Fyrkanaligt surroundljud med två eller tre mikrofoner

tve10005juni Examensarbete 15 hp juni Fyrkanaligt surroundljud med två eller tre mikrofoner Jan Westermark Institutionen för fysik och astronomi Department of Physics and Astronomy

Abstract Fyrkanaligt surroundljud med två eller tre mikrofoner Four channel surround sound with two or three microphones Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Jan Westermark Syftet med denna empiriska studie var att undersöka, utveckla samt verifiera matris/mixer till en prototyp för 4.0 surroundljud med två alternativt tre kondensatormikrofoner. För att undersöka detta har en mixer/matris konstruerats och byggts. För att verifiera mixern/matrisen har ett blindtest utförts. Resultatet av undersökningen visade att metoden fungerar med tre mikrofoner, däremot inte med två mikrofoner. Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student Handledare: Tomas Westermark Ämnesgranskare: Uwe Zimmermann Examinator: Urban Lundin ISSN: 1401-5757, tve10005juni

Uppsala Universitet Teknisk fysik Självständigt arbete i teknisk fysik, 15hp 2010-06-03 Fyrkanaligt surroundljud med två eller tre mikrofoner Författare: Jan Westermark Handledare: Tomas Westermark Ämnesgranskare: Uwe Zimmermann Examinator: Urban Lundin

Sammanfattning Syftet med denna empiriska studie var att undersöka, utveckla samt verifiera matris/mixer till en prototyp för 4.0 surroundljud med två alternativt tre kondensatormikrofoner. För att undersöka detta har en mixer/matris konstruerats och byggts. För att verifiera mixern/matrisen har ett blindtest utförts. Resultatet av undersökningen visade att metoden fungerar med tre mikrofoner, däremot inte med två mikrofoner.

Innehållsförteckning 1. Inledning 1 2. Bakgrund 1 2.1 Mid Side-teknologin....1 3. Syfte... 3 4. Teori... 3 4.1 Teori för två mikrofoner...3 4.2 Teori för tre mikrofoner 5 5. Metod och tillvägagångssätt...7 6. Resultat...8 6.1 Resultat, två mikrofoner...8 6.2 Resultat, tre mikrofoner 8 7. Diskussion..8 7.1 Resultatdiskussion 8 7.2 Metoddiskussion...9 7.3 Slutsatser...9 7.4 Förslag till fortsatt forskning...9 8. Referenser...10 Appendix...11

