Статья "Техника съема"

Первые способы получения пространственного звука с помощью съема двумя и более микрофонами были разработаны еще в 30-х годах, то есть задолго до широкого распространения стереофонии в потребительской технике. Использовались они, в основном, для кино (подробнее об этом можно прочитать в статье "Многоканальный окружающий звук"). Когда двухканальная техника стала массовой, в популярной музыке создание стереофонической картины, в основном, производилось искусственными методами: запись источников звука в моно и распределение их в пространстве посредством панорамирования. Тогда же стало ясно, что стереофоническая запись позволяет получить более естественные результаты, причем не только в передаче горизонтального размещения источников (лево-право), но и их размещения по глубине (вперед-назад), а также акустики помещения. Для классической музыки стереофонический микрофонный съем стал основным методом записи, но и в музыке других жанров он нередко используется для отдельных инструментов (например, ударной установки или фортепиано) и инструментальных групп. А известный звукоинженер Bruce Swedien вообще предпочитает записывать в стерео большинство партий, за исключением сольных.

Необходимо напомнить, что основными параметрами, которые использует человеческий слух для определения направления и расстояния до источника звука, являются громкость, время и тембр (подробнее об этом см. статью "Реализация пространства"). Соответственно, для создания стереоэффекта микрофонные системы могут использовать разницу по громкости сигналов (интенсивностную), разницу по времени (фазовую) и разницу по спектру (тембральную).

СтереосистемыСуществующие способы стереофонической записи можно разделить на следующие группы: совмещенные (coincident), полусовмещенные (near-coincident, semi-coincident), разнесенные (spaced) и экранные (baffled). Надо отметить, что большинство систем стереозаписи требуют наличия так называемой "подобранной пары" микрофонов — когда готовые экземпляры микрофонов одной модели подбираются производителем по схожести характеристик и продаются комплектом.

СовмещенныеОсновная отличительная особенность совмещенных систем состоит в том, что капсюли микрофонов располагаются как можно ближе друг к другу — в идеале микрофонные мембраны должны располагаться в одной точке (на горизонтальной плоскости), тогда звук от источника будет достигать их одновременно, и между сигналами не будет фазовой разницы. При этом используются, в основном, направленные микрофоны, таким образом, стереокартина формируется за счет разницы по уровню (интенсивности) звука, возникающей из-за разной чувствительности направленных микрофонов по акустической оси и вне ее (поэтому подобные системы еще называют "Intensity Stereo"). Общим недостатком совмещенных систем является ограниченное разделение каналов, что не позволяет получить широкую стереокартину. Зато они имеют хорошую моносовместимость (из-за отсутствия фазовой разницы), и поэтому часто применяются в вещании. В качестве системы для совмещенной стереозаписи нередко используется стереомикрофон.

Самым распространенным методом подобной стереозаписи является XY. Два направленных микрофона (обычно кардиоидных) размещаются так, чтобы их капсюли были совмещены (часто их размещают один над другим). Микрофоны нацелены на края источника звука (левый микрофон — на правый край, правый микрофон — на левый), чаще всего угол между микрофонами равен 90 градусам. Также применяются другие углы (120, 135 и даже 180 градусов) и другие диаграммы направленности (например, гиперкардиоида) — чем больше угол и уже диаграмма направленности, тем шире стереокартина. Этот метод лучше подходит для съема с близкого расстояния, так как при увеличении расстояния направленные микрофоны хуже передают низкочастотную информацию. Кроме того, чем ближе микрофоны к источнику звука, тем шире стереокартина. Но поскольку микрофоны направлены в стороны, может быть провал по громкости в центре. К тому же источники сигнала, находящиеся в центре (обычно самые важные), снимаются вне оси микрофона, что может привести к искажению тембра.

