начинает звучать как бы в своем про­странстве (эффект так называемой многопространственности).

Судя по качеству большинства ком­мерческих звукозаписей, они произво­дятся именно таким, некорректным с акустической точки зрения, способом. Эти записи вызывают у аудиофилов буквально идиосинкразию к симфони­ческой и камерной музыке, так как именно эта музыка наиболее чувстви­тельна к тому, насколько профессио­нально используется при звукозаписи микрофонная техника.

Нынешний интерес к двухмикро­фонной стереотехнике можно объяс­нить стремлением потребителей high end иметь, наконец, звукозаписи, по качеству соответствующие их до­рогостоящей аппаратуре.

Наибольшее распространение среди ва­риантов двухмикрофонной стереотехники получили четыре.

1. Микрофонная техника, основанная на различиях интенсивности стереосигналов (Intensivity Stereo). К ней относят стереомикрофоны, состоящие из двух (см. рис. 2) направленных микрофонов, кото­рые чаще всего объединены в один корпус и угол между осями которых составляет от 80° до 100° (этот угол обычно регулиру­ется).

В зависимости от вида характеристик направленности применяемых микрофо­нов к этой стереотехнике относят следую­щие системы:

систему Блюмляйна[4] - восьмерочные ха­рактеристики направленности;

Х/Y - кардиоидные (или суперкардиоидные) характеристики;

М/S— комбинация кардиоидной и восьмерочной характеристик направленности.

Система М/S принципиально не отли­чается от системы Х/Y, так как она пре­образуется в нее путем суммирования и вычитания сигналов с помощью прилагае­мого к стереомикрофону блока М/S-матрицы.

Перечисленные системы формируют стереосигналы, которые отличаются толь­ко по интенсивности. Эти отличия могут достигать 12-15дБ. Временные (фазовые) отличия стереосигналов отсутствуют, так как микрофоны совмещены. Локализация источников звука в этом случае происхо­дит в соответствии с закономерностями, рассмотренными нами выше. Стереомикрофоны этого типа обеспечивают полезную зону (зону охвата) в 180° и равную гром­кость одинаково удаленных от него источ­ников звука.

К достоинствам микрофонной техни­ки, основанной на различиях интенсивно­сти стереосигналов, следует отнести хо­рошее стереофоническое разрешение во всем диапазоне звуковых частот. По точ­ности локализации с этой техникой может конкурировать только монофоническая за­пись.

Стереомикрофоны этого типа получи­ли широкое распространение благодаря отсутствию побочных явлений, таких как гребенчатая фильтрация, а также в силу хорошей совместимости с другими, вспо­могательными микрофонами.

Однако пространственное впечатле­ние от прослушивания стереозаписей, выполненных с применением рассмотрен­ной микрофонной техники, неубедитель­ное, и это главный ее недостаток. Объяс­нение этого - в ослабленной чувстви­тельности стереомикрофона к диагональ­ным составляющим отражений в студии. Именно эти отражения в основном и формируют пространственное впечатление и при этом не маскируют звучание музы­кальных инструментов. Неестественность воспринимаемого пространства можно объяснить также отсутствием в стереосигналах временных (фазовых) различий. Сюда следует прибавить „нечувствитель­ность” этой микрофонной техники к изме­нениям положения источника звука по высоте. В итоге воспринимаемое слушате­лем пространство обеднено и представ­ляет собой горизонтальную плоскость, ограниченную с боков громкоговорителя­ми.

Слушатель также может узнать эту микрофонную технику по ощутимому ос­лаблению баса (до 3 дБ) смещенных к кра­ям стереобазы источников звука.

2. Микрофонная техника, основанная на временных различиях стереосигна­лов (Time-based Stereo). Она представля­ет собой систему из двух разнесенных всенаправленных микрофонов (см. рис. 3). Расстояние между ними выбирают от 0,1 до 1 м. При таком расстоянии звук от ис­точника, смещенного от центра полезной зоны, приходит в микрофоны в разное время.

