Стереометрические обоснования выбора микрофонной техники

При подготовке к созданию пространственной звуковой картины всегда выясняется, какие из ее компонент будут излагаться с той или иной шириной (протяженностью), а какие - излагаться точечно. Исходя из этого, решается вопрос о выборе принципиального вида микрофона - стереофонического, монофонического, или группы микрофонов.

Ясно, что сигнал одного монофонического микрофона не может быть непосредственно использован для изображения протяженного квазиисточника. Иллюзию относительной ширины квазиобъекта можно получить, руководствуясь представлением о том, каким было психобиологическое воспитание нашей слуховой культуры. Конкретно: широкий звуковой источник всегда сообщал двум ушам, по меньшей мере, несинфазные (а, может быть, даже и несинхронные) сигналы из-за временной разницы в приходе звуковых волн от разных точек большого акустически колеблющегося тела. Впечатление усиливалось, если, так сказать, «левая» и «правая» составляющие звуковой информации отличались еще и по спектру (вспомним, к примеру, акустическую геометрию большого концертного рояля). Предельным случаем в ряду множества иллюстраций можно считать звучание огромной людской толпы, хора или оркестра, когда звуковые волны левого и правого направлений оказываются еще и неизоморфными. Электроакустическому способу имитации протяжённости в случае монофонического микрофона могла бы отвечать скелетная схема, приведенная на рис. 7, где М - монофонический микрофон, М.У. - микрофонный усилитель, DELAY - устройство задержки электрического сигнала, PITCH - транспонирующее устройство, Р.Н.1 и Р.Н.2 - регуляторы направления соответственно для левой и правой составляющих квазиисточника, SL и SR - выходные сумматоры стереофонического звукорежиссерского пульта.

Рис.7

Спектры сигналов в точках А и В отличаются друг от друга на величину частотного сдвига в тех небольших пределах изменения высоты (транспонирования), пока слух не ощущает заметной интонационной расстройки. Как правило, для музыкальных сигналов - это 1-5 центов, а для шумовых может быть значительно больше.

На рис. 8 такое транспонирование иллюстрируется парой спектрограмм.

Рис. 8

Здесь намеренно не указано, к какой из точек: А или В относится та или другая спектрограмма, поскольку знак сдвига не имеет значения.

В рассматриваемом варианте производится качественное преобразование спектра сигнала. Если в распоряжении звукорежиссера нет устройства, выполняющего изменение высоты звука (PITCH), то для создания простейших иллюзий протяженности его можно заменить корректором частотной характеристики или парой фильтров нижних и верхних частот, один из которых включен в цепь А, а другой - в цепь В (количественное преобразование спектра). Но использование этих звеньев пульта должно быть очень деликатным, чтобы они не слишком влияли на тембр источника.

Временной сдвиг осуществляется с помощью устройства задержки (DELAY)также на небольшую величину, соответствующую естественным акустическим смещениям времени прихода волн к слушателю от разных краев звучащего тела. Поскольку речь идет не столько об адекватности, сколько об аналогии, то для приблизительной оценки времени задержки можно представить себе протяженный источник, прослушиваемый асимметрично в смысле акустической стереометрии (рис.9).

Рис.9

При указанных геометрических величинах приблизительное время сдвига между сигналами левого и правого направлений равно 3 мсек. (Для сравнения: при прослушивании симфонического оркестра у слушателя, сидящего на крайнем месте первого ряда партера, это время составит величину порядка 12 мсек.)

Г. Хаас в своих исследованиях показал, что пока время относительного сдвига для большинства изоморфных звуковых сигналов не превышает 20 - 40 мсек., человеческий слух воспринимает их слитно. При создании же виртуальных источников звука по временному способу оперируют задержками 0,1-3 мсек., в зависимости от характера сигнала и требуемого стереонаправления.

Поэтому практические рекомендации по величине временного сдвига для создания протяженности квазиобъекта лежат в пределах 3-20 мсек., что вполне соответствует реальным примерам.

Иллюзия протяжённости может быть создана применениями не только однократной задержки звука, но и множественными (см. ниже: «ранними») отражениями, а также, в некоторых случаях, и реверберационными сигналами.

