Звуковые системы радиовещания и телевидения. Часть 1. Назначение, типы звуковых систем и качество звучания.

Юрий Ковалгин

Качество звучания при естественном проcлушивании

Рис. 1. Реверберационный процесс в концертном зале

Предположим, что мы находимся в концертном зале (1) с хорошей акустикой и слушаем звучание оркестра. Эта ситуация условно представлена на рисунке 1. На эстраде (2) расположены исполнители (их положение отмечено здесь крестиками). Звуковые волны приходят к ушам слушателя (3) от каждого из музыкальных инструментов по разным путям. Первой приходит прямая звуковая волна, так как она распространяется по кратчайшему пути. Вслед за ней поступает множество волн, отраженных от поверхностей помещения. Совокупность отраженных звуковых волн образует реверберационный процесс в помещении. Он играет очень важную роль в слуховом восприятии, имеет сложную спектральную, временную и пространственную структуру. Благодаря реверберации звучание инструментов и голосов кажется нам тембрально богаче, тоньше нюансированным, более объемным и пространственным. Это звучание несет также информацию об акустических особенностях помещения.

Рис. 2. Реверберационный процесс в помещении: а — временная структура прихода звуков; б — кратковременная функция корреляции; в — группы периодически следующих звуков

Несмотря на разнообразие форм, размеров и акустического оформления студий, концертных залов и контрольных и жилых комнат, временная структура реверберационного процесса во всех помещениях имеет общие особенности. Типичная картина реверберационного процесса для помещения любой формы изображена на рисунке 2а. По оси ординат отложены уровни сигналов прямого звука и отзвуков N (дБ), по оси абсцисс — время их поступления в точку приема звука τ (мс). В начальной стадии временная структура реверберационного процесса дискретна, но с увеличением времени запаздывания отраженных сигналов их количество возрастает, а временные интервалы между ними уменьшаются. Уровень отзвуков с течением времени постепенно уменьшается, однако данный процесс имеет флуктуационный характер.

Начальный (дискретный) участок реверберационного процесса несет информацию о геометрических размерах помещения, его объеме, определяет такую важную особенность восприятия, как пространственность звучания, а также свойственную помещению специфическую окраску звучания. Завершающий участок реверберационного процесса характеризуется поступлением в каждый момент времени достаточно большого числа отраженных сигналов. Здесь имеет место энергетическое сложение отзвуков. На этом этапе формируется свойственный данному помещению характер гулкости звучания.

Между сигналом прямого звука и завершающим участком реверберационного процесса располагаются ранние отражения. Их интенсивность, направления прихода к слушателю, время запаздывания по отношению к сигналу прямого звука определяют плохие и хорошие места в зале. Картина ранних отражений индивидуальна для каждого слушательского места, а значит, отличаются и ощущения, возникающие при прослушивании одной и той же программы. Заметим (за исключением крайних случаев), что слушатель концерта или оперы воспринимает лишь от 5 до 20% общей энергии в виде прямого звука, 10% энергии приходится на завершающий участок реверберационного процесса. Остальное, примерно 70…80%, — это энергия дискретных отражений. Многие авторы утверждают, что начальная часть реверберационного процесса гораздо важнее для субъективного восприятия, чем его завершающий участок.

В дискретной части реверберационного процесса следует различать условно ранние и поздние отражения. Граница между ними лежит вблизи 50 мс для речи и 80 мс для музыки. Многочисленными экспериментальными наблюдениями отмечена важная роль первых (ранних) дискретных отражений в создании эффекта пространственного восприятия звучаний речи и музыки. При звучании музыки максимальный эффект пространственности и прозрачности звучания достигается, если первое отражение запаздывает по отношению к сигналу прямого звука примерно на 20…30 мс, а первые три запаздывающих сигнала размещаются в интервале 45…75 мс. При звучании речи высокая разборчивость достигается, если первый запаздывающий сигнал приходит не позже 10…15 мс после сигнала прямого звука, а первые три отражения — в интервале 25…35 мс. Увеличение времени запаздывания первого отражения усиливает эффект пространственности звучания, но при этом, как правило, снижается разборчивость. Отсутствие участка дискретных отражений приводит к ощутимому ухудшению качества звучания. Можно сказать, что самые ранние отражения повышают разборчивость и прозрачность звучания, а более поздние — пространственное впечатление. Первый запаздывающий сигнал, как правило, приходит, отразившись от потолка; отражение от пола обычно ослабляется ковровым покрытием. Отражения от боковых стен, приходящие в интервале от 25 до 80 мс, могут одновременно повышать как прозрачность звучания, так и пространственное впечатление. Пространственность прихода ранних отражений — очень важная особенность дискретного участка реверберационного процесса в помещении.