1. Inledning Sedan urminnes tider har musik varit viktig för människan och sedan mer än ett sekel har det funnits möjlighet att reproducera musik, vilket också skett i ständigt ökande omfattning. Olika tekniska lösningar har passerat revy, allt från vaxrullar till de olika digitala medier som idag används. Mångfaldigande och distribution har samtidigt i hög grad förenklats. Vem som helst kan lyssna på vad som helst när som helst. Varje inspelningstillfälle innebär ett försök att fånga det akustiska skeendet i varje ögonblick för att sedan kunna spela upp det hela när så önskas. I min familj finns sedan flera generationer intresse för musik, både som utövande musiker och nu senare som musiktekniker. Då både med konstruktion av utrustning och inspelningsverksamhet. I och med detta har diskussioner om musik och ljud samt där tillhörande experiment varit vanligt förekommande. Utifrån diskussioner, främst med min far, har flera möjliga projekt växt fram. Ett av dessa är att undersöka möjligheten att i första hand med två mikrofoner och i andra hand med tre mikrofoner kunna få fram ett fyrkanaligt surroundljud, vilket också är syftet med denna studie. 2. Bakgrund 2.1. Mid Side-teknologin Mid Side-teknologin, nedan kallad MS-teknologin, är ett av många sätt att försöka återskapa en tvåkanalig ljudmiljö. Enligt Alexander, (1999), uppfanns inspelningstekniken år 1931 av den mycket framstående engelske ingenjören Alan Dover Blumlein (29 juni 1903 7 juni 1942) då han och hans fru besökte en lokal biograf. Blumlein upptäckte där att när en pratande skådespelare rörde sig från ena sidan av filmduken till den andra följde talet inte med bilden. Detta berodde på att talet alltid var upptaget i mono och spelades upp i en högtalare. Detta medför till exempel att en skådespelare som befinner sig på den högra sidan av filmduken, kan uppfattas som kommandes från den vänstra sidan av filmduken beroende på var åskådaren befinner sig. Blumlein konstaterade då till sin fru att han hade en lösning på detta vilken skulle medföra att om en skådespelare rör sig från ena sidan av filmduken till den andra kommer rösten att följa bilden, den numera kända MSteknologin. MS-teknologin går enligt Blumlein, (1931) och Boré, (1956) ut på att med två mikrofoner, en benämnd M (mid) oftast med cardioidkaraktäristik (figur 1) samt en benämnd S (side) med åttakaraktäristik (figur 1) kunna avbilda ett akustiskt skeende. (Karakteristikerna förklaras i Appendix). I det reproducerade akustiska skeendet skall det gå att placera ut var i rummet de olika ljudkällorna befinner sig. En faktor vid inspelningstillfället är att rummets förutsättningar inkluderas, det vill säga att rummets akustik, och rummets akustik i förhållande inre och yttre ljud. Exempel: Inspelning av konversation på ett café vid tågstation. Fokus är en konversation. Inre bakgrundsljud; slammer från porslin, prat, skratt, pling i dörren. Yttre bakgrundsljud som tränger in i lokalen; dörren öppnas, tåg, tåggnissel, trafik, kyrkklocka. För att genomföra detta placeras M-mikrofonen riktad mot ljudkällan, konversationen. S- mikrofonens lober placeras vinkelrätt gentemot M-mikrofonens samt placeras S-mikrofonen nära relativt M-mikrofonen för att undvika fasfel (figur 1). 1

Figur 1. Figuren visar hur de två mikrofonernas riktningskarakteristiker kan vara placerade gentemot en given ljudkälla för en MS konfiguration. Figur 2. Figuren visar hur de två högtalarna kan placeras i rummet. Då S-mikrofonen på grund av sin riktningskarakteristik har en plus och en minussida kan en matrisering/mixning av M- och S-signalerna genomföras. Detta kan genomföras genom att först lägga ut lika mycket M-signal i både vänster (V) och höger (H) högtalare (figur 2). Därefter splittas S-signalen i två, där den ena av dessa direkt mixas ut till den vänstra högtalaren, den andra S- signalen inverteras för att därefter mixas ut med samma nivå som den vänstra S-signalen till den högra högtalaren. 2

Följande ekvationer erhålls: 1. V = M + ks 2. H = M ks där k anger hur mycket S-signal som används i slutmixen. Samt randvillkoret 3. M > ks Ekvation ett och två visar hur signalen skall mixas för att respektive högtalare skall få rätt signal, randvillkoret (3) visar att om ks är större än M resulterar detta i ekvationen: 4. V = H Ekvation fyra visar att då randvillkoret inte är uppfyllt kommer ljudet i högtalarna att uppfattas som om de är kopplade i motfas. Förutsatt att de båda högtalarna är identiska. Det vill säga när högtalarmembranet i vänster högtalare (V) ges en signal som gör att högtalarmembranet rör sig i en riktning kommer högtalarmembranet i höger högtalare (H) att röra sig lika mycket fast åt precis motsatt håll. Då M- och S-mikrofonerna ger två diskreta monosignaler ända tills matrisering/mixning genomförs, går det att först lagra informationen som separata monosignaler. Detta medför att den slutgiltiga mixen inte behöver göras vid inspelningstillfället utan kan göras senare. k varieras för att ändra stereobredden. Då k=0 finns endast en monosignal. 3. Syfte Syftet med denna empiriska studie är att undersöka, utveckla samt verifiera matris/mixer till en prototyp för 4.0 surroundljud med två alternativt tre kondensatormikrofoner. 4. Teori Blumleins teori om MS-teknologin har används som utgångspunkt för nedan presenterade ekvationer med tillhörande randvillkor (5-19). För att kunna få ett fyrkanaligt surroundljud för ett givet inspelningsscenario där målet med inspelningen är att både erhålla riktning samt få med hela rummet. 4.1 Teori för två mikrofoner För att göra detta används två mikrofoner med åttakaraktäristik nedan kallade S_1 och S_2 (figur 3) samt fyra högtalare (figur 4). 3

