Контроль качества стереофонической записи Борис Меерзон

Контроль качества стереофонической записи Борис Меерзон
Эстетическое восприятие стереофонии
Вряд ли надо сейчас доказывать, что стереофоническое звучание по сравнению с монофоническим способно в значительно большей степени приблизить звучание к естественному, "живому", как бы перенести слушателя туда, где происходит исполнение произведения.
Преимущества стереофонии обнаруживаются особенно отчетливо при воспроизведении полифонической
музыки - симфонической и эстрадной. Именно в этом случае монофоническое и стереофоническое звучание уверенно различаются по качеству.
Пытаясь определить главную причину предпочтения слушателями стереофонического звучания монофоническому, проще всего предположить, что этому способствует в первую очередь субъективно воспринимаемая
локализация виртуальных источников звука, т.е. возможность определить, как они расположены в пространстве.
Однако гораздо чаще искушенный слушатель отмечает так называемый "эффект присутствия" - ощущение акустической обстановки концертного зала, куда переносит слушателя стереофоническая запись, сделанная квалифицированным звукорежиссером.
При стереофоническом воспроизведении неизменно обращает на себя внимание свойство звучания, которое называют прозрачностью, когда слушатели в состоянии отчетливо выделить из общей звуковой массы партию того или иного инструмента и даже отличить друг от друга унисоны разных инструментов. На первый взгляд
может показаться, что прозрачность звучания связана с локализацией источников. Действительно, локализация
источников влечет за собой улучшение разборчивости соответствующих сигналов и помогает настроиться на
один из многих одновременно звучащих источников, разнесенных в пространстве. И это само по себе - одна из
удивительных особенностей человеческого слуха.
Однако, слушая симфоническую музыку в зале, на достаточном удалении от оркестра, когда отраженная
звуковая энергия значительно преобладает над прямой, мы локализуем звуковой образ лишь в направлении эстрады, ощущаем только угловую ширину звуковой картины и, может быть, еще расположение ее центра, но без
отчетливого определения взаимного расположения отдельных инструментов. Временная структура ранних отражений определяет слуховое впечатление большего или меньшего объема зала, что также относится к пространственной характеристике воспринимаемого звучания.
При этом звуковой образ воспринимается как сложно развертывающееся во времени многообразие, упорядоченное в том смысле, что оно допускает однозначное расчленение на более простые составляющие, соответствующие партиям отдельных инструментов и групп. Этому обстоятельству, мы, очевидно, и обязаны тем, что
прозрачность звучания сохраняется и в отсутствии четкой локализации отдельных элементов ансамбля, но уже
за счет различия формы излучаемых ими сигналов. Можно сказать, что эстетическое восприятие музыки должно
включать в себя разделение сигналов по форме, и притом такое, которое позволяет уверенно различить их по
направлению на источник (пеленгу) из первых рядов зала или от пульта дирижера.
Стереофония и теория слухового восприятия
Невозможно отделить друг от друга одновременно протекающие процессы, если их структуры (формы)
заранее неизвестны.
Форма звукового сигнала есть совокупность всех его признаков, благодаря которым слушатель предугадывает - иногда правильно, иногда с ошибкой - неизвестный ему последующий ход сигнала, сохраняя в кратковременной памяти ход ранее принятых элементов сообщения. Происходит как бы экстраполяция "прошлого" в
"будущее", и это возможно лишь в том случае, когда звуковой сигнал несет информацию, в данном случае эстетическую, а не является бесформенным широкополосным шумом.
Выделяя из сложной звуковой ткани партию того или иного инструмента, мы вслушиваемся в звучание музыки и анализируем ее, зачастую подсознательно. При этом мы подмечаем те элементы, которые связываются в
непрерывно экстраполируемые последовательности.
Один из крупнейших российских ученых-акустиков, ныне покойный профессор В.В.Фурдуев, в одной из
своих работ, посвященных вопросам стереофонии, в качестве наглядной иллюстрации вышеизложенного приводит следующее сравнение: несколько различных штриховых рисунков могут быть размещены один за другим, либо же наложены друг на друга. В первом случае они реально разделены в пространстве, во втором - разделимость становится возможной только благодаря различию форм. Термин "форма" имеет здесь все тот же смысл:
следуя взглядом за линией какого-нибудь одного из совмещенных рисунков, мы тем увереннее выбираем на каж-
дом пересечении путь дальнейшего следования, чем более отчетливо чувствуем форму, т.е. связь ранее пройденного пути с ближайшим его продолжением.
При непосредственном слушании музыки в концертном зале сигналы, принимаемые левым и правым
ухом, не тождественны: несмотря на высокую степень сходства этих сигналов, их осциллограммы не совпадают
после приведения к общим началу и масштабу.
Это несовпадение связано с незначительными различиями временной структуры и фаз сигналов в двух
близких, но все же пространственно разделенных точках поля, в которых располагаются приемники сигналов, то
есть уши. Причем от степени этого различия зависит и восприятие общей звуковой картины.
