По материалам статей И.А. Алдошиной для журнала «Шоу-Мастер» (с исправлениями)

Современная аудиотехника активно развивается в настоящее время в направлении создания, внедрения и совершенствования различных пространственных систем звукозаписи, передачи и воспроизведения (Dolby-Surround, Binaural, Ambiophonic, Wave Field и др. Соответственно для обеспечения многоканальной записи разрабатываются специальные микрофонные системы, особенно много новых и достаточно сложных систем появилось за последние годы (на каждом конгрессе AES, этой проблеме всегда посвящается достаточно много докладов).

Впервые идея использовать систему из двух микрофонов для записи стереосигналов была предложена в 1931 г. Блюмляйном (это была совмещенная система из двух направленных микрофонов) и реализована в производстве в 1950 г. фирмой Neumann. С этого момента было создано большое количество различных микрофонных систем для стереофонии, основные принципы которых используются и сейчас при создании микрофонов для Surround Sound. Поэтому в начале данной статьи будут рассмотрены стереомикрофоны, затем – микрофоны для современных пространственных систем.

Большинство выпускаемых в настоящее время микрофонных стереосистем можно разделить на следующие группы:

· раздельные стереосистемы – (АВ, DIN stereo ,NOS stereo, ORTF stereo, Baffled stereo);

· совмещенные стереосистемы – (XY stereo, MS-stereo, Blumlein stereo);

· «верхние» стереосистемы – (Overhead microphones);

· типа «искусственная голова» – (Head related stereo, Sphere stereo, Stereo 180);

· бинауральные стереосистемы (Binaural stereo).

Раздельные микрофонные стереосистемы:

· АВ-система: при записи по такой системе 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.

Рис. 1. Общая структура микрофонной системы AB

Акустические оси микрофонов могут быть параллельными или развернутыми, а микрофоны – как ненаправленными, так и направленными (например, две кардиоиды или две восьмерки). Общая схема записи показана на рис.1; пример промышленной реализации – на рис.2. Поскольку основное влияние на локализацию при такой записи оказывает сдвиг по времени между различными источниками, то систему называют «временной стереофонией», хотя если применять направленные микрофоны, то можно получить и разность по интенсивности, что сделает локализацию более отчетливой. Однако, как показали экспериментальные исследования системы АВ, она обладает определенным недостатком: при перемещении реального источника звука (например, солиста) соответствующее перемещение мнимого источника во вторичном помещении наблюдается в достаточно узкой зоне. Результаты измерений показывают, что для расширения этой зоны надо уменьшить отношение Y/L, где Y – расстояние от источника до линии установки микрофонов, L – расстояние между микрофонами.

Рис. 2. Конструкция стереосистемы AB

Рис. 3. Связь угла охвата с расстояниями между микрофонами для системы AB

Однако возможности таких изменений ограничены, так как микрофоны нельзя сдвигать слишком близко (для сохранения стереоэффекта), а приближение микрофонов к солистам увеличивает искажения по глубине и приводит у направленных микрофонов к подъему низких частот. Изменение угла охвата при записи с изменением расстояния между микрофонами показано на рис.3. Как видно из этих данных, с уменьшением расстояния между микрофонами угол охвата расширяется, однако при приближении микрофонов на расстояние меньше 40 см стереоэффект практически исчезает. Стереосистемы АВ используются в основном для передачи ощущения пространства (за счет «схватывания» натуральных реверберационных процессов в помещении), например при записи органа. Для точной локализации отдельных источников внутри ансамбля система АВ менее полезна. Обычно она используется с дополнительными центральными или совмещенными микрофонами.

Рис. 4. Микрофонаая система ORTF

· The ORTF stereo technique (французское радиовещание) использует два кардиоидных микрофона, разнесенных на 17 см под углом 110⁰ между капсюлями (рис.4). Размещение микрофонов соответствует расстоянию между ушами, а угол моделирует теневой эффект человеческой головы. Поскольку здесь используется как различие между сигналами по времени, так и по интенсивности, эта техника создает достаточно четкий стереообраз, хорошую локализацию источников, обеспечивает угол охвата 95⁰ и поэтому широко используется на практике.

Рис. 5. Микрофонные системы: а - DIN stereo; b - NOS stereo

· DIN stereo (немецкое радиовещание) является разновидностью системы АВ. Стереообраз создают два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 90⁰ на расстоянии 20 см. Система также создает временной и интенсивностно-разностный стереосигнал, обеспечивает угол охвата порядка 110⁰, полезна для записи на близких расстояниях (рис. 5 а).

