Введение

Четырехканальный звук

Квадрофонный (или квадрофонный и иногда квадросоник) звук – эквивалент современного 4.0-канального объемного звучания – использует четыре аудиоканала, при этом динамики располагаются в четырех углах помещения для прослушивания. Система позволяет воспроизводить звуковые сигналы, которые (полностью или частично) независимы друг от друга. Четырехканальный квадрофонный объемный звук может быть использован для воссоздания высокореалистичного эффекта трехмерного звучания концертного зала в домашних условиях. Он также может улучшить восприятие звука, выходя за пределы направленных ограничений обычного двухканального стереозвука. Квадрофонный звук был первым потребительским продуктом в области объемного звучания. С момента его представления публике в начале 1970-х годов было сделано множество тысяч квадрофонных записей. Квадрофонный звук потерпел коммерческий провал при первом появлении из-за ряда технических проблем и несовместимости форматов. Четырехканальные аудиоформаты могут быть дороже в производстве, чем стандартные двухканальные стерео. Для воспроизведения требуются дополнительные динамики и каналы усилителя. Также может потребоваться специально разработанное декодирующее оборудование. Появление домашних кинотеатров в 1990-х годах изначально предназначалось для звука фильмов, но также вновь популяризировало многоканальное воспроизведение музыки. К этому времени были созданы новые цифровые форматы. Многие четырехканальные записи 1970-х годов были переизданы в современных системах объемного звучания, таких как Super Audio CD, DTS, Dolby Digital, DVD Audio и Blu-ray. Многоканальное домашнее аудио воспроизведение переживает возрождение с 2000 года, и с тех пор были выпущены новые четырехканальные записи. Квадрофонная система воспроизводит правый передний, правый задний, левый передний и левый задний аудиосигналы через четыре отдельных динамика. Качество воспроизведения задних динамиков должно быть таким же или почти таким же, как у передних динамиков; в идеале квадрофонная система использует четыре идентичных динамика.