Figur 3. Figuren visar hur de två mikrofonernas riktningskaraktäristiker är placerade gentemot två givna ljudkällor. Figur 4. Figuren visar hur de fyra högtalarna kan placeras i rummet. 4

Ekvationer med tillhörande randvillkor: 5. V_F = S_1 + ks_2 6. H_F = S_1 ks_2 7. V_B = S_1 + ks_2 8. H_B = S_1 ks_2 9. S_1 > ks_2 Ekvation fem till och med åtta visar hur signalen skall matriseras/mixas för att respektive högtalare skall få rätt signal, k visar hur mycket S_2-signal som mixats ut till högtalarna, randvillkoret nio visar att om ks_2 är större än S_1 resulterar detta till ekvationen: 10. V_F = H_F 11. V_B = H_B Ekvation tio och elva visar att då randvillkoren inte är uppfyllda kommer högtalarna upplevas som om de är kopplade i motfas. Det vill säga när till exempel högtalarmembranet i vänster framhögtalare (V_F) får en signal som gör att högtalarmembranet rör sig i en riktning kommer högtalarmembranet i höger framhögtalare (H_F) att röra sig lika mycket fast åt precis motsatt håll, förutsatt att de båda högtalarna är exakt lika. 4.2 Teori för tre mikrofoner För att göra detta används tre mikrofoner, två stycken med cardioidkaraktäristik nedan kallade M_F och M_B samt en mikrofon med åttakaraktäristik nedan kallad S (figur 5) samt fyra högtalare (figur 6). Figur 5. Figuren visar hur de tre mikrofonernas riktningskaraktäristiker är placerade gentemot två givna ljudkällor. 5

Figur 6. Figuren visar hur de fyra högtalarna kan placeras i rummet. Ekvationer med tillhörande randvillkor: 12. V_F = M_F + ks 13. H_F = M_F ks 14. V_B = M_B + ks 15. H_B = M_B ks 16. M_F > ks 17. M_B > ks Ekvation 12 till och med 15 visar hur signalen skall matriseras/mixas för att respektive högtalare skall få rätt signal, k visar hur mycket S-signal som mixats ut till högtalarna, randvillkoren 16 och 17 visar att om ks är större än M_F och eller M_B resulterar detta i ekvationerna: 18. V_F = H_F 19. V_B = H_B Ekvation 18 och 19 visar att då randvillkoren inte är uppfyllda kommer högtalarna upplevas som om de är kopplade i motfas. Det vill säga när till exempel högtalarmembranet i vänster framhögtalare (V_F) får en signal som gör att högtalarmembranet rör sig i en riktning kommer högtalarmembranet i höger framhögtalare (H_F) att röra sig lika mycket fast åt precis motsatt håll, förutsatt att de båda högtalarna är exakt lika. 6

5. Metod och tillvägagångssätt För att kunna pröva teorin kommer ett flertal kretsar samt även upphängningsanordningar för de två/tre mikrofonerna att konstrueras och byggas upp i enlighet med ekvationerna (5-19) samt figurerna tre och fem (figur 7-8). Figur 7. Figuren visar blockschema för matris/mixer vid teoriprövning av två mikrofoner, beteckningar enligt ekvationerna (5-8). Figur 8. Figuren visar blockschema för matris/mixer vid teoriprövning av tre mikrofoner, beteckningar enligt ekvationerna (12-15). För att därefter kunna pröva konstruktionerna kommer ett blindtest att genomföras. Blindtestet utförs först med två mikrofoner och därefter med tre mikrofoner. I rum A är mikrofonerna uppställda i rummets origo och där finns även testperson A. I rum B (figur 4) finns ett fyrkanals surroundsystem riggat och där finns även testperson B som befinner sig i rum B:s origo. Testperson A pratar och rör sig i rummet. Via högtalarna i rum B hör testperson B vad som sägs. Testperson B:s uppgift är att med ord förklara/beskriva i vilken av rummets kvadranter som ljudkällan upplevs befinna sig. För att till viss del undvika mätfel är testpersonerna A och B samma vid båda experimenten. Testpersonerna byter plats och testet genomförs på nytt. 7

