АДАПТИВНЫЙ ТЫЛОВОЙ КАНАЛ
СИСТЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗВУЧАНИЯ
Существует несколько способов получения пространственного звучания. Еще в середине 50-х годов фирмами Philips, Grundig, Telefunken были опробованы системы трехмерного воспроизведения 3D и Raumton [1]. Сами по себе эти системы были монофоническими, но дополнительные громкоговорители (обычно встроенные, реже - выносные), излучающие звук вправо, влево или вверх, создавали за счет отраженного от стен и потолка звука впечатление большого пространства. В дальнейшем для передачи рассеянного диффузного звука были разработаны так называемые амбиофонические системы, нашедшие применение, главным образом, в больших киноконцертных залах. Дополнительный канал (или каналы) в таких системах имеют меньшую мощность, чем основные, а их частотный диапазон соответствует полосе частот диффузного сигнала (примерно 300...5000 Гц). Основной же системой передачи и записи звука стала двухканальная стереофония.
Новым этапом в развитии амбиофонии явилось квадрафоническое четырехканальное звуковоспроизведение. В отличие от старой системы здесь все каналы воспроизведения звука равноценны. Дискретная (полная) квадрафония, обеспечивавшая максимальный эффект присутствия, предполагает наличие четырех каналов передачи звука. В силу этого она оказалась абсолютно несовместимой с существовавшими в тот момент двухканальными системами. Для преодоления этого препятствия было создано несколько систем матричной квадрафонии (по терминологии того времени - квазиквадрафонии), в которых исходные сигналы четырех каналов матрицировались для передачи по двум каналам, а при воспроизведения исходные сигналы восстанавливались путем суммарно-разностных преобразований.
рис.1 |
Кривые, показанные на рис.1, дают представление о том, какова может быть вероятная доля разностного сигнала Us при различных уровнях суммарных сигналов Um для систем записи - AB, XY и смешанной [4] и позволяют сделать следующие основные выводы:
Необходимо отметить, что студийные записи музыкальных произведений, исполнявшихся на электронных инструментах, в 60-е годы проводились именно с использованием микрофонной техники, что объясняет "живой" характер звучания: исходный сигнал имел естественное соотношение между суммарным и разностным, прямым и диффузным сигналами. Внедрение многоканальной полностью электронной (без использования микрофонов) записи таких инструментов, хотя и упростило сам процесс записи, одновременно "убило" атмосферу зала. Поэтому для большинства технически безупречных студийных записей последующего периода характерна прямая зависимость уровня разностного сигнала от уровня громкости, что при использовании простого разностного преобразования в тыловых каналах и приводит к уже упомянутому эффекту "окружения оркестром".
Смысл введения компрессии тыловых сигналов как раз и заключается в том, чтобы сформировать аналогичную рассмотренной выше зависимость между громкостью звучания сигналов фронтальных и тыловых каналов. Иными словами, при малом общем уровне громкости (тихие места фонограммы, затухание сигнала, послезвучание) долю тылового сигнала увеличивают и он непосредственно участвует в формировании объемного звучания (начальный участок графиков на рис.1), с ростом громкости (атака сигнала, общее увеличение громкости) сигналы тыловых сигналов ограничивается определенным уровнем, что уменьшает их долю в общей громкости. В результате исключается разрыв сцены и кажущееся перемещение инструментов в "зал" независимо от характера фонограммы и метода записи.
Для экспериментальной проверки указанных положений был разработан блок обработки сигнала, схема которого приведена на рис.2. Уровень сигнала на входе устройства (максимально - 500мВ) зависит от положения регулятора общей громкости системы. Дифференциальный усилитель на ОУ DA1 формирует из сигналов левого и правого каналов разностный сигнал. Фильтр C4C5R7R8 выделяет средние частоты разностного сигнала, соответствующие спектру диффузного сигнала. Их уровень регулируется переменным резистором R8.
