Бинауральные системы

Бинауральные системы по сути своей являются двухканальными. Однако, благодаря особым способам приема и передачи звуковых сигналов,способны в определенных обстоятельствах заменить собой многоканальные системы. Даже с бесконечным числом каналов. Поэтому вполне достойны того, чтобы быть упомянутыми.

Мысльо возможности создания бинауральной системы передачи звуковой информации может возникнуть буквально у любого творческого человека – для этого достаточно посмотреть на себя в зеркало. Видно, что ушей, или выражаясь научным языком - приемников слуховой информации, у нас всего два. Тем не менее, это вовсе не мешает нам воспринимать все нюансы трехмерного звучания и достаточно точно определять положение источника звука в пространстве. Отсюда следует и идея реализации бинауральной системы передачи, которую можно изобразить примерно так, как она представлена на рис. 4.1.

Если по возможности точно изготовить искусственную человеческую голову в натуральную величину, разместив ее при этом на туловище акустического манекена,вставить в ушные каналы этой головы два микрофона таким образом, чтобы их мембраны находились там, где у человека размещаются барабанные перепонки, а затем формируемые ими сигналы без каких-либо изменений подвести с помощью головных телефонов к соответствующим ушам слушателя, то тот оказывается как бы в первичном звуковом поле. При этом, если манекен и слушатель имеют головы с одинаковыми размерами, формой, прической и прочими атрибутами, то и сигналы, воспринимаемые микрофонами манекена и ушами слушателя, будут идентичными.

Все обстоит более-менее благополучно, если звуковую программу, записанную с помощью искусственной головы, прослушивать через головные телефоны. Ощущения, которые возникают при этом у слушателя достаточно реалистично передают пространственность звуковой панорамы

Кроме того, известно, что наличие реверберации, как в первичном, так и во вторичном помещениях, затрудняет оценку азимута кажущихся источников звука в тыловой области, где слушатели вместо истинного направления часто указывают соответствующее ему зеркальное фронтальное направление. Такое явление возникает особенно часто, когда время стандартной реверберации в помещении прослушивания превышает 0,3 с. Что касается ощущений акустических свойств первичного помещения, связанных с передачей глубинной локализации (его гулкости, теплоты, мягкости, светлости звучания, то в бинауральной системе они оказываются гораздо правдоподобнее. Бинауральной системе присуще более точное восстановление пространственной структуры первичного реверберационного процесса в сравнении с обычной стереофонией.

Таким образом, если принимать во внимание только общее впечатление от бинауральной стереофонии, прослушивая звуковые программы с помощью головных телефонов, то все выглядит вполне благополучно. Если же попытаться проанализировать ситуацию, то сразу возникает множество вопросов.

Прежде всего, человек воспринимает звуковые колебания не только с помощью барабанной перепонки. В восприятии также участвует информация, получаемая мозгом через костную проводимость черепа, а микрофон, вставленный в слуховой проход, эту информацию игнорирует. Конечно, часть колебаний материала искусственной головы он все-таки зафиксирует, но это будет, во-первых, не совсем та информация, которая поступает в мозг, и, во-вторых, обработка ее будет производиться совсем не теми методами, какими обрабатывается совокупная информация, полученная живым человеком.

Этот факт ученые-акустики отметили и приняли во внимание при конструировании моделей искусственной головы. Физико-механические параметры материалов для ее изготовления выбираются таким образом, чтобы он максимально возможно имитировал костную проводимость. Материал для изготовления ушных раковин также тщательно подбирается – искусственная ушная раковина по своим механическим свойствам должна быть похожа на настоящую. Уже из вышесказанного понятно, что искусственная голова - это достаточно сложное и дорогое устройство, стоимость которого может достигать $10000 и выше. Изготавливаются такие микрофонные системы только очень немногими фирмами, среди которых Neumann, B&K, Head Acoustics, IRP и др. Каждая из этих моделей имеет свои конструктивные особенности. Например, модель 4128С компании B&K дополнена моделью торса. Электрические характеристики их также должны быть на самом высоком уровне. Например, модель KU-100 фирмы Neumann (рис. 4.2) с набором съемных ушей 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.