Другой распространенный метод совмещенной стереозаписи — MS. В этом случае используются кардиоидный микрофон (для улучшения передачи низких частот может применяться микрофон с круговой диаграммой), нацеленный на источник звука, и двунаправленный микрофон, расположенный в той же точке, но направленный перпендикулярно оси кардиоидного (90 градусов). Сигнал первого микрофона формирует M-канал (Middle), а сигнал второго — S-канал (Side). Для получения привычной нам стереофонии требуется матричное декодирование: левый канал получается посредством суммирования сигналов обоих микрофонов, а правый — посредством вычитания сигнала S-микрофона из сигнала M-микрофона. И хотя подобные декодеры выпускаются и продаются, процесс можно без особых проблем произвести на более-менее развитом микшере: канал M-микрофона назначается на стереошину, и его панорама устанавливается по центру (то есть сигнал в равной степени поступает на оба канала подгруппы), сигнал S-микрофона разделяется на два канала, оба они назначаются на ту же подгруппу, один канал панорамируется влево (и микшируется, то есть складывается, с сигналом M-микрофона в левом канале подгруппы), а на другом переключается полярность (то есть фаза сигнала инвертируется на 180 градусов), и он панорамируется вправо (где микшируется с сигналом M-микрофона в правом канале подгруппы, но, поскольку он находится в противофазе, то вычитается). Варьируя уровни каналов (и панораму), можно серьезно менять стереокартину. Метод MS имеет отличную моносовместимость (при сложении каналов остается только сигнал M-микрофона), но лучше работает на отдельных источниках, чем на больших ансамблях. Важным преимуществом этого метода является то, что микрофоны не обязаны быть подобранной парой, это могут быть даже разные модели разных производителей.

Метод MS придумал инженер Alan Blumlein из компании EMI в начале 30-х годов. Менее распространенный способ совмещенной стереозаписи, также придуманный им, так и называется — Blumlein. В этом случае микрофоны устанавливаются в соответствии с методом XY (угол между микрофонами строго 90 градусов), но используются диаграммы направленности типа "восьмерка". Для этого метода характерны те же недостатки, что и для XY: потеря низких частот при увеличении расстояния до источника звука (а двунаправленные микрофоны теряют их больше других), провал по громкости и тембральное окрашивание источников в центре. Отличием метода Blumlein является лучшее разделение каналов, чем в системе XY (что позволяет получить более широкую стереокартину), но при этом снимаются источники звука, находящиеся сзади, что сильно увеличивает уровень акустики помещения (реверберации) в результирующем сигнале.

ПолусовмещенныеТакие системы еще называют "spaced XY", поскольку используется схожее с этим методом расположение микрофонов, но их капсюли разнесены на некоторое расстояние (относительно небольшое). Кроме того, правый микрофон нацелен на правый край источника, а левый — на левый. Стереокартина формируется за счет сочетания разницы по уровню (интенсивностной) и разницы по времени (фазовой). Подобные системы хорошо передают локализацию и позволяют получить более широкий стереообраз, чем системы XY, но имеют худшую моносовместимость. По ширине стереокартины полусовмещенные системы схожи с методом Blumlein, но дают меньше реверберации. Как и в остальных случаях использования направленных микрофонов, при больших расстояниях теряются низкие частоты.

Самый известный метод полусовмещенной стереозаписи называется ORTF(Office de Radiodiffusion Television Francaise — французская вещательная компания). Два кардиоидных микрофона располагаются под углом 110 градусов, расстояние между их капсюлями составляет 17,5 см. Считается, что расстояние между капсюлями соответствует расстоянию между ушами человека, а угол воспроизводит эффект акустического экранирования головой. Существуют два варианта этого метода:DIN(угол 90 градусов, расстояние между капсюлями 20 см), разработанный немецким радиовещанием, иNOS(угол 90 градусов, расстояние между капсюлями 30 см), придуманный на голландском радио (Nederlandse Omroep Stichting).

Собственный метод полусовмещенной стереозаписи разработал британский инженер Tony Faulkner. Он использует два двунаправленных микрофона на расстоянии 20 см друг от друга, нацеленных вперед (акустические оси параллельны). При этом практически нет интенсивностной разницы, только фазовая, так что этот метод назвали Faulkner Phased Array. Как считает Tony Faulkner, проблема со многими другими способами стереозаписи состоит в том, что микрофоны приходится ставить ближе естественного расположения слушателя (иначе они воспринимают слишком много реверберации), а это приводит к выделению передней линии инструментов оркестра. Метод Faulkner Phased Array позволяет отнести микрофоны дальше от источников звука, на расстояние до девяти метров. К тому же меньше воспринимаются боковые отражения и не искажается тембр центральных источников.