История

Первые устройства, использовавшиеся для записи звука с четырьмя каналами, были аналоговыми ленточными магнитофонами с открытой катушкой. Они были разработаны для использования звукорежиссерами в профессиональных студиях в 1950-х годах в Германии компанией Telefunken, а также компанией Ampex в Соединенных Штатах. К 1954 году такие устройства появились в некоторых европейских студиях электронной музыки. Первые попытки воспроизвести четырехканальный звук для домашнего прослушивания начались с инженеров аудиолабораторий в конце 1960-х годов. Продюсер Томас Моури, первоначально работавший в Школе музыки Истмана, был одним из пионеров классической квадрофонической записи. Позже он делал квадрофонические записи для Deutsche Grammophon и других лейблов в начале 1970-х годов, но многие из них были выпущены только в стереоформате. Небольшое количество квадрофонических записей было представлено на американском рынке компанией Vanguard Records в июне 1969 года на лентах с открытой катушкой. Наиболее популярным носителем для продажи записей публике в 1970-х годах была виниловая пластинка. Квадрофонические записи на 8-трековых кассетах также были популярны в 1970-х годах, особенно среди любителей автомобильной аудиосистемы. В 1970-х годах крупные производители электроники предлагали специализированные аппаратные системы для декодирования 4-канальных записей. Эти декодеры часто продавались как отдельные электронные компоненты. Декодеры также были доступны в качестве встроенной функции некоторых аудиоприемников или усилителей, продаваемых в 1970-х годах. Многие квадрофонические записи в 1970-х годах использовали "матричные" технологии для кодирования и декодирования четырех каналов аудиоинформации в двухканальном носителе, обычно на LP. Плохая производительность декодирования ранних матричных форматов была основной причиной их исчезновения после появления улучшенных матричных систем. Более поздние матричные системы были основаны на работах Питера Шейбера. Его базовая формула использовала схемы сдвига фазы на 90°, что позволило разработать усовершенствованные матричные системы 4-2-4, двумя основными представителями которых были системы SQ от Columbia и QS от Sansui. Три самых популярных формата квадрофонических LP в 1970-х годах были SQ (Stereo Quadraphonic), QS (Regular Matrix) и CD 4 (Compatible Discrete 4) / Quadradisc. Японский регулирующий орган и производители аудиоаппаратуры определили стандарты для квадрофонического звука. RM (Regular Matrix) использовался как синоним QS, QM (Quadraphonic Matrix) – для Stereo 4 и Dynaquad, а QX (QuadXtra, основанный на "Dual Triphonic" Д.Х. Купера) – для UD4. Вместе с Шейбером и Мартином Уиллкоксом, Джим Фоскет разработал декодер Tate II 101 SQ, который создавал очень точное звуковое поле, используя регулировку усиления и эффект Хааса для маскировки артефактов декодирования. Он использовал специализированные, собранные вручную и откалиброванные схемы с компонентами, отсортированными с точностью до 1%, для обеспечения точной работы. Декодеры серии QSD и приемники серии QRX от Sansui были очень хороши, даже синтезируя левое и правое стерео в топологию в форме подковы. Однако все они появились слишком поздно и были слишком дорогими или труднодоступными для массовой покупки, чтобы спасти матричную квадрофонию от забвения. К началу 2000-х годов более сложные "дискретные" многоканальные системы в основном заменили матричные технологии, обеспечивая более высокую производительность и полную независимость каналов. Сегодня программное обеспечение может использоваться вместо аппаратного декодирования. Современные программные алгоритмы способны обеспечить более точное декодирование, чем более ранние аппаратные технологии. Все многоканальные аудиосистемы, широко используемые сегодня, являются цифровыми. Цифровой многоканальный звук доступен для домашнего использования с момента появления фильмов с объемным звуком в 1990-х годах с использованием Dolby Digital и DTS. Наиболее распространенными цифровыми носителями, способными воспроизводить музыку с объемным звуком, сегодня являются Super Audio CD, DVD и Blu-ray, все из которых способны воспроизводить аудио высокого разрешения с несколькими каналами.

Квадрофонная аудиомиксация

Процесс сведения звука для четырехканального звучания отличается от сведения стереоверсий той же записи. Большинство студийного оборудования рассчитано только на стерео, поэтому необходимо наличие специализированных многоканальных микшерных консолей и систем воспроизведения. Для классической музыки продюсеры обычно предпочитают эффект, при котором оркестр воспринимается в стерео только в передних каналах, а естественная реверберация или "эхо" концертного зала – во всех динамиках. Некоторые записи живых концертов популярной музыки также были сведены таким образом. В классических записях редко размещают основные или сольные инструменты в задних каналах, хотя это иногда и делается. Некоторые классические записи были сделаны с позиции, при которой слушатель как будто сидит в центре оркестра. Примером является запись 1973 года Columbia Masterworks Концерта для оркестра Белы Бартока под управлением Пьера Булеза. Оригинальная четырехканальная запись была выпущена на матричных пластинках и 8-трековой магнитной ленте, а в 2018 году переиздана на формате Super Audio CD компанией Dutton Vocalion. Приложенные к записи сопроводительные материалы указывают направление, откуда слышна каждая группа инструментов. Продюсеры поп-, рок- и джаз-музыки, как правило, используют стиль сведения с относительно высокой степенью разделения инструментов между четырьмя каналами. Этот тип записи может размещать музыкальные звуки в задних каналах, которые равнозначны по важности передним. Это может расширить ощущение направления и пространства у слушателя, подобно тому, как это произошло, когда звукорежиссеры представили стереозапись. В некоторых четырехканальных записях звуки движутся с полным вращением вокруг слушателя. Звукорежиссеры также могут стремиться к гибридному эффекту, сочетающему разные стили. Хотя квадрафонические эффекты иногда кажутся искусственными, музыкальное наслаждение может быть значительно усилено за счет более полного вовлечения слушателя.

