* * *
* * *
Tak mám v sestavě už pár měsíců jednu výraznou novinku, ale protože to není nějaké železo nebo kabel nebo tak, začnu trochu ze široka, stejně si to potřebuji sesumírovat. Navíc bez té teorie, jenom výsledek, by to nedávalo smysl. Věc se týká stereofonie a binaurálního slyšení, výzkumů firmy EMI, přeslechů, tzv. "míchání" (shuffling) a tak podobně. Pokusím se být stručný a zároveň srozumitelný.
* * *
(1) Intenzitní stereo (2 kanály + 2 reprobedny + 2 uši v poslechovém trojúhelníku) je založeno na následujícím principu: Když posloucháme dva od sebe vzdálené zdroje zvuku (třeba reprobedny), které vysílají tentýž signál pouze s různou intenzitou, pak ho uši vnímají jako jeden signál směrově posunutý někde na spojnici mezi nimi. Míra tohoto směrového posunu závisí na vzájemném poměru oněch intenzit.
Zní to složitě, ale každý to zná -- když je zvuk saxofonu z obou beden stejný, je uprostřed mezi bednama (fantómový zdroj), když je silnější např. z levé bedny, posunuje se směrem doleva a naopak. Z více fantómových zdrojů se pak poskládá celé levo-pravé stereofonní panorama.
(2) Takže hurá, všechno funguje? No, jeden menší zádrhel tady je. Všechno výše řečené skutečně výtečně funguje, ovšem pod podmínkou, že přijímače (tedy naše uši) jsou všesměrové. Tedy že každé ucho slyší obě bedny stejně dobře. Pak ty rozdíly intenzit mezi dvěma fyzickými zdroji naprosto přesně určí výslednou polohu fantómového zdroje.
Lidské uši nepochybně všesměrové jsou, ale jen pro nižší frekvence do cca 700 Hz. Nad 700 Hz jsou naše uši zaručeně směrové (slyší z určitých směrů líp než z jiných).
((( Diskuse o hodnotě 700 Hz by byla samozřejmě na dýl, zrovna tohle číslo je z výzkumu firmy EMI na začátku 50. let, když chystali uvedení sterea na trh. To rozhraní není tak ostré, nicméně berme to jako číslo, které platí a které je přehledné. Spojením "nižší frekvence" se pak v dalším textu budou myslet frekvence pod 700 Hz, spojením "vyšší frekvence" ty nad 700 Hz. )))
Hezky to ukazuje graf pro pravé ucho:
obr. 1
Hlava je uprostřed, ta největší černá kružnice označuje plnou citlivost pro všechny směry, každá menší úbytek citlivosti o 5 dB. Barevně jsou pak znázorněny citlivosti ucha pro několik vybraných frekvencí.
(Bedny by pak stály na pozici 330° a 30°, tj. na vrcholu rovnostranného trojúhelníka.)
(3) Vidíme názorně, že pravé ucho vyšší frekvence slyší lépe z pravé strany než z protilehlé. Třeba z úhlu 90° slyšíme 1000Hz o 7,5 decibelu silněji než z úhlu 270°, 5000Hz pak o 15 db. V reálném životě je směrová citlivost uší pro vyšší frekvence velmi praktická věc -- používáme ji k upřesňování lokalizace zdrojů zvuku ve zvukovém poli. Ty zvuky jsou nesmírně rozmanité, přicházejí ze všech směrů a navíc se některé vzhledem k nám pohybují. Žádná snadná práce. Směrově citlivé uši pak používáme podobně jako hmyz používá tykadla k chemické analýze okolí. Jen místo pohybů tykadly musíme drobně hýbat celou hlavou, protože uši máme přirostlé. A ty drobné změny v intenzitách pro každé ucho mozek dokáže vyhodnotit a výsledkem je zpřesněná lokalizace.