Еще более детальное представление о временной структуре реверберационного процесса дает кратковременная корреляционная функция импульсного отклика помещения B₀(t), рисунок 2б. Она содержит множество энергетических пиков, отличающихся как по уровню, так и по расположению их на оси текущего времени τ. Все это позволяет рассматривать реверберационный процесс как совокупность (сумму) апериодических отражений и групп периодически следующих отзвуков (рисунок 2в), каждая из которых имеет различный период следования T_i и неодинаковое расположение на оси текущего времени τ. Отзвуки, приходящие апериодически, образуют так называемый реверберационный фон (плавно спадающий по уровню) и воспринимаются слитно.

Энергетические пики кратковременной функции корреляции образуют (при слуховом восприятии реверберационного процесса) отзвуки высокого уровня, несущие информацию об акустических свойствах помещения. Если разница по времени поступления к слушателю соседних пиков кратковременной корреляционной функции Δτ_1,2; Δτ_2,3… Δτ_i,j меньше порогового значения Δτ_пор, то эти отзвуки высокого уровня воспринимаются слитно (рисунок 2б). При Δτ_i,j > Δτ_пор они воспринимаются раздельно. В реальных условиях это условие выполняется достаточно часто. Отсюда следует, что при окончательной обработке реверберирующего сигнала в высших центрах головного мозга слушателя, то есть при его превращении в ощущения, образуется ряд раздельно воспринимаемых вторичных звуковых образов.

Пространственность прихода отзвуков уменьшает их взаимное маскирующее действие друг на друга. Следствием этого является улучшение условий для их обработки в слуховом анализаторе человека, а это, в свою очередь, улучшает условия восприятия акустической обстановки помещения, свойственной ему окраски и гулкости звучания, способствует более точной оценке тембров инструментов и голосов.

Итак, при слушании в концертном зале сигналы, поступающие на левое (Л) и правое (П) уши, не тождественны (рисунок 1). Они имеют разные временные структуры, различные пространственные и спектральные особенности. Эта так называемая бинауральная пара сигналов определяет всю совокупность ощущений, свойственных естественному слушанию. При этом основными ощущениями или признаками качества звучания являются следующие:

• пространственное впечатление, объемность, протяженность звучания, ощущение расположения отдельных источников звука оркестра в разных точках пространства, как по фронту, так и по глубине. Местоположение источников звука — музыкальных инструментов — может быть достаточно четко локализовано в пространстве, однако число одновременно воспринимаемых направлений на источники звука и звуковых планов невелико. Обычно в том и другом случае — не более двух-трех. Чаще всего в каждый текущий момент времени выделяется лишь одно доминантное направление, все остальное воспринимается как размытый звуковой образ;
• прозрачность или раздельность звучания. Прозрачность звучания определяется способностью слушателя выделять и раздельно воспринимать инструменты, голоса или их группы на фоне звучащего ансамбля;
• естественность и богатство тембров инструментов и голосов;
• музыкальное равновесие, баланс громкостей отдельных составных частей сложного звукового образа;
• восприятие акустической обстановки помещения (концертного зала), свойственных ему гулкости, теплоты, мягкости, светлости, звонкости и т. п.

Каждый такой признак качества включает обычно еще и несколько более простых ощущений.

