акустика лекции / Лекция 23. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
.docЛЕКЦИЯ 23
История развития современных систем звуковоспроизведения
Интенсивное развитие всех видов звуковоспроизводящей и звукозаписывающей аппаратуры с каждым годом возрастает. Наряду с огромным многообразием относительно недорогих массовых моделей большую часть составляют высококачественные акустические системы, относящиеся к категории Hi-Fi (High-Fidelity - высокая точность). Этот термин отражает основной принцип в развитии определенного направления звуковоспроизводящей и звукозаписывающей аппаратуры, заключающийся в обеспечении максимальной точности воспроизведения речевых или музыкальных программ.
Существующее многообразие акустических систем категории H-Fi заставило Международный Электротехнический Комитет (МЭК) разработать рекомендации по стандартизации их минимально допустимых параметров.
Создание и дальнейшее совершенствование акустической аппаратуры потребовало решения ряда основных задач: разработки методов оптимального машинного синтеза основных элементов АС – громкоговорителей, фильтров, корпусов и т.д., создания новой метрологической базы с применением цифровой обработки сигналов, синтеза новых материалов и обработки технологии изготовления из них акустических систем, исследования субъективных порогов слышимости основных видов искажений – переходных, амплитудно-частотных, фазочастотных и др. В связи с растущим спросом на высококачественные акустические системы в их разработке и производстве принимает участие все большое число специалистов, и их интерес к современным методам и задачам проектирования АС постоянно увеличивается.
Впервые успешное коммерческое использование многоканального звука осуществилось в начале 50-х годов в "целлулоидном" кинематографе. Киноиндустрия испытывала серьезные трудности, связанные со стремительным развитием вещательного телевидения. Нужно было как-то привлечь зрителей в кинозалы, для этого требовались качественно новые возможности полноэкранного кино. Именно в это время появились широкоформатные фильмы, и сразу же - фильмы со стереофоническим звуковым сопровождением. Заметим, что термин "стерео" (stereo) привычно употребляется нами для обозначения звука с двумя каналами. В отличие от домашнего аудио и видео, до сих пор использующего двухканальный звук, в кино с самого начала для объемного звучания использовались как минимум 4 звуковых канала. Одними из первых многоканальных звуковых форматов были 4-х канальный CinemaScope (пленка 35 мм) и 6-канальный Тоdd-АО (пленка 70 мм). Оба формата использовали для каждого канала звука отдельную магнитную дорожку, нанесенную поверх светочувствительного материала пленки.
Первоначально кинозалы были оборудованы несколькими акустическими системами, расположенными фронтально - перед зрителями. Затем добавился еще один звуковой канал, громкоговорители которого размещались в задней части зала - за спинами зрителей. Изначально этот канал получил название канала звуковых эффектов (effects channel) и использовался не постоянно, а только для организации единовременных эффектов (голоса призраков, ангелов, и т. п.). Зачастую канал вообще не использовался: из-за ограниченного места на пленке ширина дорожки для этого канала (effects channel) была меньше, чем для основных каналов, поэтому канал имел ограниченную полосу частот и более ощутимый уровень шума.
В широкоэкранных форматах (70 мм) для всех звуковых каналов предусматривались дорожки с одинаковыми характеристиками, поэтому оказалось возможным использовать канал эффектов постоянно - даже для передачи относительно негромких и продолжительных звуков. Результат превзошел ожидания - пространственное восприятие звука значительно приблизилось к реальному. Так канал эффектов стал пространственным каналом -surround сhаnnеl, а акустические системы, расположенные в задней части кинозала (а в современных кинозалах - и по бокам) получили название "the surrounds".
Тем временем техника домашнего аудио развивалась и совершенствовалась совершенно независимо от разработок для кино. Первые бытовые аппараты со стереозвуком, появившиеся в 1958 году, имели только два звуковых канала. Это не было обусловлено ни требованиями потребителей, ни рекомендациями разработчиков-профессионалов: просто существующие к тому времени магнитофоны и проигрыватели можно было относительно легко адаптировать только для двухканального звука.
Двухканальный звук создавал гораздо более реальное ощущение пространства, чем монофонический, и при этом мог быть легко реализован в существующей и вновь разрабатываемой аппаратуре. Именно поэтому с тех пор и до сегодняшних дней двухканальный звук для домашней аппаратуры стал нормой. Кинематографисты же продолжали утверждать, что двух каналов недостаточно для создания эффекта реального пространства, необходимы как минимум четыре. Появившееся вскоре двухканальное радиовещание с частотной модуляцией (FМ Stегео) окончательно закрепило в сознании слушателей термин Stегео за двухканальным звуком, хотя на самом деле он в полной мере таковым не является.
