147 конгресс AES – научные результаты

С 16 по 19 октября 2019 года в Нью-Йорке прошел 147-й конгресс AES. Он был значительно более многочисленным, чем аналогичные конгрессы в Европе, на нем были проведены следующие мероприятия: научная сессия, семинары, заседания технических комитетов, студенческие мероприятия и др.

Традиционную мемориальную Хайзеровскую лекцию прочитал известный специалист Луис Филдер. Она называлась «Применение психоакустики в оценке динамического диапазона и нелинейных искажений», в ней рассказывалось о современных достижениях в оценке слышимости искажений динамического диапазона и нелинейных искажений наушников и громкоговорителей.

На научной сессии работало 18 секций и дополнительно 8 секций с короткими докладами («Инженерные записки»).

На секции «Преобразователи» можно выделить несколько докладов.

Доклад фирмы Samsung Research America «Нелинейный контроль громкоговорителей» (пр. 10241), где предлагается современный метод реализации обратной связи в громкоговорителях, основанный на контроле и линеаризации смещений диафрагмы при больших уровнях на низких частотах. Результаты линеаризации показаны на рисунке. 

Уменьшение искажений в результате линеаризации громкоговорителей

Доклад «Оценка искажений в низкочастотных громкоговорителях, основанная на их субъективном восприятии» (пр. 10242) рассматривает метод объективной оценки нелинейных искажений с помощью сравнения спектральных компонент сигнала и шума в критических полосах слуха с учетом порогов маскирования. Предложенный алгоритм позволяет оценить слышимость нелинейных искажений в низкочастотном диапазоне. 

Три доклада были посвящены проблеме совершенствования плоских громкоговорителей. 

Один касался проблемы оптимизации размещения возбудителей (пр. 10246), второй - содержал сравнительный анализ плоских и обычных конических излучателей, было показано, что в ряде случаев они могут быть сопоставимы по параметрам и могут найти себе применение в школах, музеях и др. (пр. 10243). Третий доклад касался слушательских предпочтений при оценке различных конструкций плоских громкоговорителей.

В докладе польских специалистов (пр.10227) предлагалась новая конструкция звуковой колонки, построенной на миниатюрных громкоговорителях типа «изобарик» (сдвоенных громкоговорителях, работающих на один замкнутый объем) (на рисунке), с регулируемой характеристикой направленности в области высоких частот. 

Звуковая колонка из ГГ типа «Изобарик»

В японском докладе «Форма экрана для сферической микрофонной системы с улучшенной характеристикой направленности» (пр. 10228) предлагается новая форма экрана вместо традиционной сферической формы для микрофонной системы (на рисунке), для записи пространственного звука, которая улучшает точность формирования характеристик направленности.

Новая форма экрана для пространственной микрофонной системы

Ряд докладов по преобразователям был сделан на заседаниях секции «Инженерные записки», из них можно отметить доклад «Применение мембран из графена для громкоговорителей и для телефонов» (Е-544). Новый материал графен был создан несколько лет назад (его создатели получили Нобелевскую Премию), он обладает уникальными свойствами: высокой жесткостью, малой плотностью, высоким коэффициентом потерь и пр. С использованием этого уникального материала были созданы купольные диафрагмы для излучателей, используемых в телефонах. Излучатели показали, что их акустические характеристики существенно лучше, чем у обычных громкоговорителей с диафрагмами из полимерной пленки или напыленного металла: меньше уровень нелинейных искажений, выше чувствительность, меньше неравномерность АЧХ и др. (на рисунке), что делает этот материал чрезвычайно перспективным в создании громкоговорителей и микрофонов различных типов. 

Сравнение АЧХ громкоговорителей с диафрагмами из полимерной пленки и из графена

Два доклада фирмы JBL/Harman(США) (EB-551, 552) «Применение матричного анализа для получения акустического импеданса рупоров» и «Применение многотонового музыкального сигнала для оценки качества звучания рупорных громкоговорителей» были посвящены методам измерений акустического импеданса и оценке нелинейных искажений в рупорных громкоговорителях. 

В китайском докладе (ЕВ-546) представлена теория расчета низкочастотного акустического оформления восьмого порядка с тремя камерами типа band-pass (на рисунке), которые могут применяться в низкочастотных блоках (субвуферах).

