ИПИ СИСТЕМА АВС ?
Ю. БЕРЕНДЮКОВ,
Ю. КовАлгин,
A. СИНИЦЫН, А. ЕГОРОВ
Итак, ведущие зарубежные фирмы практически приостановили внедрение четырехканальных или квадрафонических систем как малоперспективных. Квадрафония, которой в начале 70-х годов предсказывалось большое будущее и которая, как ожидалось, должна была придти на смену двухканальной стереофонии, фактически потерпела поражение.
Существует весьма распространенное мнение, что причина этого — в чрезмерной сложности и высокой стоимости предложенных разработчиками четырехканальных систем. В результате, мол, квадрафоническая аппаратура не выдержала конкурентной борьбы на рынке с обычной стереофонической. Это в корне неверное представление. Вспомним, что появившаяся в середине 50-х годов двухканальная стереофоническая система передачи и записи звука была и сложнее, и значительно дороже монофонической. Тем не менее она практически вытеснила последнюю. Почему? Потому что стереофоническое звучание дало слушателю совершенно новое и недостижимое при монофонии ощущение — ощущение пространственности, свойственное восприятию звуков в реальном звуковом поле. Последнее, как показали экспериментальные исследования, значительно повышает предпочтительность звучания, а следовательно, и его качество. Если бы, в свою очередь, квадрафонические системы обеспечили резкое улучшение качества звучания по сравнению с двухканальной стереофонией, то, несмотря на повышение стоимости аппаратуры, квадрафония получила бы право на жизнь. Но этого не произошло. Не произошло потому, что предложенные квадрафонические системы как раз и не смогли дать ожидаемого скачка качества звучания. На этом следует остановиться подробнее.
Известно, что проблема четырехканального воспроизведения звука возникла потому, что качество звучания, реализуемое обычной стереофонической системой, перестало удовлетворять взыскательных слушателей. Хотя двухканальная система и создает эффект пространственного звучания за счет синтеза панорамы мнимых или кажущихся источников звука (КИЗ) между двумя громкоговорителями (рис. I, а), все же стереозвучание имеет существенный недостаток. Стереопанорама КИЗ получается плоской и ограничена углом между направлениями на громкоговорители. Такое звучание в значительной степени лишено естественности, свойственной тому, что достигается в реальном звуковом поле, когда человек способен воспринимать реальные источники звука (РИЗ) практически со всех направлений в горизонтальной плоскости (рис. 1, б).
Исследования последних лет показали, что восприятие звуков с разных направлений имеет важное значение не только как факт их пространственного расположения. Оно создает у слушателя ощущение звучащего объема (трехмерного звукового поля), существенно обогащает тембры музыкальных инструментов и голосов, восстанавливает в помещении прослушивания реверберационный процесс, свойственный первичному помещению (концертному залу). Совокупность перечисленных свойств определяет качество звучания. И тот факт, что обычная стереофония создает эффект пространственного звучания в очень ограниченной области перед слушателем, не позволяет ей в полной мере выявить названные особенности восприятия звуков в реальном звуковом поле и, следовательно, снижает качество стереофонического звучания.
Таким образом, дальнейшее повышение качества звучания возможно лишь в случае создания новой стереофонической системы (или систем), более полно реализующей пространственные возможности слуха. Такими системами и должны были стать четырехканальные стереофонические. Должны были, но не стали. И главной причиной этого явилось то, что ко времени разработки квадрафонических систем не были известны важнейшие особенности пространственного слухового восприятия при четырехканальной звукопередаче — не были изучены методы синтеза КИЗ при воздействии на наш слуховой анализатор четырех разнесенных в пространстве источников звука (громкоговорителей). В результате квадрафонические системы не смогли реализовать пространственные возможности, свойственные слушанию в первичном помещении, и, как следствие, не обеслечили повышения качества звучания.
Кратко остановимся на особенностях построения этих систем.
