7 Природа стереофонічного звучання Стереофонія (від грецького stereos об'ємний, просторовий і phone звук) ефект об'ємного звучання, при якому у слухача

Лекція 7 7.1. Природа стереофонічного звучання Стереофонія (від грецького stereos – об'ємний, просторовий і phone – звук) – ефект об'ємного звучання, при якому у слухача створюється враження про просторове розташування джерел звуку. Ефект стереофонії виникає при певному розташуванні джерел звуку і слухача завдяки бінауральній властивості слуху, яка дозволяє слухачу досить точно визначати азимут джерела звуку. Дослідження показують, що сприйняття азимутного напряму приходу звуку відносно до положення голови людини пов'язано з різницею фаз коливань і різницею інтенсивності хвилі у лівого і правого вуха. За рахунок різниці ходу (рис. 7.1) хвиля до лівого вуха приходить із запізнюванням на якийсь час , де с0 – швидкість звуку відносно моменту приходу хвилі до правого вуха. Запізнення в часі призводить до появи різниці фаз, , де – довжина хвилі між коливаннями біля лівого і правого вуха. Крім різниці фаз різною є і інтенсивність звуку біля правого і лівого вуха, для випадку на рис. 7.1 вона менша біля лівого вуха через екрануючу дію голови. На низьких частотах (< 500 Гц > 0,6 м) екрануюча дія голови (R ~ 0,1 м) виражена слабо. На цих частотах напрям на джерело звуку визначається часом запізнювання . На високих частотах (> 5000...6000 Гц) може складати більше напівперіоду коливань (Т/2), внаслідок чого втрачається однозначність відповідності і : спізнення на величину рівнозначно упередженню на величину . Саме тому на частотах вище 5000...6000 Гц напрям на джерело звуку визначається головним чином відмінністю в інтенсивностях звуку, що діє на ліве і праве вухо слухача. Мал. 7.1. До визначення часу запізнювання сигналу що викликає бінауральний ефект Точність визначення напряму приходу звуку в горизонтальній площині складає 3 – 4°, у вертикальній площині – 15 – 20°. Час запізнювання і відмінність інтенсивностей діють на слух як незалежні чинники. Ця обставина широко використовується для імітації переміщення джерела звуку по фронту: змінюючи, наприклад, співвідношення рівнів у двох синфазних джерел, або вводячи затримку в часі в канал одного джерела, не змінюючи їх рівні сигналів. В останньому випадку буде локалізовано джерело, що випромінює випереджаючий сигнал. Джерело, що випромінює затриманий сигнал для слухача, ніби не існує. Проте його присутність підвищує гучність звучання. Цей ефект отримав назву ефекту "передування", або ефекту Хааса. 7.2. Якість стереофонічного звучання В радіомовленні і побутовій техніці застосовується двоканальна стереофонічна система. Вона передбачає наявність двох незалежних каналів, по яких передаються сигнали стереопари – сигнал лівого Л(t) і сигнал правого П(t) каналів (рис. 7.2). Характеристики каналів мають бути ідентичними. Змінювання співвідношення між рівнями сигналів, випромінюваних лівим і правим гучномовцями, або змінювання часової затримки між сигналами завдяки бінауральному ефекту сприймається слухачем як переміщення уявного джерела звуку (УДЗ) по фронту в межах бази В. Експериментально встановлено, що для бази В = 0,8...2,8 м і відстань від слухача до бази у = 0,8...2,8 м (рис. 7.2) для переміщення УДЗ від центру бази до одного з гучномовців необхідно або відмінність в рівнях інтенсивності AL при % = 0 в 12...15 дБ, або тимчасова різниця т при AL = Про повинна складати залежно від характеру сигналу 1...3 мс. Рис. 7.2. До зображення зони якнайкращої локалізації джерела при двоканальній стереофонії Передача інформації про положення джерела звуку в просторі на ранній стадії дослідження стереофонії вважалася головною і єдиною ознакою якості, що дає перевагу стереофонії перед монофонією. Детальніше дослідження показало, що в стереофонії ознак якості більше і можливість локалізації УДЗ не є головним. Якість звучання Q можна представити у виді , де Fi – незалежні суб'єктивні ознаки якості, оцінювані в балах; vi – ваговий множник, який враховує внесок Fi ознаки якості в загальну (Q) думку про якість. В результаті суб'єктивних експертиз були визначені ознаки якості Fi, зао якими експерти віддавали перевагу стереофонії перед монофонією і вага (vi) кожної ознаки якості. В порівняльній оцінці стереофонії і монофонии брали участь як кваліфіковані експерти (музиканти, звукорежисери, звичайні слухачі з добрим музичним слухом), так і рядові слухачі. Було встановлено, що ознаками якості, що характеризують стереофонічне звучання, є: – просторове враження, тобто рознесла компонентів стереофонічної панорами як по фронту в межах стереобази, так і в глибину від неї; – прозорість звучання, завдяки чому легко виділяються