Sviluppo di sistemi audio surround - dal mono al 3D. L'arte dell'audio

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L'evoluzione dei sistemi audio surround: dal mono al 3D

L'arte dell'audio

Attualmente, la stereofonia a due canali è diventata un modo classico di trasmettere e riprodurre il suono. Lo scopo della riproduzione del suono stereofonico è trasmettere l'immagine sonora nel modo più accurato possibile. La localizzazione del suono è solo un mezzo per ottenere un suono più ricco e naturale. Tuttavia, la trasmissione di informazioni spaziali da parte dei più comuni sistemi "classici" a due canali presenta una serie di svantaggi, che incoraggiano i progettisti a creare vari sistemi audio surround.

Un ascoltatore in una sala da concerto sente non solo il suono diretto proveniente dai singoli strumenti dell'orchestra, ma anche il suono diffuso proveniente da varie direzioni (anche da dietro) riflesso dalle pareti e dal soffitto della stanza, che crea l'effetto dello spazio e completa l'impressione generale dell'immagine. Il ritardo con cui il suono diffuso raggiunge le orecchie dell'ascoltatore e la sua composizione spettrale dipendono dalle dimensioni e dalle proprietà acustiche della stanza. Con la trasmissione a due canali, l'informazione creata dal suono diffuso viene in gran parte persa e, nel caso della registrazione in studio, potrebbe non essere presente all'inizio.

L'orecchio umano localizza al meglio le sorgenti sonore sul piano orizzontale. Allo stesso tempo, i suoni provenienti da dietro, in assenza di informazioni aggiuntive, sono localizzati in modo peggiore. La visione, inclusa la visione periferica, è il senso principale per determinare la posizione degli oggetti, pertanto, senza informazioni visive, la capacità di valutare la posizione del suono sul piano verticale e la sua distanza da noi è debole e del tutto individuale. Ciò può essere in parte spiegato dalle caratteristiche anatomiche individuali delle orecchie. Durante la riproduzione delle registrazioni non vengono fornite informazioni visive, quindi qualsiasi tecnologia audio per il mercato di massa che pretenda di fornire "suono surround" è costretta a creare qualcosa di mediocre e ovviamente un compromesso.

È possibile utilizzare una varietà di metodi per riprodurre o sintetizzare l '"effetto Hall". Già a metà degli anni '50 Philips, Grundig e Telefunken testarono i sistemi di riproduzione tridimensionale 3D e Raumton. La trasmissione del suono era monofonica, ma altoparlanti aggiuntivi (di solito integrati, meno spesso esterni), che irradiavano il suono lateralmente o verso l'alto, creavano l'impressione di un ampio spazio a causa del suono riflesso dalle pareti e dal soffitto. Poiché il ritardo dell'eco negli ambienti domestici è piuttosto ridotto, in seguito sono stati utilizzati riverberi a molla per aumentarlo nel canale di amplificazione di segnali aggiuntivi. A causa della notevole complessità tecnica per l’epoca, questi sistemi non durarono a lungo sul mercato e scomparvero rapidamente dalla scena.

Successivamente furono sviluppati sistemi ambiofonici per la trasmissione del suono diffuso, che trovarono applicazione soprattutto nel cinema. Il canale (o i canali) aggiuntivi per la trasmissione del suono diffuso in tali sistemi hanno una potenza inferiore rispetto a quelli principali e la loro gamma di frequenza corrisponde alla banda di frequenza del segnale diffuso (circa 300...5000 Hz). Le radiazioni degli altoparlanti aggiuntivi devono essere diffuse, per cui sono dirette verso le pareti o il soffitto della stanza di ascolto.

L'evoluzione dei sistemi audio surround: dal mono al 3D

La complessità della standardizzazione e i problemi tecnici con la registrazione e la trasmissione di segnali di tre, quattro o più canali hanno portato al fatto che la stereofonia a due canali è diventata per molti anni il sistema principale per la registrazione e la trasmissione del suono. Ma i tentativi di creare sistemi audio surround non si sono fermati. Lo sviluppo dell'ambiofonia fu la quadrifonia (riproduzione del suono a quattro canali), il cui picco di popolarità si verificò nella prima metà degli anni '70. A differenza del sistema ambiofonico, qui tutti i canali di riproduzione del suono sono equipaggiati allo stesso modo. La quadrifonia discreta (completa), che fornisce il massimo effetto di presenza, richiede quattro canali di trasmissione del suono e, per questo motivo, si è rivelata incompatibile con i mezzi tecnici di registrazione e trasmissione del suono esistenti a quel tempo.

