Стереомикрофоны и микрофоны для систем Surround Sound

Часть 1

И.А. Алдошина

Рис. 1. Общая структура микрофонной системы AB Рис. 2. Конструкция стереосистемы AB

Современная аудиотехника активно развивается в настоящее время в направлении создания, внедрения и совершенствования различных пространственных систем звукозаписи, передачи и воспроизведения (Dolby-Surround, Binaural, Ambiophonic, Wave Field и др. – подробнее см. «Шоу-Мастер», 2003, N№2-3; 2004, N№4). Соответственно для обеспечения многоканальной записи разрабатываются специальные микрофонные системы, особенно много новых и достаточно сложных систем появилось за последние годы (на каждом конгрессе AES, включая и последний 118 в Барселоне, этой проблеме всегда посвящается достаточно много докладов).
Впервые идея использовать систему из двух микрофонов для записи стереосигналов была предложена в 1931 г. Блюмляйном (это была совмещенная система из двух направленных микрофонов) и реализована в производстве в 1950 г. фирмой Neumann. С этого момента было создано большое количество различных микрофонных систем для стереофонии, основные принципы которых используются и сейчас при создании микрофонов для Surround Sound.
Поэтому в начале данной статьи будут рассмотрены стереомикрофоны, затем – микрофоны для современных пространственных систем.
Большинство выпускаемых в настоящее время микрофонных стереосистем можно разделить на следующие группы:
– раздельные стереосистемы – (АВ, DIN stereo ,NOS stereo, ORTF stereo, Baffled stereo);
– совмещенные стереосистемы – ( XY stereo, MS-stereo, Blumlein stereo);
– «верхние» стереосистемы – (Overhead microphones);
– типа «искусственная голова» – (Head related stereo, Sphere stereo, Stereo 180);
– бинауральные стереосистемы (Binaural stereo).

Раздельные
микрофонные стереосистемы
– АВ-система: при записи по такой системе по фронту перед исполнителями устанавливаются два (или несколько включенных на один канал) одинаковых по чувствительности и направленности микрофона на некотором расстоянии друг от друга, так чтобы каждый канал мог работать на свою зону.

Рис. 3. Связь угла охвата с рас- стояниями между микрофонами для системы AB

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

Рис. 4. Микрофонаая система ORTF Рис. 5. Микрофонные системы: а - DIN stereo; b - NOS stereo Рис. 6. Системы с диском Jecklin

Однако возможности таких изменений ограничены, так как микрофоны нельзя сдвигать слишком близко (для сохранения стереоэффекта), а приближение микрофонов к солистам увеличивает искажения по глубине и приводит у направленных микрофонов к подъему низких частот. Изменение угла охвата при записи с изменением расстояния между микрофонами показано на рис.3. Как видно из этих данных, с уменьшением расстояния между микрофонами угол охвата расширяется, однако при приближении микрофонов на расстояние меньше 40 см стереоэффект практически исчезает. Стереосистемы АВ используются в основном для передачи ощущения пространства (за счет «схватывания» натуральных реверберационных процессов в помещении), например при записи органа. Для точной локализации отдельных источников внутри ансамбля система АВ менее полезна. Обычно она используется с дополнительными центральными или совмещенными микрофонами.
– The ORTF stereo technique (французское радиовещание) использует два кардиоидных микрофона, разнесенных на 17,5 см под углом 1100 между капсюлями (рис.4). Размещение микрофонов соответствует расстоянию между ушами, а угол моделирует теневой эффект человеческой головы. Поскольку здесь используется как различие между сигналами по времени, так и по интенсивности, эта техника создает достаточно четкий стереообраз, хорошую локализацию источников, обеспечивает угол охвата 950 и поэтому широко используется на практике.
– DIN stereo (немецкое радиовещание) является разновидностью системы АВ. Стереообраз создают два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 900 на расстоянии 20 см. Система также создает временной и интенсивностно-разностный стереосигнал, обеспечивает угол охвата порядка 1100, полезна для записи на близких расстояниях (рис. 5 а).
– NOS stereo (датское радиовещание) использует два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 900 на расстоянии 30 см друг от друга (рис. 5 б). Стереообраз также создается с помощью комбинации интенсивностной и временной стереофонии. Эта техника используется в основном на близких расстояниях для записи малых ансамблей (угол охвата менее 800).
– Baffle stereo – это разнесенная микрофонная стереотехника, использующая акустический поглощающий экран, который размещается между двумя микрофонами в разнесенных стереосистемах, например типа ORTF stereo. Поглощающий эффект экрана оказывает положительное влияние на затухание звука от источников вне оси и улучшает разделимость между каналами. Одна из широко известных экранированных стереосистем Jecklin Disc (по имени ее изобретателя Jоrg Jecklin) использует два ненаправленных микрофона, размещенных на расстоянии 17,5 см, и специальный акустически обработанный диск диаметром 36 см, размещенный между ними (рис.6). Реальные преимущества такой системы проявляются при ее установке на относительно большом расстоянии от источника, где имеется баланс между прямыми и отраженными сигналами в поме-
щении.
Попытки найти оптимальные соотношения между расстояниями и углами установки микрофонов продолжаются все время. Обобщая полученные результаты таких работ, M.Вильямс построил полезную номограмму (рис.7), позволяющую установить связь между
расстоянием и углом между микрофонами и эффективным углом охвата источников при записи (параметр кривых).

