Устройство записи бинаурального объёмного звука "Сфера-10"
BINAURAL SURROUND SOUND RECORDING DEVICE "SPHERE-10"

Предлагаемое изобретение относится к области звукозаписи, более конкретно, к приближенной к человеческому восприятию записи источников звука и их направления, как статичных, так и движущихся объектов, из любой точки пространства (сферы).
Как известно, обычная стереозапись не учитывает расстояние между ушами, «звуковую тень» и отражение звука от головы и ушных раковин, хотя они вносят свои изменения в распространение звука (акустическую  разницу и акустическую разницу громкости). Если говорить о современных методах записи объёмного звука, как правило используется запись с моно- либо стерео-микрофонов, с различных направлений от объекта. Затем, полученный материал в виде фонограмм спереди, сзади и т.п. звукорежиссёр сводит в одну многоканальную звуковую дорожку, используя программный либо аппаратный микшер. В итоге мы слышим объёмный звук в многоканальном формате 5.1, 7.1, 9.1 через системы кинотеатров. Но такой метод очень трудоёмкий, требующий больших финансовых затрат и времени и к бинауральному восприятию звуков человеком его сложно отнести.
При осуществлении бинауральной звуковой записи одним из важнейших критериев является расположение микрофонов. Обычно этот метод записи осуществляется с использованием модели головы человека, с анатомической точностью повторяющей ушной канал, куда устанавливается микрофон и ушные раковины. Прежде всего, стоит отметить, что при таком методе мы получаем запись с «эффектом ушей». Фундаментальная ошибка такого метода в том, что микрофонную мембрану приравнивают к органу слуха, и тут дело не в чувствительности, а в способе восприятия. Микрофонная мембрана способна передавать направление звуковой волны только в одной плоскости, и нельзя, имея только два микрофона, записать звук с круговым позиционированием (не путать с звуковым охватом).
Также из уровня техники известен метод бинауральной записи звука с использованием диска Джеклина. В этом случае расстояние между мембранами микрофонов составляет 35 см, что даёт «широкую» базу. Угол отклонения осей микрофонов относительно плоскости диска Джеклина составляет 30°, что в сумме равно 60°. Такой метод записи показывает хорошую стереобазу, хорошие планы и объективную локализацию источников звука (при прослушивании в наушниках). Для достижения хорошего результата записи необходим правильный акустический баланс и возможность выбора наиболее оптимальной точки в пространстве для местоположения самого диска Джеклина, что не всегда возможно обеспечить.
Одним из наиболее близких технических решений можно считать метод формирования бинауральных сигналов и устройство для его реализации, раскрытые в RU 2 505 941 от 27.01.2014. Устройство генерирует на базе многоканального сигнала, представляющего совокупность множества каналов, бинауральный сигнал, предназначенный для воспроизведения через систему динамиков, при этом положение каждого виртуального источника звука соотнесено с индивидуальным каналом. Устройство включает в себя минимизатор корреляции, дифференцированно преобразующий и за счет этого ослабляющий корреляцию между, по меньшей мере, одним левым и правым, одним передним и задним и одним центральным и нецентральным каналом из множества каналов с целью формирования комбинации каналов с минимизированным взаимным подобием; множество направленных фильтров; первый микшер, смешивающий выходные сигналы направленных фильтров, моделирующий передачу звука к первому ушному каналу слушателя, и второй микшер, смешивающий выходные сигналы направленных фильтров, моделирующий передачу звука ко второму ушному каналу слушателя.
К основным недостаткам прототипа можно отнести отсутствие возможности кругового позиционирования при записи объемного звука с эффектом присутствия, а также достаточно сложное конструктивное исполнение устройства записи бинаурального объемного звука.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании простой, технологичной в производстве и использовании конструкции устройства записи бинаурального объемного звука.
Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении возможности создания высококачественной объёмной бинауральной записи с круговым позиционированием, т.е. приближенной к человеческому восприятию записи источников звука и их направления, как статичных, так и движущихся объектов, с любой точки пространства (сферы), а также обеспечение возможности записи объёмного звука с одной точки.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство записи бинаурального объемного звука включает систему микрофонов, держатель микрофонных блоков, закрепленный на микрофонной стойке, и программно-аппаратную часть. Новым, согласно предлагаемому изобретению, является то, что система микрофонов разделена на два микрофонных блока, выполненных с возможностью крепления на держателе микрофонных блоков таким образом, что оба микрофонных блока находятся на одной горизонтальной линии, каждый микрофонный блок представляет собой корпус кубической формы, одна стенка которого предназначена для крепления на держателе микрофонных блоков, а во всех остальных стенках, по центру, выполнены конические углубления с посадочными гнездами, в каждом из которых размещен микрофон, при этом программно-аппаратная часть включает в себя:
- блок усиления на каждый микрофон;
- блок с десятиканальным аналогово-цифровым преобразователем, с синхронной выборкой, выполненный с возможностью осуществления многоканальной параллельной записи со всех микрофонов одновременно;
- программный микшер, выполненный с возможностью сведения оцифрованных записей со всех каналов в единый файл;
- и блок записи, выполненный с возможностью записи полученного единого файла на электронный носитель.
