Характерные изображения на экране гониометра

Stereo Pan Law

Есть несколько «законов» или правил, которые определяют соотношение между углом поворота регулятора панорамы и уровнем сигнала. Важные аспекты этих правил – это фактический выходной уровень каждого канала при центральном положении регулятора, плюс опциональное понижение на 3, 4,5 или 6 dB.


1.jpg



При панорамировании всегда происходит изменение уровня. Чтобы избежать связанных с этим проблем, были разработаны различные правила выполнения этой операции.

Вы можете спросить: зачем нужно несколько вариантов ослабления? В системах, где моносовместимость критически важна (например, на радио), требуется обеспечить постоянство уровня при перемещении источника по звуковому полю. Когда он находится в центре, то его уровень в обоих каналах одинаков, и при моносуммировании произойдёт их электрическое сложение. Это приводит к увеличению уровня на 6 dB. Таким образом, чтобы уровень полученного моносигнала был постоянен и не зависел от панорамы, центральное положение регулятора должно уменьшать оба выхода на 6 dB относительно крайних положений. Это называют законом постоянной величины напряжения.

Есть несколько способов изменения уровня. Первый: уровень оригинального сигнала не изменяется в крайних положениях, и прогрессивно уменьшается при перемещении к центру. Второй: в центральном положении сохраняется оригинальный уровень, а при перемещении к любому краю происходит усиление. Кроме того, в некоторых случаях используется комбинация обоих. Есть плюсы и минусы в каждом подходе, но самый важный аспект в том, что уровень в центральном положении уменьшен относительно краёв.

Как мы увидели, чтобы получить идеальную моносовместимость, требуется ослаблять на 6 dB уровень источников, панорамированных в центр. Однако, когда мы слушаем громкоговорители, то их выходной сигнал объединяется акустическим путём (а не электрическим), и это подразумевает, что требуется уже другое количество ослабления. Если мы воспроизведём один и тот же сигнал через обе колонки, то воспринятый уровень увеличится примерно на 3 dB по сравнению с одним громкоговорителем. Таким образом, чтобы обеспечить постоянный воспринимаемый уровень, достаточно только лишь 3 dB ослабления, а не 6. Это называют законом постоянной мощности.

Современные DAW позволяют пользователям выбирать нужное для конкретной задачи правило панорамирования. Однако, в случае с аналоговыми микшерами, будет не самым практичным решением снабжать их всеми возможными разновидностями панорамизаторов. Таким образом, на протяжении многих десятилетий, производители прибегали к компромиссу, используя для центральных источников ослабление 4,5 dB. Если Вы будете слушать сделанную в микшере моносумму, то сможете заметить небольшую «выпуклость» на 1,5 dB. А при внимательном прослушивании в стереоколонках, можно заметить маленькую ямку (излишнее понижение уровня). Практически, величина ошибки при таком суммировании крайне незначительна, и мало кто способен её заметить. Тем не менее, полезно знать действие каждого правила, и как они влияют на баланс источников при прослушивании в стерео и моно.

Некоторые аспекты динамической обработки

Обычно, при использовании таких динамических процессоров, как компрессоры и ограничители, важно, чтобы уровень подавления в правом и левом каналах был тождественен. Это достигается при помощи такой функции, как «Stereo Link», которая гарантирует, что управляющие напряжения, сгенерированные детекторными цепями, будут одинаково применены к каждому каналу.

Благодаря этому, компрессор синхронно изменяет уровни обоих каналов, не оказывая влияние на стереокартину. Однако, если каналы компрессора никак между собой не связаны, то может произойти следующее: например, в самом краю левой стороны появляется слишком громкий звук и компрессор начинает подавлять уровень левого сигнала, тогда как правый канал вообще на это никак не будет реагировать. В результате, центральные источники (у которых должен быть одинаковый уровень в обоих каналах), начинают перемещаться в правую сторону, поскольку её уровень будет выше, чем у компрессированного левого канала. Когда компрессор перейдёт в фазу восстановления, картина начнёт перемещаться обратно к центру. Очевидно, что подобная раскачка стереообраза нежелательна.

А вот при динамической обработке в M/S-формате, цель как раз таки состоит в том, чтобы независимо манипулировать центральным и боковым сигналами. Таким образом, линкование каналов здесь обычно не применяется. Так, если сжать MID-канал, не трогая SIDE, то, после преобразования в L/R-формат, стереосигнал приобретёт своеобразное дыхание: ширина стереобазы будет пульсировать в зависимости от количества подавления, приложенного к MID-каналу. К счастью, большинство людей совершенно не чувствительно к подобным изменениям стереокартины, и ощущает только лишь изменённую динамику, которая даёт эффект изменения баланса между центральными и боковыми звуками.