Акустическое оформление типа «полосовой фильтр» 8-го порядка

В докладе итальянских ученых «Акустические метаматериалы в создании акустических систем» (ЕВ-550) рассматриваются принципиально новые виды конструкций, называемые «метаматериалы», состоящие из металлических пластин с лабиринтным устройством внутри (на рисунке). 

Структура метаматериала

Они позволяют изменять амплитуду и фазу волны при размерах меньше ее длины. На базе таких материалов можно создать акустические линзы (на рисунке), управляющие шириной характеристики направленности в широком диапазоне частот.

Акустические линзы из метаматериалов

На секции «Акустика помещений» было представлено одиннадцать докладов, из них можно выделить следующие:

«Использование вейвлет-преобразования для вычисления времени затухания отдельных мод колебаний в помещении» (пр. 10235). В помещениях малых размеров дискретные моды попадают в слышимый диапазон частот, поэтому процесс затухания отдельных мод колебаний оказывает влияние на субъективное восприятие процесса. Предлагаемая в докладе процедура позволяет из измеренной импульсной характеристики в помещении с помощью вейвлет-анализа выделить процесс затухания на каждой собственной частоте. 

В докладе известного специалиста Д. Гриссинджера (пр.10239) приведен обзор современного состояния техники бинауральной записи и воспроизведения звука как через телефоны, так и через громкоговорители, представлены новые программные комплексы для индивидуальной эквилизации телефонов и подавления перекрестных связей.

Шведский доклад (пр.10240) «Влияние акустики концертного зала на темп исполнения музыки» представил результаты анализа того, как изменение объема зала и соответственно времени реверберации в нем изменяют темп исполнения музыки (увеличение времени реверберации замедляет темп исполнения).

В докладе «Вычисление характеристик направленности с помощью записей с трехмерными микрофонными системами» (пр. 10285) представлены результаты измерений трехмерных характеристик направленности музыкальных инструментов в заглушенной камере с помощью сферической системы микрофонов (на рисунке).

Запись характеристик направленности музыкальных инструментов в заглушенной камере

На секции « Восприятие» можно отметить следующие доклады:

«Бинауральная модель для определения импульсной характеристики из текущих сигналов или их записей» (пр.10257) (США), где предлагается алгоритм (The Binaurally Integrated Cross-correlation AutocorrelationMechanism (BICAM)), позволяющий из записанного многоканального сигнала выделять пространственную локализацию источника, отделить прямой звук и его отражения в помещении. Общая структурная схема модели показана на рисунке.

Общая структура для определения бинауральной ИР

«Описание слышимых эффектов нелинейных искажений в громкоговорителях» (пр. 10258, фирма Samsung), в котором представлены результаты серии субъективных экспертиз при различных уровнях нелинейных искажений в громкоговорителях, установлено, какие субъективные термины используют слушатели чаще всего для описания нелинейных искажений (например «Roughness» - жесткость), показано, что их слышимость значительно выше на речи, чем на музыке (аналогичные работы на протяжении ряда лет проводятся на фирме Klippel (Германия).

В шведском докладе «Исследование порогов маскирования для пространственно-распределенных источников» (пр. 10260) представлены результаты анализа порогов маскирования сигнал-шум для пространственно- распределенных источников с использованием системы пространственного звука 22.2 (в предыдущих статьях приводилось ее описание). Показано, что при разнесении сигнала и маскера по распределенным в пространстве источникам, уровень маскировки уменьшается примерно на 5 дБ, однако это существенно зависит от положения источника и маскера в горизонтальной и вертикальной плоскости. 

«Субъективная оценка многоканального аудио и стерео на сотовых телефонах» (пр. 10319) University of Central Punjab - Lahore, Pakistan, представляет результаты субъективных оценок прослушивания музыки через наушники со смартфонов при воспроизведении стерео и многоканального формата, показывающее, что переход на многоканальные форматы существенно улучшает качество восприятия музыка.

На небольшой секции «Cоздание аппаратуры» под председательством представителя фирмы Dolby Laboratories Фила Брауна  было всего 5 докладов. из них можно отметить:

«Методы повышения эффективности низкочастотных громкоговорителей с фазоинверторным корпусом» (пр. 10310), где предлагается метод коррекции низкочастотной части амплитудно-частотной характеристики с помощью DSP для АС с корпусами с фазоинверторами. Этот метод позволяет увеличить эффективность излучения на низких частотах для субвуферов почти на 70%.