(4) Ve stereu, jak bylo řečeno, je to jiné. Zopakujme: abychom dokázali vytvářet stereo-panorama z fantómových nástrojů, jejichž polohu v rámci panorámatu určuje poměr intenzit mezi bednama, musí ty bedny a poslechové místo - vcelku logicky - tvořit tzv. poslechový trojúhelník a bedny být zapojené se stejnou polaritou. Pak to funguje. Ale stačí se např. trochu posunout z ideálního poslechového "sweet spotu" a stereopanorama se začne hroutit.
A jaký vliv tedy má směrová citlivost lidských uší pro vyšší frekvence na stereo?
(5) Pokud se znovu podíváme na obr.1 s citlivostí pravého ucha, tak zjistíme, že pro vyšší frekvence slyšíme levou bednu pravým uchem o 6db (i více) slaběji, než ji tímtéž uchem slyšíme pro frekvence nižší. A stejně tak pro levé ucho a pravou bednu.
A protože umístění zdánlivých zdrojů ve stereo panoramatu (neboli zkráceně "panu") závisí na poměrech intenzit obou beden, je pan pro nižší a vyšší frekvence jiný. Tím, že levé ucho slyší pro vyšší frekvence hlasitěji levou bednu než pravou ve srovnání jak ho slyší pro nižší, se fantómové zdroje vlevo zdají být na výškách víc vlevo než na basech. A ty v pravo zase víc vpravo.
Jako kdybychom panorama pro vyšší frekvence trochu roztáhli do stran oproti těm nižším a zároveň vyšší frekvence trochu zmizí z centrální části panoramatu.
obr. 2
Takže například abychom slyšeli frekvence nad 700Hz z pozice na obr. 2 označené jako R1 (respektive R7), musí být intenzitní rozdíl mezi kanály cca 12,5 dB. Ale abychom ze stejné pozice slyšeli frekvence pod 700Hz, musí být ten rozdíl mezi kanály ještě o 5 dB vyšší. Když máme na stejné pozici třeba fantómový saxofon, je zdeformovaný, protože jeho nižší frekvence hrají víc ze středu než ty vyšší. Dalo by se říct, že na okrajích panoramatu jsou nástroje mírně "rozostřené" nebo "rozmazané". Zvukům přímo uprostřed zase chybí plnost a alikvótní prokreslenost (tím, že jsou výšky víc "vytažené" do stran je uprostřed trochu prázdno).
Úplně zjednodušeně:
obr. 3
Sofistikovaněji se to pokouší ukázat tento obrázek:
obr. 4
(6) Tohle samozřejmě napadlo vědce, kteří stereo zkoumali a připravovali k uvedení na trh. A bylo to změřeno a opakovaně potvrzeno.
Poprvé na začátku 50. let v laboratořích již zmíněné firmy EMI spolupracovníky tehdy už mrtvého génia Alana Blumleina, vynálezce sterea, následně Clark (1957), Leakey (1959), Wendt (1960) a Bennett (1985) s kolektivy.
Poměrně dobře popsané zde: https://www.pspatialaudio.com/francinstien.htm
(7) Jaké řešení tohoto problému lidé z EMI vymysleli?
Navrhli záměrné přeslechy pro vyšší frekvence.
Cože???
To jako že k levému a pravému kanálu přimíchám na vyšších frekvencích trochu opačného kanálu?
Přesně tak.
"Míchací přístroj" nazvali Stereosonic shuffler a byla to součást všech nahrávacích konzol REDD. V dokumentaci k nim se píše:
obr. 5
Klíčová věta zní: Thus, the Shuffler may be described as a device for producing deliberate cross-talk at the higher frekvencies.
Neboli: Takže "míchač" může být popsán jako zařízení pro vytváření záměrných přeslechů na vyšších frekvencích.
(8) A v tu chvíli mi to všechno došlo -- co je vlastně ten Blumleinův "shuffling" čili "míchání" (čistě intenzitní záležitost). A taky jak fungují z něj plynoucí součtové a rozdílové signály. A čeho se týkají -- stereo panoramatu. A co vlastně těmi přeslechy chtějí dosáhnout -- chtějí zúžit stereopanorama pro vyšší frekvence tak, aby "lícovalo" s tím pro nižší frekvence.