Назначение звуковой системы

Система звукопередачи предназначена для возможно более полного переноса всей совокупности ощущений из первичного помещения (студии, концертного зала) во вторичное — жилую комнату радиослушателя или телезрителя. Акустические характеристики этих помещений очень сильно отличаются друг от друга, что создает дополнительные трудности при передаче и оказывает существенное влияние на структуру собственно звуковой системы. Система звукопередачи должна предоставлять широкие возможности для реализации творческой фантазии звукорежиссера, в том числе и для создания звуковых эффектов, осуществить которые трудно или даже невозможно в условиях естественного слушания. При этом не ставится задача точного копирования всех особенностей звукового поля первичного помещения, да это практически и невозможно.

Итак, звукопередача — это не пассивное отображение звукового поля студии, а процесс активной творческой переработки звукорежиссером исходного множества первичных звуковых сигналов, создания на приемной стороне системы нового звукового поля, может быть даже непохожего на исходное, но обеспечивающего полноценное слуховое восприятие, свойственное тому или иному способу звукопередачи.

Типы звуковых систем. Обобщенная структурная схема звуковой системы радиовещания и телевидения изображена на рисунке 3. Она состоит из двух основных частей: одна находится на стороне передачи, а другая — на стороне приема звуковой информации. Звуковые системы радиовещания и телевидения — это разомкнутые системы. В противоположность этому системы звукоусиления являются замкнутыми.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема звуковой системы радиовещания и телевидения

На рисунке используются следующие обозначения:

• 1, 2, 3… N — входные каналы первичных звуковых сигналов (N — число таких первичных каналов);
• x_i(t) — i-й первичный сигнал. Множество таких первичных сигналов {x_i(t)} поступает от микрофонов и с выходов многодорожечного рекордера. Каждый первичный сигнал формирует на стороне воспроизведения (жилая комната радиослушателя или телезрителя) свой источник звука (действительный или кажущийся), являющийся составной частью сложного звучания;
• Ф — совокупность устройств, предназначенных для формирования и обработки звуковых сигналов: регуляторы уровня (установочные и оперативные), коммутационные и смесительные устройства, панорамно-кодирующие устройства (регуляторы направления и протяженности стереопанорамы), регуляторы АЧХ, эквалайзеры, ревербераторы, устройства звуковых эффектов и т. д.; большая часть этих устройств входит в состав пульта звукорежиссера;
• n — число раздельных каналов передачи звуковых сигналов на приемную сторону системы, обычно N существенно больше n;
• В — совокупность устройств для воспроизведения звуковых сигналов на приемной стороне системы звукопередачи;
• N’ — число каналов воспроизведения;
• Гр₁, Гр₂ … Гр_N’ — громкоговорители системы воспроизведения (СВ).

Получателем информации является слушатель.

Системы звукопередачи классифицируют прежде всего по числу каналов передачи n. Различают одно- и многоканальные или стереофонические (n ≥ 2) звуковые системы.

Из всего многообразия звуковых систем, предложенных разными авторами на определенных этапах развития звукотехники, наиболее жизнеспособными и распространенными в настоящее время оказались следующие.

Монофоническая система передачи звука. Здесь на передающей стороне системы формируется один сигнал, для его передачи используется один канал связи (n = 1), воспроизводится этот сигнал в жилой комнате одним громкоговорителем. В такой системе нет дополнительных каналов для передачи и воспроизведения в жилом помещении реверберационных компонентов сигналов, составляющих звучания отдельных источников звуковой картины. При этом сигнал, излучаемый громкоговорителем, содержит оптимальное, с позиций слухового восприятия, соотношение энергий сигналов прямых звуков и их реверберирующих продолжений. Качество звучания, обеспечиваемое данным способом передачи звука из первичного помещения (студии, концертного зала) во вторичное (жилое) помещение, наихудшее. Однако в силу своей простоты данный способ передачи звука и сегодня является широко распространенным, например, при проведении информационных передач.

Условное обозначение системы N-1-1-1, а формата воспроизведения звука 1/0, где первая цифра 1 означает число раздельных каналов воспроизведения звуковых сигналов, содержащих как прямые, так и отраженные звуки в оптимальном соотношении, а цифра 0 — число каналов, служащих только для воспроизведения реверберирующих сигналов (рисунок 4а).