РазнесенныеКак ясно из названия, в разнесенных стереосистемах микрофоны устанавливаются на большем расстоянии, чем в других. Используются, в основном, всенаправленные микрофоны (круговая диаграмма), а стереокартина получается за счет разницы по времени (поэтому такие системы еще называют "Time Difference Stereo"). Впервые подобные методы были применены инженерами Bell Labs в начале 30-х годов. Разнесенные системы часто предпочтительны при записи с большого расстояния (так что их хорошо использовать для ансамблей и оркестров), поскольку лучше запечатлевают низкочастотную информацию. Впрочем, если можно пожертвовать низкими частотами для улучшения локализации, то применяют и направленные микрофоны, тогда к фазовой разнице добавляется интенсивностная.

Самый распространенный вариант разнесенной стереосистемы — AB. В этом случае используются два микрофона (обычно всенаправленные, но можно кардиоидные или двунаправленные), установленные на расстоянии от одного до четырех метров друг от друга. Чем больше расстояние между микрофонами, тем шире стереокартина, но хуже моносовместимость и хуже воспроизводятся источники, находящиеся между микрофонами (возникает провал в центре). Меньшие расстояния используются при более близком расположении микрофонов к источнику звука, чтобы стереообраз не стал неестественно широким. Расстояние от микрофонов до источника звука зависит от его размеров и типа, а также от индивидуальных предпочтений оператора. Для этого метода характерно размытие (ухудшение локализации) источников (особенно находящихся по краям), зато он хорошо передает акустику помещения.

Разновидностью AB является метод Decca Tree, придуманный инженерами британской звукозаписывающей компании Decca Records в 50-х годах, в основном, для записи оркестра. Три всенаправленных микрофона располагаются треугольником (часто равносторонним), крайние микрофоны размещаются на расстоянии около двух метров друг от друга, центральный микрофон (вместо всенаправленного можно использовать кардиоидный), предназначенный для компенсации провала в середине (сигнал с этого микрофона поступает на оба канала, но с меньшим уровнем, чем крайних), выдвигается вперед (ближе к источнику звука) примерно на метр. Данный метод позволяет получить естественную стереокартину с хорошей локализацией источников. Название Decca Tree возникло из-за того, что один из инженеров компании Decca посчитал конструкцию из стойки и микрофонов похожей на рождественскую елку (Christmas Tree).

Вариант метода Decca Tree, который нередко применяет известный звукоинженер Ron Streicher, предполагает использование в центре стереопары микрофонов, установленных по методу MS, а для пространственного звука используются микрофон SoundField MKV в центре и пара дополнительных кардиоидных микрофонов, направленных назад.

ЭкранныеЭто общее название нескольких разных методов стереозаписи, использующих акустический экран для имитации акустических свойств человеческой головы. Таким образом, к интенсивностной и фазовой разнице добавляется тембральная. В принципе, чтобы улучшить разделение каналов, можно установить поглощающий экран между двумя микрофонами, организованными в соответствии с разными методами стереозаписи: AB, ORTF, DIN, NOS. Для экранных систем характерны хорошая локализация, аккуратная стереокартина и хорошая передача низких частот.

Первую экранную стереосистему придумал все тот же Alan Blumlein в 1931 году. Поскольку тогда существовали только всенаправленные микрофоны (то есть было доступно только фазовое стерео), Blumlein предложил разместить акустический экран между двумя микрофонами, установленными на расстоянии около 20 см, чтобы получить интенсивностную стереофонию. Но экранирование наблюдалось только при частотах выше 700 Гц (при более низких частотах длина волны позволяет сигналу обойти экран), и для восстановления стерео на низких частотах Blumlein использовал простое электрическое устройство, которое он назвал Shuffler, чтобы преобразовать фазовую разницу в интенсивностную. Буквально через год появились направленные микрофоны, и этот метод был практически забыт. Однако не так давно несколько звукоинженеров возродили данную технологию (причем они используют Shuffler и без экрана, а также с направленными и поверхностными микрофонами) и назвали ее BDT(Blumlein Difference Technique).