Максимальная ширина квазиисточника, согласно рис.7, получится, если сигнал А будет полностью воспроизводиться левым громкоговорителем, а сигнал В - правым. Нельзя, впрочем, утверждать, что эта максимальная протяженность покажется равной ширине стереобазы, - слишком велика и не прогнозируема зависимость эффекта от характера звукового сигнала.

Результат оценивается на слух. Виртуальная ширина квазиобъекта может быть уменьшена вращением панорамных регуляторов РН 1 и РН 2 во взаимно-встречных направлениях. При этом сохраняется начальная симметрия расположения квазиобъекта относительно стереофонической оси. Но необходимо обратить внимание на то, что при малых временных сдвигах сигнала А относительно сигнала В возможно смещение виртуального источника, в сторону опережающего громкоговорителя, что компенсируется, если это нежелательно, разницей усиления левого и правого каналов.

Нужно также заметить, что при «сужении» квазиобъекта, как правило, не уменьшается объемность его звучания, просто ширина, так сказать, трансформируется в глубину, ибо по-прежнему существуют спектрально - временные искусственные дополнения.

Мы уделили так много внимания пространственной обработке моносигнала для того, чтобы читатель смог убедиться, насколько проще и точнее оказывается применение стереофонического микрофона системы X/Y. Действительно, наличие двух соосно совмещенных акустических приемников, ориентированных на левую и правую части источника звука, обеспечивают весь необходимый набор спектрально - временных (спектрально - фазовых) дифференциалов для стереофонического изображения (смотри рис. 10).

Рис. 10

На электрической стороне (в пульте) манипуляции с сигналами обоих приемников для получения протяженного квазиобъекта нужной ширины и азимута производятся панорамными регуляторами.

Угол a взаимного разворота соосных микрофонов - один из основных варьируемых параметров. Для его оптимального выбора существуют два соображения. Во-первых, эта величина должна быть такой, чтобы стереомикрофон в соответствии с характеристикой направленности охватывал весь источник; (здесь нужно учитывать, что при неизменном расстоянии между ними акустическое отношение возрастает с увеличением угла а, ибо в зону приема попадает все большее и большее количество диффузных сигналов). Во-вторых, центральная часть источника при малых углах, а будет передана с непропорционально увеличенным уровнем, а при больших - наоборот, и этот дефект особенно заметен при относительно близком расположении стереомикрофона у протяженного источника (например, хора, оркестра, т.п.).

В таких случаях необходима корректировка расположения исполнителей по отношению к микрофону. При этом преследуется цель достижения акустической изотропности, что поясняется рисунками 11 и 12 на примерах фонографии хора:

Рис.11

Рис.12

Согласно рис. И, «плоское» расположение хористов приводит к неодинаковым расстояниям R1 и R2 от единственного стереофонического совмещённого микрофона до срединных и крайних групп хора, что заметно влияет на пространственно - громкостные впечатления.

В результате получается виртуальное звуковое изображение, в котором центральная часть хора представляется ближе (да и громче), чем, в данном случае, группы сопрано и басов.

В оптимальном же варианте хористы, как показано на рис.12, располагаются по дуге окружности, обеспечивая одинаковые расстояния от стереомикрофона до разных групп.

Соответственно, фонографическая картина изображает хор как единое во всех направлениях, то есть акустически изоморфное, слитное тело. И только в этом случае линеарное звуковое изложение в своей динамике будет адекватно хоровой партитуре (по меньшей мере, тому, как она исполняется).

Сигналы для создания иллюзии протяженности можно получить от двух (или более) монофонических микрофонов, расположенных вдоль источника. Этот метод передачи получил в свое время название стереосистемы АВ (рис.13).

Совокупность виртуальных источников VI - V4, полученных из сигналов мономикрофонов Ml - М4. в соответствующих направлениях, дает впечатление некоего протяженного квазиобъекта даже в случае всего двух микрофонов M1 и М4, находящихся в точках А и В (отсюда - и название способа). Места расположения микрофонов, характеристики их направленности и расстояние от них до источника вполне могут быть оптимизированы для получения звукопередачи, полноценной с точки зрения тембрально-громкостных соотношений. Более того, если количество микрофонов превышает 2, то наличие виртуальных точек V2, V3,.........Vn конкретизирует и обогащает фонографический рельеф, и дает возможность откорректировать, В случае необходимости, музыкальный баланс. Уже только эти преимущества могли явиться основанием для широких рекомендаций к использованию стереофонического метода АВ, если бы не одно досадное обстоятельство. Дело в том, что разные по длинам волн компоненты в широком спектре сигналов источника приходят к отдельным микрофонам с постоянно меняющимся фазовым

соотношением, отчего фонографическое изображение теряет стационарность, и азимутальная картина становится значительно менее определенной, чем при использовании стереомикрофона. Ситуация может дойти до абсурда, когда, например, при изложении рояля звуки разной высоты локализуются в разных местах фонографического изображения, причем картина хаотически изменяется, то есть этот дефект даже не имеет стереометрического постоянства.