Предложенная программно-аппаратная часть в совокупности с микрофонными блоками, расположенными на одной горизонтальной линии и имеющими десять аудио каналов, транслируемых с каждого микрофона (по пять на блок), позволяет осуществить позиционирование звуков с шести направлений, при этом направление источников звука формируется, главным образом, за счёт разности амплитуды падающей звуковой волны (громкости), воспринимаемой мембранами микрофонов с различных плоскостей, что позволяет создать глубину и объём звукозаписи, преобразовать полученный сигнал в цифровой и далее записывать на электронный носитель.
Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков является необходимой и достаточной для реализации заявляемым устройством своего назначения (записи бинаурального объемного звука) и достижения заявленного технического результата - обеспечения возможности создания высококачественной объёмной бинауральной записи с круговым позиционированием, а также обеспечение возможности записи объёмного звука с одной точки.
Может оказаться целесообразным, если посадочные гнезда для установки микрофонов будут выполнены в нижних точках конических углублений и иметь цилиндрическую форму с отверстием для вывода проводов.
Может оказаться целесообразным, если каждый микрофон будет представлять собой капсюльный электретный однонаправленный микрофон с кардиоидной или суперкардиоидной диаграммой направленности и будет размещен в коническом углублении таким образом, что его мембрана будет повёрнута наружу, параллельно плоскости стенки, в углублении которой размещен этот микрофон.
Может оказаться целесообразным, если корпус каждого микрофонного блока будет выполнен из полимерного материала с плотностью, обеспечивающей препятствие для прохождения звуковой волны, и внутри корпуса каждого микрофонного блока будет предусмотрена полость для размещения проводов, идущих от микрофонов, с наружным отверстием для вывода, по центру боковой стенки, предназначенной для крепления на держателе микрофонных блоков, при этом микрофонные блоки будут разнесены друг от друга на расстояние 13 см, что соответствует среднему расстоянию между ушами взрослого человека.
○
Может оказаться целесообразным, если конические углубления будут выполнены с углом стенок 45, а наружная грань конических углублений, переходящая на корпус, будет иметь скругление.
Далее предлагаемое изобретение будет раскрыто более подробно, со ссылкой на графические материалы, на которых:
- на фиг.1 – принципиальная схема устройства;
- на фиг.2 – 3D-модель устройства;
- на фиг.3 – микрофонный блок, вид спереди;
- на фиг.4 – микрофонный блок, вид сбоку;
- на фиг.5 – микрофонный блок, вид сверху;
- на фиг.6 – микрофонный блок, изометрия;
- на фиг.7 – 3D-модель микрофонного блока.
Общий вид предлагаемого устройства записи бинаурального объемного звука представлен на фиг.1 и фиг.2. Устройство имеет микрофонную стойку 1, держатель микрофонных блоков 2 и систему микрофонов, разделенную на левый микрофонный блок 3 и правый микрофонный блок 4.
Микрофонная стойка 1 предназначена для закрепления на ней держателя микрофонных блоков 2 и в зависимости от условий эксплуатации может быть выполнена телескопической (не показано). Держатель микрофонных блоков 2 может быть закреплен на микрофонной стойке 1 подвижно (с возможностью вращения) или неподвижно, съемно или неразборно, что также зависит от условий эксплуатации. Микрофонная стойка 1 и держатель микрофонных блоков 2 могут быть выполнены трубчатой формы из любого подходящего материала – металл или сплавы, различные виды пластика и т.д.
Для осуществления бинауральной записи звука предусмотрена система микрофонов, имеющих свой отдельный канал записи: фронтальный правый 5, фронтальный левый 6, боковой правый 7, боковой левый 8, тыловой правый 9, тыловой левый 10, верхний правый 11, верхний левый 12, нижний правый 13 и нижний левый 14, всего 10 каналов. Предпочтительным (но не единственно возможным) является использование однонаправленных капсюльных электретных микрофонов (не показаны), имеющих кардиоидную или суперкардиоидную диаграмму направленности, для работы в конкретном звуковом поле. Такой микрофон представляет собой капсюль цилиндрической формы, устанавливаемый в посадочное гнездо.