Один из самых распространенных вариантов экранной стереосистемы называется Jecklin Disk, его придумал швейцарский инженер Jurg Jecklin. Два всенаправленных микрофона устанавливаются на расстоянии, соответствующем расстоянию между ушами человека (16,5 см), между ними помещается твердый диск диаметром 30 см, покрытый поглощающим акустическим материалом.

] Разновидностью этого варианта является Schneider Disk, отличающийся тем, что диск имеет сферический выступ в центре для лучшей имитации головы. Оба варианта хорошо передают стереообраз при воспроизведении через акустические системы, но Schneider Disk рекомендуется для бинауральных записей, воспроизводимых через наушники.

Разновидностью экранной системы является сферический микрофон — два микрофонных капсюля устанавливаются заподлицо по бокам твердой сферы диаметром 20 см. Сферический микрофон изобрел инженер Guenther Theile из IRT (Institut für Rundfunktechnik — немецкий радиотехнический институт), поэтому его часто называют Theile Sphere. Практическим воплощением этой идеи является модельSchoeps KFM6.

Наиболее полно идеи экранной стереосистемы воплощаются в устройствах типа "искусственная голова" (Artificial Head, Dummy Head). В этом случае звук воспринимается всенаправленными микрофонами, размещенными в ушных раковинах манекена, изображающего человеческую голову (иногда вместе с торсом). Таким образом, в максимальной степени имитируется слуховое восприятие человека, однако получающийся стереоэффект больше подходит для прослушивания в наушниках. Подобные системы применяются, например, для бинауральной записи (см. статью"Объемный звук") и часто используются в приложениях виртуальной реальности. Примером "искусственной головы" является модельNeumann KU100.

Пространственные системыПроисходящее в последнее время развитие многоканального пространственного звука привело к тем же соображениям, что и в случае стереофонии: можно создавать пространственную картину посредством панорамирования, но пространственная запись дает более естественный результат. Большинство методов микрофонной записи многоканального пространственного звука являются развитием методов стереозаписи или их сочетанием. Принципиальным отличием пространственной записи от стереофонической является отдельное внимание, уделяемое съему акустического пространства (причем не только реверберации помещения, но и источников звука в зале, например, аплодисментов), и некоторые из описанных методов предназначены только для этого. Также в пространственных системах чаще используются направленные микрофоны, поскольку всенаправленные снимают слишком много реверберации.

Микрофонный съем пространственного звука сейчас находится еще в начале своего развития, новые методы появляются постоянно, и их сложнее классифицировать. В принципе, среди пространственных систем встречаются все типы, характерные для стерео: совмещенные, полусовмещенные, разнесенные и экранные, а также их сочетания. Кроме того, существуют два разных подхода: равноправный съем всей картины или раздельный съем источников звука (для фронтальных каналов) и акустического пространства (для тыловых каналов). Но мне показалось более удобным разделить методы пространственной записи на две другие группы: общие и специальные системы.

ОбщиеПод "общими" имеются в виду такие системы пространственной записи, которые не требуют использования микрофонов и вспомогательного оборудования определенного производителя.

Метод Double MSявляется развитием метода стереозаписи MS и отличается от него добавлением кардиоидного микрофона, направленного назад. Капсюли микрофонов располагаются в одной точке, то есть Double MS представляет собой пример совмещенной системы. Разделение каналов происходит за счет интенсивностной разницы. S-канал является общим для обоих M-каналов, посредством матричного декодирования из них получаются пять стандартных каналов пространственного звука. Важным преимуществом этот метода является то, что для получения пятиканального сигнала достаточно трех микрофонов.

Похожий на Double MS метод под названием FLRBпредложил звукоинженер Mike Sokol. Четыре совмещенных кардиоидных микрофона направлены друг на друга; наряду с сигналами каждого микрофона, формирующими центральные фронтальный и тыловой каналы и два боковых каналах, используется матричный декодер (по типу MS-декодера) для получения левых и правых фронтальных и тыловых каналов. Таким образом, с помощью этого метода можно записывать до восьми каналов пространственного звука.

