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BÜCHER UND ARTIKEL
Die Entwicklung von Surround-Sound-Systemen - von Mono bis 3D
Verzeichnis / Die Kunst des Audios Derzeit ist die Zweikanal-Stereophonie bereits eine klassische Art der Tonübertragung und -wiedergabe. Der Zweck der stereophonen Tonwiedergabe besteht darin, das Klangbild möglichst genau wiederzugeben. Die Schalllokalisierung ist lediglich ein Mittel, um einen satteren und natürlicheren Klang zu erzielen. Die Übertragung räumlicher Informationen durch die gängigsten „klassischen“ Zweikanalsysteme weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die Designer dazu ermutigen, verschiedene Surround-Sound-Systeme zu entwickeln. Der Zuhörer im Konzertsaal hört nicht nur den direkten Schall, der von einzelnen Instrumenten des Orchesters kommt, sondern auch den aus verschiedenen Richtungen (auch von hinten) kommenden, diffusen (diffusen) Schall, der von den Wänden und der Decke des Raumes reflektiert wird und so den Schall erzeugt Raumwirkung und rundet den Gesamteindruck ab. Die Verzögerung, mit der diffuser Schall das Ohr des Zuhörers erreicht, und seine spektrale Zusammensetzung hängen von der Größe und den akustischen Eigenschaften des Raumes ab. Bei einer zweikanaligen Übertragung gehen die durch den diffusen Schall erzeugten Informationen weitgehend verloren und sind bei einer Studioaufnahme möglicherweise zunächst nicht vorhanden. Das menschliche Ohr lokalisiert Schallquellen am besten in der horizontalen Ebene. Gleichzeitig werden von hinten kommende Geräusche mangels zusätzlicher Informationen schlechter lokalisiert. Das Sehen, einschließlich des peripheren Sehens, ist der wichtigste Sinn für die Standortbestimmung von Objekten. Daher ist die Fähigkeit, die Position des Schalls in der vertikalen Ebene und seinen Abstand von uns ohne visuelle Informationen einzuschätzen, schwach und eher individuell. Dies kann zum Teil durch die individuellen anatomischen Merkmale der Ohrmuscheln erklärt werden. Beim Abspielen von Schallplatten fehlen visuelle Informationen, so dass jede Tontechnologie für den Massenmarkt, die sich als „Surround-Sound“ ausgibt, gezwungen ist, etwas Mittelmäßiges und bewusst Kompromisse zu schaffen. Um den „Hall-Effekt“ zu reproduzieren oder zu synthetisieren, gibt es viele Methoden. Bereits Mitte der 50er Jahre testeten Philips, Grundig und Telefunken dreidimensionale Wiedergabesysteme von 3D und Raumton. Die Schallübertragung erfolgte monophon, jedoch erzeugten zusätzliche Lautsprecher (meist eingebaut, seltener abgesetzt), die den Schall seitlich oder nach oben abstrahlten, durch die Schallreflexion von Wänden und Decke den Eindruck eines großen Raumes. Da die Echosignalverzögerung in Wohngebäuden eher gering ist, wurden später zur Verstärkung zusätzlicher Signale Federhallgeräte im Kanal eingesetzt, um sie zu erhöhen. Diese Systeme hielten sich aufgrund der für die damalige Zeit erheblichen technischen Komplexität nicht lange auf dem Markt und verließen schnell die Bühne. Anschließend wurden ambiophone Systeme zur Übertragung diffusen Schalls entwickelt, die vor allem im Kino eingesetzt wurden. Der zusätzliche Kanal (oder die zusätzlichen Kanäle) zur Übertragung von diffusem Schall in solchen Systemen haben eine geringere Leistung als die Hauptkanäle und ihr Frequenzbereich entspricht dem Frequenzband des diffusen Signals (ca. 300...5000 Hz). Die Strahlung zusätzlicher Lautsprecher sollte gestreut werden, weshalb sie auf die Wände oder die Decke des Hörraums gerichtet werden.
Die Komplexität der Standardisierung und technische Probleme bei der Aufnahme und Übertragung von Signalen von drei, vier oder mehr Kanälen führten dazu, dass die Zweikanal-Stereophonie für viele Jahre zum Hauptsystem zur Aufnahme und Übertragung von Ton wurde. Aber die Versuche, Surround-Sound-Systeme zu entwickeln, hörten nicht auf. Die Weiterentwicklung der Ambiophonie war die Quadraphonie (Vierkanal-Tonwiedergabe), die in der ersten Hälfte der 70er Jahre ihren Höhepunkt erreichte. Im Gegensatz zum Ambiophonsystem sind hier alle Tonwiedergabekanäle gleich ausgestattet. Die diskrete (vollständige) Quadraphonie, die den maximalen Präsenzeffekt bietet, erfordert vier Kanäle der Tonübertragung und erwies sich daher als unvereinbar mit den damals vorhandenen technischen Mitteln der Tonaufzeichnung und -ausstrahlung.