і роздольно сприймаються партії того або іншого інструменту і їх групи на фоні загального звучання ансамблю; – правильність передачі тембрів інструментів і голосів, висока природність тембру інструменту; – передача "басових звуків" оркестру без зміни "гучність", властивої монофонічному звучанню; – краще, ніж при монофонічній передачі, сприйняття "акустичної атмосфери" первинною приміщення. Узагальнені результати експортиз по основних ознаках якості стереофонії представлені в табл. 7.1. Таблиця 7.1. Параметри якості стереофонії Ознака якості Вага ознаки якості vi, визначений кваліфікованими експертами звичайними слухачами Просторове враження, ширина панорами, об'ємність звучання 0,27 0,34 Прозорість звучання (ясність, чіткість) 0,2 0,03 Природність і багатство тембрів, гулкость басів 0,4 0,32 Чистота звучання 0,12 0,04 Як випливає з табл. 7.1, кваліфіковані експерти виділяють чотири приблизно рівнозначних ознаки, тоді як звичайні слухачі лише два – просторове враження і багатство тембрів звучання. Інтенсивними є результати порівняння монофонічних і стереофонічних систем з різною смугою відтворюваних частот. Як кількісна міра такого порівняння прийнята перевага – відношення числа експертопоказів за дану систему передачі звуку до загального числа експертопоказів, виражена у відсотках. Результати порівняння наведені в табл. 7.2. Таблиця 7.2. До питання переваги моно- і стереозвучания Смуга відтворних частот, Гц, для звуковідтворення Перевага монофонічного стереофонічного 30...15 000 30...15 000 85 50... 10 000 85 100...6400 64 50...10000 50... 10 000 85 100...6400 75 З табл. 7.2 витікає, що стереофонічне звуковідтворення навіть з більш низькою якістю краще, ніж високоякісна монофонія. Перевага стереофонії істотно залежить від взаємного розташування слухача і гучномовців. На рис. 7.2 штриховими лініями вказана зона, в кожній точці якої переваги стереофонії виявляються в достатньо повній мірі. Ближня і дальня межі зони визначаються з умови 18° 90°...120°. Оптимальним прийнято рахувати таке видалення від ліній бази, при якому 60°. В цьому випадку у В. При асиметричному розташуванні слухача перевага стереофонії зменшується. Пояснюється це тим, що на природну відмінність в рівнях і часі запізнювання () сигналів стереопари Л(t) і П (t) накладається відмінність в рівнях і в часі запізнювання, породжене різною відстанню слухача до гучномовців Гр1 і Гр2. Для слухача, розташованого в точці С, додатковий часовий зсув визначається співвідношенням, а відмінність в рівнях – різними відстанями до гучномовців Результуючі значення, можуть значно відрізнятися від природних, що і призводить до спотворення в розташуванні КИЗ. Встановлено, що найменший розмір зони стереоефекту виходить при застосуванні направлених гучномовців, розташованих так, що їх акустичні осі виявляються паралельними. Розмір зони дещо збільшується, якщо застосовувати ненаправлені гучномовці. Найбільша зона стереоефекту спостерігається при використовуванні направлених гучномовців, розташованих так, щоб їх акустичні осі перетинали лінію симетрії стереобази. 7.3. Системи стереофонічного радіомовлення в ГМВ (СВ) діапазоні 7.3.1. Загальні положення В даний час МВ-ЧМ стереофонічне радіомовлення, що ведеться по вищому класу якості, отримало широке розповсюдження. Проте недоліки стереомовлення в діапазоні MB, зокрема малий радіус дії, нелінійні спотворення через багатопроменеве розповсюдження радіохвиль, спонукали дослідників звернути увагу на діапазони хвиль, де використовується амплітудна модуляція. Найперспективнішим визнаний діапазон ГМВ, де стійкість прийому при використовуванні земного променя поєднується з прийнятною якістю. Введення стереофонії в діапазонах з AM особливо доцільно для автомобільного прийому. Велика швидкість переміщення автомобіля призводить до нестабільності стереоприйому через швидкі і глибокі зміни напруженості поля і впливу безперервно змінних віддзеркалень радіохвиль. Спостерігаються часті виходи автомобіля із зони обслуговування МВ-ЧМ радіостанції. Можлива область використовування стереомовлення в ГМВ діапазоні не обмежується автомобільним прийомом. Велика зона дії ГМВ радіостанцій дозволяє здійснювати стереоприем там, де немає МВ-ЧМ радіомовлення У ряді країн (США, канада, країни Латинської Америки і ін.) ведеться регулярне стереофонічне AM радіомовлення в діапазоні ГМВ. Однієї з головних причин, по якій доцільний перехід до стереофонічного радіомовлення в ГМВ діапазоні – це упровадження в найближчому майбутньому цифрової системи DRM. Гібридна система DRM дозволяє одночасно передавати програми віщання як в цифровому так і в аналоговому вигляді, використовуючи при цьому один передавач (цифро/аналоговый) або