Метод Hamasakiпридумал инженер Kimio Hamasaki из японской вещательной компании NHK. Два кардиоидных микрофона располагаются по методу полусовмещенной стереозаписи NOS (угол 90 градусов, расстояние между капсюлями 30 см), между ними размещается акустический поглощающий экран. Эти микрофоны формируют левый и правый фронтальные каналы. Сбоку от них (на расстоянии полтора метра) размещаются всенаправленные микрофоны, низкочастотная часть сигналов которых подмешивается в соответствующий канал. Перед акустическим экраном располагается центральный кардиоидный микрофон. Кардиоидные микрофоны тыловых каналов размещаются на расстоянии двух-трех метров от фронтальных микрофонов и три метра друг от друга, они направлены назад, угол между ними — 90 градусов.

Методы INA(Ideale Nieren-Anordnung — идеальная кардиоидная конфигурация) разработали Volker Henkels и Ulf Herrmann. Как ясно из названия, здесь используются кардиоидные микрофоны, а "идеальными" эти конфигурации делает то, что расстояния между микрофонами и углы их направленности соответствуют "кривым Вильямса", названным так по фамилии инженера (Michael Williams), описавшего зависимость от этих факторов эффективного угла охвата стереопары микрофонов. В системе INA 3, предназначенной для съема фронтальных источников, используются три микрофона, расположенные равнобедренным треугольником. Для расчета расстояний и углов можно использовать онлайновую программу Image Assistant (www.hauptmikrofon.de/ima2.htm). В системе INA 5 к микрофонам, установленным по методу INA 3 (угол между крайними 180 градусов), добавляются два тыловых микрофона, направленные назад (угол между ними 60 градусов).

John Klepko из канадского университета McGill использует собственный метод пространственного съема, который так и называют — Klepko. Три суперкардиоидных микрофона (в качестве центрального можно использовать и кардиоидный), расположенные на одной линии (расстояние между микрофонами 17,5 см, боковые направлены на 30 градусов влево и вправо), формируют фронтальные каналы. Для тыловых каналов используется искусственная голова, расположенная на расстоянии 1,25 метра позади центрального микрофона.

Метод Corey/Martin Treeразработали Jason Corey из университета Мичигана и Geoff Martin из компании Bang & Olufsen. Они использовали три микрофона с диаграммой направленности широкая кардиоида, расположенные в линию на расстоянии 60-90 см друг от друга (при желании центральный микрофон можно выдвинуть вперед на расстояние до 15 см) и нацеленные вперед, и пару кардиоидных микрофонов на расстоянии 60-90 см от фронтальных, нацеленные в потолок (расстояние между этими микрофонами 30 см).

Lars Christensen из датской вещательной корпорации (Danish Broadcasting Corporation) предлагает метод Decca Tree + ORTF: три всенаправленных микрофона в конфигурации Decca Tree (каждая сторона треугольника равна 60-120 см) используются для фронтальных звуков, а два кардиоидных микрофона в конфигурации ORTF, расположенные на расстоянии 8-10 м от фронтальных и направленные назад, — для тыловых. Как вариант, конфигурацию ORTF можно заменить на AB — микрофоны при этом располагаются на расстоянии два метра друг от друга.

Метод OCT(Optimized Cardioid Triangle), который придумал Gunther Theile, сделан на основе метода Decca Tree. Три кардиоидных микрофона (в качестве боковых можно использовать суперкардиоидные) располагаются треугольником и нацеливаются наружу (крайние — друг от друга, центральный — вперед). Крайние микрофоны располагаются на расстоянии 40-90 см друг от друга, центральный микрофон — на расстоянии 7-8 см от оси, соединяющей крайние. Для лучшей передачи низких частот в левый и правый каналы можно добавить сигналы двух всенаправленных микрофонов, установленных по бокам, или одного всенаправленного микрофона, расположенного в центре. Система разработана для получения фронтальных каналов в пространственном звуке, также может использоваться для стерео. Полный пространственный вариант OCT Surround получается добавлением двух кардиоидных микрофонов, расположенных на расстоянии 40 см от линии боковых назад и на 20 см вбок, микрофоны направлены назад. Также метод OCT нередко комбинируют с такими системами съема акустического пространства, как IRT Cross и Hamasaki Square, установленными на расстоянии нескольких метров позади.

