Сегодня 02 июля 2025
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Звук и акустика

3D-звук. Часть 1

"3D" в переводе на русский - это три проекции (три измерения). То есть, что-то трехмерное… Давайте рассмотрим, как это возможно реализовать в звуке…

Естественный бинауральный эффект

Строение человеческого слуха подразумевает стереоскопичность восприятия. Давайте проведем параллель с нашими органами зрения. Поднесите палец на расстояние 10 сантиметров от своего носа. Закройте правый глаз, и палец сместится несколько влево, а, закрыв левый глаз, вы получите обратный эффект. Это расстояние разницы между видимыми ощущениями правого и левого глаз именуется параллаксом. Если этот опыт повторить и расположить палец на более дальнее расстояние, параллакс станет меньше. В принципе, это и есть основа нашего трехмерного (3D-видения). Явление параллакса не случайно, поскольку позволяет не только видеть предметы в объеме, но и определять расстояние до них, что, по сути, очень взаимосвязано.

Звук мы также слышим в трехмерном пространстве, используя другие органы - парные органы слуха, но, с некоторым отличием… Воспринимаемый диапазон частот световых волн равен 4 - 7,5 * 10 в четырнадцатой степени Гц, к этому следует прибавить предельную скорость света. Звуковые волны находятся в гораздо более низком диапазоне 20 Гц - 20 КГц и скорость звука намного меньше (ок. 340 м/с). В этом заключается принципиальная разница восприятий.

Если в свете распространены длины волн во много раз меньшие, чем расстояние между глазами и предельная скорость распространения световых волн, то в звуке длины волн на низких частотах превышают расстояние между правым и левым ухом. В результате чего мы в некоторых диапазонах просто физически не можем ощутить слуховой "параллакс" или, как мы его назовем, бинауральную локазацию. Допустим, у нас есть источник, излучающий звук с частотой 20 Гц, при скорости звука в 340 м/с, длина волны будет составлять 17 м (длина волны численно равна частному скорости от частоты или произведению скорости на период).

Среднее расстояние между правым и левым ухом равняется 0,2 м. Соотвественно, если мы повернемся к источнику правой стороной, то временная разница между тем как звук пришел в правое ухо, а потом в левое будет составлять примерно 1,2 % от всего периода 20 Гц волны. Соответственно, ни о какой бинауральной локализации источника и речи быть не может. В диапазоне от 300 до 1000 Гц наш мозг может анализировать фазовый сдвиг и определять локализацию источников звука. С диапазоном выше 1КГц ситуация меняется, поскольку волны с этими частотами начинают быстро затухать и мозг производит больше не фазовую бинауральную локализацию, а амплитудную. В результате, мы имеем три зоны бинауральной локализации и два типа ее осуществления.

В принципе, данный подраздел уже говорит о получении и обработке информации нашим мозгом.

50/50

Джордж Лукас, режиссер и автор "Звездных войн" утверждал, что звук - это 50% человеческого восприятия при просмотре кинокартины, поэтому он разработал стандарт THX, который бы хоть как-нибудь уравновешивал технологии звука в записи и воспроизведении. Лукас был удивлен тому, что звук в студии при монтаже фильма сильно отличается от звука в кинотеатрах… Во-многом, поэтому многоканальные системы стали развиваться в другом направлении. Звукорежиссеры стали изучать психоакустику.

Далее…


Бинауральные модели стали испытываться еще с начала XX века. Вы видите перед собой манекен, где вместо правого и левого уха вставлены микрофоны. На базе анализа входящих данных можно было создать математический алгоритм локализации объектов в реальном пространстве и их человеческих ауральных ощущений. Об этом после…

История

Исследованиями природы звука люди стали заниматься достаточно давно. Догадаться о том, что звук имеет волновую природу совсем нетрудно - достаточно посмотреть на колебания натянутой струны, закрепленной с обоих концов. Первые серьезные исследования в этой области стал проводить Пифагор (6 в. до н. э.), который доказал зависимость высоты тона от длины струны и вывел определенный звукоряд, впоследствии долгое время применявшийся в музыке. Чуть ближе к нам по сетке времени Аристотель, который предположил, что звук - это упругие колебания воздуха. В 18 веке русский ученый М.В. Ломоносов доказал, что газы, в том числе и воздух, обладают свойством упругости. А 1807 год можно считать ключевым в истории звука, поскольку в это время английский ученый Томас Юнг окончательно установил его природу. Причем в качестве подручных средств он использовал шип розы, бокал и закопченое стекло. Прикрепив сургучом шип к бокалу и, направив конец иглы на поверхность стекла, ученый ударил по бокалу, заставив его звенеть и в это время начал смещать стекло. В результате на закопченной поверхности появилась извилистая линия, которая, как мы теперь уже знаем, соответствовала форме звуковой волны. В этом же году, Юнг создал первый самописец, состоящий из камертона и закопченного цилиндра.

