БИНУРАЛНА СТЕРЕОФОНИЯ НА СЕГАШНИЯ ЕТАП НА РАЗВИТИЕТО НА БИНУРАЛНИТЕ ТЕХНОЛОГИИ - Съвременни

Ориз. 1- разликата във времето на пристигане на звуковата вълна до лявото и дясното ухо

Ориз. 2 - разликата в интензитета между сигналите към лявото и дясното ухо при различни

Ориз. 3 - спектрални промени на сигналите за различни посоки на падане на звука

Разликата във времето на пристигане (ITD) се използва от слуховата система за локализиране в хоризонталната равнина, главно до честота от 1500 Hz (фиг. 1), нейните стойности достигат 0,7 ms за източника под ъгъл 90 градуса. Разликата в интензитета (IID), която възниква поради дифракцията на звуковата вълна върху главата (и торса) при честоти над 1500 Hz, достига 17 dB при честота 5 kHz (фиг. 2). Тези функции позволяват локализирането на източника на звук в хоризонталната равнина с точност до 3 градуса. За локализиране във вертикална равнина се използват главно спектрални промени в сигнала, дължащи се на дифракция върху ушните миди, главата и торса (фиг. 3), което позволява да се определи местоположението на източника с точност до 15 градуса, и накрая, за локализиране в дълбочина се използват такива признаци като промяна в нивото на сигнала, неговите спектрални характеристики и съотношението на директните и отразените звуци в стаята. Като цяло способността на слуховата система да локализира източниците на звук се проявява в диапазона от 200 Hz до 8 kHz.

Всички тези знаци се съдържат в звукови сигнали, които влизат в тъпанчето вътре в слуховия канал на дясното и лявото ухо, след което се декодират от мозъка и му позволяват да определи позицията на източника на звук в триизмерното пространство. Подробен анализ на тези процеси е даден в трудовете на Y. Ando [1].

Всички бинаурални технологии се основават на хипотезата, че едно и също бинаурално звуково налягане в слуховите канали създава същотосъщото слухово възприятие на звуковото пространство и следователно тяхната основна задача е да записват (или синтезират) това налягане, да предават, ако е възможно, без изкривяване и да възпроизвеждат в слуховите канали на слушателя.

За определяне на звуковото налягане в левия и десния слухов канал се използва концепцията за „Head Related Transfer Function“ (HRTF), която се определя като съотношението на налягането, измерено вътре в слуховия канал (при тъпанчето) на лявото PL и дясно PR ухо към налягането P0, измерено в свободното поле в точката, съответстваща на центъра на главата (ако липсва) [4].

HL= HR= (1)

Трансферните функции HL, HR зависят от ъгъла на падане на звуковия сигнал по хоризонтала - φ и вертикала - θ, от разстоянието до източника - r, от честотата - f, индивидуалните анатомични особености на човека - коефициент - a.

Техниката за измерване на трансферните функции е описана подробно в [8], по-специално беше показано, че измерванията могат да се извършват на входа на ушния канал, а не на тимпаничната мембрана, докато пространствените характеристики се запазват. Измерванията могат да се правят на "изкуствена глава" - IG (уред, който имитира формата на човешка глава и ушни миди с вградени микрофони). В момента те се произвеждат от различни компании Neumann, B & K, Head Acoustics и др. Примери за IG от различни компании са показани на фиг. 4.

Ориз. 4 - Различни видове IG.

a - Акустика на главата (HMSII), b - KEMAR (Акустично изследване на Knowledge Mannekin), c - B&K (симулатор на глава и торс), d - Neumann (KU100)

Ориз. 5 - Амплитудни и фазови характеристики на HRTF при различни ъгли на падане на звуковата вълна

Примери за предавателни функции за различниъглите на падане на звуковата вълна са показани на фиг.5. Ако за измерване се използва импулсен сигнал, тогава се измерват импулсните реакции в слуховия канал - HRIR (Head Related Impulse Responses) (фиг. 6), които могат да бъдат преобразувани в HRTF с помощта на преобразуването на Фурие.