Квазистереоамбиофоническая система звукопередачи. Ее условное обозначение N-1-1-3, формат воспроизведения звуковых сигналов 1/2 (рисунок 4б). В этом случае из исходного монофонического сигнала на приемной стороне звуковой системы формируются, например с помощью ревербераторов, один или несколько дополнительных сигналов, содержащих, в основном, реверберирующий звук. Для их воспроизведения используются дополнительные громкоговорители, размещаемые в тыловой части пространства. Часто для усиления эффекта пространственности тыловые громкоговорители включают через линию задержки с временем запаздывания Δτ = 20…50 мс. Величина Δτ обычно тем больше, чем больше объем вторичного помещения, и зависит также от жанра программы. Такие системы способны достаточно полно передать акустические особенности первичного помещения (концертного зала, студии). Пространственной звуковой панорамы здесь нет, это размытые объемные звуковые образы, наложенные друг на друга.

Рис.4. Основные звуковые форматы и системы воспроизведения: а — воспроизведение монофонической передачи, формат 1/0;  б — квазистереоамбиофоническое воспроизведение, формат 1/2; в — обычное двухканальное стереофоническое воспроизведение, формат 2/0; г — стереоамбиофоническое воспроизведение, форматы 2/1 и 2/2; д — воспроизведение матричных квадрафонических систем звукопередачи: SQ, QS, формат 3/0; EV-Stereo-4, Хафлера, Бауера и т. п., формат 4/0

Обычная двухканальная стереофоническая система содержит два раздельных канала передачи звука и два канала для воспроизведения этих сигналов в жилом помещении. Никаких дополнительных преобразований сигналов стереопары в помещении воспроизведения не производится, за исключением регулирования громкости, тембров по нижним и верхним частотам и стереобаланса. Иначе говоря, декодирование сигналов стереопары выполняется в слуховой системе человека. Условное обозначение такой системы N-2-2-2, формат воспроизведения 2/0 (рисунок 4в).

Важно отметить две особенности, присущие сигналам обычной стереофонии. Во-первых, моносовместимость — сумма левого и правого сигналов стереопары должна давать полноценное монофоническое звучание; во-вторых, левый и правый сигналы стереопары содержат как сигналы прямых звуков, так и их реверберационные продолжения и, что самое существенное, имеют примерно одинаковое соотношение энергий сигналов прямых и отраженных звуков в каждом из каналов воспроизведения.

Эти системы являются наиболее распространенными в России, их описанию посвящено множество работ, поэтому они не требуют дополнительного пояснения. Им присущи две особенности: малый размер зоны стереофонического эффекта и недостаточно полная передача акустических особенностей первичного помещения. Тем не менее их внедрение в практику радиовещания и телевидения — это качественный скачок в развитии техники передачи звука. Субъективные статистические экспертизы, выполненные многочисленными исследователями, позволили не только выделить основные компоненты (признаки качества), отличающие стереофоническое звучание от монофонического (таблица 1), но и определить механизмы, лежащие в основе их восприятия.

Таблица 1. Компоненты стереофонического эффекта (обычное двухканальное воспроизведение)
Компоненты стереофонического эффекта	Степень значимости компоненты в обобщенной оценке качества звучания
	Для квалифицированных экспертов	Для рядовых слушателей
Пространственное впечатление, ширина панорамы, объемность	0,27	0,34
Прозрачность, ясность, четкость	0,2	0,03
Естественность и богатство тембров инструментов и голосов, гулкость басов	0,4	0,32
Чистота	0,12	0,04

Отметим, что стереофоническое звучание предпочитается монофоническому даже при худших параметрах качества каналов стереопары: свыше 85% слушателей предпочитают стереофоническое звучание с полосой частот 50…10000 Гц монофоническому с полосой частот 30…15000 Гц. Предпочтительность стереовоспроизведения сохраняется даже при сокращении полосы частот до 100…6400 Гц. Стереофоническое звучание при коэффициенте гармоник до 20% предпочитается неискаженному монофоническому звучанию, несмотря на то, что такие искажения явно заметны на слух. Порог заметности помех при стереовоспроизведении составляет порядка -60 дБ, однако при отношении сигнал/помеха 35…40 дБ стереофонический режим работы радиоприемника еще предпочитается монофоническому, хотя при этом на слух явно заметны помехи.