Например, различие по структуре сигнала, в частности, по мгновенным соотношениям их фаз, сильнее
для звуков двух расположенных по краям оркестра инструментов или для отраженных от стен студии сигналов.
Это различие уменьшается при одновременном приеме левым и правым ухом с небольшой задержкой по времени сигналов от одного и того же инструмента. В последнем случае фазы сигналов имеют между собой жесткие
статистические связи, а так как слух человека обладает определенной накопительной способностью (слуховой
памятью), то принимаемая информация осредняется, сравнивается слуховым анализатором, обогащается и благодаря этому обостряется чувство формы сигнала и звук воспринимается слитно, в виде локального образа.
Недостатки монофонической передачи, при которой утрачиваются эти важные свойства бинаурального
восприятия звуковой информации, в известной степени могут быть восполнены при стереофоническом воспроизведении. В этом случае несовпадение форм сигналов, принимаемых двумя ушами и определяющих специфику
бинаурального слуха, имитируется благодаря различию сигналов, передаваемых по двум стереофоническим каналам.
Таким образом, можно сделать вывод, что наряду с динамическими и спектральными характеристиками
сигналов, немалый интерес представляют их корреляционные функции, отображающие статистическую связь
между двумя зависимыми друг от друга сигналами (взаимная корреляция), или между сигналом и его запаздывающим повторением (автокорреляция). Корреляционные функции позволяют судить об уровне интерференционных эффектов при сложении сигналов - другими словами, о степени когерентности слагаемых.
Прежде всего, следует исходить из того, что в основе звукопеленгации, то есть определении направления
на источник звука, лежит сложение образов, образуемых в левом и правом каналах органа слуха. В свою очередь, сложение принципиально невозможно при полном отсутствии когерентности между указанными образами.
При полном отсутствии когерентности (например, двух разных инструментов или отражениях сигнала слева и
справа, когда фазы находятся в совершенно произвольных соотношениях), звук не локализуется, а кажется, "разлитым" в пространстве. При полной, с точностью до фазы, идентичности сигналов, образ представляется расположенным прямо перед слушателем, на линии головы. Следовательно, механизм звукопеленгации сводится к
сравнению левого и правого сигналов по взаимному соотношению их фаз, то есть к уже упомянутым корреляционным способам обнаружения и локализации звукового образа.
Вопрос состоит только в том, чтобы построить математическую модель этого механизма. Тогда можно создать электронные приборы для объективного контроля стереоэффекта. Под стереоэффектом понимается комплекс эстетических качеств стереофонической записи, отличающих ее от монофонической.
Контроль над фазовыми соотношениями пары стереосигналов важен еще и потому, что сигналы, оказавшиеся в каналах в противофазе, могут стать причиной несовместимости, т.е. не будет обеспечиваться их полноценное по качеству суммирование для воспроизведения в монофоническом варианте. Расстройка фаз может
явиться причиной интерференции и частотных искажений в суммирующем канале. В наиболее неблагоприятных
случаях, наряду с искажениями тембров музыкальных инструментов, несовместимость может выражаться в
уменьшении общего уровня передачи и даже в пропадании некоторых голосов в ансамбле.
В этой связи представляет интерес корреляционное сопоставление по фазам двух одновременных сигналов левого и правого каналов. Причем корреляционный метод контроля представляет не только метрологический, но и чисто практический интерес.
Приборы контроля сигналов стереофонической записи
В студиях звукозаписи, наряду с контролем стереосигналов с помощью измерителей уровня, широко используется прибор, получивший название фазокоррелометр.
С помощью фазокоррелометра звукорежиссер может оценить степень взаимной корреляции левого и
правого стереофонических сигналов, а от этого, как это было сказано выше, зависит ощущение локализации звукового образа.
Для понимания принципа действия этого прибора необходимо предварительно в предельно упрощенной
форме познакомиться с математической сущностью корреляционного метода.
Корреляционные функции позволяют судить об уровне интерференционных эффектов при сложении сигналов, т.е., другими словами, о степени когерентности слагаемых.
Рассмотрим сигнал, полученный путем сложения двух сигналов w и v. Так как мощность сигнала находится по отношению к самому сигналу в квадратичной зависимости т.е.
, то и среднее значение мощности P суммарного сигнала, от которого и зависит слуховое ощущение, определяется средним по времени значением квадрата суммы сигналов:
(мы здесь опускаем множитель пропорцио- нальности а черта вверху означает усреднение по времени).
Этот результат показывает, что мощность P суммы сигналов в общем случае отличается от суммы их
мощностей P + P на удвоенную величину усредненного по времени произведения этих сигналов, то есть на 2wv.
Величина произведения wv характеризует взаимную корреляцию сигналов. Если исключить тем или иным способом влияние на величину этого произведения абсолютных уровней сигналов, например,
нормируя произведение сигналов wv относительно произведения их эффективных значений.
то, мы получим т.н. коэффициент корреляции; где w и v - отклонения от нулевого значения фаз первого и второго сигналов соответственно.
Если положительные отклонения +w сопровождаются такими же отклонениями +v, коэффициент корреляции положителен. То же будет при одновременно отрицательных отклонениях (т.е. -w и -v). Два процесса в таком
случае ковариантны.
