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LIBROS Y ARTÍCULOS
El desarrollo de sistemas de sonido envolvente - de mono a 3D
Directorio / el arte del sonido En la actualidad, la estereofonía de dos canales ya se ha convertido en una forma clásica de transmitir y reproducir sonido. El objetivo de la reproducción de sonido estereofónico es reproducir la imagen del sonido con la mayor precisión posible. La localización del sonido es sólo un medio para conseguir un sonido más rico y natural. Sin embargo, la transmisión de información espacial mediante los sistemas de dos canales "clásicos" más comunes tiene una serie de desventajas, lo que anima a los diseñadores a crear varios sistemas de sonido envolvente. El oyente en la sala de conciertos escucha no sólo el sonido directo proveniente de los instrumentos individuales de la orquesta, sino también el sonido proveniente de diferentes direcciones (incluso desde atrás), el sonido difuso (difuso) reflejado desde las paredes y el techo de la sala, lo que crea la efecto de espacio y completa la impresión general. El retraso con el que el sonido difuso llega a los oídos del oyente y su composición espectral dependen del tamaño y las propiedades acústicas de la sala. En una transmisión de dos canales, la información creada por el sonido difuso se pierde en gran medida y, en el caso de una grabación de estudio, es posible que no esté presente inicialmente. El oído humano localiza mejor las fuentes sonoras en el plano horizontal. Al mismo tiempo, los sonidos que vienen desde atrás, en ausencia de información adicional, se localizan peor. La visión, incluida la visión periférica, es el principal sentido para determinar la ubicación de los objetos, por lo tanto, sin información visual, la capacidad de evaluar la posición del sonido en el plano vertical y su distancia de nosotros es débil y bastante individual. Esto puede explicarse en parte por las características anatómicas individuales de las aurículas. Al reproducir discos, no hay información visual, por lo que cualquier tecnología de sonido para el mercado masivo que pretenda ser "sonido envolvente" se ve obligada a crear algo promedio y deliberadamente comprometido. Se pueden utilizar muchos métodos para reproducir o sintetizar el "efecto Hall". A mediados de los años 50, Philips, Grundig, Telefunken probaron sistemas de reproducción tridimensional 3D y Raumton. La transmisión del sonido era monofónica, pero los altavoces adicionales (generalmente integrados, con menos frecuencia remotos), que irradiaban el sonido hacia los lados o hacia arriba, creaban la impresión de un gran espacio debido al sonido reflejado en las paredes y el techo. Dado que el retardo de la señal del eco en las viviendas es bastante pequeño, posteriormente se utilizaron reverberadores de resorte en el canal para amplificar señales adicionales y aumentarlo. Estos sistemas, debido a la importante complejidad técnica de la época, no duraron mucho en el mercado y rápidamente abandonaron el escenario. Posteriormente se desarrollaron sistemas ambiofónicos para transmitir sonido difuso, que se utilizaron principalmente en el cine. El canal (o canales) adicional para transmitir sonido difuso en tales sistemas tiene menos potencia que los principales y su rango de frecuencia corresponde a la banda de frecuencia de la señal difusa (aproximadamente 300...5000 Hz). La radiación de los altavoces adicionales debe difundirse, para lo cual se dirigen a las paredes o al techo de la sala de escucha.
La complejidad de la estandarización y los problemas técnicos con la grabación y transmisión de señales de tres, cuatro o más canales llevaron al hecho de que la estereofonía de dos canales se convirtió durante muchos años en el principal sistema de grabación y transmisión de sonido. Pero los intentos de crear sistemas de sonido envolvente no cesaron. El desarrollo de la ambiofonía fue la cuadrafonía (reproducción de sonido de cuatro canales), que alcanzó su punto máximo de popularidad en la primera mitad de los años 70. A diferencia del sistema ambiofónico, aquí todos los canales de reproducción de sonido están equipados del mismo modo. La cuadrafonía discreta (completa), que proporciona el máximo efecto de presencia, requiere cuatro canales de transmisión de sonido y, por lo tanto, resultó incompatible con los medios técnicos de grabación y transmisión de sonido que existían en ese momento.