Между тем популярность домашней стереофонической аппаратуры росла, вместе с ней росла и конкуренция среди компаний-производителей. Их инженеры начали серьезно задумываться над качественно новыми возможностями, которые помогли бы осуществить прорыв на рынке. В начале 70-х годов ими активно продвигался четырехканальный формат - квадро. Две дополнительных акустических системы устанавливались в дальних углах комнаты, за спиной у слушателя. Однако практически все существующие на этот момент системы предусматривали два звуковых канала, и адаптировать их для четырех раздельных каналов не представлялось возможным. Поэтому были разработаны несколько различных технологий, так или иначе позволяющие передать информацию четырех звуковых каналов, используя два физических канала. Большинство разработок использовали матричную технологию. Суть их состояла в том, что сигналы дополнительных каналов, предварительно сдвинутые по фазе на 90 или 180 градусов, суммировались с сигналами основных каналов. Аппаратура квадро не получила ожидаемого распространения. С одной стороны, существование несколько несовместимых технологий приводило в недоумение покупателя. С другой стороны, производители так и не смогли прийти к единому формату.
Все последующее десятилетие технологии для домашнего стерео и для звука в кино совершенствовались разными, независимыми путями.
В середине 1970-х Dоlbу lаboгаtоries разработала технологию объемного звучания для кинопленок формата 35 мм, получившую впоследствии название Dоlbу Stегео. В отличие от предыдущих систем звука, использующих в качестве носителей звука магнитные дорожки, новая технология предполагала использование оптических дорожек (фото-дорожек) и фотоэлементов вместо магнитных головок. Кинопленки с такими дорожками существовали еще на заре кинематографа, в 30-х годах. На пленке размещалась всего одна дорожка и традиционно она использовалась для передачи монофонического звука. Чтобы обеспечить совместимость стереофонической пленки с монофоническими проекторами, необходимо было разместить две стерео дорожки на том же пространстве, которое раньше занимала одна. Эксперименты показали, что это возможно, если звуковой сигнал перед записью обработать процессором Dolby А-tyре Nоisе Reduction. Однако разместить на этом же пространстве более двух звуковых дорожек оказалось невозможным: даже с использованием шумопонижения Dоlbу уровень шума увеличивался до неприемлемых значений.
Экраны кинозалов к 80-м годам стали огромными. Кроме традиционных правой и левой акустических систем потребовалась третья, центральная, чтобы обеспечить пространственное восприятие для зрителей, сидящих не в центральной части зала. Кроме того, в киноиндустрии термины "Stегео" и "surround" с самого начала были синонимами. Следовательно, для кинозала, анонсирующего стереозвук, обязательно требовался четвертый канал – surround channel. Так сформировалась традиционная схема объемного звука в кино: четыре канала - левый (Left,I), правый (Right, R), центральный (Сеntег, С) и пространственный (Surround, S). В распоряжении разработчиков было только два физических канала, в которых необходимо было передать четыре.
Приемлемым решением оказалась матричная технология, первоначально разработанная для домашних систем квадро. Принципиальных изменения было внесено два. Первое - расположение акустических систем и, следовательно, назначение каналов соответствовали теперь уже традиционной схеме для кинематографа – L,C,R,S. Второе - была серьезно усовершенствована схема аналогового декодера (процессора), в нем были реализованы более интеллектуальные алгоритмы. Так появилась технология Dоlbу surround.
Сегодня формат Dolby stereo является стандартом пространственного звука для полноэкранного кино. Он используется повсеместно, процессорами Dolby оборудованы десятки тысяч кинотеатров во всем мире. Даже теперь, с появлением цифрового формата Dolby Digital, на кинопленках остаются две аналоговых оптических дорожки Dоlbу surround - для обеспечения совместимости со всеми существующими проекторами (рис. 4.1).
Рисунок 4.1. Аналоговая система кинотеатров Dolby
В начале 1970-х годов появились первые кассетные видеомагнитофоны. Изначально они были предназначены для записи и последующего просмотра передач вещательного телевидения, которые пользователь почему-либо не мог посмотреть в реальном времени. Однако вскоре им нашлось более популярное применение - просмотр дома художественных фильмов, заранее записанных в тиражной студии. Если развитие вещательного телевидения в 50-х - 60-х годах привело к упадку кинематографа, то появление видеокассеты, напротив, способствовало его небывалому расцвету. Художественные фильмы, демонстрировавшиеся ранее только в кинотеатрах, теперь можно было смотреть дома. Даже те ленты, которые в кинопрокате были убыточными, на кассетах распродавались весьма успешно. Это явление получило впоследствии название "революции видео". Видеокассета - не единственная причина революции видео. В эти же годы появилось и стремительно развивалось кабельное телевидение. Кабельные операторы предлагали зрителям гораздо больше каналов, чем их можно было принять в эфире. Каналы надо было чем-то заполнять, поэтому, опять же, рос спрос на художественные ленты. Вскоре появился лазерный видеодиск - СD Video, обеспечивший невиданное до того качество изображения и звука. Производители телевизионных приемников внедрили в свою продукцию принципиально новые типы кинескопов с высокой разрешающей способностью, яркостью и верностью цветопередачи. Телевидение более не ограничивалось эфирным приемом - появилось несколько альтернативных источников телевизионных программ.
