Создателям автомобильных аудиосистем высокой верности известно не понаслышке, что при традиционном размещении динамиков добиться идеальной звуковой сцены в автомобиле невозможно. Виной всему несимметричная посадка слушателей относительно акустических систем. Положение можно исправить при помощи цифрового звукового процессора. В этом случае разность расстояний до динамиков компенсируется за счет задержки сигнала, индивидуально программируемой для каждого канала. Однако таким путем правильную звуковую сцену можно построить только для одного слушателя. Для остальных она будет искажена еще больше, чем в случае необработанного сигнала. Но широкому распространению цифровых процессоров препятствуют и другие обстоятельства.
Если исходный сигнал уже представлен в цифровой форме, дополнительная обработка не вызывает сложностей и (по крайней мере, теоретически), не ухудшает его качество. Однако в случае аналогового сигнала двойное преобразование (в "цифру" и обратно) не только вносит дополнительные искажения в сигнал (и без того не идеальный), но и заметно усложняет и удорожает аппаратуру. Кроме того, нередко требуется соблюсти хотя бы видимость "равноправия" слушателей. Поэтому многие меломаны стараются обойтись без процессоров. В таких ситуациях может помочь центральный канал, пришедший в car audio из систем домашнего театра. Но в записях формата 5.1 отдельный сигнал ЦК существует изначально, в случае же двухканальной стереозаписи его нужно формировать.
Форма шара...
Знаменитый математик Пафнутий Львович Чебышёв, выступая в Париже с лекцией о математическом конструировании одежды, начал ее с фразы: "Примем для простоты, что человеческое тело имеет форму шара". После чего законодатели мод дружно покинули зал...
В последующих рассуждениях я вынужден прибегнуть к некоторым упрощениям и схематизации, что облегчит анализ, но ничуть не помешает распространить результат на более сложные случаи.
Основное упрощение - не будем учитывать сдвиг фазы, вызванный расстоянием и фазовые соотношения сигналов в каналах. Примем во внимание только направление на источник сигнала и его интенсивность. Это позволит определять положение кажущегося источника сигнала (КИЗ) при помощи простой векторной диаграммы. Граничные условия выбраны таким образом, что результаты утрированы для большей наглядности.
Для начала рассмотрим классический вариант с двумя фронтальными АС (рисунок 1а). Положение КИЗ для сигналов равной интенсивности с учетом затухания сигнала от дальнего динамика показано на рисунке. Видно, что центральный образ смещен в сторону слушателя. С учетом того, что ослабление сигнала воспринимается как удаление КИЗ, звуковая сцена получается перекошенной - ближний к слушателю край сжат, а дальний - растянут и удален. Используемое иногда включение одного из динамиков в противофазе, вопреки распространенному мнению, ничего не улучшает. Слушатель действительно оказывается в центре широкой, но вывернутой набок сцены (рисунок 1б).
Посмотрим теперь, что даст введение центрального канала, воспроизводящего суммарный сигнал правого и левого каналов (рисунок 2а). Уровень этого сигнала для удобства и наглядности графических построений примем равным 0,5 от исходных. Видно, что сцена приняла более пристойный вид, хотя и не совсем симметричный. Однако стала узкой. Перефазировка правого динамика выносит сцену за пределы машины. Напрочь и наизнанку...(рисунок 2б).
А если перефазировать ЦК? Что изменится в этом случае? А очень даже и неплохо получается - сцена становится широкой и почти симметричной, хотя и немного "завернутой" в сторону (рисунок 3). Перефазировка правого динамика уже не приводит к устрашающим последствиям. В реальности примерно к таким же результатам приведет и сдвиг фазы, вызванный разностью расстояний до динамиков.
Посмотрим теперь, как можно исправить создавшееся положение. Придумывать ничего не нужно, все уже придумано до нас. Схожую ситуацию, хотя и в несколько ином виде, рассматривал американский изобретатель Боркин (Borkin, патент США No. 4,478,167). Он предложил наряду с суммированием сигналов для ЦК вычитать из сигнала левого канала часть правого, а из правого - часть левого, чтобы таким образом подавить сигнал середины и расширить стереобазу. Дальнейшее развитие идеи отражено в патенте США No. 5,113,447 от 12 мая 1992 г. (Brian J.Hatley; Richard A. Chinn, "Method and system for optimizing audio imaging in an automotive listening environment"). Хатли и Чинн предложили вычитать из левого и правого каналов сам сигнал ЦК, а для улучшения результатов ввели регулировку коэффициента суммирования. Прелесть решения в том, что фазовые сдвиги, вызванные задержкой распространения (да и полярностью подключения) в этом случае влияют на результат незначительно (рисунок 4). Этот метод формирования сигналов уже требовал специального блока обработки, по такому принципу был построен известный процессор Audiocontrol.
До сих пор мы рассматривали "принятое для простоты". Теперь вспомним, что максимум звуковой информации сосредоточен в диапазоне частот примерно от 300 до 5000 Гц, эта же область отвечает и за формирование звуковой сцены. Наш мозг и органы слуха - созданный природой анализатор спектра. Весь слышимый диапазон при анализе подразделяется на участки, в каждом из которых используются разные способы локализации источника звука:
в диапазоне от 1700 Гц до 3500 Гц работает амплитудное восприятие направления. В этом диапазоне сказывается экранирующее действие головы. Локализация источника звука происходит на основании разности амплитуд сигналов, пришедших к левому и правому уху;
в диапазоне от 350 Гц до 1700 Гц работает фазовое восприятие направления. Локализация источника звука происходит на основании разности фаз сигналов, пришедших к левому и правому уху;
на более низких частотах локализация источника осуществляется по направлению прихода звуковой волны, в этом процессе участвует все тело, а не только уши.
Поскольку реальные звуки содержат массу частотных составляющих, для локализации источника звука используются все механизмы одновременно, плюс слуховая память (поэтому, кстати, весьма затруднена локализация "чистого тона"). А грамотный ЦК может облегчить эту задачу.
Сформировать сигнал центрального канала (ЦК) можно различными способами. Например, просуммировать сигнал левого и правого каналов на выходе усилителей по схеме mixed mono, а полярность включения динамической головки и уровень сигнала на ней подобрать опытным путем. Введя последовательно с этим излучателем подстроечный резистор, можно получить регулятор ширины и глубины стереокартины. Более удобным решением будет отдельный маломощный (не более 10 Вт) усилитель ЦК. Регулировка уровня ЦК весьма полезна и очень удобна, поскольку позволяет подстраиваться под музыку разных жанров и под записанные по-разному (с точки зрения звукорежиссуры) диски.
Наибольшую сложность представляет поиск оптимального положения излучателя ЦК, при котором он сам (излучатель) не локализуется, но влияет на формирование звуковой сцены. Значение имеет и полоса частот, воспроизводимая динамиком центрального канала. Он ни в коем случае не должен воспроизводить шумы, в этом случае он чётко локализуется, и передняя звуковая сцена перестаёт быть таковой.
© А.И.Шихатов 2005