6. Resultat 6.1 Resultat, två mikrofoner Resultatet vid genomförandet av blindtestet med två mikrofoner är att det inte fungerar. Det går inte att avgöra om en ljudkälla befinner sig framför eller bakom testperson B. Resultatet är detsamma med testperson A. När högtalarna framför testpersonen stängs av, går det att bedöma om ljudet kommer från vänster eller från höger. När högtalarna bakom testpersonen stängs av, går det att bedöma om ljudet kommer från vänster eller från höger. Då samtliga fyra högtalare är påslagna går det för testpersonen att i någon mån avgöra om ljudet kommer från vänster eller höger sida. 6.2 Resultat, tre mikrofoner Resultatet vid genomförandet av blindtestet med tre mikrofoner är att teorin fungerar. Resultatet är samma för båda testpersonerna. Det går att avgöra i vilken kvadrant ljudkällan upplevs befinna sig. Då värdet på k är lågt är det svårare att bedöma i vilken kvadrant ljudkällan befinner sig. Då värdet på k är högt är det svårare att bedöma i vilken kvadrant ljudkällan befinner sig. Testpersonerna upplever att ljudet är överallt i rummet. 7. Diskussion 7.1 Resultatdiskussion Vid teoriprövningen har följande utrustning används: 2 st. KM74 (se Appendix figur 1 och 2) som M-mikrofoner och en U77 (se Appendix figur 3 och 4) som S-mikrofon, samtliga mikrofoner är av fabrikatet Neumann. 4 st. full range elektrostathögtalare, Quad ESL-57 med tillhörande förförstärkare och slutsteg. Matris/mixer. Jag har via empiriska studier funnit att valet av min utrustning överensstämmer med studiens syfte. Delar av utrustningen som till exempel matrisen/mixern har jag tillverkat själv. Komponenterna i matrisen/mixern är empiriskt utprovade. Detta innebär att valet av utrustning kan ha påverkat resultatet. Utrustningen har valts med målsättning att undvika förvrängningar av ljudet/talet eftersom målet har varit att avbilda ett scenario. Tekniken är ännu inte testad i ett skarpt inspelningstillfälle, vilket försvårar bedömningen av teknikens framtidsutsikter. Omkonstruktion av matrisen/mixern kan behövas, beroende på inspelningstillfälle. Detta för att kunna ändra specifika inställningar i matrisen/mixern. Om behov uppstår är det förmodligen relativt enkelt att korrigera. 7.1.1. Resultat två mikrofoner Resultatet överensstämde inte med syftet. Vid testet konstaterades att det inte gick att avgöra om försöksperson A befann sig framför eller bakom försöksperson B. Orsaker till detta skulle kunna vara att matrisering/mixningen som gjordes var fel approach till problemet. Det kan också bero på att antalet dimensioner/riktningar är för få för att kunna bedöma i vilken kvadrant försöksperson A befinner sig. 7.1.2. Resultat tre mikrofoner Resultatet överensstämde med syftet. Testresultatet visade att försöksperson B kunde avgöra i vilken kvadrant försöksperson A befann sig. Orsaken var troligen att en dimension/riktning har lagts till, det vill säga ytterligare en mikrofon har använts. 8

