ZAALSIMULATIE
ZAALSIMULATIE VOOR DE HUISKAMER: DOLBY SURROUND EN ANDERE SYSTEMEN Elektronische simulatieZoals in mijn reader Audiotechniek (1995) voor het vak ‘Weergavetechniek’ van  het Koninklijk Conservatorium bij ‘Grondbeginselen van de zaalakoestiek’ werd opgemerkt, bestaan er twee toepassin­gen van het beeldmodel. De ene is heuristisch en levert inderdaad spelender­wijs langs de geschetste richtlijnen en met behulp van schaalmodellen, waaraan wat metingen worden verricht een keus voor de gewenste geometrie van de concertzaal. De andere is meer praktisch: de elektronische simulatie van een concertzaal. Waarom is dat nuttig? Eén belangrijke reden is, dat men er graag zeker van wil zijn, dat de concertzaal uiteindelijk goed klinkt. Wanneer de computer eenmaal de posities van de virtuele bronnen heeft bepaald, kan hij deze gegevens gebruiken om een "droog" (galmloos) audiosignaal te produceren, waarmee een opname kan worden gemaakt, die de indruk geeft van het in de zaal optredende geluid. Eventuele tekortkomingen kunnen dan worden gecorrigeerd voordat latere correcties het ontwerp veel duurder maken.Een andere toepassing van de concertzaal simulatie vormt de toevoeging van een galmeffect met behulp van een DSP (Digital Sound Processor) in de huiskamer audio­wereld. Een accurate reproduktie van het vroege reflectie patroon vergt, dat het geluid de luisteraar bereikt vanuit richtingen, die met normale stereoweergave niet zijn te realiseren. 

Fantasia

Nadat vooral merken als Yamaha en Sony DSP zaalsimulatoren met veelzijdige gebruiks­moge­lijkheden hadden ingevoerd, zijn deze de afgelopen jaren geleidelijk verdrongen door min of meer gestandaardiseerde vormen van ruimtelijke simulatie onder de verzamelnaam "Surround Sound". Dat de achterliggende gedachte helemaal niet zo nieuw is, illustreert een brokje historie.Al in 1940 voerde Walt Disney met zijn beroemde film Fantasia voor het eerst meerkanaals geluid in de bioscoop in. Dat was destijds een mislukking, omdat de tijd en de apparatuur er nog niet rijp voor waren. In de jaren vijftig kwamen toen de 4- en 5-kanaals geluidsfilms, waarbij magnetische band naast de film was geplakt; dat gebeurt nu nog bij 70mm filmko­pieën, maar het is een dure en lastige handelwijze.Bovendien bezaten reeds alle formaten drie audio hoofdkanalen en tenminste een surround kanaal. In de jaren zeventig ontwikkelde de firma Dolby een procédé, waarmee de vier nodige geluidssporen in slechts twee discrete lichtsporen (in de verte verwant aan het oude Philips Miller systeem) op 35mm film konden worden ondergebracht. Die lichtsporen - ze waren tot dan praktisch steeds in mono - werden simpelweg tegelijk met de film belicht. Dat reduceerde de kopieerkosten drastisch. Ook de vereiste modificaties aan de projectoren waren betrekke­lijk klein. Dit proces had een uitstekende start met de George Lucas film Star Wars in 1976. Als naam kreeg het systeem mee: Dolby Stereo.Toen TV en videorecorders ook stereogeluid begonnen te verwerken, bracht Dolby in 1982 een eenvoudige variant van het systeem op de consumentenmarkt: Dolby Surround. De daarvoor noodzakelijke simpele decoders losten echter alleen het surround kanaal op en bezaten een slechte kanaalscheiding (3dB tussen hoofd- en surround luidspreker). Daarom volgde in 1987 de eerste Dolby Surround Pro Logic decoder, die in alle wezenlijke disciplines professionele kwaliteit bezat. De kanaalscheiding was >25dB en alle vier de kanalen werden gecodeerd. Daaraan is intussen niet zoveel veranderd, alleen hebben de meeste decoders intussen een kanaalscheiding van >50dB. 

Intensiteitsstereo doet het

Uitwisselbaarheid is een van de basisvoorwaarden voor de ontwikkeling van Dolby Stereo geweest en dat wonder is volbracht: Dolby Stereo is naar boven en naar beneden compatibel met stereo en mono. Een droom van elke informaticus gerealiseerd! Bereikt werd dit door een "zachte" fasecodering. Voorwaarde voor het functioneren van het geheel is wel, dat de geluidsopname in pure intensiteitsstereo wordt gemaakt. De belangrijkste geluidsbronnen moeten daartoe met identieke fase worden opgenomen, zodat de informatie in beide stereokanalen met 100% zekerheid gelijktijdig opduiken. De positie van de stereobasis volgt dan uitsluitend uit de verschillen in luidsterkte tussen de beide kanalen.Intensiteitsstereo is compatibel met mono en daardoor met TV en radio, die ook nog altijd monocompatibel moeten uitzenden. Dolby Stereo opnamen kunnen dus ook altijd goed in mono worden uitgezonden.Om beter te begrijpen hoe het werk, is het nuttig nog even terug te keren naar de grondbegin­selen van het ruimtelijk horen, ofwel hoe het menselijk gehoor kan worden bedot. De hersens ontleden elke binnenkomende toon in drie componenten, waaruit het zijn conclusies trekt. Als een geluidsbron in werking treedt - en handgeklap in een kathedraal blijft een dankbaar voorbeeld - dan wordt het oor het eerst getroffen door het directe geluid. Dat wordt gebruikt als herkenningsteken om te bepalen om wat voor soort geluid het gaat en om aan de hand van het zeer geringe tijdverschil, dat het gevolg is van de begrensde voortplantingssnelheid van het geluid en de onderlinge afstand van het ene tot het andere trommelvel plus een gering verschil in luidsterkte meteen de richting te bepalen, waar het geklap vandaan kwam.Als volgende bereiken de vroege reflecties het oor. Ze komen nog ongeveer uit dezelfde richting als het directe geluid, maar even later omdat het gereflecteerde geluid een wat langere weg moet afleggen. In heel grote ruimtes - een kathedraal - kan het zelfs een afzonderlijke echo worden. Deze vroege reflecties helpen de hersens om de afstand tot de geluidsbron te bepalen en ze geven een idee van de grootte van de ruimte en de afstand tot de geluidsbron.Daarna wordt het geluid ook nog eens door alle voorhanden objecten en door de begrenzende vlakken gereflecteerd en gebroken. Zo ontstaat een diffuus klankmengsel, dat min of meer gelijktijdig uit alle richtingen komt: de galm of het diffuse geluid. Het oor heeft er niets aan voor de plaatsbepaling, het zweeft teveel in de ruimte. Maar de hersens halen uit dat diffuse geluidsaandeel wel de grootte en de aard van de ruimte, in dit geval dus "zeer groot", "steen" en "marmer".Intensiteitsstereo ontstaat op dezelfde manier als het oor geluid waarneemt. De eenvoudigste manier om dergelijke opnamen te maken bieden One Point microfoons. In hun eenvoudigste vorm treffen we ze o.a. aan als stereomicrofoons of goede camcorders. De beide kapsels bevinden zich dicht bij elkaar, liefst in één punt geconcentreerd. Daardoor bereikt het directe geluid de microfoons op hetzelfde tijdstip. De microfoon, die naar de geluidsbron is gekeerd geeft het geluid iets luider weer. Omdat er niet van een tijdverschil sprake is, is het geluid in beide stereokanalen synchroon: dat betekent met gelijke fase.De vroege reflecties komen niet alleen even later bij de microfoons aan, maar ze hebben ook tengevolge van verschillende looptijden diverse faselengtes en niveauverschillen in de beide stereokanalen, waardoor bijvoorbeeld in een van de kanalen een wat diffuse afbeelding in de linker helft van de stereobasis kan ontstaan. Het galmaandeel tenslotte bereikt de microfoons na een langere periode uit alle richtingen met zeer verschillende fase en niveau. Het verdeelde zich bij weergave gelijkmatig over het stereo panorama en het oor tracht uit de verschillende fasetoestanden een ruimtelijke indruk te construeren; zo ontstaat de voor goede stereo nodige breedte- en dieptewerking.Polymicrofoon opnamen leveren ook Intensiteits stereo. Daartoe krijgt elke belangrijke geluidsbron - bijvoorbeeld elke instrumentgroep uit een orkest - een eigen microfoon. De Balance Engineer maakt daar aan de mengtafel met behulp van volume- en balansregelingen een fraai stereopanorama van. Het diffuse geluid komt dan uit de overspraak tussen de microfoons. Meestal worden bij studio-opnamen echter de galm en de reflecties elektronisch met effectapparatuur toegevoegd.De Dolby Surround decoder doet in feite niet anders als het fasegedrag ruimtelijk te interpre­teren. Alles wat uit het stereomidden komt heeft dezelfde fase en luidsterkte. Deze signalen (l = r) worden door de decoder naar de in het midden van de stereobasis geplaatste Center luidspreker gevoerd C= (l=r). Alle bestanddelen met ongelijke fase (l-r) van het stereosignaal en daarmee het galmaandeel worden via het Surroundkanaal afgebeeld: S = (l-r). De galm komt dus weer precies daar, waar hij zijn oorsprong had: uit alle richtingen en via alle wanden. Hieruit wordt meteen duidelijk, waarom men de luidsprekers van het surround kanaal niet kan lokaliseren. Ze vertegenwoordigen de wanden van de opnameruimte en die zijn niet als geluidsbron waarneembaar.In het linker en rechter kanaal blijven alle bestanddelen van de stereobron over, die niet even luid, maar wel in fase zijn: L = l-(l=r) - (l-r) en R =  r- (l=r)-(l-r). Het resultaat: de Dolby decoder sorteert de afzonderlijke geluiden uit de stereo-opname veel nauwkeuriger op de plaats waar ze vandaan kwamen dan bij stereoweergave mogelijk is. 

De rol van de decoder

Een coder maakt niet altijd noodzakelijkerwijs een decoder nodig. Maar hij is wel van voordeel. Films worden als regel voor zes- of vierkanaals weergave van geluid voorzien. De coder maakt van die vier of zes kanalen tweekanaals Intensiteits stereo. Bij de film wordt traditioneel met vier kanalen geproduceerd, maar via een coder-decoder keten afgeluisterd om precies te kunnen controleren wat later in de bios of thuis wordt weergegeven.Wanneer men hem met tweekanaals materiaal voert, zorgt de coder er ook voor, dat aan het eind slechts twee fasetoestanden overblijven: 0° en 90°. Daardoor heeft de decoder het eenvoudiger en neemt de kanaalscheiding toe.Ontvangt hij een ongecodeerd stereosignaal van bv. een cd of TV geluidssignaal, dan heeft hij daar ook geen moeite mee. Omdat hier de coder niet voor een zuiver fasegedrag heeft gezorgd, kan wel de kanaalscheiding wat te lijden krijgen.Zoals gezegd: één van de grootste voordelen van het systeem is de hoge uitwisselbaarheids­graad. Daarom geldt als basisregel, dat het verstandig is om de decoder alleen in noodgeval­len uit te schakelen. Alleen bij opnamen van klassieke muziek is het opletten, omdat daar vaak sprake is van looptijd- en fasestereofonie. Wanneer bij het omschakelen van stereo naar surround het panorama in de war raakt of de afzonderlijke instrumenten ineens uit onrealisti­sche richtingen komen, is geen sprake van Intensiteits stereo en is de bewuste opname niet compatibel. 

Het belang van de Center luidspreker

Vergeleken het stereoweergave is Surround weergave met een midden luidspreker in het voordeel, gehoorpsychologisch bezien. Nemen we een nieuwslezer. Die wordt in het midden van de stereobasis als fantoom geluidsbron afgebeeld. Omdat beide luidsprekers de stem even luid en in fase weergeven, construeren de hersens een aparte stem, maar maakt daarbij ook fouten. Dat is met een stereo installatie makkelijk aan te tonen.Neem die nieuwslezer als fantoombron tussen beide stereo luidsprekers; draai vervolgens aan de balansknop zodat hij slechts via één luidspreker hoorbaar is. Hij wordt dan meteen beter verstaanbaar. Het gehoor hoeft hem niet langer uit twee bronnen te construeren. De Amerikanen spreken in dit verband van "Brain-Processing Time". Hiermee is aangetoond, dat het onlogisch is om daar, waar zich ook muzikaal het meeste afspeelt, namelijk in het midden van de stereobasis geen luidspreker te hebben. Entrée van de Surround Center Speaker, die dus veel belangrijker is dan om alleen bij films de dialogen weer te geven, al wordt die uiteraard ook beter verstaanbaar. Bovendien wordt die stereobasis nu in twee kleinere onderverdeeld, wat de zuivere afbeelding nauwkeuriger maakt. Maar tevens wordt zo de stereo luisterzone aanzienlijk uitgebreid en kan het geluidsdecor minder plaatsgebonden worden waargenomen. Verder krijgen onze hersens het makkelijker: ze horen het diffuse geluidsaandeel weer op de plek, waar het vandaan kwam. Ook de decoder helpt het oor, want de signalen die hij levert hebben alle dezelfde fase: namelijk 0°. 

Kerk, stadion of kroeg

Vaak worden Dolby Surround decoders in verband gebracht met DSP apparatuur, met geluidsveld processoren, maar die doen eigenlijk haast het tegendeel. Menige Dolby Surround Sound processor biedt echter ook dergelijke mogelijkheden. Met tal van extra opties en effecten. Bij de gangbare mono- en stereoweergave hoort men twee akoestische ruimtes: die van de opname en die waarin men zich bevindt. Het uit elkaar houden van die twee is voor de grijze cellen al moeilijk genoeg. De geluidsveld processoren wekken aan de hand van allerlei schakelingen - bijvoorbeeld "kerk", "stadion", "concertzaal", "disco" en "jazzcafé" - vroege reflecties en galm op overeenkomstig de akoestische gegevens van die ruimtes en voegen deze vervolgens bij het signaal te mengen. Dat is eigenlijk teveel van het goede, omdat aan de twee onvermijdelijke ruimtes nu nog een derde wordt toegevoegd.Wat was het uitgangspunt?In plaats van terug te gaan naar het tekenbord om een nieuw meerkanaals weergave systeem te ontwikkelen, is een andere, waardevolle manier om Higher Fidelity te bereiken om via een synthesizer gedurende weergave galmgeluid op basis van gegeven praktische ruimtemodellen (gewild zijn: kathedraal, grote en kleine concertzaal en bruine kroeg, afhankelijk van het voorkeurs muziekgenre) te doseren. Deze benadering heeft het voordeel, dat de luisteraar de parameters van de galm naar smaak en overeenkomstig het muziekgenre zelf kan bepalen.Is dat een soort vervorming? We voegen zo tenslotte tijdens weergave geluid toe, dat bij de opname niet aanwezig was. Puristen zullen de vraag met ja beantwoorden. Maar je kunt ook fundamenteel omgekeerd redeneren en stellen, dat de opname vervormd is omdat hij geluid weglaat uit de oorspronkelijke uitvoering. wanneer het einddoel van hifi weergave bestaat uit de klankmatige herschepping van een muziekuitvoering in een andere ruimte, dan corrigeert een concertzaal simulatie in de huiskamer de tekortkomingen van stereo weergave.De situatie is vergelijkbaar met die van Dolby ruisonderdrukking. Dolby codering bij opname "vervormt" het signaal, maar de toegepaste compressie wordt in spiegelbeeld toegepast bij weergave met behulp van een complementaire expander. Op dezelfde manier wordt de "ruimtelijke compressie", die bij stereoweergave optreedt tijdens weergave met een zaalsimu­lator omgekeerd.Bij het maken van computer modellen voor zaalsimulatie in de huiskamer, wordt het beeldmo­del gebruikt om de posities van de virtuele bronnen te bepalen. Het is ook mogelijk om echte metingen uit concertzalen te gebruiken; de plaatsen van de virtuele bronnen kunnen daaruit worden berekend. Het resultaat van een van beide methodes kan vervolgens worden gebruikt om een myriade luidsprekers neer te zetten op de plaatsen van de virtuele bronnen en deze vervolgens met hetzelfde signaal te voeden.Dat is het soort bruut geweld situatie, die veel plaats, geld en kabelwirwar vergt. Acoustic Research demonstreerde in de jaren zeventig met een 48-kanaals opzet, waarbij de luisteraar bijvoorbeeld kon kiezen of hij middenin het parket van de Scala of op het tweede zijbalkon middenin links wilde zitten. Maar slimme technici hebben gemakshalve een reeks te recht­vaardigen vereenvoudigingen doorgevoerd. Om te beginnen werd het aantal luidsprekers drastisch gereduceerd en werden de resterende boxen langs de vier huiskamerwanden geplaatst zonder dat de richtingsinformatie verloren gaat. De vertragingstijden van de met de synthesizer opgewekte vroege reflecties zullen alle te kort zijn, maar dat kan worden gecompenseerd door elke luidspreker te voeden via een passend lange elektronische vertragingslijn.Volgende probleem: het aantal luidsprekers moet worden teruggebracht van enige honderden tot bijvoorbeeld vier of acht. Antwoord: verwaarloos de hoogte. Zoals eerder werd verklaard, veroorzaakt allen het vertraagde geluid van de zijkanten de ruimtelijke indruk. Hooggeplaatste luidsprekers (met name vòòr de luisteraar) dragen niets bij aan een subjectief gewenst effect. Door de uit de hoogte komende vertraagde geluiden te verwaarlozen, wordt afbreuk gedaan aan de nauwkeurigheid van de simulatie, maar tegelijk wordt zo gezorgd voor het idealiseren van de concertzaal. Zo overstijgt de elektronica architectonische beperkingen.Nadat alle reflecties tot het horizontale vlak zijn gereduceerd, ontdekken we, dat ze helaas clusters vormen binnen een paar richtingsbanden. Representatie van de geluiden die uit een gegeven band komen via een enkele luidspreker is een aanvaardbaar compromis, gegeven onze beperkte richtings gehoorscherpte voor geluid, dat niet van voren komt. Deze laatste simplificatie resulteert in een systeem, dat slechts vier luidsprekers vraagt. De beide stereo frontluidsprekers zorgen voor weergave van het directe geluid, twee veelal eenvoudiger achter de luisteraar geplaatste luidsprekers zorgen voor de noodzakelijke aanvulling.De eerste ambiance synthesizers maakten gebruik van hercirculatie door het uitgangssignaal op lager niveau weer aan de ingang door te geven. Zo ontstond een geleidelijk wegstervend geluid, dat karakteristiek is voor continue galm. Maar hercirculatie is volkomen in tegenspraak met het fysische proces in de concertzaal en is heel moeilijk te reproduceren zonder "sprongs­gewijze" geluidskwaliteit. Bovendien bevatten gangbare opnamen van klassieke muziek al een aandeel continue galm, zodat het synthetiseren daarvan tot nodeloze duplicatie leidt.De vroege reflecties moeten liefst worden vermeden bij een opname. Als deze namelijk via een standaard stereo systeem worden aangeboden, komen ze uit de verkeerde richting (van voren), waardoor de opname al gauw te galmrijk gaat klinken. Dat is trouwens een van de redenen waarom veel concertzalen niet zonder meer ideaal zijn om opnamen in te maken.Het weglaten van de vroege reflecties veroorzaakt een ander soort vervorming, maar die kan bij weergave worden gecorrigeerd. Of al bij opname, door deze in een echoloze kamer te laten maken. Johannes Kann maakte op die manier ooit piano-opnamen, maar dat moet een nogal claustrofobische bezigheid zijn geweest, die voor een groot ensemble om allerlei redenen onuitvoerbaar is.Het synthetiseren van alleen de geluiden, die ontbreken in de opname - de vroege reflecties - schept een elegant evenwicht tussen de beide audio technologieën: de opname biedt de weergave zoveel informatie als mogelijk en de simulator synthetiseert alleen de signalen, die niet of nauwelijks kunnen worden opgenomen.De praktijk valt wat tegen. Op het eerste gehoor klinkt dat heel plastisch. maar bij grondige analyse blijkt het een wirwar van klanken te zijn. Hier is Surround in het voordeel, omdat daarmee de "oorspronkelijke" wanden akoestisch worden vertegenwoordigd, waarmee in vrij hoge mate de huiskamera­koestiek wordt overdekt.In sommige kringen stelt men Surround min of meer gelijk met quadrafonie. Ook dat is fout. Bij quadrafonie gaat men namelijk uit van vier gelijkberechtigde luidsprekers, terwijl bij Dolby Surround de hoofdrichting aan de voorkant is. Daar staan de drie gelijkberechtigde hoofdluid­sprekers, die het volle frequentie- en dynamiekbereik moeten weergeven. Zo zorgen ze ook meteen voor een verdubbeld oplossend vermogen ten opzichte van stereo of kwadro.Het Surround kanaal heeft ten gunste van de kwaliteit van de hoofdluidsprekers slechts een frequentiebereik van 120-7,500Hz. Het verstrekt slechts het passende ruimtelijke gevoel en wordt hooguit in sommige films voor speciale effecten gebruikt. 

THX

Lucasfilm (Tomlinson Holman) stelde een verzwaard normenpakket samen in een poging om de geluidsweergave in de bioscoop geschikt te maken voor de huiskamer. Apparaten met het THX logo moeten aan die zwaardere eisen voldoen. De Controller bevat allereerst een hoogwaardige Pro Logic decoder om het geluid voor de vier kanalen met diverse schakelingen te be- en verwerken: "Re-equalisation" buigt de frequentiecurve volgens de bioscoopnorm, "Decorrelation" scheidt de linker van de rechter Surround luidsprekers (diffuus geluid) en "Timbrematching" past de klankkleur van de Surround luidsprekers aan bij de hoofdluidspre­kers.. Daarna gaan de signalen voor de hoofdkanalen door een actief wisselfilter, omdat THX luidsprekersystemen altijd uit een subwoofer met satellieten bestaat. THX versterkers moeten minimaal 100W aan 8W leveren. 

DTS en Dolby Digital: AC-3

De nieuwe, volledig digitale vijfkanaals principes DTS en Dolby Digital hebben meer weg van quadrafonie. De drie front hoofdkanalen zijn hetzelfde, maar daarbij komen een linker en rechter Surround kanaal met de volledige frequentie-omvang. Zo worden de voordelen van Dolby Stereo en kwadro verenigd zonder de nadelen van deze systemen in zich te bergen.Voor AC-3 wordt datagereduceerd muziekmateriaal gebruikt. Als software dienen voorlopig Laserdisc platen in NTSC formaat en komende High Density cd's. Er staan al zo'n 175 bioscoopfilms in AC-3 ter beschikking. 

Software

De voor Dolby Surround weergave speciaal gemaakte software is onder allerlei namen en begrippen leverbaar: als Dolby Stereo, Dolby Spectral Recording, Dolby Surround, Ultra Stereo e.d. 

P.S. 2001

Het bovenstaande is een bestandopname anno 1996. Wie daar behoefte aan heeft, mag de wat dubieuze ontwikkelingen van de afgelopen vijf jaar op dit gebied hieraan toevoegen…..