L'evoluzione dei sistemi audio surround: dal mono al 3D

Per superare questo ostacolo, furono creati diversi sistemi di quadrifonia a matrice (nella terminologia dell'epoca - quasi quadrifonia), in cui i segnali originali di quattro canali venivano matrice per la trasmissione su due canali e durante la riproduzione i segnali originali venivano ripristinati mediante trasformazioni di somma-differenza ed era possibile riprodurre senza decodificatore il normale segnale stereo. Poiché nessuno di questi sistemi era completamente quadrifonico, né completamente compatibile con la stereofonia a due canali a causa dell'ampia penetrazione del segnale da un canale all'altro, il loro uso pratico era limitato e l'interesse per essi svanì rapidamente.

L'evoluzione dei sistemi audio surround: dal mono al 3D

Non ci furono vincitori nella “guerra degli standard” dei sistemi quadrifonici; l’idea morì felicemente, i principi furono dimenticati, ma il termine rimase. Pertanto, ora poche persone sono confuse dal fatto che "qualcosa" che ha quattro canali di amplificazione e quattro altoparlanti è orgogliosamente chiamato "sistema quadrifonico". Tuttavia, questo è fondamentalmente sbagliato, poiché la sorgente del segnale rimane a due canali e i segnali dei canali anteriore e posteriore con questa struttura del sistema differiscono tra loro solo nel livello, ovvero viene utilizzato il principio del panning.

Il panning nella produzione di registrazioni stereo è stato ampiamente utilizzato fin dalla metà degli anni '50 per posizionare i segnali audio monofonici "a sinistra/destra/al centro" del campo sonoro. Il pan non ha alcun effetto sulla frequenza o sulla fase del segnale; cambia solo il livello del segnale mono fornito a ciascuno dei canali stereo. Il panning su più canali (nel caso di registrazioni multicanale) viene eseguito allo stesso modo. Tuttavia, nel determinare la direzione di una sorgente sonora, il nostro apparecchio acustico utilizza non solo la differenza nell'intensità dei segnali sonori, ma anche lo sfasamento tra di essi, e l'effetto dello sfasamento sulla precisione della localizzazione della sorgente sonora è più pronunciato nella gamma di frequenze da circa 500 a 3000 Hz. (Ancora una volta, la gamma di frequenze del suono diffuso!).

Pertanto, il semplice panning non fornisce la fedeltà del suono richiesta. Gli effetti stereo (“suono corrente”, associazione del suono “sinistra-destra”, ecc.) delle prime registrazioni stereo diventarono presto noiosi. Pertanto, le migliori registrazioni di strumenti elettronici in studio negli anni '60 venivano effettuate utilizzando la tecnologia microfonica, il che spiega la natura "live" del suono: l'introduzione della registrazione multicanale completamente elettronica (senza l'uso di microfoni) di strumenti con il missaggio successivo, se da un lato facilitava il lavoro del tecnico del suono, allo stesso tempo distruggeva l'atmosfera della sala. Successivamente, questo fatto cominciò a essere preso in considerazione quando si effettuarono registrazioni in studio, sebbene non si verificasse un ritorno completo alla tecnologia dei microfoni.

Quando si utilizza uno schema di riproduzione a due canali, la zona principale di localizzazione effettiva delle sorgenti sonore apparenti (ASS) si trova davanti all'ascoltatore e copre uno spazio di circa 180 gradi sul piano orizzontale. I due canali frontali non sono in grado di riprodurre adeguatamente suoni le cui sorgenti si trovano effettivamente dietro e sul piano verticale, se non supportati da segnali aggiuntivi. L'uso degli altoparlanti posteriori in combinazione con il panning del suono funziona bene con sorgenti sonore situate davanti e dietro l'ascoltatore e meno bene con una posizione laterale. Tuttavia, il solo panning del suono non può mai fornire un posizionamento accettabile delle sorgenti sonore sul piano verticale.

