BINAURAL
120 LAT W KRÓLESTWIE SŁUCHAWEK

relacji z 98. spotkania Krakowskiego Towarzystwa Sonicznego pisałem o QSound, technice poprawiającej przestrzenność nagrań stereofonicznych, odsłuchiwanych za pośrednictwem kolumn. Jej działanie jest zaskakujące, ale równie ważne jest to, że nie burzy ona relacji przestrzennych podczas odsłuchu przez słuchawki. Nie otrzymujemy wówczas zalet tego systemu, ale też w niczym on nie przeszkadza. Istnieje jednak technika przeznaczona tylko i wyłącznie do odsłuchu słuchawkowego – nagrania binauralne, które nie nadają się do odsłuchu przez kolumny. O nich jest ta historia.

Początek

Pierwsze słuchawki nie miały nic wspólnego z muzyką. Na przełomie lat 70. i 80. XIX wieku używane były przez operatorów (niemal wyłącznie kobiety) pracujących w centrach telefonicznych. Dopiero w 1881 roku zaprezentowany został we Francji system Théâtrophone Clementa Adera, który od 1890 roku pozwolił na odsłuch muzyki i przedstawień teatralnych z Opera Garnier za pomocą słuchawek podpiętych bezpośrednio do linii telefonicznej.

Podobny wynalazek skomercjalizowano w Wielkiej Brytanii. Już w 1895 roku, dzięki systemowi Electrophone, po raz pierwszy można było wysłuchać muzyki granej na żywo w lokalnym budynku opery, także za pomocą słuchawek podpiętych do linii telefonicznej. System działał na zasadzie subskrypcji i oferował odsłuchy w niedzielę. Oprócz przedstawień muzycznych można było również zamówić transmisję nabożeństwa z lokalnego kościoła (więcej TUTAJ). W tym roku mija więc dokładnie 120 lat od obecności słuchawek w domach melomanów.

Słuchawki vs kolumny

Odsłuch za pomocą słuchawek z znaczący sposób różni się od odsłuchu za pomocą kolumn (a wcześniej tuby). W ich przypadku eliminuje się wpływ na dźwięk pomieszczenia, a także likwiduje specyficzne zmiany w sygnale, spowodowane przez ITD (interaural time difference) oraz ILD (interaural level difference). To przesunięcia fazowe i zmiany w poziomie głośności spowodowane przez odległość między uszami oraz budowę anatomiczną nosa i uszu.

Chodzi tzw. „cień głowy”, dzięki któremu słyszymy przestrzennie, znany także jako head-related transfer function (HRTF). W skrócie polega to na tym, że słuchając przez dwie kolumny obydwa uszy słyszą obydwa kanały – lewe ucho bezpośrednio kanał lewy i zmieniony przez HRTF kanał prawy, a prawe ucho bezpośrednio kanał prawy i kanał lewy zmodyfikowany przez HRTF (więcej TUTAJ).

Tak więc przy odsłuchu przez kolumny „cień” generowany jest przez nas samych. Przy odsłuchu przez słuchawki go nie ma, co poważnie zaburza relacje przestrzenne i jest powodem efektu „dźwięku w głowie”, którego wielu melomanów nie lubi. Okazuje się, że jest na to rada – nagrania binauralne (łac. ‘odnoszące się do obydwu uszu’, ‘obustronne’). Ciekawostką jest fakt, , że tylko przez przypadek obecnie używamy nazwy ‘stereofonia’ na określenie odsłuchu dwukanałowego – początkowo używano go zamiennie z określeniem ‘binauralny’. Obecnie ‘stereofonia’ oznacza odsłuch za pomocą dwóch kanałów, zarówno przez kolumny, jak i słuchawki, a ‘binaural’ to nazwa zarezerwowana dla nagrań dokonanych w specjalny sposób, przeznaczonych wyłącznie do odsłuchu słuchawkowego.

Binaural

Angielska wersja Wikipedii jako pierwszy przykład zastosowania odsłuchu binauralnego przywołuje Théâtrophone z 1981 roku, podobnie zresztą, jak blog firmy Bowers & Wilkins (więcej TUTAJ). Historycznie to prawda, rozróżnienie między ‘stereofonią’ i nagraniem ‘binauralnym’ nie było wówczas jeszcze ostre i dopiero prace Alana Blumleina przyniosły w tym względzie zmianę. ‘Stereo’ znaczy od tamtej pory to samo co dzisiaj, tj. odsłuch dwukanałowy, przestrzenny. Jeślibyśmy więc patrzyli na to z dzisiejszej perspektywy, te pierwsze transmisje nie były binauralnymi, a stereofonicznymi – o tym rozróżnieniu zadecydował sposób użycia mikrofonów.

„Sztuczna głowa” firmy Neumann, model KU80. Zdj. Neumann.

Różnica między nagraniami monofonicznym, stereofonicznym i wielokanałowym a binauralnym polega na odmiennym sposobie rozmieszczenia mikrofonów. W nagraniach binauralnych korzysta się z dwóch mikrofonów, najczęściej dookólnych, umieszczonych w tzw. sztucznej głowie („dummy head”). Ma ona wyprofilowane uszy, nos i głowę, mające naśladować głowę realnego człowieka. Dzięki temu sygnał jest zmodyfikowany za pomocą HRTF. Nagranie stereofoniczne kreuje przestrzeń, która modyfikowana jest dopiero przez nas, podczas odsłuchu. Nagrania stereo też mogą korzystać z dwóch mikrofonów (zwykle jest ich więcej), ale w klasycznych układach, są one po prostu rozsunięte względem siebie i nie ma „sztucznej głowy”.

Kiedy wynalazek Clementa Adera stracił powab świeżości, uzmysłowiono sobie niewygodę towarzyszącą odsłuchowi przez słuchawki, a co za tym idzie, nie rozwijano go w równie spektakularny sposób, jak techniki służące do odsłuchów przez kolumny. Dopiero w latach 50. XX wieku stacja radiowa w Connecticut rozpoczęła binauralną transmisję programów. Wiąże się z tym kolejna ciekawostka – ponieważ radio stereofoniczne nie było jeszcze wówczas znane, lewy kanał nadawano na jednej częstotliwości, a prawy na innej. Do odsłuchu dwukanałowego potrzebne były więc dwa takie same odbiorniki radiowe, każdy nastawiony na inną stację.

Popularyzacja

Początkowo korzystanie z nagrań binauralnych było więc bardzo kosztowne. Podobnie było zresztą po stronie realizacyjnej. Sprzęt potrzebny do tego typu rejestracji był wyjątkowo drogi. Najczęściej stosowanym modelem sztucznej głowy były modele KU80 i KU100 firmy Neumann. Ich charakterystyczny kształt znajdziemy na wielu zdjęciach, a nazwę na wielu płytach, z których nie wszystkie przeznaczone są do odsłuchu przez słuchawki. Dla przykładu – firma Telarc przez wiele lat stosowała KU100 po to, aby poprawić przestrzenność nagrań i aby umożliwić odsłuch stereofonicznych płyt przez systemy Dolby Surround.

„Sztuczna głowa” firmy Neumann, model KU100, stosowany m.in. przez firmę Telarc. Zdj. Neumann.

Do muzyki popularnej efekty tego typu wprowadził Manfred Schunke i mieszkający w Berlinie Amerykanie – Ed i Mary Kay. Koncept Kunstkopf-Stereophonie (Kunstkopf = dummy head) zaaplikowany został przez nich na wielu płytach z nurtu krautrock. Schunke odpowiedzialny jest za dźwięk grupy Can (Flow Motion, 1972), Code III (Planet of Man, z pomocą Klausa Schulze), a z najbardziej znanych, pochodzących z innej „bajki” muzycznej, albumu Street Hassle (1978) Lou Reeda. Ta ostatnia wskazywana jest zwykle jako pierwsze komercyjne użycie techniki binauralnej w nagraniu muzyki popularnej (tj. nie-klasycznej).

Code III, Planet of Man, Delta Acustic/Wah Wah Records LPS135, 180 g LP (1974/2014)

Po techniki binauralne sięgano też i w innych nagraniach, żeby wymienić chociażby płyty Tales of Mystery and Imagination Alan Parsons Project i The Final Cut Pink Floyd (chodzi o system Holophonic Zuccarelli Labs ltd). Elementy binauralne zostały w nich zmiksowane z tradycyjnymi, nagranymi wielościeżkowo.
W większości przypadków chodziło o wprowadzenie realistycznej aury do nagrań studyjnych. Wyjątkiem były nagrania Manfred Schunke, który użył sztucznej głowy do eksperymentów z dźwiękiem. Efekty były znakomite, zarówno podczas odsłuchu przez kolumny, jak i słuchawki.

Podobnie do tego tematu podszedł Tchad Blake, amerykański producent muzyczny, realizator dźwięku i muzyk, zdobywca dwóch nagród Grammy za realizację dźwięku, zatrudniony do nagrania i wyprodukowania albumu Binaural grupy Pearl Jam (2000). Blake znany był ze swoich eksperymentów już wcześniej – lista jego klientów przypomina rubrykę Who is Who świata muzyki. Nagrania na Binaural wykonał za pomocą zmodyfikowanej KU 100 Neumanna. Od uszu sztucznej głowy poprowadził aluminiowe rurki o długości ok. 1 m, których zakończenia wyprowadził znacznie niżej, a ich zbliżył do siebie.

Podstawową rolą techniki binauralnej jest jednak oddanie realistycznej akustyki i rozmieszczenia instrumentów w przestrzeni. Właśnie dlatego naturalnym „środowiskiem”, w którym się ona wciąż rozwija są nagrania muzyki klasycznej. Swój sampler Stax Raumklang CD wydała niegdyś firma STAX, producent słuchawek elektrostatycznych, a obecnie można ściągnąć z internetu album Duo Seraphim A Renaissance Journey (Pentafonie, 24 bity/352,8 kHz).

Jednym z ciekawszych zastosowań tej techniki są jednak nagrania studia Zenph Studios. W jej ofercie znajduje się tylko pięć krążków, z czego cztery są nagraniami dokonanymi za pomocą sterowanego komputerowo mechanicznego fortepianu; software do sterowników napisano w firmie Zenph. Odtwarza się w ten sposób prawdziwe nagranie („Re-Performance”) w nowej akustyce. Tak powstały płyty Arta Tatuma (SACD/CD), Oscara Petersona (CD), Glena Goulda (SACD/CD) i Rachmaninoffa (CD).

Nagrania wykonano przy pomocy dwóch, równoległych systemów mikrofonowych – do odtwarzania za pomocą głośników i binauralnie, za pomocą sztucznej głowy. Na płycie zamieszczono najpierw materiał dla głośników, a następnie dla słuchawek.

• Glenn Gould, Bach: The Goldberg Variations, Sony BMG Music/Sony Classical/Zenph Studios 9703350-2, “Zenph Re-Performance”, SACD/CD (2007)
• Oscar Peterson, Unmistakable, Sony Music/Zenph Studios 951702, “Zenph Re-Performance”, CD (2011)
• Rachmaninoff Plays Rachmaninoff, RCA Red Seal/Sony Music 8697-48971-2, “Zenph Re-Perfomance”, CD (2009)
• Art Tatum, Piano Starts Here, Columbia/Sony Classical 97 22218 2, “Zenph Re-Performance”, SACD/CD (2008)

Dźwięk

iPod zmienił świat audio, przy wydatnej pomocy słuchawek. Dzisiaj korzysta z nich więcej ludzi niż wszyscy razem wzięci do tej pory. Aż dziw więc, że nie ukazuje się więcej nagrań binauralnych, szczególnie nagrań na żywo. Można je przecież wydać na płytach CD i SACD, a przede wszystkim zaoferować jako pliki. A jest o co walczyć.

Chociaż… Pierwszy kontakt z nagraniami binauralnymi może być dezorientujący. Przy normalnym odsłuchu przez słuchawki dźwięk lokowany jest w środku głosy, z efektami na peryferiach. Instrumenty są dokładnie zaznaczane i mają swoją masę. Nagrania binauralne brzmią lżej, a instrumenty nie są już tak namacalne. Wydaje się wręcz że dostajemy mniej dźwięków.

Informacje dotyczące nagrania, systemu zamieszczone we wkładce płyty Code III, Planet of Man

Posłuchajmy jednak dłużej w ten właśnie sposób, a potem wróćmy do zwykłego nagrania; z płytami Zenph to proste. Doskonale słychać wtedy sztuczność prezentacji stereofonicznej. Lokalizacja elementów w przestrzeni jest w nich umowna i skupiona na jednej linii, w planie „lewa-prawa”. Nagrania „bi” mają za to głębię, są o wiele bardziej zniuansowane. To, co początkowo bierzemy za „brak” zmienia się w dodatkowe informacje, wcześniej przykrywane dość tępymi konturami źródeł pozornych.

Znacznie ładniej z realizacjami binauralnymi wypadają też barwy. Są one bardziej kremowe, gładsze i głębsze. A jeśli weźmiemy płytę, w której zabawiono się przestrzenią, jak Code III – zmiecie nas z siedzenia – to prawdziwa przestrzeń i co jakiś czas złapiemy się na rozglądaniu dookoła w poszukiwaniu źródła dźwięku.

Problemy

Problemem numer 1 jest niezwykle skromna biblioteka płyt binauralnych. Znacznie więcej jest nagrań z tzw. binaural beats, przeznaczonymi do stymulowania mózgu (medytacji), ale nie mają one nic wspólnego z muzyką. A prawdziwej muzyki nie jest zbyt wiele. Dlatego tak cenię sobie realizacje Telarca, wydawane w Dolby Surround, dlatego Zenph tak mi „podeszło”. No i oczywiście krautrock – tutaj znajdziemy więcej przykładów dobrej muzyki z realną przestrzenią 3D.

Spotkamy się również z problemami technicznymi. Nie mówi się tym zbyt często, ale słuchawki projektowane są w taki sposób, aby w okolicach 5 kHz notować dość głęboki nawet 10-decybelowy, spadek. Chodzi o skompensowanie zmian, jakie wprowadza do pasma HRTF. Przy odsłuchach przez słuchawki taka kompensacja nie jest potrzebna. Jeślibyśmy więc zastosowali słuchawki o płaskim przebiegu pasma przenoszenia, zabrzmią one zbyt jasno. Co więcej, każdy człowiek ma nieco inną budowę anatomiczną, dlatego nie ma słuchawek uniwersalnych. W najlepszych, odpowiednio modelując pasmo przenoszenia, udaje się nieźle zbliżyć do średniej dla wielu osób.

Z kolei dla nagrań binauralnych najlepsze byłyby właśnie słuchawki o płaskiej odpowiedzi częstotliwościowej, a takich na rynku nie ma. Dlatego być może czas najwyższy, aby ruszyły się firmy audio i zaoferowały procesory pozwalające na dopasowanie brzmienia słuchawek do własnych uszu, a także do odsłuchu klasycznego stereo i nagrań binauralnych. Pierwszą jaskółką jest P-1 – wzmacniacz słuchawkowy i procesor w jednym firmy Ancient Audio.

Ancient Audio P-1 – wzmacniacz słuchawkowy i procesor dźwięku w jednym

Pamiętają państwo relację Marka Robinsona z Japonii? Ten miłośnik słuchawek od lat korzysta z komputera w roli procesora dźwięku dla słuchawek. Dodajmy, że kilka lat temu firma Dolby mocno promowała obróbkę dźwięku Dolby Headphone. Słuchałem takich słuchawek i, muszę powiedzieć było świetnie. Niestety od jakiegoś czasu o tym pomyśle jest cicho.

Słuchawki + kolumny

Na koniec powiedzmy o ciekawym rozwiązaniu, mającym na celu połączenie zalet odsłuchu binauralnego i przez kolumny, w tym samym nagraniu.

W połowie 2012 roku amerykański wydawca, firma Chesky Records zaoferowała możliwość ściągnięcia plików audio zakodowanych w systemie, który nazwała Binaural+. Ich odtwarzanie nie wymagało żadnych dekoderów i miało umożliwić odsłuch nagrań binauralnych zarówno przez słuchawki, jak i przez kolumny.

Aby to się udało, sygnał musi zostać odpowiednio przygotowany. Podstawy zostały przygotowane przez dr. Edgara Choueiriego z Princeton University – pracował on nad filtrami HRTF od strony teoretycznej w Ambisonics Institute, prowadzonym przez Ralpha Glasgala. Na podstawie tych badań Choueiri opracował filtr BACCH (Band-Assembled Crosstalk Cancellation Hierarchy), zastosowany do kodowania nagrań Binaural+ (więcej TUTAJ). Obecnie dostępny jest specjalny dekoder Bacch-SP, który dekoduje nagrania binauralne tak, aby uzyskać w kolumnach podobny efekt, jak w przypadku użycia słuchawek (więcej TUTAJ).

Początkowo w serii Binaural+ dostępne były jedynie pliki (w trzech różnych rozdzielczościach), jednak po jakimś czasie dołączyły do nich także i płyty CD. Seria Binaural+ obejmuje w tej chwili 22 tytuły. Sesje do nich rejestrowane są cyfrowo, w wysokiej rozdzielczości (PCM 24/192), przy użyciu „sztucznej głowy” (w materiałach firmowych nazywana jest „Binaural head”). Ta konkretna „głowa” została nazwana Lars.

Opisując dźwięk płyt z serii Binaural+ trzeba wziąć pod uwagę, że Chesky Records ma swój własny pogląd na to, jak powinno nagranie brzmieć. Rzecz przede wszystkim w relacji dźwięków bezpośrednich i odbitych – na płytach Chesky’ego tych drugich jest znacznie więcej niż w klasycznych rejestracjach. Nie dodaje się sztucznych pogłosów, a po prostu umieszcza mikrofony nieco dalej od źródeł dźwięku. Dlatego też brzmienie jest zdystansowane i czujemy się, jakbyśmy siedzieli w połowie sporej sali.

Przenosi się to na odczucia z odsłuchów przez słuchawki. Przestrzeń jest niezwykle naturalna, chociaż przyzwyczailiśmy się do innej, z bliskimi planami. Powietrze nas otacza, a źródła dźwięku są w sporej odległości przed nami. Odsłuch przez kolumny nie jest zaburzany, słucha się tych płyt jak klasycznych nagrań firmy Chesky. Pod tym względem – pełen sukces. Pierwsza decyzja musi jednak dotyczyć tego, czy my jesteśmy „kompatybilni” z tego typu podejściem do nagrań, co wcale nie jest takie pewne. Jeśli tak – mamy do dyspozycji sporo fajnej, dobrze nagranej muzyki.

Alexis Cole, A Kiss In The Dark, Chesky Records JD366, “Chesky Records Binaural Series”, CD (2014)

Podsumowanie

Niebywała popularność słuchawek nie przełożyła się na popularność nagrań binauralnych. Na przeszkodzie stanęły temu problemy techniczne w rejestracji i dystrybucji, a także brak zapotrzebowania. A to dlatego, że mało kto słyszał dobrze wykonane nagranie binauralne i do tego ciekawe muzycznie. A nawet jeśli słyszał, to zapewne szybko z niego zrezygnował, ponieważ są one tak inne od stereofonicznych. A szkoda – tylko w ten sposób jesteśmy w stanie mieć „na głowie” prawdziwą akustykę sali koncertowej.

Wojciech Pacuła
REDAKTOR NACZELNY