Метод IRT Cross(его тоже разработал Gunther Theile из IRT) представляет собой практически двойную полусовмещенную стереосистему: четыре кардиоидных микрофона располагаются по углам квадрата и нацеливаются наружу (углы между акустическим осями — 90 градусов), расстояние между микрофонами 20 см. Посредством этого способа хорошо передается акустическое пространство, но поскольку два микрофона направлены вперед, могут быть проблемы с проникновением фронтальных источников звука. Так как метод IRT Cross предназначен для съема атмосферы зала, его иногда называюAtmo-cross. Также встречается название Surround Ambience Microphone (SAM) Array.

Метод Hamasaki Square(автор, естественно, Kimio Hamasaki) похож на IRT Cross, но используются двунаправленные микрофоны, нацеленные по бокам (что снимает проблему проникновения фронтальных звуков), и расстояние между микрофонами больше — около двух метров. Если нужны отражения от задней стены, в качестве тыловых используются суперкардиоидные микрофоны, направленные назад. Метод Hamasaki Square можно использовать для стереозаписи, если суммировать фронтальные и тыловые микрофоны.

Метод Fukuda-Tree, разработанный инженером Akira Fukuda (нередко его фамилию пишут по-английски как "Fukada") из компании NHK и предназначенный для одновременной записи как источников звука (в основном, оркестра), так и акустического пространства, представляет собой определенное сочетание методов IRT Cross и Decca Tree. Четыре кардиоидных микрофона устанавливаются по методу IRT Cross (расстояние между ними два метра), к ним добавляется центральный кардиоидный микрофон, выдвинутый на метр вперед. Дополнительно можно использовать два всенаправленных микрофона по бокам, расположенных на расстоянии около одного метра. Расстояния можно менять в зависимости от размеров и состава оркестра. Сигналы кардиоидных микрофонов формируют пять стандартных каналов пространственного звука, сигналы с всенаправленных микрофонов подмешиваются в соответствующие фронтальный и тыловой каналы.

Еще пару методов съема источников звука (в основном, больших оркестров) предложил неугомонный Guenther Theile. По методу LCRдве направленные микрофонные пары располагаются на большом расстоянии (около восьми метров) друг от друга, и каждая снимает свою половину оркестра. Крайние левый и правый микрофоны формируют, соответственно, левый и правый каналы. Сигналы правого микрофона левой пары и левого микрофона правой пары микшируются с понижением уровня на 3 дБ и формируют центральный канал. По методуMultiple-A/Bпять направленных (обычно кардиоидных) микрофонов равномерно распределяются по линии длиной десять метров. Сигналы левого, центрального и правого микрофонов поступают в соответствующие каналы. Сигналы микрофонов, находящихся между левым и центральным и между правым и центральным каналами, поступают на оба соседних канала с уровнем -3 дБ.

Специальные системыНекоторые производители разработали собственные системы микрофонной записи многоканального пространственного звука.

Наиболее известна в этой области продукция компании SoundField. Основу всех ее систем составляет уникальный микрофон с четырьмя совмещенными капсюлями, установленными четырехгранником (все капсюли направлены в разные стороны). В системуSPS422Bтакже входит предусилитель-процессор, с помощью которого можно управлять различными параметрами системы (в том числе направленностью микрофона), дискӁетно выводит葌 четыр␵хканальный сигнал микрофона (назలанный проظзвод䐸телем "B Format"),䀠а также преобразовывать его в формдты моно, MS или стерео. Для преобразования B Format в стандаттный многоканальҽый ␿ространственный звук (вплоть до 7.1) используется процессорSP451. СистемаMKVотличается от SPS422B, прежде всего, тем, что входящий в нее предусилитель-процессор можно использов␰ть для преобразованиُ предварительно запԸсанных сигналов B Format. Новыми продуктами ᐺాмп萰нии являются вещательна⑏ уистема DSF2, портативнаӏ система ST35а и плаళин Surround Zone, вы萿олняющҸй те же функции, что и процессор SP451.

