传声器的立体声原理

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欢迎访问e展厅 展厅 2 音响/数码产品展厅 数码相框, 音频播放器, 音响,... 人类对立体声的研究已有近百年的历史了。立体声音响给人们带来声音美的享受，这是单声道音响无法比拟的。立体声技术发展如此快并被人们认可是它给听音人以临场感、真实感，其主要原因是两只扬声器辐射的声音塑造了声源方位，即立体声。 人耳对声源方位的判断 人的听觉不仅涉及听觉器官本身，还涉及视觉，甚至触觉等生理、物理、心理等综合因素。我们主要从听觉角度讨论。 人耳除了声音有响度、音调、音色的主观感觉外，还有对声源的空间印象感觉，即对声源的定位能力。 人有双耳，双耳之间有一定的距离（约17cm），若一点声源偏离听音人前方主轴方向，到达两耳的声音就会产生差别，听觉系统根绝这些差别就可以判断出声源的方位，这一理论是“双耳效应”理论。双耳效应理论认为：人耳对声源方位的判断能力是根据由于双耳距离差引起的以下四个物理因素产生的： 1.声音到达双耳间的时间差 2.声音到达双耳间的强度差 3.声音低频分量由于时间差产生的相位差。 4.由于人头对高频分量的遮蔽作用产生的音色差。 时间差反映声音到达双耳先后造成的相对时间差异，强度差则反映声音在空气中传播由于距离造成的衰减差异，这些都是很好理解的。相位差和时间差是密切相关的，也可以说是时间差派生出了相位差。低频声音的波长很长，在常温中20kHz的波长是17cm，200Hz是1.7m，因而在时间差产生的相位差在一定数量值内，可以作为判断声源方位的信息。而高频声音的波长短，例如10kHz是3.4cm，20kHz是1.7cm，时间差会产生很大的相位差，甚至超过360度，即开始另一个波长，所以相位差作为判断声音方位的信息已经无任何价值，以为已经无法分辨相位是超前还是滞后，因而被称为“混乱的相位差”信息。所以，时间差对帮助判断各个频率的声音方位都起作用，而相位差只对低频声音起作用。 扬声器立体声重放系统 在扬声器立体声重放系统中，听音人听到的是与单声道重放差异较大的声音，是十分复杂的声音叠加，当然，也给立体声研究提出许多需要解决的问题，其中最主要的是听觉的声像和声像的位置。 听音人在一定条件下（两扬声器的信号完全一致）感觉不到两个声源的存在，而是感觉好象在两个扬声器之间有一个空间点在发声。这个发声点就是声像，因为这个点实际不存在，所以也称幻象声像，或虚声像。幻象声像的产生是人们成功地利用了“双耳效应”的理论。正是由于幻象声像的存在才使听音人能够在听音活动过程中感受到声音方位的变化，使再现声音的方位信息成为可能。“双耳效应”理论是立体声理论的基础。当然，听音人再立体声重放系统中的听音与在自然状态下听音是不同的。 在立体声重放系统中若在一定范围内调整两扬声器间信号的时间差或强度差，声像就会从两扬声器连现的中心点沿着这条连线向其中一只扬声器便宜，并定位在某一点上。这个现象就是立体声重放的基础。某一声像的定位是两只扬声器发出的两个声音重叠后到达听音人双耳的结果。也就是说，听音人的每一只耳朵听到的声音都包含来自两只扬声器的声音。 使用扬声器系统做立体声重放时需要有三个前提条件： 1.来自两只扬声器的声音信号不应该含有反相成分（反相信号将游历到两扬声器连线以外，是无法定位的“漂移”声音） 2.两扬声器通道间的时间差、强度差信息应保持在一定的量值范围内。 3.听音人应处于扬声器立体声重放系统的一定范围内，即处于立体声听音范围内。 时间差的声像定位 我们知道，在扬声器立体声重放系统中，若两扬声器的信号一致，即不存在任何差别的情况下，声像定位在两扬声器连线的中点C上。若两只扬声器间的信号存在时间差信息，即一只扬声器相对另一只扬声器的声音滞后，声像就会从C点沿两扬声器连线向声音未延迟的扬声器方向偏移。时间差用△t表示。△t值越大，声像偏移越大。实验证明，当△t=1.5ms时，声像定位在未延迟的扬声器上。 著名的“哈斯效应”（HaasEffect）理论认为：当△t在3—30ms之间称“第一波前临界值”，声音听起来来自未延迟的扬声器，另一个扬声器声音的存在不明显。当△t在30—90ms时，便听到来自延时的扬声器的声音，听到两个明显的声源。