Para superar este obstáculo, se crearon varios sistemas de cuadrafonía matricial (en la terminología de esa época, cuasicuadrafonía), en los que las señales originales de cuatro canales se matrizaron para su transmisión en dos canales y, durante la reproducción, se restauraron las señales originales. mediante transformaciones de suma-diferencia, y sin un decodificador era posible reproducir una señal estéreo normal. Dado que ninguno de estos sistemas era completamente cuádruple ni totalmente compatible con la estereofonía de dos canales debido a la alta penetración de la señal de un canal a otro, su aplicación práctica fue limitada y el interés en ellos se desvaneció rápidamente.
En la "guerra de estándares" de los sistemas cuádruples no hubo ganadores, la idea murió sana y salva, los principios fueron olvidados, pero el término permaneció. Por lo tanto, ahora pocas personas se avergüenzan de que "algo" que tiene cuatro canales de amplificación y cuatro altavoces se llame con orgullo "sistema cuádruple". Sin embargo, esto es fundamentalmente erróneo, ya que la fuente de señal sigue siendo de dos canales, y las señales de los canales delantero y trasero con este diseño del sistema se diferencian entre sí sólo en el nivel, es decir, se utiliza el principio de panorámica. La panorámica se ha utilizado ampliamente en la producción estéreo desde mediados de la década de 50 para posicionar señales de audio monofónicas "izquierda/derecha/centro" del campo sonoro. Al realizar la panorámica, no hay ningún efecto sobre la frecuencia y la fase de la señal, solo cambia el nivel de la señal mono suministrada a cada uno de los canales estéreo. La panorámica a múltiples canales (en el caso de grabaciones multicanal) se realiza de manera similar. Sin embargo, al determinar la dirección hacia la fuente de sonido, nuestro audífono utiliza no solo la diferencia en la intensidad de las señales de sonido, sino también el cambio de fase entre ellas, y el efecto del cambio de fase en la precisión de la localización de la fuente de sonido es mayor. pronunciado en el rango de frecuencia de aproximadamente 500 a 3000 Hz. (¡De nuevo, el rango de frecuencia del sonido difuso!). Por lo tanto, una simple panorámica no proporciona la fidelidad de sonido deseada. Los efectos estéreo ("sonido de marcha", enlace de sonido "izquierda-derecha", etc.) de las primeras grabaciones estéreo rápidamente se volvieron aburridos. Por lo tanto, las mejores grabaciones de instrumentos electrónicos en el estudio de los años 60 se realizaron utilizando tecnología de micrófonos, lo que explica la naturaleza "en vivo" del sonido: la introducción de la grabación multicanal totalmente electrónica (sin el uso de micrófonos) de instrumentos con La mezcla posterior, que facilitó el trabajo del ingeniero de sonido, al mismo tiempo destruyó la atmósfera de la sala. Posteriormente, este hecho empezó a tenerse en cuenta a la hora de realizar grabaciones de estudio, aunque no se produjo un retorno completo a la tecnología de los micrófonos. Cuando se utiliza un esquema de reproducción de dos canales, la zona principal de ubicación efectiva de las fuentes de sonido aparentes (PSZ) se ubica frente al oyente y cubre un espacio de aproximadamente 180 grados en el plano horizontal. Los dos canales frontales no son capaces de reproducir adecuadamente sonidos cuyas fuentes se encuentran en realidad detrás y en un plano vertical, si no hay apoyo en forma de señales adicionales. El uso de altavoces traseros en combinación con la panorámica del sonido funciona bien con las fuentes de sonido delante y detrás del oyente y más débil con la posición lateral. Sin embargo, la panorámica del sonido por sí sola nunca proporcionará un posicionamiento aceptable de las fuentes de sonido en el plano vertical. Durante el desarrollo de los sistemas matriciales se ha demostrado que una parte importante de la información espacial está contenida en la señal diferencial (señal de información estéreo), que puede enviarse a los altavoces del canal trasero en forma pura o mezclada con una cierta proporción de señales frontales. En el caso más sencillo, esto ni siquiera requiere canales de amplificación adicionales, y las señales pueden matrizarse en la salida del amplificador:
Así nacieron varios sistemas pseudocuadrafónicos, que a mediados de los años 70 expulsaron por completo del mercado a los "verdaderos arios". Se diferenciaban entre sí sólo en la forma de obtener una señal diferente. Sin embargo, su triunfo también duró poco, lo que se explica por las deficiencias del medio de señal: el disco de vinilo y la cinta magnética. No se restó el ruido no correlacionado de los canales izquierdo y derecho, lo que, combinado con el nivel relativamente bajo de la señal diferencial, empeoró en gran medida la relación señal-ruido en los canales traseros. Otro inconveniente no menos importante de estos sistemas es la falta de dependencia del nivel de la señal trasera de la naturaleza del fonograma. Con un nivel bajo de la señal trasera, el efecto espacial apenas se nota, con un aumento de nivel aparece una pausa en el escenario sonoro y sus fragmentos se mueven hacia atrás (el efecto de "rodearse de una orquesta", que no corresponde a la realidad). Al reproducir grabaciones "en vivo" (que tienen una distribución natural de componentes de suma, diferencia y fase), esta desventaja fue insignificante, pero en la mayoría de los fonogramas de estudio, los canales traseros introdujeron errores significativos en la posición del KIZ. Para superar esta deficiencia, los primeros sistemas de sonido envolvente intentaron utilizar la panorámica automática. Las señales de control se obtuvieron a partir del nivel de información espacial: un aumento en el nivel de las señales diferenciales condujo a un aumento en la ganancia en los canales traseros. Sin embargo, el modelo de panorámica adoptado era muy tosco, por lo que los errores de control del expansor provocaron un cambio caótico en el nivel de las señales traseras (el efecto de "respiración pesada"). El interés por los sistemas de sonido envolvente ha resurgido con la llegada de los medios digitales, el nivel de su propio ruido es insignificante e incluso el procesamiento de señales analógicas difícilmente degradará el rango dinámico del sistema. El desarrollo de métodos de procesamiento de señales digitales condujo a la creación de procesadores de sonido digitales (Digital Sound Processor - DSP). Los procesadores de sonido envolvente, originalmente desarrollados para sistemas de cine en casa, recientemente han comenzado a utilizarse activamente en los sistemas de audio de los automóviles. Su uso puede mejorar significativamente el sonido en el automóvil, por lo que no solo se fabrican como dispositivos DSP separados, sino que también forman parte de grabadoras de radio relativamente económicas. La configuración del procesador le permite seleccionar los parámetros más óptimos para la posición de escucha seleccionada. Existen varios métodos que permiten a los equipos reproducir sonido localizado en el espacio con un número limitado de altavoces. Los diferentes métodos de implementación tienen fortalezas y debilidades, por lo que es importante comprender las diferencias fundamentales entre los principales métodos de procesamiento de señales. En el corazón de los sistemas de sonido envolvente modernos (Dolby Surround, Dolby Pro-Logic, Q-Sound, Curcle Surround y otros) se encuentra la misma idea de conversión de suma-diferencia, complementada con métodos de procesamiento de señales "patentados" (tanto analógicos como digital). A menudo se les une el nombre común de "sistemas 3D" ("¡renacimiento" del término hace cuarenta años!). Antes de analizar los principios implicados en el procesamiento de señales de audio en sistemas de sonido envolvente, recapitulemos el proceso de grabación típico. Primero, se realiza una grabación que tiene muchos canales individuales: instrumentos, voces, efectos de sonido, etc. Durante la mezcla, para cada pista de audio, se controla el nivel de volumen y la ubicación de la fuente de audio para lograr el resultado deseado. En el caso de la grabación estéreo, el resultado de la mezcla son dos canales, para los sistemas envolventes