Как мы слышим стерео

Собственно говоря, эту главу следовало бы поместить в начало статьи, поскольку, прежде чем рассматривать различные способы обработки стереофонического материала, надо бы понять, как мы воспринимаем стереозвук. Хоть человеческая слуховая система и оборудована всего лишь двумя звуковыми приёмниками, мы, с той или иной степенью точности, способны определять положение звуковых источников, находящихся в любом направлении. Это возможно благодаря комбинации трёх основных методов: анализ фазовых и временных различий, анализ различий уровня и спектральный анализ.

Первый «метод» использует разницу в прибытии звука в каждое ухо. Звуковой волне требуется примерно 3,4 мс, чтобы преодолеть расстояние 1 метр. Таким образом, если источник не находится непосредственно спереди или сзади, волна придёт к одному уху чуть позже, чем к другому. Среднее расстояние между ушами взрослого человека – 15 см. Поэтому, наибольшее различие между прибытиями звуковой волны – 0,5 мс. На практике, большинство людей способно определять положение источника (в горизонтальной плоскости по фронтальному направлению) с точностью до 2°. Это соответствует различию во времени менее чем 0,01 мс!

Чтобы точно определить это время, мозг использует в качестве контрольной точки богатый переходными процессами (транзиентами) фронт звуковой волны. Обычно, большинство звуков содержит много подобной переходной информации, что и даёт возможность вычислять изменения во времени прибытия. А вот если звук не содержит переходных процессов (транзиентов), различие не может быть вычислено. Это доказано экспериментально: люди не могли определить месторасположение источника непрерывного тонального сигнала.

Различия во времени дают информацию о том, где относительно головы расположен источник – слева или справа. Но они ничего не говорят о том, находится ли он спереди или сзади. Звуковые волны от источника, находящегося под углом 45° (спереди справа) прибывают с такой же временной разницей, что и от источника под углом 135° (сзади справа). Эта двусмысленность решается при помощи маленьких неосознаваемых движений головы. Слегка вращая и наклоняя её, мы изменяем время прибытия к каждому уху. Например, если источник находится впереди, то вращая голову вправо, мы уменьшаем различие во времени прибытия, а если сзади – увеличиваем.

Если Вы неспособны двигать головой, то практически невозможно сказать, спереди или сзади находится звуковой источник. Это может быть причиной, почему многие люди с трудом воспринимают достоверность фронтальных звуков при прослушивании в наушниках бинауральных записей: движения головы не предоставляют дополнительной информации о времени прибытия, и поскольку Вы не видите источник перед собой, то мозг решает, что он должен быть сзади. Роль зрения не должна недооцениваться, поскольку глаза – это доминирующий орган чувств у большинства людей, и способность слуховой системы к локализации (звукопеленгации) служит, в основном, для того, чтобы направить наши глаза на источник звука. Таким образом, если Вы не видите его перед собой, возможно, он находится сзади!

Если механизм определения задержки полагается на транзиенты, которые, в основном, состоят из высокочастотных компонентов, то как мы можем определять местонахождение низкочастотных источников? Для этого используется различие фазы между звуками, достигающими каждого уха. Фазовые различия, обусловленные габаритными размерами головы, становятся неоднозначными для частот выше 2 кГц, поскольку, обегая вокруг головы, звуковые волны получают смещение, большее, чем 360°. Таким образом, смещение 20° будет интерпретироваться точно так же, как 380, 740 или 1100 градусов. Однако, у низких частот звуковая волна является настолько длинной, что продолжительность пути вокруг головы перестаёт иметь значение, и на первую роль выходят фазовые различия.

Однако, внутри закрытого пространства (например, типичной домашней или проджект-студии), низкочастотные отражения и стоячие волны создают дополнительные различия фаз между ушами, и изменения эти достаточно непредсказуемы и противоречивы. В результате, эти противоречия лишают нас возможности определить направление на низкочастотный источник. Так, можно довольно точно локализовать источник, находящийся на улице, но практически невозможно – находящийся в закрытом помещении. Это свойство человеческого слуха активно используется в акустических системах с дополнительным басовым громкоговорителем. Сабвуфер можно установить в любое место комнаты, и это не окажет никакого пагубного влияния на общую стереокартину.

