Стереофония

Статья по акустике из журнала "Наука и жизнь" №10 за 1939 год, в которой рассказывается об особенностях передачи музыки на расстоянии (те же вопросы возникнут позже при звукозаписи) - реверберация, неравномерность распространения звуковых волн в помещении, различия в мощности звучания музыкальных инструментов и т.п.

Художественное вещание завоевало себе прочное место в советском быту. Передача музыки и живого слова на огромные расстояния уже давно перестала казаться чудом. А когда чудо становится обыденностью, начинаются "мелкие придирки". Раньше радиослушателя привлекала сама возможность услышать артиста, исполняющего свой номер в каком-нибудь далеком городе. Теперь его в первую очередь интересуют качество и натуральность передачи.

Вместе с ростом художественных требований слушателя росла и совершенствовалась радиовещательная техника. Современный первоклассный приемник дает очень высокое качество передачи. Однако всем известно, что в концертном зале оркестр звучит лучше, натуральнее, чем по радио. Чего же недостает современному приемнику для создания полной художественной иллюзии при передаче, например, симфонической музыки?

Прежде чем ответить на этот вопрос, познакомимся с основами техники передачи звука на расстояние.

Простейшая схема передачи звука.

Звуковая волна представляет собой колебания частиц воздуха, распространяющиеся от частицы к частице со скоростью примерно 330 м/сек. При звучании какого-либо тона частицы воздуха совершают колебательные движения. Высоту тона определяет число таких колебательных движений в секунду, называемое частотой тона.

Всем известно, что звуковая энергия очень быстро убывает с расстоянием, что "крикнуть" из Москвы в Харьков нельзя. Поэтому для передачи на далекие расстояния звук надо превратить в какой-то другой вид энергии, способный перемещаться с большей скоростью и меньшими потерями. Обычно таким переносчиком служит электрический ток, передающий энергию на большие расстояния с огромной скоростью, равной почти 300 000 км/сек.

Простейшая схема электрической передачи звука изображена на рис. 1, Здесь М — прибор, превращающий звуковые колебания в электрические и называемый микрофоном. Он заставляет электроны в проводах колебаться по такому же точно закону, по какому колеблются частицы воздуха под действием звука. Но микрофон создает очень маленькие мощности, поэтому вслед за ним ставится усилитель У1 – специальное устройство, которое во много раз повышает эти мощности, не меняя характера колебаний. Проволочная линия П соединяет место передачи с местом приёма. Длина ее часто достигает нескольких сот километров. Пройдя такое большое расстояние, колебания заметно ослабевают. Поэтому на приемном конце ставится второй усилитель У2, который увеличивает мощность колебаний до нужной величины. Последний элемент схемы, громкоговоритель Г, служит для обратного превращения электрической энергии в звуковую: колебания частиц воздуха, создаваемые громкоговорителем, имеют точно тот же характер, что "колебания электронов в проводах, т. е. громкоговоритель точно воспроизводит звуковые сигналы, возникающие перед микрофоном".

Такова схема, лежащая в основе всякой передачи звука, в том числе и радиопередачи.

Что недостаёт ещё современному приёмнику?

Попробуем теперь ответить на вопрос, поставленный в самом начале статьи.

Человек, глухой на одно ухо, не в состоянии определить направление звука. Человек, у которого оба уха слышат одинаково хорошо, легко определяет, с какой стороны к нему приходит звук. Сама собой напрашивается мысль, что человек определяет направление звука благодаря тому, что слушает одновременно двумя ушами. Современная акустикa рисует этот процесс так: для высоких звуков, имеющих частоту выше 3 тыс. колебаний в секунду, голова человека служит почти непреодолимым препятствием, и за ней образуется "звуковая тень", т. е. пространство, почти лишенное звуковой энергии (рис. 2, а); при этом дальнее ухо слышит звук слабее, чем ближнее, т.е. направление звука человек осознает за счет разности громкостей; низкие звуки, частота которых лежит ниже 3000 колебаний в секунду, свободно огибают голову человека (рис. 2, b), и оба уха воспринимают почти одинаковую громкость; для таких частот основную роль играет то, что звуковая волна достигает ближнего уха на несколько долей секунды раньше, чем дальнего, т. е. здесь важна разница во времени.