Каждый микрофон размещен в рупоре, что позволяет сфокусироваться на восприятии звуковых волн в целевом пространственном звуковом поле, а именно, фронтальном, боковом левом, боковом правом, тыловом, верхнем и нижнем. Микрофоны устанавливаются таким образом, чтобы мембрана каждого микрофона была повёрнута наружу, параллельно плоскости стенки, в углублении которой размещен этот микрофон.
Для обеспечения бинаурального эффекта микрофоны размещены в двух микрофонных блоках 3 и 4 с созданием стереопар микрофонов верхнего, фронтального, тылового, нижнего и бокового полей.
Микрофонные блоки 3 и 4 размещаются на держателе микрофонных блоков 2 на одной горизонтальной линии, предпочтительно, на расстоянии 13 см друг от друга, что соответствует среднему расстоянию между ушными раковинами взрослого человека.
Микрофонные блоки 3 и 4 выполнены идентичными друг другу. Каждый микрофонный блок представляет собой корпус кубической формы со скругленными краями, в стенках которого, по центру, выполнены конические углубления (рупоры) 15, со скругленными краями. Для левого микрофонного блока 3 это фронтальная, боковая левая (боковая правая не участвует), тыловая, верхняя и нижняя плоскость. Для правого микрофонного блока 4 – фронтальная, боковая правая, тыловая, верхняя и нижняя плоскость.
Предпочтительно (но не единственно возможно) корпус микрофонного блока выполняется из полимерного материала с высокой плотностью (например, полиэтилена низкого давления (ПНД), поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.), с толщиной стенок корпуса не менее 10 мм, для препятствия прохождения звуковой волны.
Внутри корпуса микрофонного блока имеется полость (не показано) для размещения проводов, идущих от микрофонов, с наружным отверстием 16 для вывода, по центру боковой стороны, предназначенной для крепления на держателе микрофонных блоков 2.
○
В центре каждой из пяти сторон куба, фронтальной, боковой левой (правой), тыловой, верхней и нижней, сделаны углубления 15 конической формы, с углом стенок 45. Наружная грань углублений, переходящая на корпус, имеет скругление. В нижних точках конических углублений 15 сделаны посадочные гнезда 17 цилиндрической формы с отверстием для вывода проводов, для установки микрофонов.
Микрофонный блок фиксируется боковой правой (левой) стороной к держателю микрофонных блоков 2, прикреплённому к микрофонной стойке 1. Держатель микрофонных блоков 2 имеет два посадочных места под левый 3 и правый 4 микрофонные блоки с расстоянием между ними 15 см. Посадочные места вставляются в отверстия 16 микрофонных блоков 3 и 4 так, что оба микрофонных блока 3 и 4 находятся на одной горизонтальной линии, в зафиксированном положении, на расстоянии 13 см друг от друга.
Таким образом, становится возможным сделать приближенную к человеческому восприятию запись источников звука и их направления, как статичных, так и движущихся объектов, с любой точки пространства (сферы), ограниченного эффективным радиусом действия предлагаемого устройства.
Для эффективной работы устройства предусмотрена программно-аппаратная часть (не показано), которая включает в себя блок усиления на каждый микрофон, блок с десятиканальным аналогово-цифровым преобразователем, с синхронной выборкой, для осуществления многоканальной параллельной записи со всех микрофонов одновременно, программный микшер, для сведения оцифрованных каналов в файл, в необходимом звуковом формате от стерео до звука вокруг, и блок записи полученного файла на электронный носитель.
Поскольку программно-аппаратная часть, как таковая, не является предметом настоящей заявки на выдачу патента на изобретение, для её реализации могут быть использованы любые известные и подходящие для данных целей устройства, связь и взаимодействие между которыми реализованы по известным правилам.
Таким образом, предложено простое, технологичное в производстве и использовании звукозаписывающее устройство, позволяющее с одной точки создать высококачественную объёмную бинауральную запись с круговым позиционированием, в отличии от киношной звукозаписи, где микрофоны расположены вокруг объекта. Данная модель позволит воспроизводить запись на уже распространённых системах многоканального аудио, таких как DTS, Dolby Digital 5.1, 7,1 Dolby Atmos, а также предполагает создание звукового формата с использованием нижней звуковой плоскости.