V podstatě je to snaha vykompenzovat skutečnost, že lidské uši jsou pro vyšší frekvence směrové a pro nižší ne, což v praxi není problém, v intenzitní stereofonii, která vytváří fantómový pocit prostoru ze dvou kanálů a dvou beden, ovšem ano.
K pochopení jak to funguje viz obrázek:
obr. 6
Představme si nějaké obou-kanálové bedny pro vyšší frekvence nad 700 Hz, které oba kanály dokáží plynule míchat. Čím sytější barva, tím hlasitější zvuk, levý kanál = modrá, pravý = červená.
První tři případy jsou jasné. Když levá bedna hraje pouze levý kanál a pravá pravý, máme běžné stereo-panorama. Když obě bedny hrají 50% levého i pravého kanálu, hrají obě totéž a panorama se zhroutí doprostřed a hraje to mono. V případě, když levá bude hrát 100% pravý kanál a naopak, tak se panorama přepóluje a co bylo vpravo je vlevo (a naopak). Jasná páka.
Nejzajímavější je ovšem čtvrtý případ, kdy jsou původní kanály dominantní a k jejich zvuku přimícháme opačné jen zčásti. Výsledkem je mírné zúžení stereo panoramatu. A o to vývojářům šlo - zúžit pan pro vysoké frekvence tak, aby "lícoval" s panem těch nízkých. Kdyby byl zvuk obraz v placaté televizi, tak je spodní půlka televize (basy) užší než horní. A vtip je v tom, že díky přeslechům se ta horní půlka jakoby pootočí, takže z místa sledování se zdá, že se zúžila a je stejně široká jako spodní. Na tom obrázku jsem se to snažil zachytit.
Neboli jde o to intenzitním způsobem ovlivnit umístění fantómových zdrojů zvuku v rámci stereopanoramatu pro frekvence nad 700 Hz.
Ještě jinými slovy by se dalo říct, že se intenzitní stereofonní technikou zvanou "míchání" (orig. "shuffling" vynalezenou A. Blumleinem) pro vyšší frekvence mírně posiluje tzv. součtový (mid, mono, středový) signál a mírně oslabuje tzv rozdílový (side, different, stranový) signál.
(9) U EMI si to nechali patentovat a prováděli zařízením zvaným "stereosonic shuffler" indukčním vazbením mezi kanály už při nahrávání. Nakonec se to přestalo používat.
Důvody proč nejsou úplně triviální -- později napíšu, co ukázala praxe.
(10) A tady se konečně dostáváme k tomu, co je jinak. Říkal jsem si, nebylo by lepší než oba kanály na výškách vazbit přes cívky v elektrickém obvodu, udělat to akusticky? Vždyť ten problém se nahrávek netýká. Vzniká až mezi dvěma reprobednama a dvěma ušima. Prostě ty přeslechy na výškách realizovat malými přídavnými reprobednami, které by přímo fyzicky, v akustické doméně, přidávaly na vyšších frekvencích k plnému signálu obou kanálů trošku toho opačného. V ideálním případě by ty bedny celkově vypadaly nějak takhle:
obr. 7
Reproduktorový systém s řízenými přeslechy na vyšších frekvencích pro široké stereo
A rozhodl jsem se něco takového nahrubo postavit.
To, že jsem o obrázku výše napsal, že ideálně by ty bedny měly tak vypadat, není založeno na odhadu, ale zkušenosti.
Ty přeslechové bedničky musí být malé uzavřené dvoupásmovky s ořízlými nižšími frekvencemi pod 700 Hz a s malým středobasovým reprákem max 10cm. Když tam jsou basy, tak to jednak nedává smysl, jednak se zvuk slyšitelně deformuje. Když je použitá větší středobasová membrána nebo basreflex, tak taky tak. A ukázalo se, že výškové reproduktory by měly být co nejblíž u sebe. Do 10cm je to dobrý a ucho je nedokáže odlišit.
Ty hlavní, plnohodnotné bedny můžou být jakékoliv, funguje to se všema co jsem zkoušel (cca 10 párů), ale ideální je, když je ta středo-výšková sekce hlavních beden stejná jako u těch přeslechů. Zároveň je vhodné, ať jsou repráky hlavních beden i přeslechů srovnané vertikálně. Uspořádání podle obr. 7 je zkrátka ověřené praxí.