Пластинки с фонографами

Квадрофоническое воспроизведение звука на виниловых пластинках было проблематичным. По мере быстрого развития технологий в 1970-х годах было предложено несколько различных решений для воспроизведения четырехканального звука с LP-пластинок. Некоторые из этих систем оказались гораздо более успешными, чем другие. Самыми простыми были "производные" (2–2–4) форматы. За ними последовали более сложные "матричные" (4–2–4) форматы, и, наконец, наиболее продвинутые "дискретные" (4–4–4) форматы.

EV-4/Stereo-4 и Dynaquad (DY)

Первыми из них были базовые системы с относительно низкой производительностью, разработанные компаниями Electro Voice (EV 4/Stereo 4) и Dynaco (Dynaquad (DY)). Этот так называемый матричный формат использовал четыре звуковых канала, которые "кодировались" в два стерео-трека альбома, а затем "декодировались" обратно в исходные четыре звуковых канала. Однако из-за невысокого качества декодирования эти системы не могли обеспечить такую же точность или независимость каналов, как более поздние матричные форматы. Оригинальные системы (DY и EV 4) страдали от низкого разделения каналов спереди слева-справа (около 12 дБ) и очень плохого разделения каналов сзади слева-справа – всего 2 дБ. Декодеры были спроектированы скорее для создания эффекта, чем для точного декодирования, что было обусловлено в основном ограничениями обеих систем. Поскольку обе системы были тесно связаны математически, пользователям достаточно было одного декодера любой из них для воспроизведения альбомов, закодированных для обеих систем. Различия между ранними и поздними матричными системами были настолько значительными, что точное декодирование DY/EV 4 с помощью декодеров SQ или QS было невозможно; результат часто представлял собой "размытую" или нечеткую звуковую сцену, сильно отличающуюся от задуманной продюсером или звукорежиссером.

QS Регулярная Матрица и SQ Квадрофония

Позже появились усовершенствованные системы, основанные на работе Питера Шейбера по использованию схемотехники со сдвигом фазы на 90 градусов, а именно системы QS и SQ. Первый из них, известный как QS, был разработан компанией Sansui Electric. Используя так называемый матричный формат, он применял четыре звуковых канала, которые были "закодированы" в два стерео-трека альбома. Затем они "декодировались" обратно в исходные четыре звуковых канала. Система QS дебютировала в США в марте 1971 года и была усовершенствована системой Vario Matrix в 1973 году. Второй, SQ, был разработан и продвигался компаниями Columbia Records и Sony и вышел на рынок США в апреле 1971 года. Формат SQ также использовался такими компаниями, как EMI в Великобритании, которая выпустила несколько альбомов в формате SQ. Разделение каналов в системе SQ было значительно улучшено благодаря внедрению декодирования SQ Full Logic в 1975 году с использованием микросхем Motorola MC1312, MC1314 и MC1315. И SQ, и QS получили значительную поддержку со стороны крупных звукозаписывающих компаний и производителей оборудования в 1970-х годах. Обе системы также добились заметных продаж и проникновения на рынок. К сожалению, из-за схожести названий и технологий, они могли быть легко перепутаны потребителями.

CD-4 или Quadradisc

Третий основной формат для четырехканальных виниловых LP, известный как CD 4 или Quadradisc, был разработан японской корпорацией JVC совместно с ее американским филиалом RCA Records. Этот квадрофонический формат впервые поступил в продажу в США в мае 1972 года. Являясь полностью дискретной системой, он отказался от матричных технологий в пользу метода, аналогичного кодированию стерео FM-вещания. Стереозаписи используют два основных аудиоканала – левый и правый, что позволяет CD 4 сохранять совместимость с обычным стереовоспроизведением. CD 4 также добавляет два дополнительных "дифференциальных" аудиоканала к основным каналам. Дифференциальные сигналы кодируются в ультразвуковых несущих частотах в диапазоне 30 кГц, что находится за пределами слышимого диапазона. Для считывания этих дополнительных высоких частот CD 4 требует специального головного картриджа с иглой "Shibata". Комбинированные сигналы затем направляются в специальный демодулятор для четырехканального декодирования. Демодулятор преобразует ультразвуковые сигналы обратно в слышимый диапазон и использует дифференциальные каналы для разделения задней аудиоинформации от основных каналов. Поскольку система CD 4 поддерживает четыре независимых сигнала на протяжении всего процесса, она способна точно реконструировать задуманное четырехканальное звуковое поле.