Durante lo sviluppo dei sistemi a matrice, si è scoperto che una parte significativa dell'informazione spaziale è contenuta nel segnale differenza (segnale di informazione stereo), che può essere fornito agli altoparlanti dei canali posteriori sia in forma pura che miscelato con un certo percentuale di segnali frontali. Nel caso più semplice, ciò non richiede nemmeno canali di amplificazione aggiuntivi e i segnali possono essere matrice all'uscita dell'amplificatore:

L'evoluzione dei sistemi audio surround: dal mono al 3D

Nacquero così diversi sistemi pseudo-quadrifonici, che a metà degli anni '70 estromisero completamente dal mercato i “veri ariani”. Differivano tra loro solo nel modo di ottenere il segnale di differenza. Tuttavia, anche il loro trionfo fu di breve durata, il che fu spiegato dalle carenze del vettore del segnale: disco in vinile e nastro magnetico. Non è stato sottratto il rumore non correlato proveniente dai canali sinistro e destro, il che, combinato con il livello relativamente basso del segnale differenza, ha notevolmente deteriorato il rapporto segnale/rumore nei canali posteriori.

Un altro inconveniente non meno significativo di tali sistemi è l'indipendenza del livello del segnale posteriore dalla natura del fonogramma. A un livello basso del segnale posteriore, l'effetto spaziale è poco avvertibile; quando il livello aumenta, appare una rottura della scena sonora e i suoi frammenti si spostano all'indietro (l'effetto di “circondare un'orchestra”, che non corrisponde alla realtà) .

Durante la riproduzione di registrazioni "dal vivo" (che hanno una distribuzione naturale dei componenti totali, di differenza e di fase), questo inconveniente si è manifestato in modo insignificante, ma sulla maggior parte dei fonogrammi da studio i canali posteriori hanno introdotto errori significativi nella posizione dell'IZ. Per superare questa lacuna, i primi sistemi audio surround tentarono di utilizzare il panning automatico. I segnali di controllo sono stati ottenuti dal livello delle informazioni spaziali: un aumento del livello dei segnali di differenza ha portato ad un aumento del guadagno nei canali posteriori. Tuttavia, il modello di panning adottato era molto approssimativo, per cui errori di controllo dell'espansore portavano a cambiamenti caotici nel livello dei segnali posteriori (l'effetto "respiro pesante").

L'interesse per i sistemi audio surround è riemerso con l'avvento dei media digitali, il cui livello di rumore intrinseco è trascurabile e persino l'elaborazione del segnale analogico praticamente non degrada la gamma dinamica del sistema. Lo sviluppo di metodi di elaborazione del segnale digitale ha portato alla creazione di processori del suono digitale (Digital Sound Processor - DSP).

Originariamente sviluppati per i sistemi home theater, i processori audio surround hanno recentemente iniziato a essere utilizzati attivamente nei sistemi audio per auto. Il loro utilizzo può migliorare significativamente il suono all'interno di un'auto, motivo per cui non vengono prodotti solo come dispositivi DSP separati, ma sono anche inclusi in radio relativamente economiche. Le impostazioni del processore consentono di selezionare i parametri ottimali per la posizione di ascolto selezionata.

Esistono numerosi metodi che consentono alle apparecchiature di riprodurre il suono localizzato nello spazio con un numero limitato di sistemi acustici. Diversi metodi di implementazione hanno punti di forza e di debolezza, quindi è importante comprendere le differenze fondamentali tra i principali metodi di elaborazione del segnale. I moderni sistemi audio surround (Dolby Surround, Dolby Pro-Logic, Q-Sound, Curcle Surround e altri) si basano sulla stessa idea di conversione della somma delle differenze, integrata da metodi di elaborazione del segnale "proprietari" (sia analogici che digitali) . Spesso sono riuniti sotto il nome comune “sistemi 3D” (“rinascita” di un termine vecchio di quarant’anni!).