«Дизайн фазоинверторов для оптимизации звучания» (пр. 10311) – известно, что при проектировании фазоинверторов в виде отверстий с трубой возникают проблемы появления турбулентного шума на острых углах трубы. Предлагается метод расчета с помощью численного моделирования конструкции трубы с плавным рупорным переходом к отверстию, что уменьшает уровень шумов и увеличивает уровень излучения (на рисунке).

Форма трубы для фазоинвертора

В докладе «Метод оптимизации трехмерной геометрии рупоров» (пр. 10312) предлагается метод трехмерного компьютерного проектирования формы рупоров с помощью численных методов BEM и FEA, обеспечивающих постоянство ширины характеристик направленности в широком диапазоне частот (на рисунке).

Рассчитанная трехмерная форма рупора

«Алгоритм для улучшения прозрачности звучания телефонов» (пр. 10313) – в настоящее время широко используются беспроводные телефоны, в которых имеется встроенный микрофон и так называемые системы с «усиленной реальностью» (Augmented reality), для улучшения разборчивости речи в них. Фирма Dolby предлагает новый алгоритм процессорной обработки входного сигнала через встроенный микрофон.

 На секции «Звукозапись, производство и живой звук» были представлены следующие доклады:

«Автоматический выбор реверберации при микшировании» (пр. 10264, университет Queen Mary University London), где предлагается набор алгоритмов для микширования в реальном времени, позволяющий автоматически вводить реверберацию на основе анализа жанра музыкального материала и в зависимости от поставленных задач, например, для увеличения пространственности, ясности, теплоты, заданного тембра и др. Представленные результаты являются значительным шагом по пути применения «искусственного интеллекта» в автоматизированных системах создания музыкального продукта. 

«Графическое представление микрофонных систем для трехмерной записи музыкальных инструментов» (пр. 10265), (McGill University, Montreal, QC, Canada). Здесь рассматриваются различные виды микрофонных систем, позволяющих обеспечить трехмерные записи характеристик направленности музыкальных инструментов в заглушенной камере (на рисунке), приводятся субъективные сравнения записей. 

Микрофонная система MS XYZ

Еще одни доклад «Влияние зрителей на разборчивость речи при представлении на стадионах и других больших помещениях» (пр. 10267). Его автор – ведущий специалист в этом направлении Питер Мапп. Обычно измерения разборчивости при испытании систем озвучивания на стадионах проводятся в пустом зале, однако наличие зрителей увеличивает затухание и уровень шумов и существенно влияет на коэффициент разборчивости речи, что следует учитывать при проектировании систем звукоусиления.

Интересным был доклад «Открытая база данных звукозаписей сделанных с помощью 3D-микрофонных систем»(ЕВ-543). В этой базе содержатся записи, сделанные с помощью таких микрофонных систем, как OCT-3D, 2L-Cube, PCMA-3D, Decca Tree с высотным микрофоном, Hamasaki Squareс с высотными микрофонами первого порядка и высокого порядка Ambisonics и т.д., всего более 250 разных конфигураций. Записи производились для струнного оркестра, фортепиано, органа, вокала и др. Данные могут быть свободно загружены с адреса www.hud.ac.uk/apl/resources

 Секция «Пространственный звук» содержала самое большое число докладов – 35. Их них можно выделить:

«Определение термина «Погружение» («immersion»): литературный обзор и применение в исследованиях аудиовизуальных экспериментов» (пр. 10275). Поскольку термин «Погружение» («immersion») не определен достаточно точно, то в докладе приведен обзор литературы по этому вопросу, предложено четкое определение этого термина, и дан обзор измерительных техник для оценки его использования в аудиовизуальных экспериментах. 

«Субъективная оценка трехмерных микрофонных систем для создания вертикального и трехмерного звукового образа» (пр. 10274). Были проанализированы записи инструментов симфонического оркестра, сделанные в учебной студии (на рисунке) с помощью таких систем, как совмещенные XYZ, M/S-XYZ, несовмещенные XYZ (пять микрофонов) .Было показано что система M/S-XYZ обеспечивает наибольшую пространственность звукового образа. 

Учебная студия звукозаписи

«Субъективная оценка влияния напольных громкоговорителей в пространственных системах звуковоспроизведения» (пр. 10276), в котором представлены результаты субъективных экспертиз для пространственных систем (на рисунке) с использованием и без использования напольных громкоговорителей, Количественно показано их существенное влияние на эффект звукового погружения. 