UD-4 / UMX / BMX

UD 4/UMX был разработан компаниями Nippon/Columbia (Denon). Это гибридная дискретно-матричная система. В этом формате закодировано всего от 35 до 40 произведений, и он продавался только в Великобритании, Европе и Японии. Эта недолговечная система страдала от несовместимости с обычным стереовоспроизведением из-за разницы фаз между левым и правым каналами. UD 4 был менее требователен к настройке, чем CD 4, поскольку носителям не требовалось обрабатывать столь высокие частоты, как в системе CD 4.

Квадрофонная открытая лента (Q4)

В этих системах все четыре доступные дорожки записывались на ленту, движущуюся в одном направлении. Предварительно записанные четырехканальные ленты на катушках записывались со скоростью 7 дюймов в секунду (IPS), что является максимальной скоростью, используемой для бытовых магнитофонов-катушечников. В отличие от этого, стереозаписи на катушках содержат 2 разные программы, каждая из которых записана в противоположном направлении. Многие стереоленты записывались со скоростью всего 3 IPS, что составляет половину максимальной скорости. Более низкая скорость приводит к значительному ухудшению качества звука.

Квадрофонная 8-трековая лента (Quad-8 и Q8)

RCA Records последовала за этим в апреле 1970 года, объявив о выпуске четырехканальной версии 8-трековой магнитной ленты под названием Quad 8 или Quadraphonic 8 track (позже сокращенно до Q8). В конечном итоге они появились отдельными партиями (70 кассет), выпущенными в октябре, ноябре и декабре 1970 года. Формат был практически идентичен внешнему виду стерео 8-трековых кассет, за исключением небольшой выемки в верхнем левом углу картриджа. Эта выемка давала сигнал квадрофоническому 8-трековому проигрывателю объединять нечетные дорожки в аудиоканалы для программы 1, а четные дорожки – в каналы для программы 2. Формат не был обратно совместим со стерео- или монопроигрывателями; хотя квадрофонические проигрыватели могли воспроизводить стерео 8-трековые кассеты, воспроизведение квадрофонических лент на стереопроигрывателях приводило к тому, что слышалась только половина каналов одновременно. Последний выпуск в формате квадрофонических 8-трековых записей состоялся в 1978 году, хотя большинство из них перестали выпускаться к концу 1976 года.

