Ambisonické reprodukční systémy - Ambisonic reproduction systems

Návrh reproduktorové systémy pro přehrávání Ambisonic se řídí několika omezeními:

• požadovaný prostorový provozní rozsah (pouze horizontální, polokulovitý, plná koule),
• převládající rozlišení (= Ambisonic order) očekávaného programového materiálu,
• požadovaný lokalizační výkon a velikost poslechové oblasti versus dostupný počet reproduktorů a zesilovacích kanálů a
• teoreticky optimální rozložení reproduktorů versus skutečně dostupné možnosti umístění a / nebo vybavení.

Tato stránka se pokouší diskutovat o interakci těchto omezení a jejich různých kompromisech v teorii a praxi, jakož i o vnímacích výhodách nebo nevýhodách konkrétního rozložení reproduktorů, které byly pozorovány při skutečném nasazení.

Obecné úvahy

Efekt blízkého pole

V původní formulaci Ambisonics předpokládaný zdroje rovinných vln pro reprodukci, což znamená, že reproduktory jsou nekonečně daleko. Tento předpoklad povede k výraznému zesílení basů u reproduktorových souprav malého průměru, které se zvyšuje s Ambisonic řádem. Příčina je stejná efekt blízkosti k tomu dochází u směrových mikrofonů. Proto je vhodná vhodná kompenzace blízkého pole (vyrovnání basů).

Vzdálenost reproduktorů vs. úhly

Stejný předpoklad rovinné vlny umožňuje měnit vzdálenost reproduktorů v rozumných mezích, aniž by narušil správnou funkci dekodéru, za předpokladu, že je rozdíl kompenzován zpožděním, výkon je upraven na jednotnou hlasitost ve středu a že na -je použita kompenzace blízkého pole reproduktoru. Vzdálenost nemá vliv na matici dekodéru.

Variabilní vzdálenost reproduktorů je tedy nejdůležitějším stupněm svobody při nasazování idealizovaných rozvržení ve skutečných místnostech. Je omezen dozvukem místnosti, který vede k nerovnoměrným poměrům přímého dozvukového efektu mezi reproduktory na různé vzdálenosti a schopností manipulace s výkonem nejvzdálenějšího reproduktoru. Pokud je třeba reproduktory posunout velmi blízko, je třeba dbát na to, aby stále pokrývaly celou oblast poslechu přiměřeně plochou frekvenční odezvou.

Úhly reproduktoru na druhou stranu by se mělo dodržovat co nejpřesněji, pokud nelze v terénu generovat optimalizovaný nepravidelný dekodér.

Horizontální vs. přesnost celé koule

U obsahu pouze s horizontální orientací poskytují horizontální systémy stabilnější lokalizaci při vysokých frekvencích než ty s plnou sférou, jak ukazuje simulace vektoru energie ${ displaystyle { vec {r_ {E}}}}$. Pokud je tedy požadována příležitostná reprodukce pouze ve vodorovném směru s nejvyšší přesností, je výhodné použít rozložení s plnou sférou a hustým vodorovným prstencem.

Fázování

Protože více reproduktorů nevyhnutelně vyzařuje velmi vysoce korelovaný obsah, může se u pohybujícího se posluchače objevit a fázovací efekt který ovlivňuje vnímané zabarvení a může narušit lokalizaci. Fázovací artefakty jsou nejvýznamnější v suchých místnostech na velmi přesně kalibrovaných systémech. Lze je snížit přidáním výškových reproduktorů, které mají tendenci efekt vyhlazovat, nebo vyladit na subjektivní minimum zavedením odstupňovaných zpoždění reproduktorů, s pochopením, že to může nepříznivě ovlivnit nízkofrekvenční lokalizaci, pokud dojde k přehřátí.

Problémy s fázováním se obvykle projeví v prostředích s průchodem a mají menší zájem o sedící publikum, pokud není interferenční vzor tak hustý, že je vnímán malými pohyby hlavy.

Okluze reproduktoru

Pro prostředí s více posluchači a posluchárny okluze řečníků ostatní posluchači nesmí být podhodnoceni. Obecně platí, že čím vyšší je objednávka a čím fyzicky je reprodukce přesnější, tím je robustnější, až do bodu, kdy okluze vytváří realistické efekty, které jsou v souladu s vizuálním vnímáním postiženého posluchače. U systémů nízkého řádu však může rekonstrukce snadno selhat úplně, když je blokována přímá viditelnost reproduktorů, což vedlo k podivným uspořádáním sedadel při poslechových testech.^[1]

Systémy s výškou obvykle poskytují více nerušených přímých viditelností na jeden směr pro dané publikum, což by mohlo zvýšit jejich robustnost.

