Все мы знакомы со стереозвуком. Казалось бы, что тут сложного: расставил звуковые источники вправо-влево – вот тебе и стерео. Однако, при микшировании часто приходится прибегать к манипуляциям, далеко выходящими за рамки обычного позиционирования звука между двумя динамиками. К примеру, зачастую требуется изменить баланс в стереосигнале, или сделать из монофонического источника стереофонический, или усилить ощущение стерео в каких-то вещах… К тому же, многие из этих процессов требуют от пользователя определённых компромиссов: к примеру, сделав очень широкие гитары, Вы рискуете потерять их при прослушивании в моно; и наоборот, сделав хорошую моносовместимость, можете получить слишком узкое звучание. В этой статье я постараюсь объяснить основы стереофонии, исследовать способы манипулирования стереофоническими файлами и обсудить возможные компромиссы. И начнём мы с небольшого исторического экскурса.
Интенсивностная стереофония
С некоторой натяжкой можно считать, что стереофоническое аудио (то есть, воспроизведённое через два канала) возникло в 1881 году, когда французские инженеры Адер и Пускас осуществили двухканальную передачу звука из оперного театра по телефонным линиям. Демонстрация проводилась на Всемирной электротехнической выставке в Париже. Однако, реальный базис двухканального стерео – такого, каким мы его знаем сейчас – был заложен в начале 30-х годов ХХ века благодаря новаторским работам Алана Блюмляйна и его коллег из компании EMI.
Алан Блюмляйн (Alan Blumlein) – крёстный отец современной теории стереофонического воспроизведения.
Блюмляйн видел, что сколько б громкоговорителей не использовалось, наши уши слышат сразу их всех. Следовательно, попытка воспроизвести различия во времени прибытия звуковых волн, захваченные раздельными микрофонами, становится весьма проблематичным занятием. Относительные расстояния между динамиками и слушателем внесут дополнительное смещение, что ещё больше затруднит создание точного стереообраза.
Он понял, что это «проблематичное» свойство человеческого слуха (оба уха слышат оба динамика), может стать полезным, если в исходном сигнале исключить разницу во времени, оставив только лишь различия в уровне (интенсивности) каналов. Таким образом, используя естественные различия во времени прибытия сигналов от громкоговорителей к каждому уху, можно одурачить слуховую систему, заставив её воспринимать разницу в интенсивности исходного сигнала как различия во времени прибытия. В итоге, удаётся создать правдоподобную и устойчивую стереокартину.
Физические основы теории Блюмляйна: звук от громкоговорителя идёт к одному уху чуть дольше, чем к другому, поскольку имеется небольшая разница в расстоянии и действует теневой эффект от головы.
Система Блюмляйна на практике
Значительное преимущество этой системы заключается в том, что она обладает великолепной врождённой моносовместимостью: объединяя оба канала, Вы получаете чистый монофонический микс без какой-либо нежелательной окраски. Чтобы получить при прослушивании правильный стереоэффект, должны выполняться довольно жёсткие требования к размещению громкоговорителей и слушателя. В зависимости от размеров колонок и комнаты, они должны располагаться в углах равностороннего треугольника со сторонами 2 – 4 метра. Сигналы от громкоговорителей достигают ушей и взаимодействуют друг с другом, что приводит к созданию нового комбинированного сигнала, имеющего идентичную волновую форму, но смещённого во времени. Чем громче звук, тем сильнее сдвиг, что создаёт мнимую разницу в прибытии звукового сигнала к каждому уху.
Если обе колонки воспроизводят одинаковые по громкости звуки, комбинации сигнала в обоих ушах идентичны. Таким образом, нет никаких воспринимаемых различий во времени прибытия звуковых волн, и слушателю кажется, что источник находится непосредственно перед ним (фантомный центр). Изменяя относительные уровни этих двух каналов, Вы создаёте мнимые временные сдвиги, что перемещает воспринимаемую картину к более громкой стороне. Чтобы полностью переместить звук в одну из сторон, обычно достаточно 12 – 16 dB разницы, хотя это значение и может немного изменяться в зависимости от остроты слуха и условий прослушивания.
Таким образом, чтобы создать иллюзию звукового источника, находящегося где-то на линии между двумя динамиками, требуется изменить соотношение уровней между каналами. Это можно сделать искусственно, пользуясь регулятором панорамы. Хотя, ничто не мешает захватить реальную пространственную информацию, осуществляя запись при помощи совмещённых микрофонных пар.
Однако, если вместо того, чтобы сидеть в вершине идеального равностороннего треугольника, слушатель отодвинется к одной из сторон, стереообраз быстро сожмётся и свалится к более близкому громкоговорителю, поскольку сигнал от него будет прибывать намного раньше. В итоге, естественная разница во времени прибытия сигналов полностью заглушит то, что было создано благодаря различиям в уровнях.
Вверху: лучшее положение для прослушивания стереозвука. Голова слушателя и громкоговорители находятся в вершинах равностороннего треугольника. Внизу: перемещаясь ближе или дальше от идеальной позиции, Вы ухудшаете качество стереофонической картины.