· NOS stereo (датское радиовещание) использует два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 90⁰ на расстоянии 30 см друг от друга (рис. 5 б). Стереообраз также создается с помощью комбинации интенсивностной и временной стереофонии. Эта техника используется в основном на близких расстояниях для записи малых ансамблей (угол охвата менее 80⁰).

Рис. 6. Системы с диском Jecklin

· Baffle stereo – это разнесенная микрофонная стереотехника, использующая акустический поглощающий экран, который размещается между двумя микрофонами в разнесенных стереосистемах, например типа ORTF stereo. Поглощающий эффект экрана оказывает положительное влияние на затухание звука от источников вне оси и улучшает разделимость между каналами. Одна из широко известных экранированных стереосистем Jecklin Disc (по имени ее изобретателя Jоrg Jecklin) использует два ненаправленных микрофона, размещенных на расстоянии 17,5 см, и специальный акустически обработанный диск диаметром 36 см, размещенный между ними (рис.6). Реальные преимущества такой системы проявляются при ее установке на относительно большом расстоянии от источника, где имеется баланс между прямыми и отраженными сигналами в помещении.

Попытки найти оптимальные соотношения между расстояниями и углами установки микрофонов продолжаются все время. Обобщая полученные результаты таких работ, M. Вильямс построил полезную номограмму (рис.7), позволяющую установить связь между расстоянием и углом между микрофонами и эффективным углом охвата источников при записи (параметр кривых).

Рис. 7. Номограммы М.Вильямса

Совмещенные микрофонные стереосистемы

Эта техника стереозаписи предполагает использование двух направленных микрофонов, расположенных в одной точке. Ширина стереообраза зависит от формы характеристик направленности микрофонов и способа их установки. Наиболее известные системы XY stereo, MS stereo и Blumlein stereo.

Рис.8. Пример конструкции стереомикрофона по системе XY

· XY stereo – в этой системе используются два направленных микрофона (две кардиоиды или две суперкардиоиды), установленных на одной оси, у которых акустические оси повернуты и образуют некоторый угол (чаще всего 90 – 120⁰, хотя они могут меняться и в пределах 0 – 180⁰). Пример такой конструкции показан на рис.8. Поскольку оба микрофона находятся в одном месте, различия во времени прихода сигналов практически отсутствуют. Стереофонический эффект возникает здесь за счет разностей интенсивностей сигналов от источника (так называемая «интенсивностная» стереофония). Система ХY дает правильное соответствие мнимого и реального источника, если он находится в определенных угловых пределах. Связь между углом разворота микрофонов (стереоуглом) и углом охвата при записи показана на рис.9 для кардиоидных и суперкардиоидных микрофонов. Благодаря отсутствию в сигналах левого и правого каналов временных сдвигов, система ХY обладает хорошей совместимостью с монофонической системой. Однако при использовании этой системы также возникают искажения пространственной панорамы (особенно в глубину).

Рис.9. Связь между углом охвата и углом разворота микрофонов

В этой системе должны выполняться жесткие требования к остроте характеристики направленности микрофонов (иначе не удается получить разности по интенсивности), кроме того у направленных микрофонов проявляется «эффект близости» при приближении к источнику.

Рис.10. Микрофонная система MS

· МS stereo: также содержит два совмещенных микрофона в одном месте, 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.10). Название системы образовано первыми буквами MS, где Mittel – середина, Seite – сторона. Напряжение на выходе микрофона М будет неизменным 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 90⁰ выходное напряжение будет равно сумме напряжений с микрофонов М и S, при положении источника под углом 0⁰ – только напряжению с М-микрофона, а при положении – 90⁰ оно равно разности напряжений с микрофонов М и S. 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 ХY, так как позволяет легко регулировать как общую ширину базы, так и ширину отдельных участков, занятых группами исполнителей. Пример такой регулировки за счет изменения формы характеристики направленности М-микрофона показан на рис.11.

Рис.11. Регулировка зоны охвата в системе MS

· МS-техника обеспечивает точную локализацию источников внутри ансамбля и очень полезна для записи движущихся источников звука.

· Blumlein stereo – совмещенная стереотехника (разновидность MS-стереофонии), использующая два микрофона с характеристикой направленности типа «восьмерки», установленных в той же самой точке под углом 90⁰, полученный при этом угол охвата показан на рис.11.