Počet reproduktorů vs. rozlišení zdrojového materiálu

Solvang^[2] a další prokázali, že použití mnohem více, než je minimálně požadovaný počet reproduktorů, může být na škodu. Důvod je prostý: více reproduktorů s konstantním úhlovým rozlišením znamená vyšší přeslech a tedy vyšší korelaci mezi reproduktory. Pokud není spravováno, vede to k silnějšímu efektu filtrování hřebenů a fázovým artefaktům při pohybu posluchače.

Proto s některými dekódovacími technikami může být vhodné zvážit, zda a jak lze do jakéhokoli systému systému vyššího řádu nasadit rozumně pravidelný dekodér nižšího řádu, který některé reproduktory vynechává. Například osmiúhelník třetího řádu umožňuje dokonale pravidelný čtverec prvního řádu, který používá pouze všechny ostatní reproduktory.

Pouze horizontální systémy

Horizontální přehrávací soupravy jsou nejčastěji nasazované a nejvíce prozkoumávané reproduktorové systémy Ambisonic, protože po konvenčním stereu představují další ekonomický krok. Mohou reprodukovat obsah celé koule, ale zvýšené zdroje se promítnou do vodorovné roviny a zdroje v zenit a nadir budou reprodukovány mono všemi dostupnými reproduktory.

Literatura je plná horizontálních dekodérů založených na jednodušších válcové harmonické, které nezávisí na výškovém úhlu ${ displaystyle phi}$. Jejich použití se nedoporučuje, protože nesprávně předpokládají válcové vlny, které by pro reprodukci vyžadovaly perfektní lineární zdroje. Aktuální reproduktory jsou bodové zdroje a nevyhnutelně budou propouštět energii podél svislé osy, což má důsledky pro kompenzaci blízkého pole a ladění dvoupásmových dekodérů. Válcové dekodéry proto obvykle nesplňují Ambisonická kritéria.

Trojúhelník

Teoretické minimum reproduktorů pro horizontální přehrávání je ${ displaystyle 2 ell +1}$nebo počet komponent Ambisonic. Trojúhelník však ukazuje, že pro správnou rekonstrukci zvukového pole je nezbytný alespoň jeden další reproduktor, protože vykazuje extrém zadržení mluvčího: při posouvání se zvuky budou držet míst reproduktorů a poté přeskočí na dalšího reproduktoru, místo aby zobrazovaly jednotný pohyb. V důsledku toho směry ${ displaystyle { vec {r_ {V}}}}$ a ${ displaystyle { vec {r_ {E}}}}$ neshodují se mezi reproduktory, což způsobuje chyby lokalizace.^[3]

Proto je trojúhelník vhodným nastavením pro Ambisonic reprodukci pouze při nízkých frekvencích.

Čtvercové nebo obdélníkové nastavení

Nastavení se čtyřmi reproduktory je nejekonomičtější způsob reprodukce vodorovného materiálu prvního řádu a obdélníkové uspořádání se nejsnadněji vejde do obývacího pokoje, díky čemuž je toto nastavení nejběžnější v domácím prostředí. U obdélníků dochází k kompromisu s výkonem lokalizace: krátké strany se lokalizují stabilněji než čtverec, dlouhé strany horší. V důsledku toho pozorovali Benjamin, Lee a Heller (2008) u převážně frontálních zvukových scén preference obdélníkového rozložení před čtverci.^[4]

Všechno starší domácí hardwarové dekodéry podporovaná obdélníková rozvržení, obvykle s proměnnými poměry stran.

ITU 5.1

Je lákavé zvážit 5.1 systémy pro přehrávání Ambisonic kvůli jejich široké dostupnosti, ale rozložení ITU-R BS775 je vůči Ambisonics docela nepřátelské kvůli své extrémní nepravidelnosti. Tři přední reproduktory jsou tak blízko u sebe (-30 °, 0 °, + 30 °), že budou vykazovat výrazné přeslechy prvního řádu, což bez jakékoli výhody způsobí dráždivé fázové artefakty. Proto je vhodné vynechat středový reproduktor a dekódovat pouze pro L, R, Ls a Rs, jak to bylo provedeno ve všech předem dekódovaných G-formát vydání pro 5.1. Tyto disky formátu G také předpokládají obdélníkové rozložení. Pokud je požadováno přehrávání prvního řádu, zadní reproduktory by měly být odpovídajícím způsobem přesunuty, jinak bude zobrazení Ambisonic velmi nestabilní kvůli širokému úhlu mezi prostorovými reproduktory.