Общие структурные схемы дискретной (CD-4) и матричных (SQ и QS) квадрафонических систем приведены на 3-й с. вкладки. Дискретная система имеет четыре независимых канала формирования, передачи (записи) и приема (воспроизведения) сигналов и потому является самой сложной и дорогой. Внедрение такой системы квадрафонии в радиовещание и механическую запись звука невозможно без создания принципиально нового передающего (записывающего) и приемного (воспроизводящего) оборудования. Кроме того, передача в эфир квадрафонических программ требует расширения полосы частот примерно на 15%, а при приеме несколько увеличивается приведенный уровень шумов (в среднем на 6,5 дБ по сравнению со стерео-приемом). При механической записи полосу частот приходится расширять примерно до 45 кГц, что, естественно, резко ужесточает требования к воспроизводящей аппаратуре. К тому же, как показала практика, после 10—15 проигрываний дискретных квадрафонических грампластинок недопустимо возрастает уровень шумов тыловых каналов.
Следовательно, дискретная система неэкономична. А каковы ее пространственные возможности? Как видно из структурной схемы, для формирования пространственной панорамы сигналы S1—Sn источников звука (например, инструментов оркестра) с помощью звукорежиссерского пульта (ПЗ) сводятся в четыре квадрафонических: левый и правый фронтальные (Лф, Пф) и левый и правый тыловые (Лт, Пт). Все они либо записываются на диск, либо передаются к потребителю по каналам вещания и с помощью четырехканального усилителя А1 и соответствующих громкоговорителей Влф, Впф, Влт, Впт воспроизводятся в помещении прослушивания. Эксперимент показал, что при общепринятой расстановке громкоговорителей в вершинах квадрата и расположении слушателя в его центре дискретная квадрафоническая система не способна создать непрерывную круговую стерео-панораму КИЗ, имитирующую приход звука со всех направлений. Слушатель оказывается как бы зажатым между передней и задней стереопанорамами. которые воспринимаются им, к тому же, весьма близко по глубине. Иными словами, создание иллюзии трехмерного объемного звукового пространства оказывается невозможным. Получаемое при этом квадрафоническое звучание, как показал эксперимент, пользуется весьма невысокой предпочтительностью по сравнению с обычным стереофоническим, а в ряде случаев и уступает ему.
Менее совершенные квадрафонические системы, например матричные (SQ, QS), не позволяют реализовать даже те пространственные возможности, которые обеспечивает дискретная. Цель создания подобных систем — сократить число каналов передачи (записи) квадрафонической информации до двух. Для этого четыре квадрафонических сигнала Лф. Пф, Лт, Пт с помощью линейного кодирующего устройства (КУ) преобразуются (кодируются) в два комплексных сигнала Л' и П' которые либо записываются на обычный стереодиск, либо передаются по каналам вещания на приемную сторону, где декодируются. Задача декодирования — получить четыре восстановленных сигнала Л'ф, п'ф, Л'т, П'т, как можно меньше отличающиеся от исходных. Однако поскольку операции кодирования и декодирования линейны, достичь полного восстановления исходных сигналов в таких системах принципиально невозможно. Восстановленный сигнал каждого канала помимо полезного содержит два или три мешающих (от других каналов), причем ослабленных по отношению к полезному весьма незначительно.
Как показал эксперимент, по этой причине матричные системы обладают весьма ограниченными пространственными возможностями. Так, например, матричная система SQ способна создать иллюзию пространственного звучания лишь в направлении на громкоговорители, а система QS — только в ограниченных областях передней и задней баз. Попытка улучшить пространственные характеристики матричных систем с помощью логических устройств управления усилением каналов (ЛУУ) не привела к желаемому результату. Эти устройства вносят заметные на слух нелинейные, частотные искажения, искажения пространственной панорамы. Введение же устройств логики приводит к усложнению и значительному удорожанию матричных систем.
В общем, предложенные четырехканальные системы не решили поставленных перед квадрафонией задач. История развития и поражение квадрафонии лишний раз показали, что созданию любой системы передачи звука должно предшествовать изучение законов слухового восприятия. Игнорирование этих законов приводит к отрицательному результату.
Разработанная советскими специалистами система пространственного звучания ABC, в отличие от квадрафонических систем, построена с учетом особенностей слухового пространственного восприятия при многоканальном воспроизведении. Ее созданию предшествовала большая экспериментальная работа по их изучению. Разработчики исходили из того, что пространственные свойства системы должны быть адекватны пространственным возможностям слуха. Поэтому прежде всего экспериментально были найдены оптимальная расстановка громкоговорителей (в вершинах равнобедренной трапеции) и необходимое положение слушателя (практически на линии задней базы громкоговорителей), при которых принципиально возможна локализация КИЗ во всех азимутальных направлениях в пределах угла 360°. Используя эти данные, был разработан метод передачи пространственной информации во всех азимутальных направлениях при наличии только двух каналов формирования, записи и передачи звука. Этот метод получил название метода панорамного кодирования.