Так как микрофоны всенаправленные и расположены на относительно близком расстоянии друг от друга, различие интенсивностей стереосигналов незначи­тельно.

К достоинствам этой микрофонной техники следует отнести создаваемое ею вполне удовлетворительное простран­ственное впечатление, при этом стереопанорама получается несколько шире, чем расстояние между громкоговорителя­ми. Слушатели также отмечают присутст­вие „воздуха” и „теплоту”, а кроме того, ощущается некоторое раздвижение про­странства по высоте.

Источники звука и его отражения про­странственно хорошо разделены, поэтому звучание звукозаписей, выполненных с применением этой микрофонной техники, ясное и разборчивое.

Главный ее недостаток, как оказа­лось, - это не очень хорошее стереофони­ческое разрешение, а также блуждание в стереопанораме источников звука при изменении частоты сигнала. Это явление объясняется образованием в ушах слуша­теля гребенчатой фильтрации. Гребенча­тая фильтрация является также причиной ухудшения тонального баланса в области средних и высоких частот.

Для того чтобы уменьшить влияние гребенчатой фильтрации на локализацию источников звука и при этом сохранить хорошее пространственное впечатление, расстояние между микрофонами выбира­ют не больше 0,2—0,3 м, а музыкантов-ис­полнителей располагают в центре полез­ной зоны, в пределах угла 40°. Это ограни­чивает возможности применения рассмот­ренной микрофонной техники записью од­ного солиста или небольшой группы му­зыкантов-исполнителей.

3. Микрофонная техника, основанная на использовании и временных, и интенсивностных различий стереосигналов, была разработана специалистами французского радио и телевидения и получи­ла распространение под названием „система ORTF”.

Система ORTF состоит из двух кардиоидных микрофонов, оси которых развер­нуты под углом 110°, а их приемные мембраны разнесены между собой на 0,17 м (см. рис. 4).

Эта система позволяет получить одно­временно интенсивностные и временные различия стереосигналов во всем диапазо­не звуковых частот, при этом полезная зо­на получается не уже 180°.

Система ORTF позволяет создать хо­рошее пространственное впечатление и вполне удовлетворительное разрешение. Из-за различий интенсивности стереосиг­налов влияние гребенчатой фильтрации сведено к минимуму.

К недостаткам системы ORTF следует отнести:

- „нечувствительность” (как и у рас­смотренных выше вариантов микрофон­ной техники) к размещению источников звука по высоте;

- явно выраженная зависимость то­нального баланса от особенностей конст­рукции применяемых в этой системе мик­рофонов. Это можно объяснить тем, что оси микрофонов в системе ORTF сориен­тированы относительно направления на источник звука под углом около 55°, а в этом режиме большинство кардиоидных микрофонов имеют не идеальную АЧХ;

    - как и в случае применения микро­фонной техники, основанной на различии интенсивности стереосигналов, наблюда­ется заметное ослабление баса при сме­щении источника звука к краю стереобазы.

Несмотря на недостатки, систему ORTF можно признать одной из наиболее перспективных, но только после того, как будут разработаны более совершенные кардиоидные микрофоны.

4. Микрофонная техника, основанная на использовании временных (ниже 1500 Гц) и интенсивностных (начиная с 3 кГц и выше) различий стереосигналов, была запатентована М. Биллингсли в 1987 г. под названием „Stereo Ambient Sampling System” (SASS).

В системе SASS реализуется геометри­ческое тело (см. рис. 5), в которое вмонти­рованы два всенаправленных микрофона 4003/4006 фирмы „В & К”.

Временные различия стереосигналов в этой системе образуются за счет разницы во времени попадания звука в разнесен­ные на 0,19 м микрофоны, а интенсивностные различия формируются в результа­те дифракции звуковых волн на поверх­ности упомянутого геометрического тела, причем характеристики направленности системы в области высоких частот соот­ветствуют характеристике направленно­сти, которой обладает человеческое ухо.

Полезная зона системы SASS составля­ет 180°.