рис.2
Затем сигнал поступает на усилитель мощности на микросхеме DA2, в состав которого входит предусилитель - электронный регулятор громкости с диапазоном регулирования +7...-70дБ. Коэффициент его передачи устанавливается постоянным напряжением на выводе 7 микросхемы DA2 в диапазоне 0,4...6,5 В. Делитель R10R11 определяет начальное усиление. Разделительные конденсаторы C7 и C13, емкость которых меньше типовой, дополнительно ограничивают уровень низших частот сигнала. Германиевый диод VD1 выполняет функции детектора АРУ, а транзистор VT1 - инвертора сигнала АРУ. Порог срабатывания системы АРУ изменяется переменным резистором R13 от 0,65 до 3,2 В, что соответствует ограничению выходной мощности на уровне 0,1...2,5 Вт на нагрузке 4 Ом. Конденсаторы C10 и C12 - блокировочные. Емкость конденсатора C11 в цепи питания невелика, поскольку в основном блоке питания использован конденсатор емкостью 22000 мкФ. Все оксидные конденсаторы (они могут быть любыми) рассчитаны на рабочее напряжение 25 В, постоянные резисторы (МЛТ) имеют мощность рассеяния 0,25 Вт. Микросхема DA2 установлена на простейшем теплоотводе с площадью охлаждающей поверхности 100 см2. Поскольку конструкция создавалась как экспериментальная, был использован смешанный монтаж.
Предварительное прослушивание проводилось в жилом помещении площадью 16 м2, сигнал фронтальных каналов подавался на усилитель Technics SU-VZ220 мощностью 2х40 Вт, работающий на трехполосные громкоговорители Pioneer CS-3030, тыловой канал нагружался на головку 1ГД40. Источником сигнала служили проигрыватель компакт-дисков (ПКД) и ЧМ-тюнер. Прослушивание показало, что даже при минимальном уровне тылового сигнала значительно улучшалось субъективное восприятие звучания звуковоспроизводящей системы.
Окончательная настройка параметров системы проводилась в салоне автомобиля ВАЗ2107. В качестве фронтального использовался двухполосный усилитель мощностью 2х(15+15)Вт [5], тыловой канал (процессор на рис.2) был нагружен на две включенные встречно-параллельно широкополосные головки First SP-520 с бумажным диффузором. Диаметр головок - 10см, электрическое сопротивление 8 Ом. Головки были установлены в салоне автомобиля по бокам задней полки на расстоянии около 60 см друг от друга и излучали звук вверх с рассеянием его от заднего стекла. Первоначально в конструкции имелся регулятор тембра ВЧ, но поскольку вместе с сигналом высших частот тыловые каналы воспроизводили шумы, полоса их пропускания в области высших частот была определена опытным путем.
Для оценки эффективности предложенного решения сравнивалось звучание различных композиций концертных электронных музыкальных инструментов и студийных записей, а также записей с включенным и выключенным тыловым каналом. Как и следовало ожидать, наибольший эффект наблюдался при воспроизведении "живых" записей, при воспроизведении студийных он был несколько ослаблен (сказывался малый объем фазоразностной информации), но во всех случаях эксперты отдавали предпочтение звучанию с включенным тыловым каналом.
В концертных и студийных записях уверенно различался фронт и тыл, звуковая картина приобрела глубину. Звучание рояля и электрооргана в среднем регистре иногда несколько выступало "в зал" (что можно объяснить широким частотным спектром этих инструментов), но пространственное положение удавалось восстановить регулировкой уровня и порога срабатывания компрессора. Аплодисменты во время и после исполнения локализовывались по бокам и сзади, создавая впечатление присутствия в первых рядах концертного зала.
Наиболее интересен оказался эффект послезвучания, подчеркнутый работой АРУ. В фазе атаки сигнала срабатывание АРУ уменьшало усиление тылового канала, удерживая сцену на переднем плане. В фазе затухания, когда уровень сигнала оказывался ниже порога срабатывания АРУ, восстановление усиления тылового канала происходило с задержкой порядка 0.2 сек, что на слух воспринималось как легкое "заднее" эхо в зале глубиной порядка 50м. Этот эффект ярко проявлялся при исполнении сольных партий на электрогитаре и рояле. Отмечалось объемное звучание электронных инструментов.
Недостатком данной упрощенной конструкции можно считать необходимость подстройки уровня тылового сигнала и степени компрессии при значительном уменьшении громкости.
Оценивая результаты опытов, можно сделать следующие выводы:
Естественно, что использование упрощенной конструкции не позволяет в полной мере раскрыть достоинства предложенного метода обработки сигнала. Автор выражает свою признательность О.Л. Лаптеву и Н.А. Серихину за помощь при отработке конструкции и обсуждение достигнутых результатов.
Литература