Рис. 5. Схематическое представление кратковременных функций корреляции реверберирующих сигналов при стереопередаче

Кратковременные функции корреляции реверберирующих сигналов в каналах при стереопередаче различны (рисунок 5). По оси ординат здесь отложены значения кратковременной функции корреляции реверберирующих сигналов левого В₀’(τ) и правого В₀’’(τ) каналов стереопары; по оси абсцисс — текущее время τ реверберационного процесса. Представленные коррелограммы отличаются числом энергетических пиков, их уровнем и расположением на оси текущего времени. О причине появления энергетических пиков уже говорилось выше. При воспроизведении таких реверберирующих сигналов громкоговорителями образуется совокупность вторичных кажущихся источников звука (КИЗ), локализуемых слушателем в различных точках на линии базы Гр₁ и Гр₂. Вторичные КИЗ формируются парами соседних энергетических пиков левого и правого сигналов стереопары, если Δτ_i < Δτ_пор (рисунок 5). Вторичные КИЗ будут восприниматься раздельно, если Δτ_i,j > Δτ_пор, где Δτ_i,j — временной сдвиг между соседними парами энергетических пиков кратковременных функций корреляции реверберирующих сигналов. Измерения показали, что оба эти условия выполняются достаточно часто. Таким образом, при стереовоспроизведении частично восстанавливается пространственность прихода отзвуков, свойственная первичному помещению, а значит, работает механизм пространственной демаскировки и, как следствие этого, улучшается восприятие групп отзвуков.

При монофонической передаче все отзвуки, составляющие реверберационный процесс в первичном помещении, воспринимаются слушателем как исходящие из одного источника — громкоговорителя. Они в значительной степени маскируются сигналами прямых звуков, что затрудняет выделение отзвуков, а следовательно, и слуховую оценку акустических свойств первичного помещения.

Предпочтительность стереовоспроизведения сохраняется до тех пор, пока ансамбль воспринимается пространственно разделенным хотя бы на три группы — левая, центр и правая. Когда число воспринимаемых направлений локализации источников звука уменьшается до одного (как при монофоническом воспроизведении) предпочтительность стеревоспроизведения исчезает. Это подтверждает тот факт, что в восприятии стереофонического эффекта решающее значение играют механизмы пространственного слуха человека: образование кажущихся источников звука, их локализация и пространственная демаскировка.

Двухканальные стереофонические системы повышенного качества звучания имеют два канала передачи и четыре или пять каналов для воспроизведения звука. Распространены следующие разновидности этих систем:

• стереоамбиофонические системы, имеющие фронтальную и тыловую пары громкоговорителей (рисунок 4г). Фронтальная пара громкоговорителей воспроизводит полноценный стереофонический сигнал обычной двухканальной системы передачи. Тыловая пара громкоговорителей (два или один) воспроизводит, в основном, сигналы реверберации. Условное обозначение системы N-2-2-3 или N-2-2-4, форматы воспроизведения 2/1 и 2/2;
• матричные системы передачи имеют два канала передачи звука (n = 2) и три или больше каналов воспроизведения. Эти системы прошли достаточно длинный путь в своем развитии от квадрафонии (рисунок 4д) до систем пространственного звучания, широко представленных сегодня фирмой Dolby Lab. Изначально эта фирма разрабатывала свои звуковые системы применительно к кинематографу — Dolby Stereo, формат 3/1 (рисунок 6а); позже появились системы Dolby Surround и Dolby Pro Logic I и Dolby Pro Logic II, формат 3/2 (рисунок 6б), затем Dolby THX Matrix, формат 3/3 (рисунок 6в). Из систем, разработанных в России, к этому классу относятся две: «Суперфон-35» (аналог Dolby Stereo) и ABC-Stereo (рисунок 7). Условное обозначение системы звукопередачи Dolby-Stereo имеет вид N-4-2-4 или N-4-2-5, а системы ABC-Stereo — N-2-4 или N-2-5;
• бинауральные системы. Эта особая разновидность двухканальных звуковых систем повышенного качества звучания, совершенствованию которых сегодня уделяется особое внимание разработчиков.

