Напомню, что цикл статей "Территория звука" начался с тестирования современных акустических систем, а именно - стандарта 2+2+2. В данном выпуске мы продолжим эту тенденцию и, в первую очередь, поговорим об... ультразвуке (звуковые волны с частотами выше 20 КГц, их мы не слышим) и о том, чем он нам может оказаться полезным в реальности. А потом перейдем к другим изобретениям...

В 40-ых годах прошлого века на подводном флоте стали широко использоваться такие устройства звуковой навигации, как сонары. Узконаправленный луч ультразвуковой волны сканирует окружающее пространство, благодаря чему можно найти объекты и определить расстояние до них. Но уже ближе к 60-ым ученые заметили, что данные ультразвуковые волны из-за нелинейности водной среды образуют волны с более низкими значениями частот. Это в корне изменило математические подходы, используемые в этой технике, но нас интересует не это, а сам факт, что из-за нелинейности среды могут появляться волны с более низкими частотами.

Зачем это, спросите? А вот зачем. Еще в конце позапрошлого века американский физик Роберт Вуд даже больше шутки ради экспериментировал с узконаправленными источниками звука. То есть, они не работают как обычные, распространяя звуковые волны во все стороны, а собирают звук в некий узконаправленный пучок. То есть, благодаря таким устройствам вы можете передать сообщение конкретному человеку, а окружающие этого слышать не будут. При этом такие волны обладают большей энергией и могут передаваться на большие расстояния. Роберт Вуд тогда соорудил узкий мегафон длиной около 3 метров и забавлялся над прохожими на улице. В принципе, данные устройства не нашли широкого применения только потому, что для того, чтобы сделать звуковой пучок, нужно иметь длину рупора такого мегафона, равную или большую длине волны. То есть, если у нас скорость звука в воздухе составляет примерно 330 м/с, то для того, чтобы передать волну с частотой в 20 Гц (нижняя граница слышимости), нужно сделать "трубу" длиной около 17 метров. Естественно, этой технологией никто серьезно не интересовался, пока киноиндустрия не стала применять многоканальный звук (изначально стерео) и параллельно с этим стали разрабатываться стандарты с большим количеством каналов. Но, опять же, делать узконаправленные громкоговорители с длиной 17 метров - это не удобно. А вот для передачи ультразвуковых частот нужны гораздо меньшие по размерам источники.

Теперь вспоминаем то, о чем рассказывалось один абзац назад... Ультразвуковые волны в нелинейной среде производят волны с более низкими частотами. Значит, за счет ультразвуковых волн можно производить обычные, то есть те, которые мы слышим и при этом нам понадобятся излучатели совсем небольших размеров. Хотя есть и трудность: воздух - это слишком линейная среда, и чтобы вывести ее из такого состояния, нужно излучать звуковые волны с большим значением интенсивности.

Практика

Первая научная работа по этому поводу появилась в 1975 году в журнале Американского общества акустиков (JASA), ее авторами являются профессор Техасского Университета Дэвид Блэксток и его ассистентка Мэри Бэннет. В данной статье было рассказано о том, как с помощью ультразвуковых волн получать обычные. Суть технологии сводится к тому, что звуковой сигнал вносится в несущий ультразвуковой по принципу, схожему с амплитудной модуляцией (именно так работает АМ-радио). На определенном расстоянии от излучателя ультразвуковая волна искажается, а заложенный в ней звук расшифровывается. То есть, поднеся к такому излучателю ухо, вы ничего не услышите, а вот когда отойдете на определенное расстояние, то получите виртуальный источник звука. Причем, как вы понимаете, он будет узконаправленным, то есть окружающие не будут его слышать. Практически сразу после публикации Блэкстока и Бэннета крупнейшие компании, выпускающие звуковое оборудование, занялись проработкой этой идеи применительно к бытовой технике. И хотя требуемого результата добились все, началась настоящая борьба с гармоническими искажениями, которые находились на уровне 50%. Это очень много. Для решения проблемы понадобилось более 20 лет.

Одним из первых, кто добился приемлемого результата с коэффициентом гармонических искажений около 1% и динамическим диапазоном в 100 дБ, был Джозеф Помпеи, учившийся и работавший в нескольких американских институтах, а после создавший собственную фирму Holosonic Research Labs. Он разработал свой собственный метод кодирования несущей ультразвуковой волны, частота которой находится в диапазоне от 40 до 80 КГц. Причем звуковой поток получается узконаправленным, то есть его может услышать только конкретный слушатель, на которого он проецируется, окружающие ничего не слышат.

Пример - Holosonic Research Labs Audio Spotlight

Это и есть разработка от Джозефа Помпеи, о которой мы говорили выше. Она продается в виде комплекта из двух устройств - процессора/усилителя и излучателя. Излучатель выполнен в виде круглой (18 дюймов в диаметре, максимальная мощность 100 Вт) либо шестиугольной (24 дюйма, максимальная мощность 150 Вт) коробки толщиной в 12,7 см. Как уже говорилось, коэффициент гармонических искажений равен примерно 1%, а динамический диапазон - 100 дБ. Дальность действия узконаправленного луча составляет 20 м, а слышен он может быть и на расстоянии 200 м. Устройство может крепиться к потолку, стене или стоять на полу либо полке. В процессоре/усилителе имеется вход XLR, хотя можно использовать и RCA (тюльпаны). Audio Spotlight предназначен большей частью для выставок, музеев, магазинов и т.п. Если говорить о музее, то, например, вы можете поставить излучатель над картиной и любой человек, подойдя к ней, будет слушать необходимую информацию, хотя окружающие - нет. Стоимость устройства, по данным www.avitra.com, составляет $1.999,95.

Далее по теме...