Структурная схема системы ABC приведена на вкладке. Сигналы источников звука S1—Sn после пульта звукорежиссера поступают на специальное панорамно-кодирующее устройство (ПКУ). Последнее преобразует сигнал каждого источника в два сигнала Л0 и П0 с определенными весовыми коэффициентами (коэффициентами кодирования), найденными экспериментально. Причем пары меняющихся коэффициентов кодирования сигналов S1—Sn определяют местоположение соответствующих им КИЗ в пространстве при воспроизведении. Выбирая для каждого сигнала свои значения коэффициентов кодирования, звукорежиссер может получить пространственную панораму соответствующих КИЗ во всей азимутальной плоскости. Сформированные таким образом сигналы Л0 и П0 могут быть записаны на диск или переданы потребителю. В общем виде состав этих, сигналов описывается выражениями:
Л0 = а1S1 + а2S2 + ... + аnSn;
П0 = b1S1 + b2S2 + ... + bnSn.
где аi, b1 — пары коэффициентов кодирования, определяющие местоположение соответствующего КИЗ (Si) в пространстве. Как видно, при кодировании фактически происходит алгебраическое суммирование сигналов S1—Sn, поэтому сигналы Л0 и П0 занимают такую же полосу частот, что и обычные стереосигналы.
На приемной стороне сигналы Л0 и П0 подаются на вход обычного двухканального стереофонического усилителя, а с него — на декодирующее устройство (ДКУ), которое преобразует сигналы Л0 и П0 в сигналы Л'ф, П'ф, Л'т, П'т, поступающие на громкоговорители. Операции декодирования представляют собой суммарно-разностные преобразования сигналов Л0 и П0, а коэффициенты декодирования найдены экспериментально с помощью субъективных экспертиз. Значения коэффициентов постоянны и выбраны таким образом, что у слушателя возникает полная иллюзия окружения мнимыми источниками звука во всех азимутальных направлениях.
Уравнения декодирования имеют вид:
Л'ф = Л0; П'ф = П0; Л'т; = Л0 - 0,7П0; П'т = = П0 - 0,7Л0, где Л'ф, П'ф, Л'т и П'т -
сигналы, подаваемые соответственно на левый передний, правый передний, левый задний и правый задний громкоговорители.
Как уже говорилось, громкоговорители при воспроизведении звука по системе ABC должны располагаться в вершинах равнобедренной трапеции, а слушатель — практически на линии задней базы. Последнее условие обязательно, так как при смещении слушателя к центру трапеции исчезают КИЗ на линиях боковых баз и непрерывность пространственной панорамы нарушается. Площади, в пределах которых может находиться слушатель при прослушивании записей По системе ABC (зоны стереоэффекта), заштрихованы. Как видно, помимо основной зоны стереоэффекта (по рисунку на вкладке — нижней), имеются еще две дополнительные зоны (между левыми и правыми громкоговорителями), находясь в которых слушатель воспринимает основные КИЗ из тех же точек пространственной панорамы, что и слушатель основной зоны.
Слушатель может находится и за линией базы тыловых громкоговорителей. В этом случае он будет воспринимать пространственную панораму КИЗ весьма протяженную по фронту и глубине, но без тыловых источников. Такое положение слушателя может быть рекомендовано при прослушивании, например, классической музыки. Размеры трапеции, в вершинах которой располагаются громкоговорители, некритичны (все зависит от размеров жилого помещения), однако выбирать тыловую базу (большое основание трапеции) более 6 м не рекомендуется.