Рис. 6. Расположение громкоговорителей в системах фирмы Dolby Lab: а — система Dolby-Stereo, формат 3/1; б — системы Dolby Surround и Dolby Pro Logic, формат 3/2 и Dolby Surround Digital, формат 5.1; в — системы Dolby THX Matrix и Dolby EX, формат 3/3 и Dolby EX 6.1, формат 6.1; системы фирмы Sony форматов 7.1 (SDDS) (г) и 8.1 (д)

Рис. 7. Формат ABC-Stereo: ЛФ, ПФ — левый и правый фронтальные сигналы; ЛТ, ПТ — левый и правый тыловые сигналы; Ц — центральный фронтальный сигнал; крестиками на левом рисунке изображены места возможных локализаций КИЗ

И, наконец, последняя группа — это многоканальные звуковые системы, которые обычно имеют число раздельных каналов передачи звука n > 2. Наиболее распространенной их разновидностью являются системы Dolby Digital 5.1 (рисунок 6б), Dolby Digital Surround EX 6.1 (рисунок 6в), Dolby Digital THX Surround EX 7.1 (рисунок 6г) и т. п. Это уже дискретные звуковые системы, где число раздельных каналов передачи равно числу формируемых на передающей стороне звуковых сигналов. Заметим, что увеличение числа фронтальных громкоговорителей по сравнению с форматом 3/2 расширяет зону стереофонического эффекта.

Звуковые системы и качество звучания.

Наиболее полные исследования в этом направлении были выполнены в Японии. Варианты исследованных ими систем показаны на рисунке 8. Здесь изображено соответственно расположение микрофонов в помещении записи и громкоговорителей в помещении воспроизведения (рисунки 8a и 8б). Варианты самих систем обозначены на рисунке 8в цифрами 0,1…11. Результатом экспертиз явилась обобщенная сравнительная оценка качества звучания Q (рисунок 8в), полученная методом парных сравнений.

По оси абсцисс отложен порядковый номер системы. За базовый вариант при сравнительном прослушивании принято звучание обычной стереофонической системы (n = N = 2), поэтому для нее Q = 0. Расположение микрофонов и громкоговорителей одинаково, каждый микрофон отдельным каналом связан с соответствующим громкоговорителем. Итак, все варианты исследованных систем — это дискретные системы, где каждый микрофон отдельным каналом связан со своим громкоговорителем.

Рис. 8. Расположение микрофонов (а), громкоговорителей (б) и обобщенная оценка качества звучания (в) для исследованных вариантов многоканальных стереофонических систем

Результаты экспертиз позволяют сделать следующие выводы:

• увеличение числа раздельных каналов передачи повышает качество звучания; лучшие варианты многоканальных систем (6, 7 и 11 на рисунке 8в) в большинстве случаев предпочитаются обычной стереофонической системе звукопередачи, их внедрение может обеспечить качественный скачок в развитии радиовещания, телевидения, кинематографа;
• для каждого числа раздельных каналов передачи существует свой оптимальный, с позиций пространственного слуха человека, вариант расстановки громкоговорителей в помещении прослушивания, обеспечивающий предельно достижимое для данного значения n качество звучания Q. При этом чем больше область пространства, в пределах которой система звукопередачи способна обеспечить восприятие направлений прихода звуков, тем выше (при прочих равных условиях) обеспечиваемое ею качество звучания;
• при многоканальной передаче основную роль играют признаки качества, связанные с пространственным восприятием: глубина звуковых образов F₁, полнота звучания F₂, ясность звучания F₃. Линейная многомерная модель оценки качества звучания при этом имеет вид:

  Q = 0,253·F₁ + 0,365·F₂ + 0,161·F₃.

  Цифры перед значениями факторов F_i в этой модели представляют собой степень значимости каждого из них при формировании суждения слушателей о качестве звучания.