Система SPL/Brauner Atmos 5.1 состоит из устройства Atmos 5.1 Controller производства компании SPL и набора микрофонов ASM 5 (Adjustable Surround Microphone) фирмы Brauner. Устройство Atmos 5.1 Controller имеет пять трансформаторных микрофонных входов с моторизованными регуляторами чувствительности, аттенюаторами, переключателями полярности, фантомным питанием, обрезными фильтрами низких частот, разрывами и посылами-возвратами. Есть функции пространственного панорамирования, мониторинга, управления низкочастотным каналом, дистанционного изменения диаграммы направленности микрофонов (от круга до восьмерки). Наряду с шестью дискретными пространственными выходами имеются также стереофонические вход и выход. В набор ASM 5 входят пять подобранных микрофонных капсюлей Brauner VM1, установленных на специальной стойке в конфигурации, являющейся модифицированным вариантом системы INA 5. Микрофоны можно поворачивать. Также прилагается 25-метровый мультикабель для соединения с устройством Atmos 5.1 Controller.

Jerry Bruck, американский представитель компании Schoeps, разработал пространственную систему на основе сферического микрофона, которую компания продает под названием Schoeps Surround Microphone System by Bruck. Помимо сферического микрофона KFM360 в систему входят два двунаправленных микрофона CCM8L, расположенных таким образом, чтобы капсюль был совмещен с одним из имеющихся в сфере всенаправленных микрофонов, и процессор DSP4 KFM360. Процессор имеет два аналоговых стереовхода для микрофонов (с фантомным питанием 48 В) и три стереовыхода, два цифровых стереовхода и три стереовыхода формата AES/EBU. В режиме записи входные сигналы микрофонов без обработки поступают на два выхода, третий выход служит для мониторинга. В режиме обработки четыре входных сигнала (записанные или непосредственно с микрофонов) преобразуются процессором в шесть каналов формата 5.1. Обработка производится в цифровом виде, возможно управление уровнями каналов, временем задержки, верхней границей частотного диапазона.

Канадская компания Rising Sun Productions выпускает серию микрофонных систем под общим названием Holophone, являющихся, пожалуй, самыми недорогими устройствами такого типа. Несколько всенаправленных капсюлей размещены в корпусе сложной эллипсоподобной формы, имитирующей акустические свойства головы. Кроме того, корпус действует как акустическая линза. Все системы имеют отдельные выходы пространственных каналов и не требуют дополнительной обработки, так что могут подключаться непосредственно к микрофонному предусилителю. Флагманская модельH2 Proимеет восемь выходов (левый, центральный и правый фронтальные, левый, центральный и правый тыловые, верхний, низкочастотный), то есть поддерживает форматы вплоть до 7.1. МодельH3Dподдерживает шесть каналов формата 5.1. Компактная модельH4 SuperMINI, предназначенная для крепления на видеокамеру, также поддерживает шесть каналов формата 5.1, но помимо дискретных выходов имеет встроенный предусилитель, выход для наушников, стереовыход матричного пространственного кодировщика (совместим с форматом Dolby Pro-Logic II), вход для дополнительного микрофона.

Заключение Как это обычно бывает в работе со звуком, перечисленные методики лучше воспринимать в качестве исходных. Знание принципов слухового восприятия и конструктивных особенностей микрофонов, а также способность оценивать полученные результаты, помогут вам в поиске собственных технологий пространственной записи. Несмотря на распространенное мнение, не только в пространственной, но даже и в стереофонической звукозаписи не все еще придумано.

Статья "Микрофоны, часть 5"

27 Ноя 2011 13:53 — Dmitry Popov

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 стереосистемыAB.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.

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.

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.

опытки 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).

Совмещенные микрофонные стереосистемыЭта 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.

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.

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.

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.

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.

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.