Панорамирование
Теперь давайте рассмотрим способы управления стереообразом. Очевидная отправная точка – это обычный регулятор панорамы. Он был изобретён в 1938 году специалистами компании Disney в процессе работы над фильмом Fantasia, и первоначально назывался «панорамным потенциометром». Он представляет собой устройство с одним входом и двумя выходами, которое изменяет уровни сигнала, поступающего на каждый из выходов. Когда регулятор стоит в центральном положении, на обоих выходах присутствует одинаковый уровень. Поскольку нет никаких межканальных различий в уровне сигнала, то на выходе мы получаем изображение звукового источника, находящегося в фантомном центре. Вращая регулятор в какую-то сторону, мы уменьшаем уровень в одном из выходов, тогда как в другом он остаётся неизменным. Получающееся межканальное различие уровней заставляет источник перемещаться в стереополе, созданном громкоговорителями.
В стереоканалах вместо регулятора панорамы обычно используется регулятор баланса. Принцип работы этого устройства примерно таков: он перемещает центральные звуки, тогда как края остаются неподвижными (хотя их уровень может быть изменён).
Более сложный подход использует два регулятора, которые мы назовём абстрактными именами ‘Width’ (Ширина) и ‘Offset’ (Смещение). Регулятор ширины использует простую M/S-обработку и позволяет изменять протяжённость стереообраза. Центральные звуки остаются незатронутыми, тогда как края стереополя растягиваются или сужаются. Крайние положения обычно маркируются как «Narrow» или «Mono», и «Wide» или «Spread». Центральное положение обозначается как «Normal» или «Stereo».
Если ширина стереообраза уменьшена, то при помощи регулятора смещения можно изменить положение локального стереополя «суженного» источника в контексте общей звуковой картины. Он изменяет взаимный уровень обоих каналов (уменьшает один и увеличивает другой) и работает аналогично регулятору баланса. По сути дела, если ширина не изменялась (или увеличилась), то разницы между ними нет вообще.
Mid/Side
Ещё одна из революционных идей Блюмляйна – это технология Mid/Side (M/S). Она рассматривает стереосигнал не в виде самостоятельных правого и левого каналов, а в виде центрального и бокового элементов. Центральный сигнал (середина) – это монофоническая сумма правого и левого каналов. Здесь отображаются те звуки, которые есть в обоих. Боковой сигнал (сторона) отображает различия между этими каналами, и содержит элементы, влияющие на стереофонию и определяющие её.
Следовательно, баланс между центральным и боковым сигналами определяет ширину стереокартины. Если боковой сигнал полностью удалить, останется только лишь монофоническая сумма – и, зачастую, полученный звук будет не самым жизнерадостным. Например, если запись была сделана раздельной микрофонной парой или имеется смещение времени между каналами (например, вызванное неправильной настройкой азимута головок на магнитофоне), то моносигнал может звучать намного тусклее, чем оригинальное стерео. Используя сэмплы и петли, мы чрезвычайно часто сталкиваемся с этой проблемой, что снова возвращает нас к такому аспекту, как моносовместимость.
Увеличение уровня бокового сигнала усиливает различия, что даёт эффект расширения стереополя: элементы, находящиеся по краям, становятся более доминирующими.
Стереозвук можно захватить и передать как в L/R-формате (левый/правый), так и в M/S (используется в FM-вещании и при изготовлении виниловых дисков). Кроме того, не составит особого труда преобразовать звук между форматами. Используется один и тот же процесс, называемый «амплитудно-фазовой матрицей. Формулы очень просты:
Mid = (left + right) - 3dB
Side = (left - right) - 3dB
Left = (mid + side) - 3dB
Right = (mid - side) - 3dB
Ослабление на 3dB – это опциональное действие. Оно нужно для того, чтобы полный процесс преобразования туда и обратно (например, L/R - M/S - L/R), не привёл к увеличению уровня сигнала. Многие матричные системы не используют в процессе преобразования это ослабление. Таким образом, может потребоваться ручное уменьшение уровня.
Самостоятельное создание M/S-матрицы
Многие DAW включают специализированные плагины, предназначенные для преобразования стерео в M/S-формат и обратно. Также имеется множество продуктов и от сторонних производителей – например, бесплатный Voxengo MSED. Кроме того, на рынке представлены и аппаратные средства.
Использование специализированного программного или аппаратного обеспечения – самый лёгкий способ осуществить преобразование форматов. Тем не менее, подобную матрицу очень легко сделать вручную, пользуясь одним лишь только микшером (хоть настоящим, хоть виртуальным). Чтобы преобразовать формат L/R в M/S, нужно сделать две параллельные операции: суммировать каналы и вычесть. Суммирование – это именно то, чем, собственно говоря, и занимается микшер. Поэтому обсуждать здесь особо нечего. Чтобы сделать вычитание, надо изменить полярность (фазу) одного канала и затем смешать их вместе: если оба канала содержат одинаковый материал, то на выходе ничего не будет (поскольку нет различий); если же там есть какие-то различия, на выходе появится сигнал.