Благодаря этим явлениям человек, слушая симфонический оркестр, по звуку угадывает положение отдельных инструментов на сцене. Чтобы оркестр передавался по радио "натурально, чтобы звук не сделался мертвым, "плоским", надо на месте приёма воспроизвести перспективу звука, его объем.

Ни один современный приемник, как бы "чисто" он ни работал, такого эффекта создать не может, так как к слушателю звук всегда приходит из одной точки — громкоговорителя. Чтобы передача была действительно натуральной, надо создать такие условия, при которых слушатель, не видя оркестра, мог бы легко определять, (вправо или влево, близко или далеко от него расположен каждый инструмент. Это значит, что если оркестр играет в зале № 1, а слушатели находятся в зале № 2, то в любой точке зала № 2 должны создаваться такие же звуковые колебания и в той же последовательности, как и в соответствующей точке зала №1. Из этого условия вытекает другое, более конкретное.

Дело в том, что звуковая волна, распространяясь в закрытом помещении, встречает на своем пути стены и другие препятствия. При этом она частью поглощается данным предметом, а частью отражается от него и распространяется дальше, но уже по другому направлению. Каждая звуковая волна может испытать несколько отражений раньше, чем достигнет уха слушателя. Так как звук распространяется сравнительно медленно, в больших помещениях такая волна-путешественница может дойти до уха слушателя через несколько секунд после того, как звук прекратился. Это интересное явление, позволяющее слышать источник звука, когда он уже перестал звучать, носит название реверберации.

Опыты показали, что роль отраженных волн очень велика. В концертном зале они составляют примерно девять десятых всех звуковых волн, достигающих уха слушателя. Поэтому для точного воспроизведения необходимо, чтобы все отражения в зале № 2 происходили точно так же, как в зале №1, т. е. оба зала должны иметь одинаковый объем, одинаковую форму и одинаковые акустические свойства.

Уяснив задачу, попробуем найти для нее правильное решение. Как всегда при решении новых вопросов начнем с "научной фантастики", т. с. найдем решение, заведомо невыполнимое, но идеально отвечающее поставленным требованиям. После этого можно "спуститься с небес на землю" и найти практическое решение, наиболее близкое к идеальному.

"Научная фантастика".

Пусть передача происходит в зале №1, а слушатели находятся в зале №2, причем оба зала одинаковы. И представим себе, что в зале №1 между публикой и оркестром повешен некий волшебный занавес, густо усеянный бесконечным множеством мельчайших микрофонов, но совершенно "прозрачный" для звуковых волн. Такой же занавес помещен между публикой и воображаемым оркестром в зале №2, но он уже покрыт сетью мельчайших громкоговорителей. Число и размещение их точно совпадают с числом и размещением микрофонов на первом занавесе. Каждый микрофон соединен с соответствующим ему громкоговорителем по схеме рис. 1.

Для воспроизведения всех нюансов при игре симфонического оркестра нужно передавать бесконечно широкую полосу частот. Кроме того, передающая система должна воспроизводить все мощности звука, которые для большого симфонического оркестра могут изменяться в 10 млн. раз!

Чтобы схема была во всех отношениях идеальной, условимся, что каждая из получившихся передающих систем, которые назовем каналами передачи, воспроизводит все частоты и все громкости одинаково точно. Ясно, что, выполнив все эти условия, мы получим идеальное воспроизведение: как только в зале № 1 зазвучит оркестр, репродукторы в зале № 2 точно воспроизведут пространственный узор звуковых колебаний, возникших в первом зале.

К сожалению, описанную передающую систему мы можем построить лишь мысленно. Выясним, насколько можно и нужно приблизиться к такому идеальному решению на практике.

"Спускаемся на землю".