Следующей особенностью человеческого слуха является его индивидуальность. Все мы слышим по-разному. Прежде всего, из-за того, что ушные раковины у нас сугубо индивидуальны – так же как отпечатки пальцев.В криминалистике даже существует концепция идентификации человека по форме его ушной раковины.А ушная раковина, благодаря своей сложной форме, играет роль дифракционного фильтра, который изменяет спектральные свойства воспринимаемого на слух звукового сигнала, особенно в области 3-10 кГц. Кроме того, форма ушных раковин и характер их расположения относительно головы (угол наклона относительно медианной плоскости головы) влияют на характеристику направленности слуховой системы. У ис-кусственной же головыушные раковины имеют какую-то фиксиро-ванную форму. Пусть наилучшую из возможных, но одну и ту же. Из этого следует, что звуковые программы, записанные с ее помощью, будут одинаковы для всех слушателей. Слушатель будет воспринимать их «чужими ушами».

Кроме того, принято считать, что расстояние между ушами (интерауральная база) у взрослого человека составляет в среднем 21 см (константаХорнбостеля-Верхтеймера). Но это в среднем, а в действительностирасстояние между ушами у всех разное – как и размер самой головы. Поэтому восприятие пространственных признаков звуковой панорамыразными людьми тоже будет разным

Отличаются у нас также амплитудно-частотные характеристики слуха. Не просто общая чувствительность слуха, которуюлегко устранить путем изменения громкости, а именно амплитудно-частотные характеристики. То есть чувствительность слуха на разных частотах, вследствие чего неизбежно будет изменяться тембральная окраска звука.

Однако, несмотря на вышеуказанные издержки,бинауральное звучание выглядит предпочтительнее, если прослушивать через го-ловные телефоны музыкальные программы без изображения, когда в точной локализации инструментов особой необходимости нет.

Ситуация коренным образом меняется, если необходимо воспроизвести бинауральную запись через систему громкоговорителей. Сразу возникает целый ряд сложностей, преодолеть которые весьма и весьма затруднительно.

Прежде всего, из-за наличия перекрестных связей между сигна-лами, поступавшими в «уши» манекена при записи в первичном по-мещении, и дополнительных отражений от стен, которые образуются при воспроизведении во вторичном помещении, бинауральный эффект полностью разрушается. Кроме того, такой способ воспроизведения никак не учитывает обработку звуковых сигналов головным мозгом, а именно эта обработка и обеспечивает достоверность передачи всех нюансов звуковой панорамы первичного помещения.

И, наконец, сложности возникают при использовании бинауральной системы для звукового сопровождения кинофильмов, поскольку слушатель в обычных головных телефонах для совмещения звукового и зрительного образов должен сидеть абсолютно неподвижно, сориентировав голову точно по центру экрана. При любом повороте или наклоне головы согласование зрительного и слухового образов сразу нарушается.

Для борьбы с первым недостатком -устранением перекрестных связей, было разработано специальное устройство, называемое бифоническим процессором.На вход его подаются бинауральные сигналы Пб и Лб, записанные микрофонами правого и левого «уха» искусственной головы. Корректирующие фильтры КФ1 и КФ2 устраняют сигналы воздействия отражений вторичного помещения на исходную пару бинауральных сигналов Пб и Лб. Параметры корректирующих фильтров КФ1 и КФ2 и величина задержки Δt зависят от расстояния между громкоговорителями воспроизведения и интерауральной базы слушателя, поэтому должны допускать возможность регулировки.

Прин¬цип работы бифонических процессоров был разработан и запатентован еще в 1966 году лабораторией Белла.