Теперь перенесемся во Францию, во Французский Институт. В этом же, 1807 году, математик и физик Жан Батист Жозеф Фурье представляет доклад о синусоидальном представлении температурных распределений. Данная научная работа содержала спорное утверждение о том, что любой непрерывный периодический сигнал может быть представлен суммой выбранных должным образом сигналов синусоидальной формы. К сожалению, эта работа была отклонена, так как против предположения Фурье высказался не менее знаменитый математик Жозеф Луи Лагранж, состоявший тогда в комитете института. Он сказал, что данный метод неприменим к разрывным функциям, например, таким как сигнал прямоугольной формы. В частности правы были оба. Но работа Фурье, ставшая ключевой для современной науки, была издана на много лет позже (в 1822 году), уже после смерти Лагранжа.

В 1827-м известный немецкий физик Георг Ом высказал предположение, что воспринимаемый нами звук - это сумма синусоидальных колебаний, и человеческое ухо способно разлагать его спектр на частотные составляющие (простые тона). Впоследствии это и подтвердилось открытием Фурье, которое применили к описанию звуковых колебаний.

Трехмерная звуковая модель

Окружающие нас звуки имеют сложную структуру, поскольку состоят из множества простых частотных составляющих. Благодаря открытиям Фурье, Ома, Юнга и их последователей мы сейчас имеем дело с современным трехмерным представлением звуковой модели.



Трехмерная модель представления сложной звуковой волны.

Если посмотреть на эту проекцию слева, то можно увидеть амплитудно-временной график, практически тот же, что получил Юнг на самописце, и с которым мы привыкли работать в звуковых редакторах.



Амплитудно-временное представление сложной звуковой волны.

Если будем смотреть справа, то получим спектрограмму (то, что предложил Фурье и предположил Ом).



Амплитудно-частотное представление сложной звуковой волны (спектрограмма).

Продолжение следует…

 
 
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
В Android теперь можно изменять RCS-сообщения, присланные с iPhone 25 мин.
В Threads появились собственные личные сообщения — без перехода в Instagram 7 ч.
Одной из двух замороженных игр People Can Fly была Outriders 2 — подробности отменённого сиквела 8 ч.
Telegram добавил списки задач и посты от подписчиков — на последних можно зарабатывать 8 ч.
Bloomberg раскрыл список «очень состоятельных» претендентов на покупку TikTok в США 9 ч.
Rockstar вспомнила о Red Dead Online — для мультиплеерного боевика вышло первое за долгое время крупное обновление 9 ч.
Психологический хоррор Dead Take сотрёт границу между кино и играми — в главных ролях оказались звёзды Baldur’s Gate 3 и Clair Obscur: Expedition 33 12 ч.
Nvidia выпустила драйвер с поддержкой GeForce RTX 5050 12 ч.
System Shock 2: 25th Anniversary Remaster получила новую дату выхода на PlayStation, Xbox и Nintendo Switch 13 ч.
Разработчик конфиденциальных сервисов Proton решил засудить Apple за недобросовестную конкуренцию 13 ч.
SpaceX увеличила темпы утилизации спутников Starlink — учёные предупреждают о рисках 22 мин.
Федеральный суд в США отказался снять обвинения с Huawei в нарушении санкций 2 ч.
Задняя панель Nothing Phone 3 стала больше похожа на экран смартфона 3 ч.
Новая статья: Обзор смартфона HONOR 400 Pro: настоящая уличная магия 5 ч.
Apple оштрафовали на $110 млн за незаконное использование технологии связи 20-летней давности 6 ч.
Новая статья: Обзор системного блока Bloody BD-PC CZ79C3: главное — настрой! 7 ч.
Apple обвинила экс-инженера Vision Pro в краже тысяч секретных файлов перед переходом к конкуренту 8 ч.
Отечественный квантовый процессор с наибольшим числом кубитов прошёл испытания и готов к масштабированию 9 ч.
Nothing представила накладные наушники Headphone (1) — аналоговое управление, звук KEF и автономность до 80 часов за €299 10 ч.
Marshall представила портативную колонку Middleton II с автономностью до 30 часов и LE Audio — она работает даже под водой 11 ч.