ПРОТЯЖЕННЫЙ ЗВУКОВОЙ ОБЪЕКТ

Рис.13

Фазовая некоррелированность, кроме того, пагубно сказывается на совместимости стереофонограммы при монофоническом воспроизведении, так как электрическая интерференция беспорядочного характера искажает громкостные балансы.

Однако соблазн добиться яркой фонографии все время заставлял звукорежиссеров обращаться в том или ином виде к системе АВ, и к настоящему времени почти исключительное применение нашел комбинированный способ, названный в обиходе методом АВ / XY. В нем основная звукоизобразительная нагрузка ложится на так называемый «общий» стереофонический совмещенный (XY) микрофон, создающий обзорный рисунок источника, а детали уточняются дополнительными монофоническими микрофонами, сигналы которых передаются в тех же стереометрических направлениях, где они слышатся (видятся) в общей картине. Чтобы описанные недостатки этих АВ - составляющих не приводили к сильным пространственным искажениям, их следует дозировать осторожно, скорее, для намека на конкретность, нежели для ее полной очевидности.

Разумеется, инструментальная фактура и. динамика исполнения записываемого музыкального произведения предполагают соответствующее тон-ателье, акустические характеристики которого обеспечат оптимальную структуру звукового поля, при которой сигналы даже одного общего микрофона дадут удовлетворительную фонографическую картину.

При изложении протяженного неоднородного источника (те же хор или оркестр) в качестве локальных микрофонов можно использовать также совмещенные стереофонические, регулируя как направление, так и ширину звукоизобразительных фрагментов квазиобъекта. Но в этом случае требуется особенное внимание как к месту расположения отдельных стереомикрофонов, так и к установке угла разворота совмещенных приемников с тем, чтобы их сигналы локально соответствовали конкретному фрагменту протяженного источника, передаваемого «общим» микрофоном, если таковой существует. Неаккуратность в этом смысле не только нарушит верность фонографического изображения, но и приведет к еще большему влиянию спонтанных фазовых сдвигов.

В заключении хочется добавить следующее: не всегда априорно то, что для точечной звукопередачи категорически необходимо использовать монофонический микрофон. Насыщенная большим количеством звуковых элементов фонографическая картина в своих масштабных пропорциях может потребовать точечного или минимально различимого углового азимута для квазиизображения источника, имеющего в естественной акустике отнюдь не точечные габариты, определяющие его звуковую природу. И тогда для полноценной передачи применение совмещенного стереофонического микрофона с его возможностью двунаправленного охвата может оказаться весьма целесообразным. А соединение обоих его сигналов в одной точке виртуальной звуковой картины во имя соблюдения масштабных условий сохранит, как уже говорилось, объемность звучащего объекта простирающейся теперь не в ширину, а вглубь.

И еще: при подготовке экспликации к многоканальным записям с использованием многодорожечного магнитофона нельзя забывать, что группа сигналов большого количества микрофонов, соединившись в пределах одной дорожки, автоматически превратится в моноэлектрический источник, вызвав впоследствии, при перезаписи (сведении) уже известные проблемы, если возникнет желание изобразить квазиобъект протяженным. Стереопара должна оставаться стереопарой на всех технологических этапах, и, хотя это кажется очевидным, небрежность некоторых коллег в стремлении «экономить дорожки» просто поражает и заставляет время от времени напоминать о взаимоотношении целей и средств.

Манипуляции регуляторами направления (панорамными регуляторами) звукорежиссерского пульта.

Как сообщалось, создание виртуального азимута по временному способу в силу ряда причин в настоящее время не используется, поэтому здесь мы будем рассматривать принципы регулирования, связанные только с амплитудным методом, хотя неплохо помнить об известных преимуществах относительных небольших задержек сигналов левого и правого каналов стереопередачи, обеспечивающих более достоверную локализацию квазиобъектов.