Další věc je, jak ten systém ovládat. Ale i to se dá uspokojivě provést. Používám dva integrované zesilovače. Jeden, nazvu ho "hlavní", přijímá analogový signál z DACu a jsou k němu připojené hlavní bedny a přes regulovaný pre-out další integráč, ke kterému jsou připojeny přeslechy. Díky tomu můžu nastavovat, jak hlasitě přeslechy hrají vůči hlavním bednám nezávisle na celkovém ovládání hlasitosti -- neboli zcela plynule přimíchávat přeslechový signál do hlavního. Zároveň jde samozřejmě přímo při poslechu přeslechy zapínat/vypínat s okamžitým efektem, což je pro testování sluchem nejlepší možná situace. A taky jde vypnout hlavní bedny a ukázat, jak hrají čistě jen ty přeslechy.
Systém funguje opravdu bezchybně. Někdo by se možná mohl bát těch dvou spojených zesilovačů, ale dvě dobře zkonstruovaná A/Bčka mi fungují bezproblémově. Jediné co stojí za zmínku je potřeba, aby měly zesilovače vysoké odstupy signálu od šumu (hlavně ten "hlavní").
Konkrétně to teď mám Gustard X26pro + hlavní Cambridge CXA61 + regálovky Pro-Ject Box 5. A k tomu přes pre-out s opačnou polaritou zapojený přeslechový NAD C316BEE a upravené malé efektovky Pro-Ject Box 4.
(11) A výsledek?
V prvé řadě pocit zaostření a zreálnění.
Na krajích stereo-panoramatu se zvuk mírně zúží a stáhne se z beden. A jako by se fantómové nástroje umístěné po stranách "srovnaly" a skutečně "zaostřily", žádné výstižnější slovo pro to nemám. Zároveň se centrální část panoramatu jakoby mnohem líp vyplní, nástroje získají lepší prokreslení a výraznost, u lidského hlasu stoupne srozumitelnost. Trochu jakoby do systému přibyl centrální reproduktor.
S tímto zaostřením jde ruku v ruce pocit mnohem realističtějšího zvuku nástrojů i hlasů. Intuitivní reakce bez poslechové zkušenosti bude asi negativní -- ty přídavné přeslechové reproduktory do zvuku musí vnášet zkreslení, by asi byla první myšlenka. Ale poslech ukazuje naprosto jednoznačně jinou věc: pokud jsou přimíchávány pouze vyšší frekvence, nástroje i lidské hlasy se stanou realističtější, věrnější. Znám posluchačsky důvěrně zvuk fagotu, alt saxofonu a klarinetu, roky jsem je mohl denně zblízka poslouchat. A o tom, že zní reálněji v přeslechovém stereu než v tom klasickém nepochybuji.
(12) Druhá výrazná změna oproti klasickému stereu je rozšíření poslechového úhlu.
Ukázalo se, že použít přeslechy v klasickém rovnostranném poslechovém trojúhelníku zas až tak velké přínosy nemá. Efekt směrového slyšení uší pro vyšší frekvence se tam projevuje mírně, zapojení přeslechů přinese jen jisté vyplnění a zpřehlednění centrální části. Nic dramatického. A zároveň se šířka panoramatu mírně zmenší.
A to je zřejmě hlavní důvod, proč se shuffling EMI v praxi neprosadil.
Situace se ovšem výrazně změní, když rozšíříme poslechový úhel mezi reprobednama ze 60° (klasický rovnostranný poslechový trojúhelník) na 90° (pravoúhlý trojúhelník).
V "normálním" stereu, kde každá bedna hraje čistě jeden kanál, tak široký úhel nejde realizovat. Zvuk na vyšších frekvencích se roztrhne a uprostřed strereo-panoramatu se utvoří díra. Ale přeslechové bedny tu centrální část panoramatu nádherně vyplní. Nejlíp je to slyšet u nahrávek symfonického orchestru - když jsou bedny v širokém postavení a pomalu začneme přidávat přeslechový signál, podivně zdeformovaný orchestr se nádherně zaostří a je mnohem větší, než u klasického sterea.