Первые видеокассеты предполагали только монофонический звук посредственного качества, однако вскоре начали тиражироваться кассеты с двухканальным звуком. Сначала использовались просто раздельные звуковые дорожки, затем технология Hi-Fi. Лазерные диски с самого начала выпускались с двухканальным стереозвуком высокого качества.
Вскоре и большинство стандартов вещательного телевидения были адаптированы для передачи видео с двухканальным звуковым сопровождением в эфире и в кабеле. Так популярный двухканальный формат звука стал тривиальной опцией домашнего видео.
Первыми на рынке появились простые декодеры Dоlbу surround, которые позволяли на домашней аппаратуре выделить и прослушать третий, пространственный канал – surround channel. Впоследствии был разработан более интеллектуальный декодер, Dоlbу surround Рго Logic, который выделял и центральный канал - сеntег сhаnnel. Получился "домашний кинотеатр" - комплекс аппаратуры для высококачественного воспроизведения звука и видео с декодером Dolby Pro Logic Surround Sound.
Рисунок 4.2. Воспроизведение цифровой системы Dolby
В отличие от аппаратуры квадро, аппаратура Dоlbу surround производилась и производится в массовых масштабах и постоянно совершенствуется. Во-первых, технология Dolby Pro Logic удачно совмещает оптимальную конфигурацию пространственных каналов (R, L, С, S) с возможностями записи и передачи (два физических канала), которыми обладает практически вся бытовая аппаратура. Во-вторых, возможности и качество Dolby Pro Logic отвечают актуальным требованиям современного пользователя. И, в-третьих, используются единые стандарты на аппаратные и программные средства, которые разработаны и поддерживаются одной организацией – Dolby Laboratories.
Сегодня в Dоlbу surround кодируется звуковое сопровождение вещательного телевидения, причем не только художественных фильмов, но музыкальных, спортивных передач и даже новостей. Dоlbу surround используется и в областях, не связанных с видео - например, звукозаписывающие. Многими разработчиками ведутся успешные эксперименты по внедрению Dоlbу surround в видеоигры и другие мультимедийные приложения. Другими словами, системы объемного звука surround sound стали традиционными не только в кинотеатрах и в домашней аудио-видео аппаратуре, но и в компьютерах.
Цифровые технологии: Dolby Digital, Dolby Digital EX и Dolby-E. В конце 1980-х, на волне возобновившегося интереса к кино, Dоlbу laboratories разработала цифровую технологию записи и воспроизведения многоканального звука для 35мм целлулоидной пленки. Несколько аналоговых сигналов звука преобразовывались в цифровой поток, который затем подвергался информационному сжатию по алгоритму Dоlbу АС-3. Было использовано весьма оригинальное решение. Так как к этому времени огромное число существующих проекторов использовали двухканальный стерео или аналоговую систему Dоlbу Рго Logic, две аналоговых оптических дорожки на ленте необходимо было сохранить. Цифровая информация была размещена на "нерабочей" части пленки - между окошками перфорации. Система использовала шесть каналов звука, поэтому получила наименование " Dolby Digital 5.1".
"5.1" предполагает 5 полноценных каналов звука, в полном диапазоне - левый, правый, центральный, пространственный правый, пространственный левый - плюс шестой канал с ограниченной полосой частот. Этот канал получил название канала низкочастотных звуковых эффектов. Акустическая система этого канала располагается перед экраном кинозала, между системами каналов R и С. Для данного канала требовалась полоса частот примерно в 10 раз меньшая, чем для 5 основных каналов. Отсюда обозначение, соответствующее шестому каналу "0.1" (одна десятая). Первое коммерческое использование систем Dolby Digital состоялось в кинотеатрах в 1992 году, и на сегодняшний день этот формат звука используется не только в кино, но в цифровом вещательном телевидении (спутниковом и кабельном), в DVD и множестве мультимедийных приложений.
Появление Dolby Digital практически уравняло возможности кинозала и "домашнего кинотеатра". Так же, как в настоящем кинотеатре, в домашнем кинотеатре с Dolby Digital реализуются шесть каналов - L, С, R, LS, RS и LFE. Если в аналоговой системе Dоlbу surround использовался только один канал surround с ограниченной полосой частот (как правило, для его воспроизведения используются две акустических системы, синфазно излучающие один и тот же сигнал), то Dolby Digital предоставляет пользователю два раздельных канала surround с такой же полосой частот, как у трех фронтальных каналов. Благодаря такому набору, системы с Dolby Digital создают наиболее реалистичные ощущения и позволяют использовать сложные пространственные эффектов.