два – цифровий і аналоговий. Передбачається, що така система дозволить власникам аналогових приймачів здійснити радіоприйом аналогових передач, а власникам цифрових приймачів – як аналогових, так і цифрових. При передачі DRM цифрових радіосигналів в середньохвильовому діапазоні повинна бути використаний одна з систем стереофонії. Тільки в цьому випадку передачі будуть привабливі для слухачів, що мають нагоду приймати стереофонічні станції метрового діапазону. Аналоговий передавач, що є складовою частиною системи DRM, також повинен передавати стереофонічні програми. Основні технічні вимоги до системи AM стереофонічного віщання наступні: забезпечення повної сумісності з монофонічним |радиоприемом; збереження ширини смуги частот, займаних радіоканалом при монофонічній передачі; можливість використовування недорогого нескладного стереофонічного радіоприймача. Запропоновані для AM системи стереофонічного радіомовлення можуть бути побудований на принципах модуляції квадратури. 7.3.2. Система з модуляцією квадратури В цій системі використовується сума двох AM коливань, зсув фаз між якими дорівнює 90°. Можлива модуляція сигналами Л(t) і П(t), Л(t)+ П(t), Л(t) – П(t). Ці варіанти приблизно рівноцінні. Сигнал на виході антени AM передавача для кожного з варіантів може бути представлений у вигляді: і = U0[M(t)cos+ S(t)sin]; (7.1) і = U0[MЛ(t)cos+ МП(t)sin]; (7.2) Якщо прийняти для простоти, що модулюючі сигнали стереопари – сигнали з круговими частотами і ; Л(t)= UЛcos; П(t)= UПcos; значення амплітуд UЛ і UП менше одиниці, а U0 = 0, то MЛ(t)= mПcos; M(t) =1 + mЛcos+UПcos– огинаючі синфазных коливань; МП(t)= 1 + UПcos; S(t)= mЛcos– UПcos– огинаючі коливань квадратури; mЛ = і mП = – коефіцієнт амплітудної модуляції. Звичайний приймач виділяє огинаючу сумарного коливання. Якщо представити сигнал (7.1) у вигляді АМ-ФМ коливання (7.3) то його огинаюча і фаза матимуть наступний вид: . Рис. 7.3. Структурна схема передаючого (а) і приймального (б) трактів стереофонічної системи з модуляцією квадратури На рис. 7.3 показана структурна схема передавача і демодулятора системи з модуляцією квадратури, сигнал на виході якої описується виразом (7.1). В передаючому пристрої сума сигналів стереопари Л(t) і П(t) поступає на вхід амплітудного модулятора AM, а різницевий сигнал Л(t) – П(t) – на вхід балансного модулятора. До амплітудного модулятора несуча від генератора Г подається без зміни фази (синфазна), до балансного – із зсувом фази на 90° (квадратура) (мал. 7.3, а). За допомогою обмежувача зрізається огинаюча N(t) і ФМ сигнал – – поступає на вхід модуляторапередавача. Сигнал огинаючої N(t) виділяється на виході амплітудного детектора. Цим сигналом модулює ФМ несучу по амплітуді. Така схема дозволяє використовувати для стереофонічного радіомовлення звичайний СВ-АМ передавач. Головною особливістю модуляції квадратури є те, що ширина спектру стереофонічного радіосигналу рівна ширині спектру монофонічного радіосигналу. Внеполосноє випромінювання відсутнє. В демодуляторі стереофонічного приймача (мал. 7.3, би) несучу частоту одержують на виході системи виділення несучої СВН. В синхронному детекторі СД1 відбувається перемножування сигналу (7.1) і синфазної несучої, а в СД2 – перемножування несучої квадратури і сигналу (7.1) у фазообертача. В результаті цих операцій утворюються наступні сигнали: и1 =иxcos= [M(t)cos+ S(t)sin]cos=1/2(M(t)) +1/2[M(t)cos2+ S(t)sin2]; (2.5) и2 = ихsin = 1/2(S(t))+ 1/2[M(t)sin2– S(t)cos2]; (7.6) Потім напруги и1 і и2 подаються до входів фільтрів нижніх частот, що входять до складу СД1 і СД2, і на їх виходах одержують сигнали звукових частот M(t) і S(t), тобто Л(t)+ П(t) і Л(t) – П(t) Сигнали стереопари виділяються на виході сумарно-різницевого перетворювача [Л(t)+ П(t)] + [Л(t) – П(t)] = 2Л(t); [Л(t)+ П(t)] [Л(t) – П(t)] = 2Л(t). Недоліком розглянутої системи є те, що вона несумісна з монофонічною по характеристиках якості. На виході амплітудного детектора монофонічного приймача виділяється огинаюча квадратура-модульованого коливання (7.4). Функція M(t) – лінійна, і нелінійність огинаючої викликається співмножником. Тому прийом стереофонічних програм монофонічним приймачем супроводитиметься значними нелінійними спотвореннями. Нелінійні спотворення огинаючої зменшуються при зменшенні зсуву фази між синфазной і квадратури складовими. Основна проблема, вирішувана при вдосконаленні системи з модуляцією квадратури, – це проблема зменшення нелінійності огинаючої N (t). З метою поліпшення сумісності використовують як лінійні, так і нелінійні методи формування синфазної і квадратури складових квадратура-модульованого коливання. Лінійний метод використаний в системі "Harris".

Схожі: