Садишься на водительское место, включаешь трек с вокалом по центру, а певец стоит у левой стойки. Ты точно знаешь, что оба канала одинаковые. Но мозгу всё равно: он определяет направление по двум подсказкам, и в машине обе подсказки врут в пользу ближнего динамика.
Как слух использует разницу во времени (ITD)?
Уши разнесены примерно на ширину головы. Если источник справа, звук сначала попадает в правое ухо и лишь потом, обогнув голову, в левое. Максимальная разница набегает, когда источник строго сбоку. По классической формуле Вудвортса для головы радиусом 8,75 см это около 0,66 мс. У Алдошиной приведена та же оценка: около 0,7 мс.
Слух различает удивительно малые сдвиги, порядка десятков микросекунд. Но работает ITD надёжно только там, где длина волны больше размера головы. Выше примерно 1,5 кГц волна становится короче расстояния между ушами, и мозг уже не понимает, какой гребень волны пришёл первым. Для коротких звуков и атак ITD помогает и выше, по огибающей сигнала.
Как слух использует разницу в уровне (ILD)?
Голова отбрасывает «акустическую тень». Низкие частоты с длинной волной её огибают почти без потерь (про это статья о дифракции), поэтому на басу разницы в уровне между ушами почти нет. Когда длина волны сравнивается с размером головы (около 2 кГц), тень становится заметной, а на верхах дальнее ухо слышит источник сбоку уже на десяток децибел и больше тише. Отсюда и практическое следствие: на ВЧ направление задают в первую очередь уровни, на низах время.
Разбор случая: вокал прилип к левой двери
Типичная машина, левый руль. Посчитаем, что происходит с двумя одинаковыми твитерами в стойках.
Шаг 1. Разница путей
От левого твитера до головы водителя, допустим, 0,8 м, от правого 1,3 м. Разница 50 см. При скорости звука 343 м/с это 1,46 мс.
Шаг 2. Сравниваем с естественной ITD
Голова сама по себе никогда не создаёт больше ~0,66 мс. А салон подсовывает 1,46 мс, больше чем вдвое. Для слуха это однозначный сигнал: источник там, откуда звук пришёл раньше. Тут подключается эффект Хааса: первый пришедший звук определяет направление, а запоздавший только добавляет громкости.
Шаг 3. Уровень тоже против нас
По закону обратных квадратов 0,8 м против 1,3 м дают разницу 20·lg(1,3/0,8) ≈ 4,2 дБ в пользу левого. Плюс левый твитер светит в левое ухо почти по оси, а правый приходит под углом. Получается, ILD и ITD единогласно тянут сцену влево.
Шаг 4. Что делаем
- Задерживаем левый канал в процессоре примерно на разницу путей, в нашем примере на ~1,46 мс, чтобы звук от обоих твитеров пришёл одновременно. Инструмент для этого описан в статье Delay.
- Добиваем баланс уровнем и направлением твитеров, см. направление ВЧ динамиков.
- Проверяем на моно-треке: вокал должен встать в фантомный центр, над панелью.
Рулетка даёт стартовую точку, но окончательно центр всё равно выставляют на слух. Первые два с половиной сезона я настраивался вообще без микрофона, и задержки подгонял как раз так: по моно-вокалу, по десятым долям миллисекунды.
С ВЧ есть нюанс, который ломает упрощённую схему «низ по времени, верх по уровню». Василий Бондаренко в эксперименте сдвигал фазу пищалки на одном канале all-pass фильтром в районе 1–8 кГц, и центральный образ разваливался, хотя уровни не менялись. А шелф ±3 дБ на одном канале образ почти не двигал. Так что межканальная фазовая разница на ВЧ для центра важна, и считать её неслышимой рано.
Частые уточнения по задержкам и центру
Задержка для ближнего динамика равна разнице расстояний до головы, делённой на скорость звука 343 м/с. Каждые 10 см разницы дают примерно 0,29 мс. Если левый твитер на 0,8 м, а правый на 1,3 м, левый задерживают на 1,46 мс. Расстояния меряют до середины головы, между ушами, а потом центр доводят на слух по моно-вокалу.
Выставляй задержки шагом в десятые доли миллисекунды, а на финальной доводке и мельче, это ориентир. Слух различает сдвиги ITD порядка десятков микросекунд, а 0,1 мс соответствует разнице пути около 3,4 см. Поэтому рулетка даёт только стартовую точку, и вокал в фантомный центр окончательно ставят на слух, двигая задержку маленькими шагами.
Полностью нельзя: без задержек разницу во времени прихода звука ITD не исправить, а один баланс громкости только сделает вокал тише, оставив его у ближней стойки. Частично помогает направление твитеров крест-накрест, чтобы дальний светил на водителя по оси. Для нормальной сцены нужен процессор с задержкой на каждый канал.
Задержки выставляют под одну точку, обычно голову водителя. Для пассажира картина зеркальная: ближний к нему правый динамик и так приходит раньше, а задержка левого канала ещё увеличивает разницу. В примере с расстояниями 0,8 и 1,3 м у пассажира получится около 2,9 мс в пользу правой стороны, и вокал уедет к его двери.
Дуплексная теория слуха - это идея лорда Рэлея 1907 года о том, что направление на источник звука мозг определяет двумя способами: на низких частотах по разнице во времени прихода к ушам ITD, на высоких по разнице уровней ILD. Граница примерно 1,5–2 кГц, где длина волны сравнивается с размером головы. Для коротких атак ITD работает и выше, по огибающей.
Почему бас нельзя локализовать так же точно
На низах ILD почти нулевая, а ITD есть, но в салоне её смазывают отражения и моды. Поэтому сабвуфер в багажнике может звучать спереди, если его верхнюю границу и стык с мидбасами настроить аккуратно. Подробнее в статье про сабвуфер.
На чём спотыкаются при настройке центра
- Тянуть сцену в центр только балансом громкости. ITD так не исправить, вокал станет тише, но останется слева.
- Считать задержки до одного уха. Меряют до середины головы, между ушами.
- Выравнивать время на твитерах и забыть про СЧ и мидбасы: полосы начнут показывать центр в разных местах.
На соревнованиях центр и ширину сцены судья слушает именно с места водителя, и ITD с ILD там решают почти всё. Как судьи оценивают сцену, разобрано в шаге «Оценка звучания и соревнования».
Вокал съезжает, хотя задержки выставлены по рулетке? Напиши расстояния от каждого динамика до головы в чат EBAEVSQ, пересчитаем и подскажем, куда смотреть.
Источники
- Lord Rayleigh, «On our perception of sound direction», Philosophical Magazine, 1907
- И. А. Алдошина, «Бинауральный слух и пространственная локализация», «Звукорежиссёр», 1999, № 10
- И. А. Алдошина, «Основы психоакустики» (цикл статей, журнал «Звукорежиссёр», 1999–2000)
- Л. Беранек, «Акустика» (русский перевод, 1965)
- Василий Бондаренко, «Влияние фазы и громкости ВЧ на локализацию образов», drive2.ru, 29 января 2024
См. также: Психоакустика, Локализация, Сцена.
Как ITD и ILD работают с колонками, в машине и в наушниках, разобрали в статье «Почему музыка звучит по-разному дома, в машине и в наушниках».