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LIVROS E ARTIGOS
A evolução dos sistemas de som surround - do mono ao 3D
Atualmente, a estereofonia de dois canais já se tornou uma forma clássica de transmitir e reproduzir som. O objetivo da reprodução de som estereofônico é reproduzir a imagem sonora com a maior precisão possível. A localização sonora é apenas um meio de obter um som mais rico e natural. No entanto, a transmissão de informações espaciais pelos sistemas de dois canais "clássicos" mais comuns tem várias desvantagens, o que incentiva os projetistas a criar vários sistemas de som surround. O ouvinte na sala de concerto ouve não apenas o som direto vindo de instrumentos individuais da orquestra, mas também vindo de diferentes direções (inclusive por trás), som difuso (difuso) refletido nas paredes e no teto da sala, que cria o efeito de espaço e completa a impressão geral. O atraso com que o som difuso chega aos ouvidos do ouvinte e sua composição espectral dependem do tamanho e das propriedades acústicas da sala. Em uma transmissão de dois canais, a informação criada pelo som difuso é amplamente perdida e, no caso de uma gravação em estúdio, pode não estar presente inicialmente. O ouvido humano localiza melhor as fontes sonoras no plano horizontal. Ao mesmo tempo, os sons vindos de trás, na ausência de informações adicionais, são localizados pior. A visão, incluindo a visão periférica, é o principal sentido para determinar a localização dos objetos, portanto, sem informação visual, a capacidade de avaliar a posição do som no plano vertical e sua distância de nós é fraca e bastante individual. Em parte, isso pode ser explicado pelas características anatômicas individuais das aurículas. Ao tocar discos, a informação visual está ausente, então qualquer tecnologia de som para o mercado de massa que afirme ser "som surround" é forçada a criar algo mediano e comprometer deliberadamente. Muitos métodos podem ser usados para reproduzir ou sintetizar o "efeito hall". Em meados dos anos 50, Philips, Grundig, Telefunken testaram sistemas de reprodução tridimensional 3D e Raumton. A transmissão do som era monofônica, mas alto-falantes adicionais (geralmente embutidos, menos frequentemente remotos), irradiando o som para os lados ou para cima, criavam a impressão de um grande espaço devido ao som refletido nas paredes e no teto. Como o atraso do sinal de eco em instalações domésticas é bastante pequeno, reverberadores de mola foram posteriormente usados no canal para amplificar sinais adicionais para aumentá-lo. Esses sistemas, pela complexidade técnica significativa para a época, não duraram muito no mercado e rapidamente saíram de cena. Posteriormente, foram desenvolvidos sistemas ambiofônicos para transmitir som difuso, que foram utilizados principalmente no cinema. O canal (ou canais) adicional para transmissão de som difuso em tais sistemas tem menos potência que os principais e sua faixa de frequência corresponde à banda de frequência do sinal difuso (aproximadamente 300...5000 Hz). A radiação dos alto-falantes adicionais deve ser difusa, para o que eles são direcionados para as paredes ou teto da sala de audição.
A complexidade da padronização e os problemas técnicos com a gravação e transmissão de sinais de três, quatro ou mais canais levaram ao fato de que a estereofonia de dois canais se tornou o principal sistema de gravação e transmissão de som por muitos anos. Mas as tentativas de criar sistemas de som surround não pararam. O desenvolvimento da ambiofônia foi a quadrafonia (reprodução de som em quatro canais), que atingiu o pico de popularidade na primeira metade dos anos 70. Em contraste com o sistema ambiofônico, aqui todos os canais de reprodução de som são equipados igualmente. A quadrafonia discreta (completa), que proporciona o máximo efeito de presença, requer quatro canais de transmissão de som e, portanto, revelou-se incompatível com os meios técnicos de gravação e transmissão de som existentes na época.
Para superar esse obstáculo, foram criados vários sistemas de quadrafonia matricial (na terminologia da época - quase-quadrafonia), nos quais os sinais originais de quatro canais eram matrizados para transmissão em dois canais e, durante a reprodução, os sinais originais eram restaurados por transformações soma-diferença, e sem um decodificador, foi possível reproduzir o sinal estéreo normal. Como nenhum desses sistemas era totalmente quádruplo ou totalmente compatível com a estereofonia de dois canais devido à alta penetração de sinal de canal para canal, sua aplicação prática era limitada e o interesse por eles desapareceu rapidamente.