Рис. 7. Номограммы М.Вильямса

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

Рис.8. Пример конструкции стереомикрофона по системе XY

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

Рис.9. Связь между углом охвата и углом разворота микрофонов Рис.10. Микрофонная система MS Рис.11. Регулировка зоны охвата в системе MS Рис.12. Система Deca Tree

В этой системе должны выполняться жесткие требования к остроте характеристики направленности микрофонов (иначе не удается получить разности по интенсивности), кроме того у направленных микрофонов проявляется «эффект близости» при приближении к источнику.
– МS stereo: также содержит два совмещенных микрофона в одном месте, но с различающимися характеристиками направленности, сигналы которых подвергаются суммарно-разностному преобразованию. Обычно используются два совмещенных микрофона с характеристиками направленности круг/восьмерка или кардиоида/восьмерка (рис.10). Название системы образовано первыми буквами MS, где Mittel – середина, Seite – сторона. Напряжение на выходе микрофона М будет неизменным при любом положении источника, а напряжение с микрофона S определяется формой его характеристики направленности (восьмерки): при положении источника слева или справа оно будет максимальным, при положении в центре – равно нулю. Поэтому при расположении источника под углом 900 выходное напряжение будет равно сумме напряжений с микрофонов М и S, при положении источника под углом 00 – только напряжению с М-микрофона, а при положении – 900 оно равно разности напряжений с микрофонов М и S. В результате суммарно-разностного преобразования формируются сигналы в двух каналах передачи. Система MS требует введения в схему дополнительных узлов: суммарно-разностных преобразователей, стереорегуляторов направления и базы, но она имеет и ряд преимуществ перед системой ХY, так как позволяет легко регулировать как общую ширину базы, так и ширину отдельных участков, занятых группами исполнителей. Пример такой регулировки за счет изменения формы характеристики направленности М-микрофона показан на рис.11. МS-техника обеспечивает точную локализацию источников внутри ансамбля и очень полезна для записи движущихся источников звука.
– Blumlein stereo – совмещенная стереотехника (разновидность MS-стереофонии), использующая два микрофона с характеристикой направленности типа «восьмерки», установленных в той же самой точке под углом 900, полученный при этом угол охвата показан на рис.11.

Overhead-стерео
(микрофоны над головой)
Размещая микрофон 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, можно записать при этом несколько первых отражений в помещении, что больше соответствует естественному окружению инструментов.