Из описания работы бифонического процессора видны и ограничения способа воспроизведения бинауральных сигналов через громкоговорители – полноценное звучание можно получить только для одного слушателя, располагающегося во вполне определенной точке пространства (зоне наилучшей слышимости). Даже смещение головы на 10-15 с способно значительно ухудшить локализацию пространственного образа.

Сама идея бинауральной записи с помощью двух микрофонов, вставленных в слуховые проходы искусственной головы, также не очень хороша, поскольку предполагает размещение манекена всего в одной фиксированной точке первичного помещения. Каким бы ни было удачным положение этой точки, передать все оттенки пространственного звучания при таком способе записи невозможно. Особенно когда записывается хорошая музыка в концертном зале с хорошими акустическими характеристиками. Особенно, когда музыка симфоническая. И главное – здесь полностью исключается творческое участие звукорежиссера. А талантливый звукорежиссер путем выбора определенных типов микрофонов, размещения их в наиболее подходящих точках зала, и особым способам сведения и обработки записанного материала способен значительно улучшить звучание музыки, подчеркивая те или иные ее нюансы. По этой причине более привлекательной кажется идея совмещения бинауральнойзаписи с многоканальной, выполненной традиционными методами с помощью набора различных микрофонов с необходимыми свойствами.

Технология такого совмещения двух методов записи была в конце-концов разработана. Суть ее в следующем. Первичная запись материала выполняется традиционным способом с использованием нужного количества микрофонов и затем сводится в двухканальную стереофоническую. После этого производится свертка полученной записи с так называемой передаточной функцией головы.

Передаточная функция головы HRTF(Head-RelatedTransferFunction) представляет собой характеристику, отра-жающую то, каким образом уши воспринимают звук, исходящий из определенной точки пространства. В результате использованияпары таких функций выполняется синтезтребуемых бинауральных сигналов. Фактически HRTF - это передаточная функция, описывающее влияние на звук пути его прохождения от источника до уха (главным образом, до начала слухового канала). Механизм работы HRTFприменительно к каждомуконкретному человекубудет несколько отличаться –из-затого что форма головы и ушей у всех разная.HRTF описывает, каким образом происходит фильтрация некоторой входной звуковой волны (задаваемой частотой ее колебаний и координатами источника) с учетом дифракционных и отражающихсвойств конкретной головы, ушной раковины и туловища, до того, как она достигнет преобразователя, состоящего из барабанной перепонки и внутреннего уха. HRTF иногда называют анатомической передаточной функцией (ATF).

Для обработки записанных фонограмм используются функции, являющиеся результатом усредненияпо большому количеству экспертиз, выполненныхразличными слушателями.

В настоящее время разработана технология, избавившая бинауральные системы от одного из основных недостатков, затруднявшего просмотр кинофильмов в головных телефонах – зависимости положения звуковых образов от положения головы слушателя. Коммерчески доступные системы BRS (BinauralRoomSynthesis) производят свертку сигналов окружения с учетом траектории движения головы, поэтому слушатель локализует виртуальный источник звука независимо от поворота головы (т.е. от ее относительного положения в пространстве).

Тем не менее, использование бинаурального звукового сопровождения с прослушиванием его через головные телефоны в публичных кинотеатрах вряд ли когда-либо состоится – для этого пришлось бы оборудовать телефонами с системой BRS каждое зрительское место, а это получается дорого. Да и не всем нравится сидеть в кинозале с телефонами на голове. А вот для домашних кинотеатров эта технология вполне подходит, поскольку избавляет от забот по установке в жилой комнате большого количества акустических систем, особенно для просмотра кинофильмов с 3D-звуком.

Бинауральные системы хорошо подходят для систем виртуальной реальности, компьютерных игр и компьютерных тренажеров, поэтому они отнюдь не обделены вниманием исследователей и очень активно развиваются

Глава 4 из книги В.А. Никамин "Многоканальные звуковые системы" СПб, 2017, 184 с.