Система SASS имеет явные достоинст­ва:

- очень хорошее стереофоническое разрешение сочетается с великолепным пространственным впечатлением (час­тично и в медианной плоскости);

- прекрасно передаются низкие час­тоты; нижний регистр рояля, контраба­сы, литавры и низкочастотный отклик за­ла передаются удивительно естественно.

Ощутимый недостаток системы SASS - это окраска звучания в области частот 2,8 и 10 кГц. Окраска является платой за то, что направленность системы формируется методами дифракции.

В каждой микрофонной технике, рас­смотренной нами, задействованы разные механизмы пространственной локализа­ции, а также их возможные сочетания. Тренированный слушатель без труда мо­жет на слух уловить отличия каждой тех­ники. Однако не следует объяснять эти различия и отдельные недостатки микро­фонных техник ущербностью принципов их действия и в связи с этим хоронить ка­кую-нибудь из них. Имеет смысл задуматься над нераскрытыми возможностя­ми этих техник и о путях их усовершенствования. Пути возможны следующие:

а) повышение остроты локализации ис­точников звука. Здесь непочатый край ра­боты по поиску и замене частей тракта зву­козаписи, в которых „разрушается” коге­рентность стереосигналов;

б) расширение воспринимаемого слу­шателем пространства за пределы громкоговорителей и одновременно получение стабильного положения источников звука в стереопанораме. При решении этой за­дачи основные усилия следует направить на ослабление перекрестных сигналов, ко­торые возникают при прослушивании стереозаписей через два громкоговорителя. Частично эта задача была решена в систе­ме многократной электронной компенса­ции (М. Шрёдер, Б. Отал, 1963);

в) расширение воспринимаемого слу­шателем пространства в медианной плос­кости. Это, пожалуй, самая сложная зада­ча. Она может быть решена путем форми­рования определенным образом меняю­щихся в зависимости от частоты характе­ристик направленности микрофонов.

В результате этих изменений следует ожидать образования пеленговых полос, требуемых для локализации в медианной плоскости. Попытка решить эту задачу была предпринята при создании системы SASS.

 
ПОСЛЕСЛОВИЕ

„Ух, тяжело! - скажет чита­тель. - И зачем я потратил столько сил на прочтение этого занудного ма­териала? Какая мне от этого польза? Все равно - как „химичили” при звукозаписи, так и дальше будут, по­влиять на это я не могу. Лучше бы рассказали, чем чистить контакты, какие конусные подставки „звучат” лучше, стоит ли перед употреблени­ем замораживать компакт-диски. Есть еще много интересных тем, по которым я жду от журнала подроб­ных разъяснений”.

Дорогой читатель, я убежден, что ты не напрасно потратил свое драго­ценное время. Использование „хи­мии” при звукозаписи прекратится только тогда, когда аудиофилы нач­нут на профессиональном уровне ин­тересоваться стереомикрофонной техникой и оборудованием, которое используется в студиях, и будут го­лосовать долларом за „экологически чистые” звукозаписи.

Вспомните историю развития fi-fi и затем high end. Именно интерес аудиофилов к деталям схемотехники и конструктивным особенностям ау­диоаппаратуры заставил ее произво­дителей использовать самые передо­вые (применяемые только в космиче­ской технике) решения и техноло­гии.

Прекрасные звукозаписи можно сделать уже сейчас, но на аудиорынке они появятся только тогда, когда массы проявят к их качеству хоть ка­кой-нибудь интерес.

 

АМ № 4(5) 1995, с. 66-73


[1] Под ушным сигналом понимается звуковое давление, снятое акустическим зондом у слухового прохода.

[2] Медианная плоскость — это мыслен­ная плоскость, симметрично разделяю­щая пространство вокруг головы слуша­теля на левое и правое полупространство. Вследствие симметричности головы слу­шателя сигналы, приходящие в правое и левое ухо от источника звука, располо­женного в медианной плоскости, равны.

[3] Здесь следует иметь в виду, что слу­шатель замечает сдвиг между ушными сигналами в 10 мкс.

 

[4] Запатентована А. Блюмляйном в 1931-33 г.