Система с напольными громкоговорителями

В чешском докладе «Сравнительное изучение слушательских предпочтений системы 5.1 и Dolby Atmos» проведены результаты экспертиз по таким параметрам, как пространственное впечатление, локализация, динамика, качество звука и общее предпочтение формата. Экспертиза показала, что система Dolby Atmos имеет предпочтения по оценкам, правда, не столь значительные, как можно было бы ожидать (пр. 10278). 

«Количественный анализ теории Soundbar» (пр. 10302) содержит анализ современной теории акустических систем типа Soundbar. Soundbar – это компактная активная система, состоящая из набора громкоговорителей, направленных в разных направлениях (вперед, назад, в стороны) с DSP-управлением характеристикой направленности и подавлением перекрестных связей (на рисунке). Были представлены результаты субъективных оценок, сравнивающих стереосистему, Soundbar и систему 5.1. Было показано, что эта система показала результаты лучше, чем стереосистема, но хуже чем 5.1 в создании ощущения пространственности.

Акустическая система Soundbar

В японском докладе «Компактная матричная система громкоговорителей для создания 3D-звука для персонального использования» (пр. 10304) описывается новая компактная система, состоящая из пяти громкоговорителей на каждой стороне слушателя, предназначенная для создания пространственного звука в домашних условия (на рисунке). Субъективная экспертиза показала положительные результаты. 

Компактная пространственная аудиосистема

В докладе профессора Веслава Войчика, McGill University (Канада) «Тетраидальный микрофон: эффективная АВ-главная система» (ЕВ-554) рассматриваются возможности применения такого типа микрофонов для записи музыкальных инструментов и оркестра, и оценивается полученное качество записей при разной локализации и расположении микрофонов.

 На секции «Аудиообразование» было представлено четыре доклада: «Использование многоканальных ресурсов записей в образовании звукорежиссеров» (пр. 10297) (Leeds Beckett University - Англия), в котором представлены результаты педагогических исследований по применению технических, музыкальных и социокультурных знаний в создании многоканальных записей. 

«Применение интеллектуальных способностей при критическом прослушивании» (пр. 10299) анализируется в докладе University of Technology, Сидней, Австралия) по результатам тренировки студентов в процессе обучения аудиоспециальностям. 

«Разрыв поколений в восприятии аналогового и цифрового микширования» (пр. 10300) - результаты собеседований с представителями аудиоспециалистов разного возраста показали, что более молодое поколение предпочитает записи с цифровым микшированием (более 79%), более старшее предпочитает аналоговый формат.

 В секции «Применение в аудио» рассматривались следующие доклады:

«Оценка многоканального аудио в автомобилях» (пр. 10219), где были приведены результаты сравнительного прослушивания многоканального и стереозвука в автомобилях. Результаты показали, что разница в оценках качества звука не очень велика, в то же время разница при переходе на пространственный звук в мобильных устройствах дает очень значительный эффект. 

«Уменьшение эффекта дорожного шума при прослушивании музыки в автомобилях» (пр. 10217), где предложен новый алгоритм активного подавления шумов, который позволяет сохранить частотные характеристики музыкального сигнала. 

«Измерение разборчивости речи с использованием бинауральной импульсной характеристики» (ЕВ 533), в нем предлагается метод оценки разборчивости речи в классных аудиториях, основанный на измерениях импульсных характеристик на искусственной голове, и последующих расчетах из них таких параметров для оценки разборчивости речи, как С50.

 В секции «Процессорная обработка аудосигналов» рассматривались такие доклады, как:

швейцарский доклад «Модификация аудиосигналов для уменьшения влияния помещения» (пр. 10226) предлагает принципиально новый алгоритм для уменьшения влияния помещения на акустическиехарактеристики источника, что позволяет решать чрезвычайно важные проблемы, например запись музыкальных инструментов и измерения их параметров в незаглушенных помещениях. 

«Оптимизация линейных массивов с помощью инновационной многоканальной фильтрации» (ЕВ 561), где предлагается новый алгоритм оптимизации, устойчивый к разбросу параметров громкоговорителей.

Кроме докладов на сессии проходило большое количество семинаров по очень широкому кругу вопросов, например: Акустика и Психоакустика, Архивирование и реставрация, Звук в кино, Создание электронных инструментов, Пространственный звук, Звукоусиление и др.

Как обычно, был проведен полный комплекс мероприятий для студентов: научная сессия, студенческая ассамблея, соревнование звукозаписей и др.