Široké či rozšířené stereo (wide-stereo) v tomto pojetí tedy není žádná magie, která by roztahovala stereo zvuk až mimo rozteč reprobeden, široké stereo je prostě jen širší poslechový trojúhelník -- místo klasického rovnoramenného, který dává poslechový úhel 60°, jde o 50% rozšíření na pravoúhlý s poslechovým úhlem 90°.
((( Čistě z hlediska fyziky je pravoúhlý poslechový trojúhelník pro intenzitní stereo určitě smysluplnější -- intenzita zvuku klesá s druhou mocninou (neboli "čtvercem") vzdálenosti, tudíž je pravoúhlý trojúhelník (neboli polovina čtverce) ten nejvhodnější. Nicméně jak bylo řečeno, klasické bedny v tak širokém ustavení nehrají dobře, takže se prosadil užší rovnostranný trojúhelník. A někteří poslouchají i v užším postavení. )))
A to rozšíření poslechového úhlu je asi nejsilnější vnímaná změna, šířka a hloubka symfonického orchestru (a jeho prokreslení) je oproti klasickému stereu opravdu o dost lepší. Proto milovníci klasické hudby přešli na multikanál -- prokreslenost orchestru je mnohem lepší, než u klasického sterea. A wide-stereo přináší podobou změnu.
(13) A třetí zřetelný rozdíl, který široké přeslechové stereo přináší, je mnohem méně slovy uchopitelný než ty předchozí dva, ale stejně důležitý. Hudba je osvobozená, zvuk nemá nic společného s reproduktory. Souvisí to s tím, že u přeslechových beden zvuk prostě nikdy nevychází přímo z bedny, ani když se odpojí jeden kanál. Je to obtížné popsat, v "normálním" stereu jako by vždycky bylo "tady", kde se poslouchá, a "tam", kde to hraje. Tohle s rozšířením zmizí, není žádné tady a tam, hudba je přímo přítomná a je to hrozně fajn...
(14) Možná nejlíp popsat konkrétní příklady:
Nahrávky symfonického orchestru.
Ten základní pocit je, že se člověk v koncertním sále přesunul z 35 řady (stereo) do třetí (wide). Orchestr je mnohem blíž a díky tomu je mohutný. Je široký a hluboký, celý prostor je mnohem lépe vyplněný nástroji, které zní zaostřeně a konkrétněji.
Zajímavé je, že zmizí takové to něco, o čem se říká, že je slyšet akustika sálu, kde se nahrávalo. Ten pocit dost ustoupí, orchestr je větší, je blíž a líp slyšet, sál je taky větší, tím ale ustoupí do pozadí.
Tím zpřesněním a zaostřením se to podobá multikanálu - v dobře nahraném 5.1 zní symfonický orchestr mnohem líp, než ve stereu, to se mezi posluchači klasické hudby dobře ví. Ve wide je to zlepšení trošku jiného charakteru, ale pocitově srovnatelné. A jednoznačné.
V nahrávkách symfonického orchestru se zkrátka nejvíc a nejjasněji promítnou ty tři popsané poslechové změny, protože je tam spousta nástrojů.
Poměrně překvapivě se nejvíce zaostří a zkonkrétní nástroje impulzního charakteru. Dobře nahraná jazzová bicí souprava je svou lokalizací jednotlivých bubnů a činelů jednoznačně lepší než v klasickém stereu. Totéž klavír. Navíc je tady pocit, jako by se zvýšila dynamika systému. Úder paličky do bubnu je podán zcela realisticky.
A například u akustické basy se zase nečekaně zlepší alikvótní prokreslenost, prsty na strunách a hmatníku jsou lépe slyšet.
A živé nahrávky z klubů jsou doslova živé.