Рис.13. Микрофонная сферическая система Рис.14.Микрофонная бинауральная система "Искуственная голова"; а - принципиальная схема; б - общий вид; в - схема приобразования из бинаурального в стереосигнал;

– Spaced Оmni stereo – ненаправленные микрофоны устанавливаются на стойках перед исполнителем на высоте 1,2 – 2,4 м, для улучшения пространственности их иногда поднимают на 3 м или выше. Эта техника дает глубину и хороший стереообраз, но может вносить фазовые искажения.
– Decca Tree – эта техника была развита на English Decca Records-студии в середине 50-х гг.и еще до сих пор используется при записи звука. Три ненаправленных микрофона размещаются на стойках на 3 – 3,7 м выше и слегка позади головы дирижера. Они наклонены приблизительно на 30 0 вниз по направлению к оркестру и установлены под определенным углом друг к другу: один направлен в центр, два других под 450 от центра (рис.12). Расстояния между стойками правого и левого микрофонов приблизительно 2 м, центральный микрофон сдвинут на 1,5 м вперед. Кроме того, два дополнительных 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 систем типа Surround Sound.

Стереосистемы
типа «искусственная голова»
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, моделируют базовые пропорции человеческой головы, т.е. междуушное время задержки. Пример такой микрофонной системы показан на рис.13. Однако следует иметь в виду, что при записи источников с широким углом охвата боковые источники будут записываться слишком подчеркнуто для ближайшего микрофона и слишком слабо для дальнего, поэтому предпочтительнее использовать сферу для расположения источников с углом охвата 900 или меньше.

Бинауральные
микрофонные стереосистемы
В таких системах используется модель «искусственная голова», внутри слуховых каналов которой расположены микрофоны (рис.14). В этом приборе достаточно точно моделируется форма головы, ушных раковин, выбираются физико-механические параметры материалов таким образом, чтобы моделировать костную проводимость. Звуковой сигнал поступает на мембрану микрофона уже после обработки в раковине и слуховом канале, т.е. он несет в себе закодированную информацию о пространственном положении источника, которую можно передать по двум каналам передачи и воспроизвести на приемном конце через стереотелефоны. При этом слушатель получает достаточно точное пространственное ощущение первичного помещения. Принципы работы систем бинауральной стереофонии достаточно подробно изложены в статье журнала «Шоу-Мастер», 2004, N№4.
«Искусственная голова» достаточно сложное и дорогое устройство, которое производится только немногими фирмами. Например, Neumann выпускает модель KU-100, фирма B&K – модель 4128С, фирма Head Acoustics – модель Aachen Head, фирма IRP – модель KEMAR. Каждая из этих моделей отличается определенными конструктивными особенностями. Так, модель 4128С дополнена моделью торса. Модель KU-100 обладает следующими параметрами: частотный диапазон 20 – 20000 Гц, чувствительность 20 мВ/Па, эквивалентный уровень звукового давления 16 дБА, максимальный уровень SPL при THD < 0,5% равен 135 дБ, динамический диапазон 119 дБ.

Микрофонные системы
для Surround Sound

Рис.15. Система DoubleMS Рис.16. Сферическая система для Sorround Sound Рис.17. Система Soundfield. Блок-схема и процессор

