Стереофония: принципы и технологии¶

Стереофония (от греч. στερεός — «объёмный, пространственный» и φωνή — «звук») — способ записи, передачи и воспроизведения звука, при котором используется два и более независимых канала для создания у слушателя ощущения пространственного расположения источников звука. В отличие от монофонического звука, стереофонический сигнал передаёт информацию о направлении на источник, что достигается за счёт различий в громкости, времени прихода и спектральном составе сигнала между левым и правым каналами.

¶Физиологические основы

Способность человека определять направление на источник звука основана на бинауральном эффекте — совместной обработке сигналов, поступающих на два уха. Головной мозг анализирует два основных параметра: межушную разницу во времени прихода звука (ITD, interaural time difference) и межушную разницу в уровне громкости (ILD, interaural level difference). Для низких частот (ниже примерно 1500 Гц) доминирует временной механизм, для высоких — разница в интенсивности, поскольку голова создаёт акустическую тень. Дополнительную роль играют отражения от ушных раковин и корпуса, позволяющие различать источники во фронтальной и сагиттальной плоскостях.

¶История развития

¶Ранние эксперименты

Первые опыты по передаче пространственного звука относятся к 1881 году, когда французский инженер Клемент Адер продемонстрировал на Парижской электротехнической выставке систему «театрофон»: микрофоны, установленные по краям сцены Парижской оперы, передавали сигналы по телефонным линиям на две группы слуховых трубок. Слушатели могли воспринимать сцену в объёме.

В 1931 году британский инженер Алан Блюмлейн из компании Columbia Records запатентовал основополагающую систему стереофонической записи, использующую пару совмещённых (coincident) микрофонов с направленными характеристиками. Его патент описывал как двухканальную передачу, так и матричную схему, позже названную M/S (mid-side).

¶Коммерческое внедрение

В 1950-х годах стереофония стала коммерчески доступной. Первые коммерческие стереофонические записи на магнитную ленту появились в 1954 году. В 1958 году были выпущены первые стереофонические грампластинки с канавкой V-образной формы (система Westrex 45/45), где каждый канал модулировал одну из стенок канавки под углом 45 градусов к поверхности. Это решение стало мировым стандартом.

В 1961 году в США начала работу первая стереофоническая FM-радиостанция, использующая пилот-тонную систему (AM/FM-мультиплексирование), разработанную Zenith и General Electric. В СССР регулярное стереовещание началось в 1963 году с использованием системы с полярной модуляцией.

¶Методы записи

¶Совмещённые микрофоны

При совмещённой (coincident) технике два микрофона располагаются максимально близко друг к другу, что исключает разницу во времени прихода сигнала. Пространственная информация кодируется только разницей уровней. Основные конфигурации:

• XY — пара кардиоидных микрофонов под углом 90–135° друг к другу;
• Blumlein — пара микрофонов с восьмёрочной характеристикой под углом 90°;
• M/S — один микрофон направлен на источник (mid), второй с восьмёрочной характеристикой развёрнут боком (side); при декодировании сумма и разность сигналов дают левый и правый каналы.

¶Разнесённые микрофоны

При разнесённой (spaced) технике микрофоны устанавливаются на расстоянии от десятков сантиметров до нескольких метров. Возникают как разница уровней, так и временные задержки, что даёт более «воздушное» и широкое звучание, но может вызывать фазовые искажения при моносовместимости. Типичный пример — техника AB, а также конфигурация Decca Tree, разработанная в 1950-х годах звукозаписывающей компанией Decca: три микрофона, расположенные в форме буквы «T» над дирижёром.

¶Искусственная стереофония

При отсутствии возможности многоканальной записи применяются методы искусственного создания стереоэффекта: задержка сигнала одного канала относительно другого, фильтрация (выделение средних частот в центральный канал), панорамирование (распределение уровней монофонических источников между каналами). В современной музыке панорамирование — стандартный инструмент микширования.

¶Способы передачи и хранения

¶Аналоговые носители

• Грампластинка — двухканальная модуляция стенок канавки;
• Магнитная лента — дорожки, расположенные под углом к направлению движения ленты (системы с шахматным расположением головок);
• FM-радиовещание — мультиплексированный сигнал с пилот-тоном 19 кГц;
• Кассета Compact Cassette — две стереодорожки на каждой стороне ленты.

¶Цифровые форматы

• Компакт-диск — два канала с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 44,1 кГц;
• MP3, AAC — сжатие с потерями, сохраняющее стереокартину с использованием joint stereo (объединение каналов для снижения битрейта);
• FLAC, ALAC — сжатие без потерь;
• Стереофонические файлы — форматы WAV, AIFF, а также многоканальные — Dolby Digital, DTS, MPEG-4.

¶Значение и применение

Стереофония стала основой современной звукозаписи, радиовещания, кинематографа и звукового оформления. Она применяется в:

• музыкальной индустрии — от классической до электронной музыки;
• кинопроизводстве — двухканальный стереозвук в кинотеатрах и домашних системах;
• радиовещании и телевидении;
• видеоиграх — создание объёмного звукового поля;
• телеконференциях и системах виртуальной реальности.

Развитием стереофонии стали многоканальные форматы (объёмный звук 5.1, 7.1), а также объектные форматы (Dolby Atmos), однако принципы бинаурального восприятия, заложенные в основу стереофонии, остаются базовыми для всех пространственных аудиотехнологий.