Только для кинотеатров разработана расширенная система Dolby Digital-EX- семиканальная, по схеме "6.1" (рис. 7.9). В Dolby Digital-EX предусмотрено не два, а три канала surround - пространственный левый LS, пространственный правый RS и пространственный центральный СS. Акустические системы канала СS размещаются вдоль задней стены кинозала, а системы каналов LS и RS - вдоль боковых стен.
Рисунок 4.3. Система кинотеатров Dolby Digital Surround EX
Dolby Digital использует цифровую компрессию звука, обеспечивающую минимальную необходимую скорость цифрового потока - до 320 кбит/сек. Это позволяет наиболее эффективно использовать информационную емкость носителей или каналов связи - пространство на пленке, магнитной ленте, частотную полосу эфирного или спутникового канала и т. п. Платой за низкую скорость является то обстоятельство, что формат Dolby Digital рассчитан только на один цикл кодирования - декодирования. Кроме того, цифровой поток АС-3 не привязан по времени к кадровой структуре изображения, поэтому редактировать видеоматериалы со звуком Dolby Digital сложно. В профессиональных приложениях зачастую возникает необходимость в многократном кодировании-декодировании. Например, станции-ретранслятору необходимо получить материал с цифровым звуком surround по спутниковому каналу связи, сохранить его на цифровом носителе, отредактировать, смонтиоовать и затем ретранслировать в связи, сохранить его на цифровом носителе, отредактировать, смонтировать и затем ретранслировать в распределительную сеть (или тиражировать и распространить). Для таких задач Dolby Laboratories разработала профессиональный цифровой формат Dolby -Е. Цифровой поток Dolby–Е может содержать до восьми каналов звука с полной полосой частот. Кроме собственно сжатых данных звука, в поток вводятся метаданные - "данные, описывающие данные". Это инструкции для декодера Dolby-Е, которые носят необязательный, рекомендательный характер. Например, специальная инструкция может автоматически установить в декодере то или иное ограничение динамического диапазона выходных сигналов. В зависимости от оборудования, используемого для приема и обработки сигнала Dolby -Е, метаданные могут использоваться полностью, частично или не использоваться вообще. Поток Dolby -Е делится на два потока, которые могут быть переданы по двум физическим линиям стандарта АЕЗ-3 или записаны на цифровой магнитофон вместо двух каналов несжатого звука. Структура потока соответствует кадровой структуре видео, поэтому материал со звуком Dolby-Е можно легко монтировать и редактировать, не нарушая синхронность аудио и видео. Формат допускает до 10 последовательных циклов кодирования - декодирования.
Виртуальный surround (рис. 7.10). Существует множество приложений, в основном "домашних", в которых по тем или иным причинам невозможно или нецелесообразно использовать более двух акустических систем. Типичный пример -носимая аппаратура с головными телефонами: количество телефонов естественно ограничено количеством ушей у генетически нормального человека. Сложно использовать более двух громкоговорителей в компьютерных системах, поскольку рабочее место оператора (в данном контексте -слушателя) пространственно ограничено. Для таких приложений Dolby Laboratories была разработана технология Virtual surround. Она позволяет прослушивать звук, кодированный в Dolby Surround или Dolby Digital, на двух акустических системах и при этом субъективно воспринимать его, как полноценный Surround. Принцип виртуального Surround показан на рисунке.
Рисунок 4.4. Виртуальный surround
Сигналы каналов I и К с выходов декодера поступают на акустические системы L и R без изменений. Сигнал канала С ослабляется на 3 дБ и суммируется с сигналами каналов L и R, создавая виртуальную акустическую систему центрального канала (см. выше описание пассивного декодера). Сигнал одного или двух каналов S также суммируется с сигналами L и R, но предварительно обрабатывается специальным процессором - виртуализатором. Этот процессор вносит в сигнал изменения, благодаря которым звук канала S связывается в сознании слушателя с виртуальной акустической системой, расположенной сзади.
Эксперименты показали, что субъективные ощущения от прослушивания Virtual surround практически не уступают ощущениям зрителя полноценного домашнего кинотеатра. Однако использование Virtual surround ограничено одним немаловажным обстоятельством. В отличие от "настоящего" surround, создающего пространственное восприятие звука на некоторой площади, виртуальная технология применима только для одного фиксированного положения слушателя относительно двух акустических систем L и R. Для головных телефонов это условие обеспечивается автоматически, а при прослушивании на два громкоговорителя неудобства очевидны. Даже небольшое смещение головы слушателя приводит к искажениям звуковой картины.