Não houve vencedores na "guerra de padrões" dos sistemas quádruplos, a ideia morreu com segurança, os princípios foram esquecidos, mas o termo permaneceu. Portanto, agora poucas pessoas ficam constrangidas com o fato de que "algo" com quatro canais de amplificação e quatro alto-falantes é orgulhosamente chamado de "sistema quádruplo". No entanto, isso é fundamentalmente errado, pois a fonte do sinal permanece em dois canais, e os sinais dos canais frontal e traseiro com esta construção do sistema diferem entre si apenas no nível, ou seja, o princípio do panning é usado. O panning tem sido amplamente utilizado na produção estéreo desde meados da década de 50 para posicionar sinais de áudio monofônicos "esquerda/direita/meio" do campo sonoro. Ao fazer panning, não há efeito na frequência e na fase do sinal, apenas o nível do sinal mono fornecido a cada um dos canais estéreo muda. A panorâmica para vários canais (no caso de gravações multicanal) é feita de maneira semelhante. No entanto, ao determinar a direção da fonte sonora, nosso aparelho auditivo usa não apenas a diferença na intensidade dos sinais sonoros, mas também a mudança de fase entre eles, e o efeito da mudança de fase na precisão da localização da fonte sonora é mais pronunciado na faixa de frequência de aproximadamente 500 a 3000 Hz. (Novamente, a faixa de frequência do som difuso!). Portanto, o panning simples não fornece a fidelidade de som desejada. Os efeitos estéreo ("som de execução", ligação de som "esquerda-direita", etc.) das primeiras gravações estéreo rapidamente se tornaram enfadonhos. Portanto, as melhores gravações de instrumentos eletrônicos em estúdio nos anos 60 foram feitas com tecnologia de microfone, o que explica o caráter "ao vivo" do som: A introdução da gravação multicanal totalmente eletrônica (sem o uso de microfones) de instrumentos com a mixagem subsequente, facilitando o trabalho do engenheiro de som, ao mesmo tempo que destruiu a atmosfera do salão. Posteriormente, esse fato passou a ser levado em consideração na realização das gravações em estúdio, embora não tenha havido retorno total à tecnologia do microfone. Ao usar um esquema de reprodução de dois canais, a zona principal de localização efetiva de fontes sonoras aparentes (PSZ) está localizada na frente do ouvinte e cobre um espaço de cerca de 180 graus no plano horizontal. Os dois canais frontais não são capazes de reproduzir adequadamente sons cujas fontes estão na realidade localizadas atrás e em um plano vertical, se não houver suporte na forma de sinais adicionais. O uso de alto-falantes traseiros em combinação com som panorâmico funciona bem com as fontes de som na frente e atrás do ouvinte e mais fraco com a posição lateral. No entanto, a panorâmica do som por si só nunca fornecerá um posicionamento aceitável das fontes de som no plano vertical. Durante o desenvolvimento de sistemas de matriz, descobriu-se que uma parte significativa da informação espacial está contida no sinal de diferença (sinal de informação estéreo), que pode ser alimentado aos alto-falantes do canal traseiro na forma pura ou misturado com uma certa proporção de sinais frontais. No caso mais simples, isso nem requer canais de amplificação adicionais e os sinais podem ser matrizados na saída do amplificador:
Assim nasceram vários sistemas pseudo-quadrafônicos, que expulsaram completamente os "verdadeiros arianos" do mercado em meados dos anos 70. Eles diferiam entre si apenas nas formas de obter um sinal de diferença. No entanto, seu triunfo também durou pouco, o que foi explicado pelas deficiências do portador de sinal - o disco de vinil e a fita magnética. O ruído não correlacionado dos canais esquerdo e direito não foi subtraído, o que, em combinação com o nível relativamente baixo do sinal de diferença, piorou muito a relação sinal-ruído nos canais traseiros. Outra desvantagem não menos significativa de tais sistemas é a falta de dependência do nível do sinal traseiro da natureza do fonograma. Com um baixo nível do sinal traseiro, o efeito espacial é quase imperceptível, com um aumento do nível, aparece uma quebra no palco sonoro e seus fragmentos se movem para trás (o efeito de "envolver por uma orquestra", que não corresponde à realidade). Ao reproduzir gravações "ao vivo" (tendo uma distribuição natural de componentes de soma, diferença e fase), essa desvantagem era insignificante, mas na maioria dos fonogramas de estúdio, os canais traseiros apresentavam erros significativos na posição do KIZ. Para superar essa deficiência, os primeiros sistemas de som surround tentaram usar a panorâmica automática. Os sinais de controle foram obtidos a partir do nível de informação espacial - um aumento no nível dos sinais de diferença levou a um aumento no ganho nos canais traseiros. No entanto, o modelo de panning adotado era muito grosseiro, fazendo com que os erros de controle do expansor levassem a uma mudança caótica no nível dos sinais traseiros (o efeito "respiração pesada"). O interesse em sistemas de som surround ressurgiu com o advento da mídia digital, o nível de seu próprio ruído é insignificante e mesmo o processamento de sinal analógico dificilmente degradará a faixa dinâmica do sistema. O desenvolvimento dos métodos de processamento digital de sinais levou à criação dos processadores digitais de som (Digital Sound Processor - DSP). Originalmente desenvolvidos para sistemas de home theater, os processadores de som surround começaram recentemente a ser