Prima di esaminare i principi coinvolti nell'elaborazione dei segnali audio nei sistemi audio surround, consideriamo il tipico processo di registrazione. Per prima cosa viene effettuata una registrazione che ha molti canali individuali: strumenti, voci, effetti sonori, ecc. Durante il mixaggio, il livello del volume e la posizione della sorgente sonora vengono controllati per ciascuna traccia audio per ottenere il risultato desiderato. Nel caso della registrazione stereo, il risultato del mixaggio è di due canali; per i sistemi surround, il numero di canali è maggiore (ad esempio, 6 canali per il formato Dolby Digital/AC-5.1 “3”). In entrambi i casi, ciascun canale è costituito da segnali progettati per essere inviati ai singoli altoparlanti quando l'utente ascolta. Ciascuno di questi segnali è il risultato di una complessa miscelazione dei segnali della sorgente originale.

Successivamente, avviene il processo di codifica dei canali ottenuti dopo la miscelazione e il risultato è un flusso digitale (bitstream). Durante la riproduzione, il decoder elabora il flusso digitale, dividendolo in singoli canali e trasmettendoli per la riproduzione ai sistemi di altoparlanti. Per i sistemi audio surround multicanale (discreti) è possibile una modalità di simulazione di sistemi di altoparlanti effettivamente assenti (modalità Phantom). Se disponi solo di due altoparlanti, i canali subwoofer (bassa frequenza) e centrale (dialogo) vengono semplicemente aggiunti contemporaneamente a entrambi i canali di uscita. Il canale posteriore sinistro viene aggiunto al canale di uscita sinistro, quello posteriore destro al canale di uscita destro.

Ricorda che il pan influisce solo sull'ampiezza del segnale audio. La conversione audio nei moderni sistemi 3D include informazioni aggiuntive sull'ampiezza e sulla differenza di fase/latenza tra i canali di uscita nel flusso audio. In genere la quantità di elaborazione dipende dalla frequenza del segnale, sebbene alcuni effetti vengano creati utilizzando semplici ritardi temporali.

Quali metodi vengono utilizzati per elaborare un segnale audio? Innanzitutto si tratta dell'espansione stereo (Stereo Expansion), che viene prodotta influenzando la differenza del segnale stereo dei canali anteriori. Questo metodo può essere considerato classico e viene applicato principalmente alle registrazioni stereo convenzionali.

L'elaborazione del segnale può essere analogica o digitale. In secondo luogo, audio 3D posizionale (audio 3D localizzato). Questo metodo opera su molti canali audio individuali e tenta di localizzare individualmente ciascun segnale nello spazio. In terzo luogo, Virtual Surround è un metodo per riprodurre una registrazione multicanale utilizzando un numero limitato di sorgenti sonore, ad esempio riproducendo l'audio a cinque canali su due altoparlanti acustici. Ovviamente gli ultimi due metodi sono applicabili solo ai supporti audio multicanale (registrazioni in DVD, formato AC-3), il che non è ancora molto rilevante per i sistemi automobilistici.

A completare l'elenco ci sono vari metodi di riverbero artificiale. Mentre il suono viaggia attraverso lo spazio, può essere riflesso o assorbito da vari oggetti. I suoni riflessi in uno spazio ampio possono in realtà creare un'eco chiaramente distinguibile, ma in uno spazio limitato molti suoni riflessi si combinano in modo che li sentiamo come un'unica sequenza che segue il suono originale e si attenua, e il grado di attenuazione varia a seconda dei casi. frequenze e dipende direttamente dalle proprietà dello spazio circostante.

Gli elaboratori del suono digitali utilizzano un modello di riverbero generalizzato, che riduce il controllo del processo di riverbero all'impostazione di parametri chiave (tempo di ritardo, numero di riflessioni, velocità di decadimento, cambiamento nella composizione spettrale dei segnali riflessi). Ecco come vengono implementate le modalità sala, live, stadio, ecc. L'imitazione risulta essere abbastanza realistica. I processori analogici utilizzano a questo scopo linee di ritardo del segnale. Il controllo dei parametri del riverbero in questo caso è molto più complesso, quindi di solito esiste solo una modalità operativa fissa.

Naturalmente, è difficile descrivere le caratteristiche strutturali di tutti i sistemi audio surround esistenti, ma il loro lavoro si basa sui principi discussi: la differenza sta solo nei dettagli degli algoritmi e nel set di modalità (preset). Pertanto, il miglior consigliere nella scelta di un processore del suono è il proprio udito.

Pubblicazione: www.bluesmobil.com/shikhman

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