Как показали многочисленные субъективные экспертизы, пространственные свойства системы ABC соответствуют пространственным возможностям нашего слуха, по крайней мере, в азимутальной плоскости. То, что не смогли сделать квадрафонические системы, реализовала система пространственного звучания ABC. К ее преимуществам следует отнести:
— высокое качество пространственной стереопанорамы, реализуемой во всей азимутальной плоскости;
— широкую зону стереоэффекта;
— простоту декодирующего устройства;
— возможность использования обычной стереофонической радиоаппаратуры;
— возможность использования существующей технологии и студийного оборудования при изготовлении магнитных фонограмм;
— возможность изготовления грампластинок на существующем оборудовании и по существующей технологии;
— совместимость с обычной стереофонической системой;
— возможность улучшения качества звучания при проигрывании обычных стереофонических грампластинок (прослушивании стереофонических радиопередач) с помощью декодера системы ABC;
— удобство эксплуатации в бытовых условиях.
Как видно из структурной схемы, изображенной на 3-й с. вкладки, возможны два варианта исполнения декодера системы ABC. В простейшем случае — это сильноточный узел, включаемый между выходом стереофонического усилителя НЧ А1 и громкоговорителями Влф, Впф, Влт и Впт.
Принципиальная схема этого варианта декодера показана на рис. 2 в тексте. Его основные технические характеристики следующие:
Номинальный диапазон передаваемых частот, Гц.........5... 18 000
Неравномерность АЧХ, дБ .... 2
Входное сопротивление, Ом, при сопротивлении нагрузки. Ом:
4............ 4±1
8............ 8±2
Максимальный уровень входного сигнала, В.......... 15,5
Сигналы левого (Л0) и правого (П0) каналов с выхода стереофонического усилителя НЧ подаются на соответствующие входные разъемы X1 и Х2. На входе декодирующего устройства имеется индикатор баланса уровня входных сигналов, включаемый при балансировке каналов усилителя НЧ в монофоническом режиме. Индикатор выполнен на светодиоде V1 и повышающем автотрансформаторе T1.
Режим работы декодера выбирают кнопками S1—S3. Предусмотрено три рабочих режима: «Стерео» (нажата кнопка 53, работают только передние громкоговорители), «ABC» (нажата кнопка 32, работают все четыре громкоговорителя) и «Объемное стерео» (нажаты кнопки 82, 53, работают также все четыре громкоговорителя).
Вычитание сигналов для тыловых громкоговорителей в режиме «ABC» происходит на резисторах R5 и R6, при этом коэффициенты передачи делителей, образованных сопротивлениями между движками и выводами этих резисторов, равны отношениям
Rбв/Rав = 0,7.
Благодаря полной совместимости системы ABC с обычной стереофонической системой, описываемое устройство может быть использовано и для прослушивания обычных стереофонических пластинок с получением иллюзии пространственного эффекта. Для этого достаточно включить декодер в режим «ABC» или «Объемное стерео» («ОС»). Балансировку источников А, В и С в режиме «ОС» производят по желанию.
Формулы декодирования в режиме «ОС» имеют вид: Л'ф=Л0; П'ф = = 0,7 (Л0 + П0); Л'Т = 0,52(Л0-П0); П'т=0,7П0.
Суммирование сигналов Л0 и П0 в правом фронтальном канале в режиме «ОС» происходит на сопротивлении громкоговорителя Впф, а вычитание — так же, как и в режиме «ABC», только с отношением R6в/Rав = 1.
В сильноточном декодере применены резисторы МЛТ (R1), ПЭВ-10(R2, R3), ПЭВР-10(R4—R6) и ППБ-15Г(R7— R9). Отклонение сопротивлений резистороа R2—R9 от номиналов не должно превышать ± 10%. Переключатели S1—S3 — П2К с зависимой фиксацией кнопок, разъемы X1—Х6 — РВНЧ-2-Г1. Автотрансформатор Т1 намотан на лен-точном магнитопроводе ОЛ6,5 из пермаллоя 79НМ. Обмотка содержит 800 витков (с отводом от 100-го) провода ПЭВ-1 0,15.
Более сложен вариант декодирующего устройства, включаемого на входе усилителя НЧ, который в этом случае должен быть четырехканальным.
Принципиальная схема слаботочного декодера изображена на рис. 3 в тексте.