Сначала вспомним о том что слушатели никогда не рассаживаются среди оркестрантов, а всегда на значительном расстоянии от них. При этом неточности объемной передачи звука становятся менее заметными подобно тому, как на большом расстоянии скрадываются недостатки плохого чертежа. А если требования снижаются, можно попробовать заменить бесчисленное множество каналов передачи всего лишь двумя или тремя.

Это предположение было проверено американцами Сноу и Стейнберг, которые проделали следующий опыт (рис. 3): в зале, отведенном для передачи, выделялась так называемая "звуковая площадка", по которой мог перемещаться говорящий человек. На площадке были отмечены 9 контрольных позиций, показанных на нашем рисунке. Вдоль одной из сторон площадки размещались 3 микрофона. Каждый микрофон соединялся по схеме рис. 1 с соответствующим громкоговорителем на "фиктивной звуковой площадке", удаленной от первого бала и отгороженной легким занавесом от большой контрольной аудитории. В последней находилась группа из 12 наблюдателей, обладающих хорошим музыкальным слухом. Каждый наблюдатель имел карандаш и листок бумаги, на котором была проведена линия, изображавшая занавес.

Диктор на звуковой площадке говорил с 15 позиций, включая 9 контрольных, а наблюдатели отмечали для каждой позиции кажущееся положение диктора относительно занавеса на своих листках. 15 позиций вместо 9 были взяты для того, чтобы исключить возможность запоминания.

Результаты измерении для двух и трех каналов передачи даны на рис. 4 (a и b). Как и следовало ожидать, два канала дают меньшую точность воспроизведения, чем три канала, что особенно заметно на средних позициях (позиции 4, 5, 6). Правда, многие читатели скажут, что и три канала дают далеко не блестящие результаты. Для таких придирчивых читателей мы помещаем рис. 4 с, соответствующий тому случаю, когда диктор перешел на фиктивную звуковую площадку и наблюдатели слушали его голос непосредственно. Как видео из рисунка, слуховой аппарат человека сам дает очень большую ошибку.

Несовершенство человеческого слухового аппарата позволяет ввести еще одно очень важное упрощение.

Несколько раньше мы говорили, что для идеального воспроизведения игры симфонического оркестра нужно передавать бесконечно широкую полосу частот, а это практически невыполнимо. Но человеческое ухо способно слышать лишь звуки, частота которых лежит в пределах от 16 до 20000 колебаний в секунду. Передавать частоты, лежащие вне этих пределов совершенно бессмысленно: ухо их все равно не услышит. Кроме того, чтобы крайние частоты слышимых звуков воздействовали на ухо, они должны иметь огромную интенсивность. В симфоническом оркестре они очень слабы, поэтому можно еще больше сократить передаваемую полосу, ограничив ее частотами 40 и 15 000 периодов в секунду. Такую полосу частот уже нетрудно передать равномерно.

В отношении диапазона громкостей, наоборот, человеческое ухо обычно недоиспользуется. Раньше мы уже говорили, что для большого симфонического оркестра отношение самого громкого звука к самому тихому равно примерно 10 млн. В то же время для человеческого уха отношение самого громкого звука, воспринимаемого без боли, к самому тихому, который ухо может уловить, достигает 10 млрд. раз. Значит, можно расширить диапазон громкостей симфонического оркестра в тысячу раз! Для этого достаточно поставить в конце каждого канала специальный регулятор громкости, который мог бы во много раз усиливать наиболее громкие звуки и ослаблять наиболее тихие. В руках опытного дирижера это устройство позволяет значительно увеличить художественный эффект, создаваемый игрой оркестра.

Итак, от идеализированной, фантастической схемы мы пришли к реальной, практически выполнимой передающей системе, не только дающей хорошее объездное воспроизведение, но я увеличивающей воздействие на слушателя по сравнению с натуральной передачей.

Однако, не все обстоит так гладко, как до сих пор казалось.

Новое затруднение.

Дело в том, что различные инструменты симфонического оркестра по-разному излучают звуковую энергию. Инструменты нижнего регистра, такие, как литавры, тромбон-бас и др., излучают звуковую энергию почти равномерно во все стороны. Инструменты верхнего регистра, такие, как пикколо, скрипка или арфа, излучают почти всю звуковую энергию по вполне определенному направлению. Это объясняет тот факт, что во всяком концертном зале, как бы хорош он не был, симфонический оркестр звучит в разных местах по-разному.