usados ativamente em sistemas de áudio automotivos. Seu uso pode melhorar significativamente o som no carro, então eles são produzidos não apenas na forma de dispositivos DSP separados, mas também fazem parte de gravadores de rádio relativamente baratos. As configurações do processador permitem que você selecione os parâmetros mais ideais para a posição de audição selecionada. Existem vários métodos que permitem que equipamentos reproduzam som localizado no espaço com um número limitado de alto-falantes. Diferentes métodos de implementação têm pontos fortes e fracos, por isso é importante entender as diferenças fundamentais entre os principais métodos de processamento de sinal. No coração dos modernos sistemas de som surround (Dolby Surround, Dolby Pro-Logic, Q-Sound, Curcle Surround e outros) está a mesma ideia de conversão de diferença de soma, complementada por métodos de processamento de sinal "proprietários" (tanto analógicos quanto digital). Freqüentemente, eles são unidos pelo nome comum de "sistemas 3D" ("renascimento" do termo quarenta anos atrás!). Antes de examinar os princípios envolvidos no processamento de sinais de áudio em sistemas de som surround, vamos recapitular o processo de gravação típico. Primeiro, é feita uma gravação com muitos canais individuais — instrumentos, vozes, efeitos sonoros e assim por diante. Durante a mixagem, para cada faixa de áudio, o nível de volume e a localização da fonte de áudio são controlados para atingir o resultado desejado. No caso de gravação estéreo, o resultado da mixagem é de dois canais, para sistemas surround o número de canais é maior (por exemplo, 6 canais para o formato Dolby Digital/AC-5.1 "3"). Em qualquer caso, cada canal consiste em sinais destinados a serem roteados para alto-falantes individuais quando o usuário escuta. Cada um desses sinais é o resultado de uma mistura complexa dos sinais da fonte original. Em seguida, ocorre o processo de codificação dos canais recebidos após a mixagem e, como resultado, um fluxo digital (bitstream) é obtido. Durante a reprodução, o decodificador processa o fluxo digital, dividindo-o em canais individuais e transmitindo-os para reprodução nos sistemas de alto-falantes. Para sistemas de som surround multicanal (discreto), é possível simular sistemas acústicos reais (modo Fantasma). Se você tiver apenas dois alto-falantes, os canais de subwoofer (woofer) e central (diálogo) são simplesmente adicionados simultaneamente a ambos os canais de saída. O canal traseiro esquerdo é adicionado ao canal de saída esquerdo, o canal traseiro direito ao canal de saída direito. Lembre-se de que o panning afeta apenas a amplitude do sinal de áudio. A conversão de áudio em sistemas 3D modernos inclui informações adicionais sobre a amplitude e a diferença/atraso de fase entre os canais de saída no fluxo de áudio. Normalmente, a quantidade de processamento depende da frequência do sinal, embora alguns efeitos sejam criados usando atrasos de tempo simples. Quais métodos são usados para processar o sinal de áudio? Em primeiro lugar, trata-se da expansão da base estéreo (expansão estéreo), que é produzida influenciando o sinal estéreo diferencial dos canais frontais. Este método pode ser considerado clássico e se aplica principalmente a gravações estéreo convencionais. O processamento do sinal pode ser analógico ou digital. Em segundo lugar, Áudio 3D posicional (som 3D localizado). Este método opera em muitos canais de áudio individuais e tenta localizar individualmente cada sinal no espaço. Em terceiro lugar, Virtual Surround (som surround virtual) é um método de reprodução de gravação multicanal usando um número limitado de fontes de som, por exemplo, reprodução de som de cinco canais em dois alto-falantes. É óbvio que os dois últimos métodos são aplicáveis apenas a mídia de áudio multicanal (gravações em DVD, formato AC-3), o que não é muito relevante para sistemas automotivos até agora. Completando a lista estão vários métodos de reverberação artificial. À medida que o som se propaga pelo espaço, ele pode ser refletido ou absorvido por vários objetos. Sons refletidos em um grande espaço podem realmente criar um eco claramente distinguível, mas em um espaço limitado há uma combinação de muitos sons refletidos para que possamos ouvi-los como uma única sequência que segue o som original e desaparece, e o grau de atenuação é diferente para diferentes frequências e depende diretamente das propriedades do ambiente. Os processadores de som digital usam um modelo de reverberação generalizado, que reduz o controle do processo de reverberação para definir parâmetros-chave (tempo de atraso, número de reflexões, taxa de decaimento, alteração na composição espectral dos sinais refletidos). Assim, os modos hall, ao vivo, estádio, etc. são implementados. A simulação é bastante realista. Processadores analógicos usam linhas de atraso de sinal para esse propósito. O controle dos parâmetros de reverberação neste caso é muito mais complicado, então geralmente há apenas um modo fixo de operação. Claro, é difícil descrever as características estruturais de todos os sistemas de som surround existentes, mas seu trabalho é baseado nos princípios considerados - a diferença está apenas nos detalhes dos algoritmos e no conjunto de modos (predefinições). Portanto, o melhor conselheiro ao escolher um processador de som é a sua própria audição. Publicação: www.bluesmobil.com/shikhman
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