Dekódovací přístupy k 5.1 byly poprvé navrženy Gerzonem a Bartonem v roce 1992^[5] a následně patentován (USA 5757927 ). Adriansen poskytuje bezplatný dekodér druhého řádu získaný genetickým hledáním,^[6] a Wiggins (2007) ukázali, že zdrojový materiál až čtvrtého řádu může být přínosem pro „řízení“ dekódovacích funkcí, i když systém není schopen reprodukovat plné prostorové rozlišení.^[7]

Materiál druhého a třetího řádu lze uspokojivě přehrávat přes rozložení ITU 5.1, ale kvůli problémům s reprodukcí prvního řádu by neměl být považován za Ambisonics, s výjimkou kompromisu, když převažuje obsah 5.1.

Šestiúhelník

Pokud je k dispozici šest reproduktorů a dostatek místa, šestiúhelník je velmi dobrá volba, která překonala čtyřkanálové nastavení pro reprodukci prvního řádu v poslechových testech^[4] a je schopen reprodukce druhého řádu. Může být poháněn levnou zvukovou kartou 5.1 a domácím zesilovačem 5.1, pokud LFE výstup je plný rozsah.

Při použití s ​​jedním reproduktorem vpředu lze šestiúhelník zneužít pro nativní přehrávání 5.1 na úkor výrazně širšího a rozmazanějšího stereofonního pódia (120 ° oproti 60 ° mezi L a R podle ITU-R BS775). Alternativně lze přiměřeně ostré virtuální reproduktory na kanonických místech ITU vytvořit pomocí nástrojů druhého řádu - to je zajímavá možnost, pokud je fantomové centrum tolerovatelné, a bude také pracovat s orientací dva vpředu, což ponechává více prostoru pro televizi nebo projekční plátno.

Osmiúhelník

The Osmiúhelník je flexibilní volbou pro přehrávání až třetího řádu. Při orientaci jeden vpředu může být použit pro přiměřeně přesné nativní přehrávání 5.1 (L a R při +/- 45 ° vs. 30 ° a obklopuje standardizovaný sektor při +/- 112,5 °). U prvního řádu by se fázové artefakty mohly stát zjevnými za nereverberantních podmínek poslechu díky použití podstatně většího počtu reproduktorů, než je požadováno, a výsledky Solvang (2008) naznačují mírně zvýšené timbral defekty mimo sweet spot.^[8]

S osmi kanály může být osmiúhelník poháněn cenově dostupným spotřebním zařízením 7.1, pokud je výstup LFE plný rozsah. Ve třetím pořadí je to rozumná spodní hranice pro posílení koncertního zvuku v rozšířené oblasti poslechu, ať už pro nativní obsah Ambisonic nebo k výrobě virtuálních reproduktorů,^[9] u kterého bylo za příznivých podmínek zjištěno, že se rozšiřuje na několik stovek posluchačů.^[10]

Systémy s omezenou výškovou reprodukcí

Skládané kroužky

Skládané prsteny jsou oblíbeným způsobem, jak dosáhnout omezené reprodukce výšky. Prostorové rozlišení bude slabé poblíž zenitu a nadiru, ale u zdrojů zvuku se jedná o poněkud vzácné polohy. Kroužky se obecně snáze montují než (polo) sférické nastavení, protože nevyžadují horní vazníky, stojany reproduktorů lze sdílet, pokud kroužky jsou zkroucené a pro vchody, únikové cesty atd. lze snáze umístit.

Nejběžnější varianty jsou dvojité šestiúhelníky a osmiúhelníky.

Od zavedení # H # V schémata smíšených objednávek podle Travise (2009),^[11] skládané kroužky lze provozovat v plném horizontálním rozlišení i pro zvýšené zdroje. Dekódovací matice # H # V pro běžná rozvržení jsou k dispozici od Adriaensen (2012).^[6]

Trojité prsteny jsou vzácné, ale byly použity pro dobrý efekt.^[12]

Systémy horní polokoule

Vzhledem k tomu, že skládané prstence jsou poněkud nehospodárné ve vyšších nadmořských výškách a nutně mají díru v zenitu, byly do značné míry překonány polokulovitým uspořádáním, protože jsou k dispozici vyspělé metody generování dekodéru. Protože se obtížně montují a vyžadují horní body, hemisféry se obvykle nacházejí buď ve stálých instalacích, nebo v experimentálních studiích, kde není problém s nákladným a vizuálně rušivým vazníkem.