Um dieses Hindernis zu überwinden, wurden mehrere Systeme der Matrix-Quadraphonie (in der damaligen Terminologie - Quasi-Quadraphonie) geschaffen, bei denen die ursprünglichen Signale von vier Kanälen für die Übertragung über zwei Kanäle matriziert wurden und während der Wiedergabe die ursprünglichen Signale wiederhergestellt wurden Durch Summen-Differenz-Transformationen und ohne Decoder war es möglich, ein normales Stereosignal zu reproduzieren. Da keines dieser Systeme aufgrund der hohen Signaldurchdringung von Kanal zu Kanal vollständig vierfach oder vollständig mit der Zweikanal-Stereophonie kompatibel war, war ihre praktische Anwendung begrenzt und das Interesse an ihnen ließ schnell nach.
Im „Krieg der Standards“ der Quad-Systeme gab es keine Gewinner, die Idee starb sicher, die Prinzipien gerieten in Vergessenheit, aber der Begriff blieb bestehen. Daher schämt sich heute kaum noch die Tatsache, dass „etwas“, das über vier Verstärkungskanäle und vier Lautsprecher verfügt, stolz als „Quad-System“ bezeichnet wird. Dies ist jedoch grundsätzlich falsch, da die Signalquelle zweikanalig bleibt und sich die Signale des vorderen und hinteren Kanals bei diesem Systemaufbau nur im Pegel unterscheiden, also das Panning-Prinzip zum Einsatz kommt. Panning wird seit Mitte der 50er Jahre häufig in der Stereoproduktion eingesetzt, um monophone Audiosignale „links/rechts/mitte“ des Klangfelds zu positionieren. Beim Schwenken gibt es keinen Einfluss auf die Frequenz und Phase des Signals, nur der Pegel des Monosignals, das jedem der Stereokanäle zugeführt wird, ändert sich. Das Schwenken auf mehrere Kanäle (bei Mehrkanalaufnahmen) erfolgt auf die gleiche Weise. Bei der Bestimmung der Richtung zur Schallquelle nutzt unser Hörgerät jedoch nicht nur den Unterschied in der Intensität der Schallsignale, sondern auch die Phasenverschiebung zwischen ihnen, und die Auswirkung der Phasenverschiebung auf die Genauigkeit der Schallquellenlokalisierung ist am größten ausgeprägt im Frequenzbereich von ca. 500 bis 3000 Hz. (Wieder der Frequenzbereich des diffusen Schalls!). Einfaches Schwenken liefert daher nicht die gewünschte Klangtreue. Stereoeffekte („Laufgeräusch“, „Links-Rechts“-Tonbindung usw.) der ersten Stereoaufnahmen wurden schnell langweilig. Daher wurden in den 60er Jahren die besten Aufnahmen elektronischer Instrumente im Studio mit Mikrofontechnik gemacht, was den „Live“-Charakter des Klangs erklärt: Die Einführung der mehrkanaligen vollelektronischen (ohne Verwendung von Mikrofonen) Aufnahme von Instrumenten mit Die anschließende Abmischung, die dem Tontechniker die Arbeit erleichterte, zerstörte gleichzeitig die Atmosphäre des Saals. In der Folge wurde dieser Tatsache bei der Durchführung von Studioaufnahmen Rechnung getragen, eine vollständige Rückkehr zur Mikrofontechnik erfolgte jedoch nicht. Bei Verwendung eines Zweikanal-Wiedergabeschemas befindet sich die Hauptzone der effektiven Ortung scheinbarer Schallquellen (PSZ) vor dem Hörer und deckt einen Raum von etwa 180 Grad in der horizontalen Ebene ab. Die beiden vorderen Kanäle können Töne, deren Quellen in Wirklichkeit dahinter und in einer vertikalen Ebene liegen, nicht ausreichend wiedergeben, wenn sie nicht durch zusätzliche Signale unterstützt werden. Die Verwendung von hinteren Lautsprechern in Kombination mit der Klangschwenkung funktioniert gut mit den Schallquellen vor und hinter dem Zuhörer und schwächer mit der seitlichen Position. Allerdings wird die Klangschwenkung allein niemals eine akzeptable Positionierung der Schallquellen in der vertikalen Ebene ermöglichen. Bei der Entwicklung von Matrixsystemen stellte sich heraus, dass ein erheblicher Teil der räumlichen Informationen im Differenzsignal (Stereoinformationssignal) enthalten ist, das entweder in reiner Form oder gemischt mit einem bestimmten Anteil den Rückkanallautsprechern zugeführt werden kann Frontsignale. Im einfachsten Fall sind hierfür nicht einmal zusätzliche Verstärkungskanäle erforderlich und Signale können am Verstärkerausgang matriziert werden:
So entstanden mehrere pseudo-quadraphone Systeme, die Mitte der 70er Jahre die „wahren Arier“ völlig vom Markt verdrängten. Sie unterschieden sich lediglich in der Art und Weise, ein Differenzsignal zu erhalten. Allerdings war ihr Siegeszug auch nur von kurzer Dauer, was durch die Unzulänglichkeiten der Signalträger – Schallplatte und Magnetband – erklärt werden konnte. Das unkorrelierte Rauschen des linken und rechten Kanals wurde nicht subtrahiert, was in Kombination mit dem relativ niedrigen Pegel des Differenzsignals das Signal-Rausch-Verhältnis in den hinteren Kanälen stark verschlechterte. Ein weiterer, nicht minder bedeutender Nachteil solcher Systeme ist die fehlende Abhängigkeit des hinteren Signalpegels von der Art des Tonträgers. Bei einem niedrigen Pegel des hinteren Signals ist der räumliche Effekt kaum wahrnehmbar, bei einer Erhöhung des Pegels entsteht ein Bruch in der Klangbühne und ihre Fragmente wandern nach hinten (der Effekt einer „Umzingelung durch ein Orchester“, dem nicht entspricht). zur Realität). Bei der Wiedergabe von „Live“-Aufnahmen (mit einer natürlichen Verteilung von Summen-, Differenz- und Phasenkomponenten) war dieser Nachteil unbedeutend, aber bei den meisten Studiotonträgern führten die hinteren Kanäle zu erheblichen Fehlern in der Position des KIZ. Um diesen Mangel zu beheben, versuchten frühe Surround-Sound-Systeme, automatisches Schwenken zu verwenden. Steuersignale wurden aus der Ebene der räumlichen Informationen gewonnen – eine Erhöhung der Ebene der Differenzsignale führte zu einer Erhöhung der Verstärkung in den hinteren Kanälen. Das verwendete Schwenkmodell war jedoch sehr grob, wodurch die Steuerfehler des Expanders zu einer chaotischen Änderung des Pegels der hinteren Signale führten (der „Heavy Breathing“-Effekt). Mit dem Aufkommen digitaler Medien ist das Interesse an Surround-Sound-Systemen wieder gestiegen, der Pegel ihres Eigenrauschens ist vernachlässigbar und selbst die analoge Signalverarbeitung wird den Dynamikumfang des Systems kaum beeinträchtigen. Die Entwicklung digitaler Signalverarbeitungsverfahren führte zur Entwicklung digitaler Soundprozessoren (Digital Sound Processor – DSP). Ursprünglich für Heimkinosysteme entwickelt, werden Surround-Sound-Prozessoren seit Kurzem auch in Auto-Audiosystemen aktiv eingesetzt. Ihr Einsatz kann den Klang im Auto deutlich verbessern, daher werden sie nicht nur in Form separater DSP-Geräte hergestellt, sondern sind auch Bestandteil relativ preiswerter Radio-Tonbandgeräte. Mit den Prozessoreinstellungen können Sie die optimalsten Parameter für die ausgewählte Hörposition auswählen. Es gibt eine Reihe von Methoden, mit denen Geräte mit einer begrenzten Anzahl von Lautsprechern räumlich lokalisierten Klang wiedergeben können. Verschiedene Implementierungsmethoden haben Stärken und Schwächen, daher ist es wichtig, die grundlegenden Unterschiede zwischen den wichtigsten Signalverarbeitungsmethoden zu verstehen. Das Herzstück moderner Surround-Sound-Systeme (Dolby Surround, Dolby Pro-Logic, Q-Sound, Curcle Surround und andere) ist die gleiche Idee der Summen-Differenz-Umwandlung, ergänzt durch „proprietäre“ Signalverarbeitungsmethoden (sowohl analog als auch). Digital). Oft werden sie unter dem gemeinsamen Namen „3D-Systeme“ vereint („Wiedergeburt“ des Begriffs vor vierzig Jahren!). Bevor wir uns mit den Prinzipien der Verarbeitung von Audiosignalen in Surround-Sound-Systemen befassen, wollen wir noch einmal den typischen Aufnahmeprozess zusammenfassen. Zunächst wird eine Aufnahme erstellt, die über viele einzelne Kanäle verfügt – Instrumente, Stimmen, Soundeffekte usw. Beim Mischen werden für jede Audiospur die Lautstärke und der Standort der Audioquelle gesteuert, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Bei Stereoaufnahmen ergibt die Mischung zwei Kanäle, bei Surround-Systemen ist die Anzahl der Kanäle höher (z. B. 6 Kanäle für das Format Dolby Digital/AC-5.1 „3“). In