Новейшие результаты исследований природы стереофонического эффекта, широкое внедрение в практику звуковоспроизведения систем пространственного звучания позволяют утверждать, что передача пространственной информации с наибольшей точностью и в максимально возможном объеме — важнейшее условие дальнейшего повышения качества звучания. В пределе необходимо стремиться к тому, чтобы пространственные характеристики системы звукопередачи (или, что то же самое, области уверенной локализации КИЗ) были адекватны возможностям пространственного слуха человека при локализации действительных источников звука.

Все многообразие систем передачи и воспроизведения звуковых сигналов включает универсальный формат, представленный в документе 9/63Е от 16 ноября 1993 г. и получивший название Surround Sound. Он универсален и предназначен для использования в радиовещании, на телевидении, в кинематографе, домашних аудиовидеокомплексах. Совместимость с уже существующими форматами звукопередачи — его важное достоинство.

В соответствии с этим форматом на стороне передачи формируется пять звуковых сигналов (рисунок 9):

• левый L (несет, в основном, информацию о левой фронтальной части звукового поля первичного помещения — студии);
• правый R (несет, преимущественно, информацию о правой фронтальной части звукового поля студии);
• фронтальный С (несет информацию о фронтальной части звукового поля студии);
• левый эффектный тыловой LS (несет, в основном, информацию о реверберирующих звуках левой тыловой части звукового поля студии);
• правый эффектный тыловой RS (несет, в основном, информацию о реверберирующих звуках правой тыловой части звукового поля студии).

Здесь важно отметить, что на пару сигналов (L и R) требование совместимости не распространяется.

Рис. 9. Универсальный звуковой формат и передача цифровых аудиоданных в стандарте MPEG-2 ISO/IEC 13818-3

С помощью матрицы М₁ из этой совокупности сигналов формируются левый T₁ и правый T₂ базисные сигналы стереопары по правилу:

T₁ = L + 0,7071·С + 0,7071·LS;

T₂ = R + 0,7071·С + O,7071·RS.

Заметим, что сигналы T₁ и T₂ образуют совместимый стереосигнал, их сумма дает полноценный монофонический сигнал M₁ = T₁ + T₂.

Всего на стороне передачи с помощью матрицы М1 формируются следующие пять звуковых сигналов:

T₁ = L + 0,7071·С + 0,7071·LS;

T₂ = R + 0,7071·C + 0,07071·RS;

T₃ = 0,7071·C;

T₄ = 0,7071·LS + 0,7071·RS;

T₅ = 0,7071·LS - 0,7071·RS.

Цифровая передача этих сигналов сегодня выполняется преимущественно в стандартах MPEG (ISO/IEC 13818-3 и 11172-3) и Dolby AC-3 (A/52). При цифровой передаче сигналы T₁, T₂, T₃, T₄, T₅ объединяются, например в MPEG-кодере, обычно в два отдельных цифровых потока, один из которых (основной) представляет собой базисный сигнал стереопары T₁/T₂ обычной стереофонии, а другой служит для передачи дополнительных фронтального T₃ и пространственных эффектных сигналов T₄ и T₅ (цифровой поток так называемого многоканального расширения T₃/T₄/T₅). В эту группу добавляются также сигналы управления процессом декодирования и сигналы идентификации формата передачи и воспроизведения, если таковые имеются.

Процедура декодирования сигналов T₁, T₂, T₃, T₄ и T₅ на приемной стороне системы звукопередачи представлена ниже. После матрицы М₂ имеем:

L’ = T₁ - T₃ - 0,500T₄ - 0,500·T₅;

R’ = T₂ - T₃ - 0,500T₄ + 0,500·T₅;

С’ = l,4142·T₃;

LS’ = 0,707l·T₄ + 0,7071·T₅;

RS’ = 0,7071·T₄ - 0,7071·T₅.

Восстановленные сигналы подводятся к соответствующим громкоговорителям системы воспроизведения.