Výrazně kladně se přeslechové bedny ukážou třeba i při poslechu heavy metalu. Nástroje typicky ve středu panoramatu se až nečekaně vyrýsují. Baskytara je zaostřená a zařezává, hlas je lidštější, kopák buší ve střevech... V současnosti trápí metal dynamická komprese. Ne že by wide stereo udělalo z nahrávky s DR 5 hifi lahůdku, ale hraje to snesitelně. Nahrávky s lepším DR pak hrají úžasně, zas je kytar plný vesmír...........
Ale to zlepšení se dostaví vlastně u jakéhokoliv druhu hudby, protože těmito řízenými přeslechy se, jak bylo řečeno, řeší problém mezi bednama a ušima, který nemá s nahrávkami přímou spojitost.
(15) Vlastně se to zlepšení nejlíp pozná u jedné nehudební věci -- rád se dívám v TV na velké tenisové zápasy z grandslamových turnajů. A tady při přepínání mezi klasickým stereo a wide není ani stín pochybnosti, co je lepší --- zvuk ve wide je jednoznačně reálnější či realističtější než ve stereu.
A to by se dalo vzít za čtvrtou vlastnost wide -- za půl roků testování jsem nenašel jedinou nahrávku, která by zněla líp v klasickém stereu než ve wide-stereu. Wide zkrátka odstraňuje druh zkreslení, které přímo s nahrávkami nesouvisí.
A velice kladně se wide projevuje i u tichého poslechu -- tam kde už stereo sotva tiše chrchlá je wide pořád parádně rozlišené.
(16) Závěrem porovnání s podobnými systémy:
Polk LEGEND L800
https://au.polkaudio.com/shop/polkaudio-polklegend/l800
Polk L800 jsou velice podobné, ale ve skutečnosti dost jiné.
Taky ke každé bedně přidávají extra středovýškovou sekci, která hraje druhý kanál. V jejich případě ovšem s obrácenou polaritou a s časovým zpožděním pro poslechové místo. Říkají tomu SDA-PRO technologie a cílem je, aby do do přilehlého ucha dorazil nejdřív přímý signál a také s mírným zpožděním revertovaný signál druhé bedny. To zpoždění má být stejné jako je zpoždění signálu druhé bedny, která to má k protilehlému uchu dál. Tyto dva zpožděné signály se (podle autorů) vzájemně vyruší a každé ucho jakoby tak slyšelo jenom přilehlou bednu, bez přeslechů, jako ve sluchátkách.
Z hlediska fyziky je to nesmysl, ale připusťme, že toto intenzitně-fázové stereo nějak funguje. Ostatně na to mají patent. Hlavní problém tohoto typu beden je jiný -- jsou extrémně citlivé na umístění v poslechové místnosti. A slovem extrémně se opravdu míní extrémně. Když L800 recenzovali na Sound and Vision, přivezl je sám technický ředitel a celý den byl zavřený v poslechovce a hledal dobré umístění. A jde i o milimetry. Když ty bedny totiž stojí špatně, špatně i hrají.
To čistě přeslechové bedny jsou jiné. Najít vhodné místo není těžší než u "normálních stereo beden. Do signálu nevnášejí žádné časové (fázové) zpoždění, jsou postaveny na stereofonní technice zvané shuffling ("míchání"), a je to čistě intenzitní záležitost.
STEREOSONIC shuffler od EMI -- je to vlastně totéž, jen se přeslechy nerealizují obvodovým řešením, ale v akustické doméně. A to umožňuje rozšířit poslechový úhel o 50%, což přináší tu základní a velmi pozitivně vnímanou změnu.
(17) Na úplný závěr jedem malý postřeh. Víte jaké zvukové zařízení má z principu jisté přeslechy na vyšších frekvencích? Je to gramofon.
A wide-stereo bedny jsou tak totální gramec.
Ne ne, takhle je to správně:
Reproduktorový systém s řízenými přeslechy na vyšších frekvencích pro široké stereo
)
............ jedna z možných odpovědí samozřejmě je, že se má míchat na vyšších frekvencích a rozšířit rozestup beden........... však se Gerzon nedokázal vyvarovat potíží (např. mu někdy nástroje "cestovaly" stereopanoramatem) a Ambisonics komerčně neprorazil, protože je prostě chybný.