jedem Fall besteht jeder Kanal aus Signalen, die beim Zuhören des Benutzers an einzelne Lautsprecher weitergeleitet werden sollen. Jedes dieser Signale ist das Ergebnis einer komplexen Mischung der ursprünglichen Quellsignale. Als nächstes erfolgt der Prozess der Kodierung der nach dem Mischen empfangenen Kanäle, wodurch ein digitaler Strom (Bitstrom) erhalten wird. Bei der Wiedergabe verarbeitet der Decoder den digitalen Stream, teilt ihn in einzelne Kanäle auf und überträgt sie zur Wiedergabe an Lautsprechersysteme. Bei mehrkanaligen (diskreten) Surround-Sound-Systemen besteht die Möglichkeit, reale akustische Systeme zu simulieren (Phantom-Modus). Wenn Sie nur zwei Lautsprecher haben, werden die Kanäle Subwoofer (Woofer) und Center (Dialog) einfach gleichzeitig zu beiden Ausgangskanälen hinzugefügt. Der hintere linke Kanal wird zum linken Ausgangskanal addiert, der hintere rechte Kanal zum rechten Ausgangskanal. Denken Sie daran, dass das Schwenken nur die Amplitude des Audiosignals beeinflusst. Die Audiokonvertierung in modernen 3D-Systemen umfasst zusätzliche Informationen über die Amplitude und Phasendifferenz/-verzögerung zwischen den Ausgangskanälen im Audiostream. Typischerweise hängt der Verarbeitungsumfang von der Frequenz des Signals ab, obwohl einige Effekte durch einfache Zeitverzögerungen erzeugt werden. Mit welchen Methoden wird das Audiosignal verarbeitet? Dabei handelt es sich zunächst einmal um die Erweiterung der Stereobasis (Stereo Expansion), die durch Beeinflussung des differenziellen Stereosignals der Frontkanäle entsteht. Diese Methode kann als klassisch angesehen werden und eignet sich vor allem für herkömmliche Stereoaufnahmen. Die Signalverarbeitung kann entweder analog oder digital erfolgen. Zweitens Positional 3D Audio (lokalisierter 3D-Sound). Diese Methode arbeitet mit vielen einzelnen Audiokanälen und versucht, jedes Signal einzeln im Raum zu lokalisieren. Drittens ist Virtual Surround (virtueller Surround-Sound) eine Methode zur Wiedergabe von Mehrkanalaufnahmen mit einer begrenzten Anzahl von Tonquellen, beispielsweise die Wiedergabe von Fünfkanalton über zwei Lautsprecher. Es ist offensichtlich, dass die letzten beiden Methoden nur auf Mehrkanal-Audiomedien (Aufnahmen im DVD-, AC-3-Format) anwendbar sind, was für Automobilsysteme bisher nicht sehr wichtig ist. Abgerundet wird die Liste durch verschiedene Methoden des künstlichen Halls. Während sich Schall durch den Raum ausbreitet, kann er von verschiedenen Objekten reflektiert oder absorbiert werden. Reflektierte Geräusche in einem großen Raum können tatsächlich ein deutlich unterscheidbares Echo erzeugen, aber in einem begrenzten Raum kommt es zu einer Kombination vieler reflektierter Geräusche, sodass wir sie als eine einzelne Sequenz hören, die dem ursprünglichen Geräusch folgt und verblasst, und der Grad der Dämpfung ist gleich unterschiedlich für verschiedene Frequenzen und hängt direkt von den Eigenschaften der Umgebung ab. Digitale Soundprozessoren verwenden ein verallgemeinertes Nachhallmodell, das die Steuerung des Nachhallprozesses auf die Einstellung wichtiger Parameter (Verzögerungszeit, Anzahl der Reflexionen, Abklingrate, Änderung der spektralen Zusammensetzung reflektierter Signale) reduziert. Somit sind die Modi Halle, Live, Stadion usw. implementiert. Die Simulation ist recht realistisch. Analoge Prozessoren nutzen zu diesem Zweck Signalverzögerungsleitungen. Die Steuerung der Hallparameter ist in diesem Fall wesentlich komplizierter, sodass es meist nur eine feste Betriebsart gibt. Natürlich ist es schwierig, die strukturellen Merkmale aller vorhandenen Surround-Sound-Systeme zu beschreiben, aber ihre Arbeit basiert auf den betrachteten Prinzipien – der Unterschied besteht nur in den Details der Algorithmen und den Modi (Voreinstellungen). Daher ist Ihr eigenes Gehör der beste Ratgeber bei der Auswahl eines Soundprozessors. Veröffentlichung: www.bluesmobil.com/shikhman
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