А теперь давайте обратимся к современным радарам. Раньше они работали по принципу сонаров, то есть сканировали небо лучом электромагнитной волны. Но скорость самолетов значительно возросла, и для того, чтобы ускорить процесс сканирования, было найдено другое решение - каждый радар стал включать множество мелких радаров, которые работают взаимосвязано. Направление луча изменяется в зависимости от фазы сигнала. В результате можно получить не только очень мощный радар в сумме, работающий со скоростью света, но и несколько радаров одновременно.

Зачем это нам знать? Именно так с помощью применения множества узконаправленных источников простых звуковых волн можно сэмулировать систему 5.1. То есть, например, перед нами стоит устройство, включающее множество излучателей. Нам нужно получить правый тыловой канал. Тогда мы программируем его таким образом, чтобы оно сфокусировало и направило звуковой луч в две стены (отражается от одной потом от другой) либо в потолок и стену таким образом, чтобы в итоге звук приходил к нам в затылок справа. В результате получаем уникальную возможность локализации источников звука где угодно.

Причем на данный момент уже находится в продаже несколько моделей таких устройств, но к этому времени в их рамках решаются тривиальные задачи - эмуляция многоканальных систем 5.1 (Dolby, DTS). Хотя на самом деле возможности безграничны. То есть можно воспользоваться самой технологией, а количество виртуальных источников довести до неограниченного количества. Но пока мы можем говорить только о применении под существующие стандарты. Первой данную "радарную" технологию разработала британская компания 1Ltd, но самостоятельно выпустить устройства на ее базе она не смогла. Изобретением заинтересовались крупные производители, причем сами чипы кодирования разрабатывают такие компании, как Motorola и Texas Instruments.

Теперь перейдем к конкретным моделям... Стоит отметить, что этот класс устройств уже получил свое название, а именно - "звуковые прожекторы" (sound projectors), причем к ним относят и ультразвуковые решения, о которых мы говорили ранее, и простые звуковые, о которых идет речь сейчас.

Пример - Pioneer Digital Sound Projector: PDSP-1

Тут мы говорим практически о пионере, что созвучно с названием фирмы-производителя. Первые новости о PDSP-1 появились еще в 2002-м. Но это очень дорогое устройство - $40.000, хотя сейчас можно наблюдать тенденцию к понижению, причем если PDSP-1 когда-нибудь станет выпускаться в виде промышленной серии, то цены на нее упадут значительно. Технология от 1Ltd претворена в жизнь благодаря чипу от Motorola. В самой конструкции используется 254 излучателя и, соответственно, 254 цифровых усилителя. Вы можете эмулировать практически любую многоканальную систему вплоть до 7.1, при этом суммарная мощность звука будет составлять порядка 500 Вт. Настройка системы на слушателя может происходить как в ручном, так и в автоматическом режимах. Нужно указать геометрические параметры помещения и месторасположение слушателя. Пульт дистанционного управления для PDSP-1 больше напоминает портативное компьютерное устройство, то есть имеет свой экран и панель управления.

Пример - Yamaha Sound Projector-1, 1000, 800

Тут мы говорим, прежде всего, о бюджетных решениях. Стоимость "первенца", а именно - YSP-1, составляет около $1500. Само устройство базируется на чипе от Texas Instruments и использует гораздо меньшее количество излучателей, по сравнению с PDSP, а именно - 40 узконаправленных, а также два обычных динамика. Это сделано в целях удешевления технологии, причем в рамках устройства на каждый излучатель или динамик имеется свой отдельный усилитель. Как многие успели догадаться, обычные динамики отвечают за центральный канал, то есть на блок излучателей YSP в рамках многоканальности возлагаются задачи обеспечения боковых и тыловых каналов. Суммарная мощность составляет 120 Вт. В комплекте поставки имеется микрофон для настройки системы, хотя их можно произвести и в меню устройства. При этом имеется несколько уже готовых программ. Что касается входов: два оптических и один коаксиальный цифровые входы, два аналоговых, три видео и два компонентных. Настройка производится очень быстро, при этом те, кто уже слышал систему, не могут скрыть удивления, хотя и говорят о некоторых проблемах с качеством. То есть оно хорошо подходит для домашнего кинотеатра, но не совсем приемлемо для качественного прослушивания музыки. Судя по всему, модели YSP-1 и YSP-1000 идентичны, или же одна является продолжением другой. Хотя на eBay можно найти обе, причем YSP-1000 дешевле. У данной линейки продуктов есть и младшая модель YSP-800 с 20-ю излучателями, цена на которую составляет около $700.

В завершение

Что интересно, для всех звуковых прожекторов приводятся практически все параметры, кроме... воспроизводимого частотного диапазона, а также АЧХ. В описании моделей PDSP-1 и YSP-1, 1000, 800 присутствуют строки о том, что необходим дополнительный сабвуфер.

К тому же вопрос спорный и в том, что все поверхности могут не только отражать звуковые волны, но и поглощать их, причем неравномерно по отношению к частотам. То есть, тут важными будут материалы стен и потолка и тому подобное. Плюс к этому сфокусированная звуковая волна обладает большей энергией, чем волна, распространяющаяся по широкой диаграмме направленности, в результате пока не понятно, как уютно смогут чувствовать ваши соседи.

То есть на самом деле, говоря обо всем этом, мы подразумеваем только ноу-хау, которое может состояться и в корне перевернуть рынок, но никаких серьезных тестов, а тем более общей стандартизации пока не проводилось. Но если рынок перевернется, то о 5.1, 7.1 и т.п. можно будет уже забыть, поскольку звуковые прожекторы смогут фокусировать каналы в любой точке пространства и даже сверху и снизу.

Кристофер,
christopher@tut.by