Форматы радиовещания

Были проведены эксперименты с радиовещанием (например, концерт Клиффа Ричарда на BBC, первая квадрофоническая трансляция которого состоялась в июле 1974 года), но они были недолговечными. Одной из самых продолжительных радиопередач была WQSR FM "Quad 102½" в Сарасоте, штат Флорида. На протяжении большей части 1970-х годов эта станция вещала сигнал, который можно было принимать как две отдельные станции с помощью обычных стереоприемников. Классическая музыкальная станция KKHI FM в Сан-Франциско транслировала Сан-Францисскую оперу в "совместимом" (то есть матрично-кодированном) квадрофоническом формате в 1970-х годах, как и станция WFMT в Чикаго, осуществлявшая прямые трансляции "Чикагской лирической оперы". KRMH FM ("Good Karma Radio") (Сан-Маркос/Остин, Техас) вещала в формате "Quad Stereo" в начале 1970-х годов со своих студий и передатчика недалеко от города Буда, штат Техас. WWWW FM (W4 QUAD 106.7) (Детройт) транслировала квадрофонический звук, закодированный по системе QS, в 1974 году. KEXL FM ("KEXL 104.5") (Сан-Антонио, Техас) вещала в формате "Quadraphonic" в начале и середине 1970-х годов со своих студий в высотном офисном здании рядом с Главной площадью. Радиостанция KIRO FM 100.7 в Сиэтле, позднее переименованная в KSEA 101, транслировала несколько часов ежедневно с 1973 по начало 1976 года музыку в формате SQ-квадрофонии. Воскресное утреннее шоу "Музыка и Слово" из мормонского храма в Солт-Лейк-Сити вещалось в формате SQ-квадрофонии. Для BBC Radio 3 и BBC Radio 4 были созданы тестовые квадрофонические программы, включая драматические постановки и The Proms. Сначала были протестированы существующие матричные форматы. Буква "H" не обозначает какое-либо слово; они назвали первую оцененную матрицу "Матрицей A", а затем последовательно перебирали алфавит. Матрица H оказалась наилучшим решением для обеспечения моносовместимости и радиовещания, но для неё не было доступно специализированного коммерческого декодера. Позже BBC сотрудничала с разработчиками Ambisonics для создания системы BBC/NRDC System HJ. Она была основана на зонах допуска, предназначенных для включения модифицированных версий как Матрицы H, так и прототипа двухканального кодирования Ambisonics, известного как System 45J. Впоследствии матрица Nippon Columbia UMX была включена в стандарт, что привело к окончательному названию UHJ, которое сейчас ассоциируется с Ambisonics.

Универсальный SQ

В 1976 году Бен Бауэр объединил матричные и дискретные системы в USQ, или Universal SQ (подобное делали и другие разработчики квадросистем). Это была иерархическая дискретная матрица 4–4–4, использующая матрицу SQ в качестве базовой полосы для дискретных квадрофонических FM-вещаний с применением дополнительных разностных сигналов, называемых "T" и "Q". Для FM-вещания USQ дополнительная модуляция "T" размещалась на частоте 38 кГц в квадратуре к стандартному стереодифференциальному сигналу, а модуляция "Q" – на несущей частоте 76 кГц. Для стандартных двухканальных вещаний SQ Matrix компания CBS рекомендовала использовать дополнительный пилотный тон на частоте 19 кГц в квадратуре к основному пилотному тону для обозначения SQ-кодированного сигнала и активации логического декодера у слушателя. CBS утверждала, что система SQ должна быть принята в качестве стандарта для квадрофонического FM, поскольку в прослушиваниях, организованных FCC, система 4:2:4 SQ, декодированная с помощью декодера CBS Paramatrix, показала результаты лучше, чем 4:3:4 (без логического декодирования), а также превзошла все остальные протестированные системы 4:2:4 (с логическим декодированием), практически достигнув уровня производительности дискретной мастер-записи с незначительной разницей. Одновременно с этим, преобразование SQ в стерео и моно было предпочтительнее преобразования 4:4:4, 4:3:4 и всех других систем кодирования 4:2:4 в стерео и моно.

Живые концерты

В 1967 году группа Pink Floyd представила свою специально разработанную квадрофоническую акустическую систему и провела первый в истории рок-концерт с объёмным звучанием. Это мероприятие получило название "Игры мая" и проходило в лондонском зале королевы Елизаветы. Устройство управления, созданное ими, Azimuth Coordinator, использовало два джойстика. Сейчас оно экспонируется в лондонском Музее Виктории и Альберта, в галерее Театральных коллекций. Этот контроллер, которым обычно управлял Ричард Райт, позволял музыкантам размещать звуки в любом динамике и перемещать их в пространстве для слушателей.

Сравнение формата

В 1976 году Майк Торн создал виниловый альбом Quadrafile, на всех четырех сторонах которого была записана одна и та же музыка, причем каждая сторона – в своем квадрофоническом формате (QS, SQ, CD 4 и UD 4).