Съгласно горната дефиниция (1) [4, 3], функциите за трансфер на главата на HRTF се измерват в свободно поле (т.е. в безехова камера), следователно те не съдържат информация за структурата на реверберация на полето в стаята. За да се отчете това влияние, измерванията на трансферната функция трябва да се правят в реални стаи за слушане, в който случай те се наричат BRTF (бинаурална свързана трансферна функция) и BRIR (бинаурална свързана импулсна реакция).

Ориз. 6 - Връзка между HRTF и HRIR

Използването на трансферни функции е в основата на такива области в бинауралните технологии като бинаурална (трансаурална) стереофония, бинаурален синтез на пространствен звук, създаване на системи за виртуална реалност, създаване на аурализиращи модели на стая и др.

Нека разгледаме някои от тях по-подробно:

Бинаурално стерео

Бинауралната стерео система е система за пространствено записване и предаване на звук, при която звуковите сигнали се записват вътре в ушния канал, предават се по комуникационни канали и се възпроизвеждат в същата точка в ушния канал, където са записани.

В този случай слушателят получава пълна информация за пространственото местоположение на източника (източниците) на звука, което ви позволява да пресъздадете триизмерно звуково изображение.

Опитите за създаване на такива системи започват още през 1881 г. (Експерименти C. Adera), продължени в Bell Laboratories през 40g, през 80g имаше доста записи на тази система, обачене беше широко използван, т.к. предназначени само за индивидуално слушане. Историята на развитието на бинауралната стереофония и перспективите за нейното развитие са подробно анализирани в работата на Пол С. [9].

Оценката на качеството на звука на такива системи показа техните несъмнени предимства пред конвенционалните стерео системи по отношение на такива параметри като: пространственост (включително оценка на местоположението на източниците във вертикалната равнина, движението на източниците и т.н.); прозрачност (разделимост на инструментите); естественост на тембрите; правилно възприемане на директни и отразени звуци в стаята (като се вземат предвид ефектите от "първата вълна") и др.

Първите експерименти за оценка на качеството на бинауралните системи са проведени през 1931-1932 г. в лабораториите на А. Бел под ръководството на Х. Флетчър.

От особен интерес е изследването на А. Фарина „Бинаурал за популярна музика“ [6], чиято цел беше да се проучи реакцията на слушателите към различни методи на запис. Като част от изследването е извършено експериментално прослушване на звукозаписи в стереофонични и бинаурални формати. Музикалният материал е записан в студио с помощта на микрофонна система Neumann-KU100 и чифт микрофони Schoeps MK-2, инсталирани в AB система. Звукозаписите бяха оценени по следните критерии: пространствено впечатление, локализация на източниците на звук, естественост на тембрите и възприемана ширина на източника (ASW). Според резултатите от изследването бинауралният звукозапис получава по-високи средни оценки: 4,5 за пространствено впечатление, което е с 2 точки по-високо от това на стереозаписа (оценките са направени по петобална скала).

В наши дни, поради развитието на мобилните устройства (както беше споменато по-горе), интересът към такива системи е нараснал и има технически възможности зарешения на големи проблеми. Сред най-съществените от тях е несъответствието между условията за запис и възпроизвеждане на звук. Идеалната реконструкция на пространственото звуково поле е възможна само ако сигналът е записан на тъпанчето на слушателя и възпроизведен на главата му, и сигналите трябва да бъдат доставени до същата точка на слуховия канал, където са били записани, технически е практически невъзможно да се направи това. При практическото прилагане на бинаурална стерео система възникват различни изкривявания на сигнала, които могат да доведат до грешки отпред и отзад, локализиране на звука вътре в главата, ненадеждно възпроизвеждане на тембри и др.

Причините за тези грешки са следните:

Фиг.7 - блокова схема на бинаурална стереофония

Рецензенти:

Денисов А.В., доктор по история на изкуството, професор в катедрата по теория и история на културата на Българския държавен педагогически университет. Херцен, Санкт Петербург;

Соломонова Н.А., доктор по история на изкуството, професор в катедрата по звукорежисура на Недържавната образователна институция за висше професионално образование "Санкт-Петербургски хуманитарен университет на профсъюзите", Санкт Петербург.