Его основные технические характеристики следующие:
Номинальный диапазон частот, Гц 5...30 000
Неравномерность АЧХ. дБ .... 0.5
Коэффициент гармоник, %, не более 0.2
Отношение сигнал/шум, дБ .... 65
Номинальный уровень входного сигнала, мВ.......... 250
Максимальный уровень входного сигнала, В.......... 3,1
На входе устройства установлен балансирующий делитель, составленный из резисторов R1—RЗ. Выравненные им по уровню в монорежиме входные сигналы Л0 и П0 подаются через соответствующие контактные группы переключателей S1 и S2 на масштабные резисторы Я4, Я5, Я7, Я9, R11, R13—R15, R17. R20—R22, R24, подобранные с точностью 1%. Они образуют прецизионные делители напряжения на инвертирующих входах ОУ А1—А4. Применение ОУ здесь обусловлено необходимостью получения точных суммирующих и вычитающих устройств с низким выходным сопротивлением и малыми нелинейными искажениями. Режим работы декодера выбирают кнопками S1 («Стерео») и S2 («ABC»); при нажатии обеих кнопок одновременно устройство переходит в режим «Объемное стерео». Резисторы R8, R12, R18, R26 защищают ОУ от перегрузок по току.
В этом варианте декодера использованы резисторы СПЗ-4 (R3) и МЛТ (все остальные). Переключатель режимов работы — П2К с зависимой фиксацией кнопок, разъемы X1 и Х2 — СГ-5. В качестве активных элементов могут быть использованы любые ОУ с соответствующими цепями коррекции и напряжениями питания.
Налаживание. Сильноточный декодер налаживают в режиме «ABC» (нажата кнопка 52) при подключенных к его выходам эквивалентах нагрузок, сопротивления которых равны номинальным сопротивлениям громкоговорителей на частоте 1000 Гц (удобно использовать резисторы ПЭВ-25 или ПЭВР-25). Соединив декодер с выходом стереофонического усилителя НЧ, включенного в режим «Моно», и подав на вход усилителя переменное напряжение частотой 1000 Гц, измеряют вольтметром сигналы Л0 и П0 на входе декодера и, если они отличаются более чем на 10%, балансируют каналы регулятором стереобаланса. (В процессе эксплуатации каналы балансируют, пользуясь светодиодным индикатором декодера, при ненажатых кнопках 82, 83).
Затем устанавливают движок построечного резистора Я4 в среднее положение и измеряют напряжения на разъемах Х3 и Х6. Равенства сигналов Л'ф(Х3) и П'ф(Х6) добиваются переменным резистором Я7 (баланс "A"). Далее усилитель переключают в режим «Стерео» и убирают сигнал со входа правого канала. Подключив вольтметр к разъему Х4 и переведя движок подстроечного резистора Я6 в среднее положение, резистором Я8 (баланс «В») устанавливают напряжение на этом разъеме, равным напряжению на разъеме ХЗ (т. е. Л'т=Л'ф). После этого сигнал со входа левого канала переключают на вход правого канала, устанавливают в среднее положение движок подстроечного резистора Я6 и регулятором баланса «С» (переменный резистор Я9) добиваются равенства сигнала П'т(Х5) сигналу П'ф(Х6). И наконец, не убирая сигнала со входа правого канала, подстроечным резистором Я5 добиваются того, чтобы сигнал Л'Т(Х4) стал равным 0,7П'ф(Х6), а затем, снова подав испытательный сигнал на вход левого канала, подстроечным резистором R6 устанавливают такое же соотношение между сигналами П'т и Л'ф(П'т = 0,7Л'ф).
Подготовка декодера к работе сводится к «расстановке» КИЗ А, В и С (переменными резисторами R7, R8 и Я9) в серединах соответствующих баз (см. рис. 4). Делают это при прослушивании записанных на демонстрационную грампластинку специальных испытательных сигналов А, В и С.
При воспроизведении обычных стереозаписей с помощью, регуляторов R7—R9 создают пространственную панораму по вкусу слушателя.
Слаботочный декодер в налаживании и какой-либо регулировке в процессе эксплуатации не нуждается. Единственное, что необходимо сделать перед прослушиванием, это сбалансировать каналы усилителя НЧ.
В заключение несколько слов о громкоговорителях системы ABC. Как показали эксперименты, для получения наилучшего качества звучания все четыре громкоговорителя должны быть одинаковыми. В крайнем случае можно скомплектовать систему из разных громкоговорителей, используя в качестве фронтальных пару громкоговорителей более высокого класса.
г. Ленинград
РАДИО № 9, 1982 г.