Surround

Surround Sound mit minimalen Hilfsmitteln

Sechs Kanäle?

Sechs Mikrofone für 5.1 Surround Sound?

Die Specs

Die Spezifikation für 5.1 Surround Sound sieht fünf vollwertige Audiokanäle (Auflösung, Frequenzgang) und einen Kanal für tieffrequente Effekte (LFE) vor. Für den optionalen LFE-Kanal ist nicht die volle Audiobandbreite notwendig oder gefordert. Zur Effizienzoptimierung kodieren manche Audiocodecs den LFE Kanal entsprechend mit beschränktem Frequenzgang.

Aufnahme – Richtwirkung und voller Frequenzgang

Die OCT Anordnung mit Nieren- und Supernierenrichtcharakteristik in den Frontmikrofonen erzielt ein räumliche Abbildung des Klangs, ist aber in den tiefen Frequenzen konstruktionsbedingt beschnitten. Eine Möglichkeit zur Erzeugung eines ausgewogenen Klangbilds wird in "1.2 OCT-Frontsystem" in OCT Aufnahmetechniken beschrieben. Eine oder zwei Kugelmikrofone werden bei ca 40Hz tiefpassgefiltert dem rechten und linken Kanal hinzugemischt.

Übertragung

Die 5.1 Musikaufnahmen bestehen aus fünf Kanälen mit vollem Frequenzgang. Der LFE-Kanal enthält kein Audiosignal (Stille), wird aber an den Audiocodec übergeben und mitkodiert. Abspielgeräte und Softwareplayer verhalten sich dann korrekt. In der Abhörsituation kann entsprechend der Spezifikation der LFE-Kanal fehlen, daher werden keine für die Musikaufnahme relevanten Teile in diesem Kanal übertragen.

Abhören – Satelliten und Subwoofer

Manche Heimkino- oder Hifi-Anlagen verwenden für gut ortbare mittlere und hohe Frequenzen kleine Satellitenlautsprecher, die tiefen Frequenzen aller Kanäle (Stereo, 5.1, LFE etc.) werden über den Subwoofer wiedergegeben. Dann sind Satelliten und Subwoofer in Pegel und Frequenz aufeinander abgestimmt, dies hat keine Auswirkungen (Routing, Frequenzgänge) auf der Produktionsseite.

Stereo Downmix

Die ITU schlägt eine Downmixmatrix vor: Links auf Links, Rechts auf Rechts, Center mit -3dB in die Mitte, Ls und Rs um -3dB abgeschwächt auf L und R jeweils. https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/bs/R-REC-BS.775-3-201208-I!!PDF-E.pdf

Schaltungstest

Die Schaltung zur Anpassung der Mikrofonspannungsversorgung ist getestet.

Zuerst die Schaltung auf einem Breadboard zusammengesteckt. Funktioiniert, Ton kommt heraus.

breadboard

Insgesamt sechs Platinen für die sechs Mikrofonkanäle.

circuit

Die Widerstände R1 und R2 bilden mit der Electret-Mikrofonkapsel einen Spannungsteiler, an dem dem Audiosignal entsprechende Potentialänderunen abgenommen werden können. Zur Optimierung des Arbeitspunktes und der an der Mikrofonkapsel anliegenden Spannung müssen die beiden Widerstände angepasst werden. Electretkapseln arbeiten oft in einem weiten Spannungsbereich (1,5V - 10V), für das Funktionieren der Schaltung ist der Wert von R1 und R2 unkritisch, bestimmt aber das erreichbare Signal/Rausch Verhältnis.

Platinenlayout

Die Anpassung der Electret Kapseln an eine 48V Phantomspeisung soll auf einer kleinen Platine im Albträger des Mikrofonarrays untergebracht werden. Der verfügbare Platz ist begrenzt: 5mm x 10mm, Länge unkritisch.

platine

Die Kondensatoren an den Stirnseiten messen im Durchmesser 5mm und passen genau in das Aluprofil. Sie müssen dafür zur Seite gebogen werden. Die Transistoren werden auf die Platine gekippt und müssen evtl. abgeschliffen werden.

Für C2 und C3 der Schaltung gibt es keine Typen, die klein genug sind. Stattdessen drei kleinere Typen in Parallelschaltung mit vergleichbarer Gesamtkapazität.

Stromversorgung

Die Electret Kapseln sollen über ein symmetrisches Mikrofonkabel an einen Rekorder / Mischer angeschlossen werden. In der Nähe des Mikrofons wird eine Schaltung die Spannungsversorgung auf 2-5V anpassen, und die Kapsel asymmetrisch anbinden.

48V

Optimalerweise wird die Schaltung in den Aluprofil-Trägerelementen untergebracht. --> mechanische Stabilität, elektrische Abschirmung?

Vereinfachte Version der Schaltung: www.epanorama.net/circuits/electret_xlr1.gif

Mikrofone

Die ersten Bauteile sind eingetroffen: Electret Kapseln mit verschiedenen Richtcharakteristiken. Ausserdem Wiederstände, Kondensatoren und Transistoren zum Bau einer einfachen Schaltung zur Anpassung der asymmetrischen Beschaltung der Mikrofonkapseln mit ~2V an einen symmetrischen Mikrofoneingang mit 48V Phantomspeisung.

mikro

Mikrofon-Array

Das Ziel ist einfach formuliert: Eine günstige Möglichkeit, Surround Aufnahmen herzustellen. Sind mit Einzelkomponenten und Selbstbau brauchbare Ergebnisse zu erzielen?

Verschiedene Aufnahmetechniken für Surround Sound verwenden unterschiedlichen Mikrofonanordnungen. Dieses Bauprojekt soll zeigen, in wie weit Electret Kapseln mit verschiedenen Richtcharakteristiken für eine Anwendung als Hauptmikrofon geeignet sind. Die fünf einzelnen Mikrofonkanäle werden direkt den Kanälen einer 5.0 Lautsprecheranordnung zugeordnet.

Für das Mikrofonarray OCT (Optimized Cardioid Triangle) sind Mikrofone mit Nieren- und Supernierencharakteristik vorgesehen. Für eine bessere Aufnahme der tiefen Frequenzen wird noch ein zusätzliches Kugelmikrofon verwendet. Das Signal dieses Mikrofons wird mit einem Tiefpassfilter auf Frequenzen unterhalb 50Hz beschränkt den Kanälen L/R zugemischt.

Die Mikrofone werden in zwei Gruppen angeordnet: Die vorderen drei Mikrofone sollen eine möglichst gute Lokalisation, also Ortbarkeit von einzelnen Klangerzeugern erreichen. In Erweiterung einer Stereoaufnahme soll die Kombination aus Laufzeit- und Pegelunterschieden von Klangquellen deren Verortung im Raum erleichtern.

Die hinteren zwei Mikrofone sind eher für eine plastische Darstellung der Räumlichkeit ausgerichtet. Eine Ausblendung des Direktschalls von vorne, als auch eine geringe Korrelation der hinteren Mikrofonsignale untereinander sind anzustreben.

Der Effektkanal ".1" in einer 5.1 Laustsprecheranordnung ist für tieffrequente Effekte vorgesehen. Obwohl manche Heiminstallationen eine Subwoofer/Satelliten Kombination verwenden, wird kein Klanganteil eines Surround Hauptmikrofons über den ".1" Kanal übertragen.

Streaming: 5.1 Surround mit OSX

Softwarelösung zum mischen, aufzeichnen, abspielen, live-streamen von 5.1 Surround Audio unter OSX.

Komponenten

AU Lab
Zusatz zu Xcode. Enthält u.A. Beispielprogramme, die ein aufwendigeres Audiorouting ermöglichen.
Soundflower
bietet virtuelle Audiodevices unter OSX, die 64-kanalige Version ist für Surroud Sound notwendig. Auf OSX 10.11 läuft die signierte Version.
Xcode Command Line Tools
Compilerwerkzeuge, notwendig um die Open Source Software aus pkgsrc zu installieren.
pkgsrc
Das Paketverwaltungssystem von NetBSD, portiert auf verschiedene Unix-ähnliche Systeme. pkgsrc.se gibt Überblick der enthaltenen Pakete.
libvorbis
Mehrkanalfähiger Codec für Audio. Open Source.
ffmpeg
Codierung und streamen von Audiodateien. Open Source.
icecast
Externer Streamingserver. Open Source.
audacity
Audioeditor, Bearbeitung von Mehrkanaldateien. Open Source.

Installation

  • Laden von Xcode oder Command Line Tools. Audiotools.
  • Installation von Soundflower.
  • Laden von pkgsrc. Installationsanweisung für OSX. Der Pfad für die Binaries sollte dauerhaft hinzugefügt werden, z.B. :
      cd ~
    
      echo 'export PATH=$PATH:~/pkg/bin:~/pkg/sbin' >> .bash-profile
    
  • Installation libvorbis:
      cd ~/pkgsrc/audio/libvorbis/
    
      bmake install clean clean-depends 
    
  • Installation ffmpeg:
      cd ~/pkgsrc/audio/ffmpeg2/
    
      bmake install clean clean-depends
    
  • Die Installation von icecast ist nicht notwendig, da ein externer Service genutzt wird, ist aber mit pkgsrc möglich.
  • Die Installation von audacity ist nicht notwendig, aber hilfreich zum editieren und anpassen von Mehrspuraudiodateien. pkgsrc.

Voreinstellungen

  • AU Lab Hauptmischer erzeugen. Externes Interface IN, Soundflower 64 OUT.
  • evtl. AU Lab Stereo Downmix erzeugen. Soundflower 64 IN Einzelkanäle, Soundflower 2 OUT.
  • ffmpeg Stream setup. Inspiriert durch dieses Script. :
      #!/bin/sh -xe
    
      # This is called when you ^C or an app quits. It kills all the processes.
      function cleanup() {
       trap "" EXIT INT
       [[ ! -z "$ffmpeg_pid" ]] && kill -9 "$ffmpeg_pid"
      }
    
      trap "cleanup" EXIT INT
    
      ffmpeg2 -f avfoundation -i "none:1" -vn -af "pan=5.1|c0=FL|c1=FR|c2=FC|c3=LFE|c4=BL|c5=BR" -codec:a libvorbis -b:a 128k -f ogg -legacy_icecast 1 -content_type application/ogg -ice_name "surround-stream" icecast://user:pass@std1.ladio.net:8010/ss &
    ffmpeg_pid=$!
    
      wait $ffmpeg_pid 
    
  • icecast2. Accounts z.B. bei giss.tv, ladio.net.

Betrieb

  • AULab Hauptmischer (und Stereo Downmix) aufrufen
  • ffmpeg Streaming client starten
  • vlc zum empfang
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