Второй механизм, используемый для задач звукопеленгации – анализ различий интенсивности звуков, попадающих в оба уха. Интенсивность уменьшается с расстоянием, и это падение составляет примерно 6 dB с каждым удвоением «пробега». Однако, только лишь один этот факт имеет небольшую ценность, поскольку расстояние между ушами обычно намного меньше, чем расстояние между источником и каждым ухом. Таким образом, различия уровня, обнаруженные ушами, будут чрезвычайно малы. К примеру, источник, находящийся на расстоянии 4 метра и смещённый на 30° (в любую сторону), создаст между ушами различие уровня всего лишь 0,2 dB, что совершенно не обнаружимо человеческим слухом.

Тем не менее, здесь на помощь приходит ещё одно полезное акустическое свойство. Когда длина волны меньше, чем габариты объекта, помещённого на её пути, то возникает такое явление, как «звуковая тень»: область за объектом с резко пониженной интенсивностью звука. Наша голова создаёт звуковую тень для частот выше 2 кГц, и это усиливает различия уровня для любого источника, не находящегося непосредственно впереди, сзади или сверху. Эффект затенения усиливается с увеличением частоты, достигая примерно 20 dB в области 15 кГц. Кроме того, в частотах выше 7 кГц, ушные раковины создают тень для звуков, прибывающих сверху и сзади. Опять же, маленькие неосознанные движения головой помогают усилить информацию о направлении, полученную при помощи анализа этих высокочастотных теневых эффектов. Поворачивая голову, мы увеличиваем или уменьшаем теневой эффект для каждого уха.

И последнее оружие в нашем арсенале – это спектральный анализ. Человеческая слуховая система способна выявлять определённые пики и провалы в спектре полученных звуков, вызванные гребенчатой фильтрацией в результате интерференции со звуковыми волнами, отражёнными от наружного уха (ушная раковина и наружный слуховой канал) и плеч. Форма этой фильтрации зависит не только от источника, но, что более важно, от особенностей строения наружного уха. Таким образом – это очень «личный» механизм пеленгации, и одна и та же форма спектра у разных людей может обозначать совершенно разные направления. Эта техника не особенно точна, но она реально помогает удалить двусмысленности в других механизмах.

Примеры из реального мира

Есть много коммерческих треков, в которых можно услышать не только интересные манипуляции со стереополем, но и значительные изменения тональности и нежелательное окрашивание при прослушивании в моно. Ниже я представлю несколько примеров.


2.jpg


Madonna: ‘Vogue’ (альбом Immaculate Conception).
Главным образом, этот альбом содержит хиты Мадонны, пересведённые при помощи системы Archer Q Sound (теперь называется QSound Labs). Благодаря ей, можно получить трёхмерную звуковую картину, пользуясь только лишь обычной стереофонической акустикой. Эта технология производит большое, широкое и выразительное стерео, но при прослушивании в моно даёт не самый лучший, или даже неприятный, звук. В ‘Vogue’ есть огромные клавишные подклады, тональность которых значительно (и далеко не к лучшему) меняется в моно. Многие другие инструменты также меняют свою тональность в плохую сторону, причём, это касается и некоторых вокальных линий и перкуссии.



3.jpg


Eurythmics: ‘Ball and Chain’ (альбом Be Yourself Tonight).
Посередине этого трека есть место, где главный мотив начинает вращаться вокруг слушателя. Этот эффект очень сильно звучит в наушниках, да и в колонках он тоже не менее выразителен. Однако, слушая в моно, Вы сразу заметите, что громкость трека начинает циклически падать чуть ли не до нуля. Причина в том, что этот вращающийся эффект был получен благодаря скоординированной комбинации автопанорамы и инверсии фазы. Именно последняя и ответственна за понижения уровня в те моменты, когда регулятор панорамы проходит через центр!

4.jpg


Nirvana: ‘Smells Like Teen Spirit’ (альбом Nevermind).
Трек звучит очень впечатляюще, но если Вы сравните его с моноверсией, то заметите, что тональность гитар значительно меняется, и имеется явное ослабление высокочастотных гармоник.

В принципе, для всех этих песен моноверсия слушается достаточно приемлемо, но звуковое качество или характер определённо страдают по сравнению со стереофоническим оригиналом. Но это хорошие примеры того, как звукоинженер, продюсер или артист решили пожертвовать моносовместимостью в пользу интересной и эффектной стереофонии.