Первое, что надо сделать – это маршрутизировать входные каналы матрицы на пару шин (скажем, 47 и 48). Левый канал будет одинаков для обеих шин. А вот правый канал поступит на шину 47 в неизменном виде, а на шину 48 – с инверсией фазы. Таким образом, шина 47 получает сумму левого и правого каналов (Середина/MID), а шина 48 – их разницу (Сторона/SIDE), поскольку сигналы туда приходят в противофазе.
Очевидно, что общий уровень определяется левым каналом, проходящим через обе шины. Хотя, в зависимости от конфигурации микшера, может потребоваться точная настройка уровней в каждой цепи, чтобы выходной сигнал матрицы не отличался по уровню от входа. Во многих случаях, при маршрутизации используется регулятор панорамы. Обычно, он несколько повышает уровень сигнала, панорамируемого в какую-то сторону, и понижает при возвращении к центральной позиции (об этом аспекте поговорим в конце статьи). В результате, общий уровень выходного сигнала матрицы может немного измениться. Таким образом, стоит проверить сквозной уровень, пользуясь референсными сигналами или чем-то подобным.
Точно такая же маршрутизация используется, чтобы сделать обратное преобразование. MID-сигнал напрямую поступает в левую и правую шины, тогда как SIDE-сигнал поступает в правую шину с инверсией фазы. Зачастую, полезно иметь дополнительный контроль над боковым сигналом, что позволяет оперативно изменять общую ширину стереокартины. Для этого необходимо сделать линкование обоих фейдеров бокового сигнала, чтобы синхронно изменять уровни прямого и инвертированного каналов.
Как уже упоминалось, регулятор ‘Width’ (Ширина) использует именно такую форму обработки. Оригинальный стереосигнал преобразуется в M/S-формат, уровень SIDE-сигнала соответственно уменьшается или увеличивается, и результат конвертируется обратно в L/R. Изменяя уровень SIDE-сигнала, Вы можете сузить воспринимаемый стереообраз (вплоть до моно), либо расширить. С расширением надо обращаться достаточно осторожно, чтобы ненароком не сделать «дырку» в центре стереокартины, что приведёт к рассредоточенному и довольно неприятному звуку. Уровень бокового сигнала не должен долговременно превышать уровень середины: когда оба сигнала равны, стереообраз занимает всю ширину между громкоговорителями. Дальнейшее увеличение бокового сигнала раздвигает звук за пределы динамиков. На первый взгляд, это звучит очень впечатляюще, но быстро вызывает проблемы с противофазой и моносовместимостью.
Mid/Side-обработка
M/S-формат очень полезен при обработке звука, поскольку он позволяет независимо манипулировать элементами, находящимися в центре и по краям стереопространства. Однако, нужно не забывать, что любой процесс, изменяющий относительные уровни центрального и бокового сигналов, также изменит стереоширину обрабатываемого источника. Вы можете воспользоваться этим, чтобы расширить стерео и сделать «отверстие» в центре, в которое можно поместить другой источник. К примеру, записывая акустическую гитару при помощи совмещённой пары микрофонов, Вы, скорее всего, получите стереообраз, в котором основная часть энергии сосредоточена в центре. Преднамеренно расширяя его, Вы сделаете отверстие, в которое можно будет усадить вокал. Это не только обеспечит голосу необходимую ясность, но и позволит гитаре быть более заметной в миксе. Здесь главное не перестараться: если раздвинуть её слишком широко, может пострадать моносовместимость.
M/S-обработка приобрела особую важность в 50-х годах, когда начался широкий выпуск стереофонических грампластинок. Так вот, MID-элемент стереосигнала определяет горизонтальное или боковое (lateral) отклонение канавки винилового диска, тогда как SIDE-элемент определяет вертикальное (vertical). Слишком большой уровень бокового сигнала может вызвать массу проблем, включая выброс иглы звукоснимателя из канавки.
Вы можете сказать, что всё это связано с физическими ограничениями винила. Тем не менее, актуальность всех этих вещей не уменьшилась до сих пор. Принуждая низкие частоты находиться в центре, Вы гарантируете, что их энергия будет равномерно распределена между обоими громкоговорителями. Подобная M/S-обработка (или ‘lateral and vertical’) была основным инструментом мастеринга на протяжении половины столетия. Если взять сегодняшний день, то мы также можем найти средства для создания монофонии в определённых частотных областях, встроенные в различные плагины. Например, это функция «mono maker» в некоторых продуктах от Brainworx, или специализированные процессоры типа Nugen Monofilter.
Ещё одно простое применение M/S-обработки – это редактирование стереосигнала, записанного с избыточным количеством реверберации. Обычно, захваченное эхо некогерентно, и существует, главным образом, в боковом канале. Понижая уровень SIDE-канала, можно значительно сократить количество слышимого эха. Кроме того, при помощи эквализации можно уменьшить наиболее заметные элементы реверберации, не сжимая при этом стереообраз. Есть множество плагинов, с той или иной степенью изощрённости предлагающих подобный вид обработки (снова вспоминаются продукты от Brainworx). Также на рынке присутствуют и аппаратные средства, такие, как Rupert Neve Designs Portico 5014 Stereo Field Editor, которые делают очень похожую работу.