el número de canales es mayor (por ejemplo, 6 canales para el formato Dolby Digital/AC-5.1 "3"). En cualquier caso, cada canal consta de señales que están destinadas a ser enrutadas a altavoces individuales cuando el usuario escucha. Cada una de estas señales es el resultado de una mezcla compleja de las señales fuente originales. A continuación, se lleva a cabo el proceso de codificación de los canales recibidos después de la mezcla y, como resultado, se obtiene un flujo digital (flujo de bits). Durante la reproducción, el decodificador procesa el flujo digital, lo divide en canales individuales y los transmite para su reproducción a los sistemas de altavoces. Para sistemas de sonido envolvente multicanal (discretos), es posible simular sistemas acústicos de la vida real (modo fantasma). Si solo tiene dos altavoces, entonces los canales de subwoofer (woofer) y central (diálogo) simplemente se agregan simultáneamente a ambos canales de salida. El canal trasero izquierdo se agrega al canal de salida izquierdo, el canal trasero derecho al canal de salida derecho. Recuerde que el panorama sólo afecta la amplitud de la señal de audio. La conversión de audio en los sistemas 3D modernos incluye información adicional sobre la amplitud y la diferencia/retraso de fase entre los canales de salida en el flujo de audio. Normalmente, la cantidad de procesamiento depende de la frecuencia de la señal, aunque algunos efectos se crean utilizando retardos de tiempo simples. ¿Qué métodos se utilizan para procesar la señal de audio? En primer lugar, se trata de la expansión de la base estéreo (Stereo Expansion), que se produce influyendo en la señal estéreo diferencial de los canales frontales. Este método puede considerarse clásico y se aplica principalmente a grabaciones estéreo convencionales. El procesamiento de señales puede ser analógico o digital. En segundo lugar, Audio 3D Posicional (sonido 3D localizado). Este método opera en muchos canales de audio individuales e intenta ubicar individualmente cada señal en el espacio. En tercer lugar, Virtual Surround (sonido envolvente virtual) es un método para reproducir grabaciones multicanal utilizando un número limitado de fuentes de sonido, por ejemplo, reproducir sonido de cinco canales en dos altavoces. Es obvio que los dos últimos métodos son aplicables sólo a medios de audio multicanal (grabaciones en formato DVD, AC-3), lo que hasta ahora no es muy relevante para los sistemas de automóviles. Completan la lista varios métodos de reverberación artificial. A medida que el sonido se propaga por el espacio, puede ser reflejado o absorbido por varios objetos. Los sonidos reflejados en un espacio grande en realidad pueden crear un eco claramente distinguible, pero en un espacio limitado hay una combinación de muchos sonidos reflejados de modo que los escuchamos como una secuencia única que sigue al sonido original y se desvanece, y el grado de atenuación es diferente para diferentes frecuencias y depende directamente de las propiedades del medio ambiente. Los procesadores de sonido digitales utilizan un modelo de reverberación generalizado, que reduce el control del proceso de reverberación a la configuración de parámetros clave (tiempo de retardo, número de reflexiones, tasa de caída, cambio en la composición espectral de las señales reflejadas). Así, se implementan los modos sala, directo, estadio, etc. La simulación es bastante realista. Los procesadores analógicos utilizan líneas de retardo de señal para este propósito. El control de los parámetros de reverberación en este caso es mucho más complicado, por lo que normalmente sólo hay un modo de funcionamiento fijo. Por supuesto, es difícil describir las características estructurales de todos los sistemas de sonido envolvente existentes, pero su trabajo se basa en los principios considerados: la única diferencia está en los detalles de los algoritmos y el conjunto de modos (preajustes). Por tanto, el mejor asesor a la hora de elegir un procesador de sonido es su propio oído. Publicación: www.bluesmobil.com/shikhman
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