Celo sférické systémy: platonické pevné látky

Pravidelný Platonické pevné látky jsou jediné rozložení s plnou sférou, pro která existují uzavřená řešení pro dekódování matic. Před vývojem a přijetím moderních matematických nástrojů pro optimalizaci nepravidelného rozvržení a generování T-vzory a Lebedevovy mřížky s vyšším počtem řečníků byly obyčejné mnohostěny jedinou přijatelnou možností.

Čtyřstěn

Čtyřboká nastavení reproduktorů bylo použito v 70. letech pro první pokusy o reprodukci zvuku v celé sféře. Jeden takový experiment provedl Oxford University Tape Recording Society byl dokumentován Michaelem Gerzonem v roce 1971.^[13][14][15]V tomto nastavení byl čtyřstěn zapsán do kvádru pomocí všech ostatních rohů.

Přes Gerzonův poněkud nadšený popis (který předchází zavedení Ambisonics a správné formulaci jeho psychoakustická kritéria ), čtyřstěn vykazuje ve 3D stejné problémy se stabilitou, které trápí trojúhelník pouze pro horizontální reprodukci. Je to životaschopná volba pro adekvátní reprodukci celé koule pouze při nízkých frekvencích.

Octahedron

The osmistěn je obtížné nastavit ve „vzpřímené“ orientaci, protože posluchač by zakryl podlahového reproduktoru. Proto je obvykle upřednostňováno „šikmé“ nastavení. Poskytuje základní reprodukci prvního řádu v celé sféře pro jednoho posluchače.

Goodwin (2009) navrhl šikmý osmistěn se samostatným středem vpředu (který nazývá 3D7.1)^[16] jako alternativní způsob použití 7.1 systémy dosáhnout ve hrách Ambisonic reprodukce ve výškách a umožnit přiměřeně přesné nativní přehrávání 5.1. OpenAL herní audio backend a dekodér pro toto nastavení je komerčně dostupný.^[17]

Krychle

Nejčastěji se setkáváme s celo sférickými systémy kostky nebo obdélníkový kvádry. Platí stejná kompromisy ohledně lokalizace jako u čtverce vs. obdélníku (viz výše). Kaboidy se snadno vejdou do standardních místností a poskytují přesnou lokalizaci v prvním pořadí pro jednoho posluchače plus příjemnou obálku pro jednoho nebo dva další a lze je postavit pomocí běžných komponent 7.1. Pokud jsou všechny reproduktory umístěny v rozích místnosti, jejich akustické zatížení a výsledné zvýraznění basů budou jednotné, což znamená, že je lze všechny vyrovnat stejným způsobem.

Dvacetistěnu

Kvůli konzistenci uvažujeme vrcholy pravidelných mnohostěnů jako pozice řečníků, což činí dvanáctvertex dvacetistěnu další v seznamu.^{[poznámka 1]} Pokud jsou k dispozici vhodné možnosti lanoví, je schopen reprodukce v celé sféře druhého řádu. Dobrou a trochu praktičtější alternativou je horizontální šestiúhelník doplněný dvěma zkroucenými trojúhelníky na podlaze a stropu.

Dodecahedron

S dvaceti vrcholy^{[poznámka 1]} dvanáctistěn je schopen přehrávání celé koule třetího řádu. Rozpočet dodecahedra lze postavit kombinací čtyř domácích sad 5.1, jak je znázorněno na IRCAM Studio 4,^[18] což by také umožnilo čtvercové horizontální dekódování subwooferu,

Nepravidelné rozložení reproduktorů

Je možné dekódovat Ambisonics a Higher-Order Ambisonics na poměrně libovolná pole reproduktorů, což je předmětem probíhajícího výzkumu. Řada bezplatných nástrojů pro dekódování i komerční implementace^[19] jsou dostupné.

Binaurální stereo

Ambisonics vyššího řádu lze dekódovat tak, aby produkovaly 3D stereofonní sluchátkový výstup podobný tomu, který se vyrábí pomocí binaurální záznam. Toho lze dosáhnout mnoha způsoby, včetně použití virtuálních reproduktorů v kombinaci s HRTF data.^[20] Jsou možné i jiné metody.^[21]

Poznámky

Reference