Функциональные характеристики регуляторов направления рассмотрены в главе об устройстве звукорежиссерских пультов; здесь же основное внимание уделяется принципам оценки результатов панорамирования.

Самым надежным способом азимутально-широтной настройки можно было бы считать совокупное регулирование положений всех квазиобъектов, составляющих фонографию записываемого произведения или его эпизода. Постепенно устраняя неточности, мы двигались бы к желаемому результату «путем проб и ошибок», так называемым методом последовательного приближения.

Но такая организация работы вряд ли может считаться целесообразной, в особенности, если ей предшествуют эскизные зарисовки (см. выше), из которых уже ясно, что и где, так сказать, находится. Эскиз ведь можно просто «перевести» в звуковой масштаб фонографического пространства. Для этой цели и нужно научиться быстрым звукозрительным оценкам.

Заметим, что шкалы у панорамных регуляторов отградуированы мнемонически, и, как правило, конструкторы звукорежиссерских пультов не слишком заботятся о точном взаимном согласовании регуляторов разных каналов. Но даже в пультах с цифровым управлением и пультах компьютерных звуковых станций, где существует такое согласование, величина поворота регулятора направления, строго говоря, не адекватна угловому перемещению виртуального источника звука, кроме, разумеется, центрального и крайних положений. Это также обосновывает соответствующие слуховые тренировки.

Способность оценивать результаты панорамирования проще всего воспитывать методом так называемой зрительной привязки. Пространство фонической аппаратной в районе аудиомониторов может быть заполнено какими-нибудь предметами, геометрия стен часто непрямоугольная, есть рельеф акустической отделки, т.д. Любую из зрительных деталей легко вообразить себе мнимым источником звука, по меньшей мере, представить, что он (квазиисточник) находитсяв той или иной точке (области) стереофонического пространства. Вы вращаете, регулятор направления, останавливаясь в тот момент, когда ощущение виртуального азимута совпадает с выбранным местом зрительной привязки. Для самопроверки можно на время закрыть глаза, чтобы оценить направление только на слух, затем открыть их и убедиться в правильности оценки, или внести нужные коррективы.

Следует учесть, что звуковые квазиобъекты, в особенности, помещенные не вблизи громкоговорителей, слышатся (видятся) несколько выше осей излучателей, поэтому и зоны «привязки» нужно искать на соответствующей параллели.

Подобным образом можно идентифицировать и ширину, и удаленность квазиисточников. Если же установка требуемой протяженности на первых порах вызывает проблемы, то рекомендуется следующее: вышеуказанным способом определяются 2 границы по ширине, а затем уровни передачи в обоих направлениях балансируются так, чтобы «громкостная ось» протяженного квазиобъекта совпала с осью его зрительной симметрии (см. рис.14).

Здесь r1 и г2, в соответствии с положениями канальных регуляторов направления - краевые азимуты протяженного квазиисточника; rs - виртуальная ось его звукозрительной симметрии.

Рис. 14

Канальные регуляторы усиления на пульте устанавливаются в такие положения, что ни одно из краевых направлений не кажется преобладающим. Естественно, это соотношение остается неизменным при регулировке общего уровня звучания данного квазиобъекта.

Описанный способ тренировки азимутального восприятия не следует, очевидно, считать единственным. Автор этих страниц испытал на себе экзотический метод, настоятельно рекомендовать который, впрочем, не следует. В течение длительного времени работа производилась в темноте, лишь основные органы управления пультом были слабо освещены. Таким образом, воспитывалась специфическая звукозрительная физиология восприятия, подобная той, что свойственна слепым. Слава Богу, вовремя была замечена тенденция к ухудшению зрения, а то эксперимент мог бы закончиться плачевно.

Существует еще один, чисто звуковой прием. Синтезированный импульсный сигнал, напоминающий стрекот, с широким частотным спектром, отлично локализуемый в стереофоническом пространстве, на небольшом уровне направляется в любую из 3-х четко детерминируемых точек (L, R, центр), а панорамируемый квазиисточник или его боковые координаты сравниваются с ним по своему азимутальному положению.

Так или иначе, постепенно отпадет необходимость в привязках, и звукорежиссер сможет выстраивать как плоскую, так и пространственную звуковую картину, оценивая ее только на слух.