Размещение (конфигурация) громкоговорителей, требования, предъявляемые к ним и к параметрам помещений, предназначенным для прослушивания фонограмм различных звуковых форматов, стандартизированы (рисунок 10). Здесь, прежде всего, следует назвать три международных документа: ITU-R BS.775-1 Multi-channel stereophonic sound system without accompanying picture, Geneva, Switzerland, 1994, (Многоканальные звуковые системы с видеосопровождением и без него); SMPTE RP-173 Loudspeaker placements for audio monitoring in high definition electronic production, 1991, (Размещение громкоговорителей при аудиомониторинге высококачественной электронной продукции) и EBU R 96 Formats for production and delivery of multi-channel programme, 2000 (Форматы для записи и передачи многоканальных программ).

Рис.10. Стандартизованное расположение громкоговорителей в помещении: телевидение высокой четкости — форматы 3/2 (а) и 3/4 (б); звуковоспроизведение — формат 3/2 (в) и формат ITU 775 (г)

Базовым считается формат воспроизведения 3/2 (рисунок 10). При этом рекомендуется фронтальные громкоговорители L, C, R устанавливать по высоте h на уровне головы сидящего слушателя (h ≥ 1,2 м), с ориентацией их акустических осей на оптимальное (точка А) место прослушивания. Тыловые громкоговорители (LS и RS) — чуть выше (h ≥ 1,2 м), также с ориентацией их акустических осей на точку А. Громкоговоритель канала СНЧ (Subwoofer), работающий в полосе частот 20…125 Гц, может, в принципе, располагаться где угодно в помещении, однако предпочтительнее его положение в углу. Это обеспечивает лучшее воспроизведение басов. Еще лучше результаты при использовании нескольких таких громкоговорителей, обычно двух, включенных со сдвигом фазы 90°, что усиливает ощущение пространственности звучания. Это позволяет избежать концентрации низких частот в какой-либо одной стороне помещения, а также исключить появление резонансов, возможных при размещении субвуфера в центре его фронтальной части.

Время стандартной реверберации в помещении прослушивания, если речь идет о жилой комнате, должно лежать в пределах 0,2±0,05 с на частоте 500 Гц. Величина базы фронтальной пары громкоговорителей должна лежать в пределах 2…4 м, а расстояние от фронтальных громкоговорителей до стен помещения должно составлять не менее 1 м. Балансировку каналов воспроизведения рекомендуется проводить на розовом шуме с полосой частот 200…20000 Гц, используя при измерениях уровней взвешивающую кривую А. Расхождение уровней сигналов воспроизведения в точке А не должно превышать 1 дБ. Общий уровень воспроизведения должен находиться в пределах 85…96 дБ.

Итак, наиболее очевидным способом повышения качества звучания является увеличение числа раздельных каналов передачи звука n и, соответственно с этим, числа громкоговорителей системы воспроизведения, при условии оптимального размещения последних относительно слушателя. Однако увеличение n требует:

• разработки нового комплекса аппаратуры студийного тракта радиодомов и телецентров, студий звукозаписи; эта проблема сегодня решена, производство многоканальных фонограмм является обычным явлением;
• принципиально нового передающего оборудования, включая аппаратуру распределения программ; эта проблема решена для цифровых систем радиовещания; в аналоговых же системах увеличение числа каналов передачи звука — не столь простая задача;
• устройств индивидуального пользования (радиоприемников, тюнеров и звуковоспроизводящих комплексов), что требует определенной реорганизации производства.

И сегодня особый интерес для применения в радиовещании и на телевидении представляют матричные двухканальные звуковые системы, позволяющие существенно повысить качество звучания по сравнению с обычной стереофонией, но при этом не требующие реорганизации приемопередающей сети, включая и сеть распределения программ. Это существенное их достоинство. Вообще говоря, переход к многоканальным системам звукопередачи целесообразен лишь в том случае, когда все другие возможности, не требующие столь кардинальных перемен, уже полностью исчерпаны. С этой точки зрения особого внимания заслуживают системы фирмы Dolby и бинауральные системы звукопередачи.

Именно этим двум разновидностям звуковых систем и будут посвящены последующие части данной статьи.