При фазовых расхождениях (разных знаках) w и v среднее значение их произведения wv отрицательно;
вместе с тем отрицателен и коэффициент корреляции, а процессы - контрвариантны.
Два взаимонезависимых сигнала, например, звуки двух расположенных по краям оркестра инструментов,
или, воспринятые двумя "общими" микрофонами отраженные от стен сигналы, характеризуются произвольными и
случайными знаками w и v, и их среднее значение wv с увеличением продолжительности времени осреднения стремится к нулю.
Равным образом, при отсутствии одного
из сигналов коэффициент корреляции также равен нулю.
Изложенные зависимости удобно представить в виде таблицы. (Таблица 1)
Таблица 1
Примечание: Для удовлетворения условий ковариантности и контрвариантности равносильны как верхние, так и нижние пары знаков неравенств для w и v (в левой части таблицы).
Для практического осуществления фазокоррелометра
надо, прежде всего, выполнить умножение двух сигналов, а затем проинтегрировать их произведение. Прибор должен действовать независимо от входных уровней сигналов. С этой целью сигналы предварительно проходят через ограничители.
Рис. 1
Структурная схема фазокоррелометра изображена на рисунке 1.
Для умножения сигналов применяется кольцевой балансный модулятор. Время интеграции интегрирующей цепочки выбирается с расчетом, чтобы оно было больше наибольшего времени T, свойственного сигналу, как стационарному процессу.
Проинтегрированное за время T произведение сигналов, пропорциональное коэффициенту корреляции, регистрируется прибором, шкала которого имеет пределы от +1 до -1 и разделена на
две части нулем посередине (рис. 2).
Рассмотрим эпюры напряжений в разных точках схемы
фазокоррелометра (рис. 3). При сфазированных сигналах их
произведение после усреднения - положительно. Если в каналах
Рис. 2
преобладают сигналы в противофазах, их усредненное за время T произведение отрицательно. А если за время
T синфазные и противофазные моменты равновероятны, среднее значение произведения сигналов равно нулю.
Таким образом, при правильном фазировании сигналов (ковариантные соотношения) коэффициент
корреляции, а, следовательно, показание прибора будет лежать в пределах от +1 (монозапись) до нуля; при неправильном фазировании
стрелка прибора будет отклоняться в отрицательную область шкалы от нуля до -1 , что говорит о несовместимости записи. А колебания
стрелки прибора в зоне, близкой к нулю, означает отсутствие корреляции между правым и
левым сигналами. В этом случае звучание, сохраняя совместимость, воспринимается наиболее стереофоническим, с широкой стереобазой.
Рис. 3
Еще большей информативностью по сравнению с фазокоррелометром обладает стереогониометр. Это
прибор в основном состоит из осциллоскопа
без блока временной (горизонтальной) развертки и двух усилителей горизонтального и вертикального отклонения луча электронно-лучевой
трубки (рис. 4).
Таблица 2
Рис. 4
Усилители прибора имеют автоматическую регулировку
усиления (логарифмирование), что позволяет наблюдать за разностью фаз в большом динамическом диапазоне сигналов. Перед
усилителями включен блок суммирования и вычитания входных
сигналов (суммо-разностный преобразователь).
Принцип действия прибора следующий. На два входа подаются сигналы A и B, которые суммо-разностным преобразователем преобразуются в сигналы A+B = M и A-B = S. Далее, после
усиления суммарный сигнал M подается на пластины вертикальной
развертки электронно-лучевой трубки, а разностный сигнал S - на
пластины горизонтального отклонения.
Характерные изображения на экране стереогониометра
приведены в таблице 2. Они точно соответствуют входным сигналам и позволяют просто и наглядно обнаружить сдвиг фаз между
сигналами, вплоть до полной инверсии (поворота на 180о) одного
из них, а также соотношение уровней в левом и правом каналах.
При подаче на вход прибора сигналов реальной стереофонической программы изображения на экране
приобретают более сложный вид, соответствующий непрерывным изменениям сигналов A и B во времени.
При наличии некоторого опыта по "картинкам" на экране стереогониометра можно определить правильность передачи звуковой картины, распределение направлений на отдельные виртуальные источники, наличие
или отсутствие баланса, фазовые соотношения и совместимость передачи.
Так, например, передача является совместимой, если весь экран трубки засвечен сложным узором с примерно одинаковыми размерами по различным направлениям (широкая база), или фигуры на экране трубки растянуты в основном вдоль вертикальной оси (база более узкая). Передача несовместима, когда фигуры на экране
растянуты вдоль горизонтальной оси.
Если же большая ось изображения на экране прибора длительное время имеет наклон к горизонтали, то
это означает, что нарушен стереофонический баланс. Например, панорама сдвинута влево или вправо.
Благодаря универсальности применения и обилию сведений, содержащихся в осциллограммах, стереогониометр (часто называют просто "гониометр"), стал популярным прибором, применяемым при записи и обработке
стереофонограмм, а также при измерениях и настройке студийной аппаратуры.