Для примера возьмем мало вероятный, но показательный случай, когда на сцене играют лишь скрипка и тромбон-бас. На рис. 5 штриховкой показана часть зала, в которую скрипка излучает почти всю звуковую энергию. Считаем, что тромбон-бас излучает энергию равномерно во все стороны. Если бы в зрительном зале не было реверберации, то зритель в точке А слышал бы и скрипку и тромбон, а зритель в точке В слышал бы… только тромбон. В действительности, благодаря явлению реверберации, звук скрипки после многократных отражений дойдет до точки В, но будет несколько ослаблен и изменит свою окраску.

Как нетрудно догадаться, это новое для нас явление сильно затрудняет передачу симфонической музыки по проводам. Действительно, теперь для идеального воспроизведения необходимо, чтобы громкоговорители передавали звук каждого инструмента по тому направлению, которое для него характерно, иначе пространственный узор звуковых колебаний будет грубо искажен. В то же время невозможно построить громкоговоритель, который "сортировал" бы оркестровую музыку по инструментам, а затем по направлению. Выходит, что передающая система, которую мы недавно так высоко оценивали, принципиально не может дать натурального воспроизведения даже при бесконечно большом числе каналов. Как же быть?

Прокрустово решение.

Древние греки в одном из своих сказаний упоминают о свирепом великане Прокрусте. Этот великан укладывал людей в постель и, если она оказывалась для лих коротка, обрубал выступавшие часта тела, а если длинна — растягивал им суставы.

Часто при решении технических трудностей приходится поступать по примеру этого древнего великана. В частности, в описанной системе угол, в пределах которого излучает свою энергию громкоговоритель, подобен прокрустову ложу, которое нельзя увеличивать или уменьшать. Углы, в пределах которых излучают звук различные музыкальные инструменты, подобны жертвам великана, которых надо кромсать или растягивать, чтобы приспособить к этому ложу.

Исходя из такого принципа, американец Флетчер, автор описанной нами передающей системы, использовал два громкоговорителя в каждом канале. Один громкоговоритель, воспроизводивший только низкие частоты, излучал звуковую энергию равномерно во все стороны, подобно инструментам низшего регистра. Другой, воспроизводивший высокие частоты, излучал звуковую энергию в пределах угла, лежавшего по середине между наибольшим и наименьшим углами для инструментов высокого регистра. При этом для одних инструментов угол излучения срезался, для других растягивался, но оркестр в целом звучал почти натурально.

Первую публичную демонстрацию своего устройства Флетчер провел в апреле 1933 г., причем слушатели находились в Зале Конституции, в Вашингтоне, на расстоянии 140 миль от оркестра, который играл в Академии музыки в Филадельфии. Эта демонстрация дала блестящие результаты и вызвала много восторженных отзывов слушателей.

В 1935 г. опыты Флетчера были весьма успешно повторены в Москве Центральной лабораторией Граммпласттреста под руководством проф. И. Е. Горон.

Обе эти демонстрации наглядно показали, что в отношении точности расположения инструментов слушатель обычно мало требователен, и поэтому "прокрустово решение" в данном случае вполне себя оправдывает.

В данном очерке мы говорили лишь об объемной передаче симфонической музыки. Однако описанная система должна получить гораздо большее применение и в радиовещании и в звуковом кино. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить разочарованные лица кинозрителей, которые видят актера двигающимся на экране, а звук его голоса воспринимают откуда-то со стороны, из неподвижной точки — громкоговорителя. Вполне понятно, что с развитием высококачественного телевидения те же неприятности предстоит испытать будущему радиозрителю, если только в то время не будет объемной передачи звука.

Нa строительстве величайшего памятника нашей эпохи — Дворца Советов впервые поставлен вопрос о применении системы Флетчера для объемного воспроизведения звука в Большом зале Дворца.