Начавшийся в 70-е гг. переход на четырехканальные (квадрофонические) системы, а затем с 90-х гг. широкое внедрение в домашнюю звукотехнику различных типов систем типа Surround Sound (Dolby Surround 5.1,Pro-Logic, Digital и др.) потребовали пересмотра требований к микрофонным системам. Главная цель всех систем типа Surround Sound – это улучшенная передача пространственной атмосферы зала, недоступная для стереофонических систем. В связи с этим изменились требования к технологии микрофонной записи, к числу основных из них можно отнести следующие:
– точная запись прямого звука со сцены с сохранением натурального баланса и естественности звучания;
– запись достаточного количества ранних отражений от сцены и припортальных боковых стен, приходящих в первые 25 – 60 мс, для передачи в последующем воспроизведении размеров первичного зала;
– запись реверберационного процесса и его некоррелированное представление во всех громкоговорителях воспроизводящей системы во вторичном помещении.
Для обеспечения этих требований стали использоваться новые микрофонные системы, обеспечивающие формирование четырех и более каналов, которые затем кодировались в два канала и декодировались в 5.1 (или более) каналов воспроизведения.
Усовершенствование микрофонных систем шло по пути создания более усложненных (по сравнению со стереофоническими) как совмещенных, так и распределенных систем.
К первой группе можно отнести системы DoubleMS, Soundfield, Schoepsfield и др.
– DoubleMS – для формирования четырехканального звука обычная стереосистема MS дополняется еще одним М-микрофоном. При этом S-микрофон используется как с передним, так и с задним М-микрофоном, который располагается выше первого. Схема и конструкция такой системы показаны на рис.15. Подбирая различные варианты характеристик направленности М-микрофонов (ненаправленные или кардиоиды), можно сформировать с помощью соответствующей процессорной обработки все каналы для системы 5.1. Такая система нашла особое применение в технике записи звука в кино для передачи пространственной атмосферы.
Surround Sphere – учитывая требования пространственных систем по увеличению числа каналов записи, фирма Schoeps разработала новую микрофонную сферическую систему KFM360, в которой наряду с двумя направленными микрофонами, находящимися на поверхности сферы, устанавливаются два микрофона с характеристиками направленности типа восьмерка, расположенными ниже их и направленными прямо по оси (рис.16). Благодаря достаточно широкому углу охвата (1200) такая система может располагаться достаточно близко к источникам. С помощью матричной обработки с ее помощью можно получить полный 5.1 формат, включая низкочастотный канал. Система обеспечивает хорошую локализацию и эффективно используется при записи музыки, в частности для передачи различных пространственных эффектов.
– Soundfield – система, использующая четыре кардиоидных капсюля, организованных в форме тетраэдра (рис.17). Первичные сигналы, получаемые от этих капсюлей (LF , RB, RF, LB), образуют А-формат. Затем с помощью специального цифрового процессора из них формируются четыре новых сигнала 1-W,
2-X, 3-Y, 4-Z (В-формат), из которых 1-W соответствует сигналу от ненаправленного микрофона, 2-X, 3-Y, 4-Z – сигналы от микрофонов с характеристикой направленности типа «восьмерки», ориентированные слева-направо, вперед-назад, вверх-вниз. Используя специальный декодер, сигналы В-формата конвертируются в любые варианты сигналов для mono-, stereo-, surround- систем, вплоть до 10.1. Для конвертирования в самый распространенный формат 5.1 фирма Soundfield разработала процессор SP-451. Учитывая компактность такой системы, большие возможности процессорной обработки и совместимость с большинством известных stereo- и surround- форматов, она находит широкое применение в различных приложениях пространственной звукозаписи.
Разновидностью этой системы можно считать предложенную фирмой Schoeps микрофонную систему, состоящую из одного ненаправленного микрофона и трех микрофонов с характеристикой направленности типа «восьмерка», закрепленных очень компактно друг с другом, т.е. эта система сразу записывает сигналы В-формата. В ней несколько проще процессорная обработка, можно использовать микрофоны разных фирм и др. Область применения ее такая же, как и предыдущей – пространственная звукозапись.

Системы с адаптивным
цифровым управлением

Рис.18. Система Audio-Technica AT 895

Audio-Technica AT 895, Microtech Gefell KEM 970 и др. – возможности цифровой обработки сигналов позволили создать новые микрофонные системы, представляющие собой своего рода микрофонные антенны, в которых с помощью цифровых фильтров синтезируются диаграммы направленности различной
управляемой формы, ширины и ориентации, адаптированные к различным условиями окружающего пространства и задачам обработки. Такие системы находят себе все большее применение в системах звукозаписи и озвучения. Пример системы Audio-Technica
AT 895, состоящей из центрального остронаправленного микрофона и четырех кардиоидных микрофонов, с последующей цифровой фильтрацией их характеристик, показан на рис.18.
Кроме перечисленных выше «совмещенных» микрофонных систем, для пространственной звукозаписи широко используются различные варианты разнесенных микрофонных систем, подробнее о них будет рассказано во второй части данной статьи.

(Продолжение следует)

Ирина Аркадьевна Алдошина

Алдошина Ирина Аркадьевна – профессор кафедры Мультимедиа С-ПбГУП, доктор технических наук, председатель С-Пб секции AES, почетный член международного общества AES, член Координационного Совета по акустике РАН. Автор более двухсот научных трудов(монографий, учебных пособий, статей и др.). Имеет большой опыт педагогической и научной работы, на протяжении многих лет была зам. директора по науке и руководителем разработок электроакустической аппаратуры в ИРПА им. А.С.Попова (Институт радиоприема и акустики).