7.2 Metoddiskussion Jag har valt att utgå från MS-teknologin. Denna teknik är troligen den enda kända inspelningsteknik där information om var en ljudkälla befinner sig i rummet samt hur denna ljudkälla interagerar med omgivningen erhålls på ett sådant sätt att det i en efterbearbetningsfas går att bestämma nivån på rumsakustiken. Eftersom tekniken bygger på två mikrofoner som sitter nära varandra medför detta små fasfel. Detta innebär att ljudkällan och rumsakustiken spelas in vid samma tillfälle. Fördelar med MS-teknologin Positiv effekt med MS-teknologin är att den slutliga matriseringen/mixen inte behöver göras vid inspelningstillfället. Vilket innebär att karaktären på inspelningen sätts under inspelningstillfället däremot kan nivån på rumsakustiken bestämmas efter inspelningstillfället. När alla ljudkällor och mikrofoner är placerade som det är tänkt i rummet blir inspelningen enkel att genomföra. Det behövs relativt lite utrustning för att göra tämligen omfattande inspelningar. För att slutresultatet skall bli så bra som möjligt är det nödvändigt att artister, producenter samt ljudtekniker både lyssnar och kan kommunicera med varandra. Nackdelar med MS-teknologin Negativ effekt med MS-teknologin är att det till exempel inte går att ändra nivån av individuella ljudkällor i en efterarbetningsfas. Det går heller inte att placera om individuella ljudkällor i en efterbearbetningsfas. Om behov av att justera ljudnivån eller placeringen av någon individuell ljudkälla uppstår, måste ljudkällan flyttas till den önskade positionen relativt mikrofonerna. Vilket kan komma att försvåra både möjlig efterbearbetning men också och kanske viktigast arbetssituationen med artisterna. En annan och ofta svårbemästrad begränsning är målsättningen att få en användbar helhetsavbildning av skeendet på scenen. Den inbördes placeringen av artister och mikrofoner kan kräva en hel del ansträngning, då det lyckas kan ett riktigt bra resultat uppnås. Som alternativ till ovanstående teknik är det möjligt att lägga ut ett inspelat ljud till vilken högtalare som helst eller en kombination av flera. Detta kan presenteras i exempelvis ett 5.1 eller 7.1 ljudsystem. 7.3 Slutsatser Teoriprövningen med två mikrofoner gick inte att verifiera. Utifrån detta kan ingen generell slutsats dras. Under andra förutsättningar är måhända verifiering möjlig. Teoriprövningen med tre mikrofoner verifierades. Det gick att bestämma i vilken kvadrant en ljudkälla befinner sig. Att använda sig av försökspersoner för att verifiera en teori kan ifrågasättas, dock kan konstateras att metoden gav såväl korrekta, entydiga som reproducerbara resultat. 7.4 Förslag till fortsatt forskning Ur undersökningens resultat framkom följande frågeställningar: Hur kan validitet säkerställas vid mätningar av ljud? Hur kan relationen mellan vad som låter sig mätas och vad som de facto upplevs undersökas? Kan ljudreproduktion betraktas som en konstform? 9

8. Referenser Alexander, Robert Charles. (1999). The inventor of stereo The life and works of Alan Dower Blumlein. Focal Press. ISBN 0-240-51628-1 Blumlein, Alan Dower (1931) Patent 394,325. Brittiska patentverket. Återges i dess helhet i Streicher & Everest, (1998). The New Stereo Soundbook. 2 uppl. Passadena: Audio Engineering Associates Boré, Gerhart. (1956). Priciples and Problems of Sterophonic Transmission. Georg Neumann, Laboratorium für Elektroakustik G.m.b.H. Berlin Intervju med Tomas Westermark, konstruktör, ljudtekniker och tandläkare 10

Appendix Vid konstruktion av mikrofonkapsel uppmäts bland annat känsligheten, denna redovisas i ett polärdiagram med olika kurvor redovisade för lämpliga frekvenser. Dessa olika kurvor beroende på dess form har kommit att kallas exempelvis cardioid, kula och åtta. Figur 1. Figuren visar tekniska data för Neumannmikrofonen KM74. 11

Figur 2. Figuren visar frekvensgång och polärdiagram för Neumannmikrofonen KM74. 12

Figur 3. Figuren visar tekniska data för Neumannmikrofonen U77. 13

Figur 4. Figuren visar frekvensgång och polärdiagram för Neumannmikrofonen U77. Referenser http://www.neumann.com/?lang=en&id=hist_microphones&cid=km74_publications http://www.neumann.com/?lang=en&id=hist_microphones&cid=u77_publications 14