在扬声器立体声重放系统中，当△t=1.5ms时，即可满足在扬声器一侧的声像定位，即声像停留在扬声器的位置上。根据“哈斯效应理论，△t在1.5ms以上继续增加，声像也只停留在声音未延迟的那一个扬声器上，所以说，就声像在扬声器连线上定位而言，大于1.5ms的△t值无意义。 强度差的声像定位 理解了时间差的声像定位，就会很好理解强度差声像定位。当两扬声器的声音信号不存在时间差，只存在强度差时，声像也会产生偏移，强度差用△L表示。当△L=0时，声像定位在两扬声器连线的中点C上，随着△L的增加，声像向强度高的扬声器方向偏移。当△L在15—25dB之间，声像就定位在强度高的那一只扬声器上。在实践中，一般采用△L=18dB作为满足声像定位在扬声器一侧的强度差值。 △L中的L是英语Level的字头，强度差也可以用△P表示的，P是德语Pagel的字头。强度差所定义的两个信号之间的差别在录音工程中它是有两个含义，一个是指扬声器中两个信号之间的强度差，也称声级差；另一个指电路中电信号强度的差，也称电平差，他们都用dB表示。对这两种强度差信号之间异同的区分是必要的。声级差总是与声音的频率相关，比较复杂一些。而在立体声重放中立体声重放中电平差同频率的关系不大，也就是说声音频率在扬声器立体声重放系统中对声像定位的影响不大。 时间/强度差对声像定位的共同作用 在立体声拾音中，由于传声器的设置不同，便形成了不同的拾音方法。有些拾音方法拾取声道间的时间差，有些拾取声道间的强度差，还有一些拾音方法既拾取声道间的时间差，也拾取强度差，用这种拾音方法拾取的声音信号在立体声重放中时间差和强度差共同完成声像定位。就声像定位而言，时间差和强度差具有同样的意义，声像的偏移比时间差和强度差单独的总用大，是二者的叠加。 耳机立体声重放 使用扬声器做立体声重放在录音和听音活动中处于主导地位，但在有些场合使用耳机做立体声重放还是具有一定的优点。尤其是从20世纪70年代开发的人头立体声拾音技术，要求必须使用耳机做立体声重放。 用耳机做立体声重放的优点： 1.耳机价格相对扬声器便宜很多，用很小的开支，就可得到同扬声器相同甚至更好的带宽和更高的声压。 2.使用耳机听音突出的优点是听音房间的声学特性对听音没有影响，这一点对有些听音房间存在声学缺陷或当听音者听音房间不熟悉、不适应时尤为重要。 3.耳机具有对噪声和杂音比扬声器更高的分辨率，在同样的电平情况下，耳机可比扬声器提高10dB的杂音电平。比如数字录音中的纠错杂音，用耳机就很容易鉴别出来。这一点对录音师无疑是有益的。 4.另外，使用耳机重放不受听音人位置的限制，无论有多少人需要同时使用耳机听音，所有听音人都可听到完全同样的音响。所以，许多听音试验都是用耳机监听。 使用耳机听音的缺点是随着人头的摆动，听音人感觉的声像也在摆动，人们往往不习惯这种在自然听音状态下不可能出现的结果，使听音人感到声音不自然。 使用耳机听音与使用扬声器听音的最大区别，也是使用耳机听音最大的特点是“头中定位”现象。人在自然界里听音时，声像定位是在听音人人头外完成的，扬声器立体声重放的听音也是这种情况。在某些条件下，声像也可在人头中定位，这个前提就是用耳机做立体声重放。在使用耳机立体声重放时，声像的定位在听音人双耳连线上完成。这种声像定位称作“头中定位”，也称作“侧”定位(Lateralisation)。头中定位在直线上的声像位置是前后“漂移”的，不确定的。 因为在用耳机聆听供扬声器重放的立体声节目源时会出现声混乱现象，所以在使用房间立体声录音时用耳机监听声像情况应是绝对禁止的。（监听其他情况，比如清晰度噪声情况是可以的，有时也是必要的）。 用“Walkman”听立体声节目源都是使用耳机重放，但是，这些节目都是用“人头立体声”方法录音的，许多国外出版发行的这些音像制品封面上有“人头”标记。西方一些国家还有“人头立体声”广播，也必须用耳机听。 立体声简介 声音在空气中的传播是转瞬即使的，为了能够将在某时、某一环境下发出的声音异时异地转移，必须将这一声音信号转换称机械、光、磁和磁光等信号进行记录，需要时再将这些存储的信号还原为声信号。这个将声信号向可记录的编码信号转换、并将该信号借助一定手段还原的过程是录音技术。根据声音转换之后记录使用的声道数量又将录音技术分为若干种。使用一个声道进行录音和重放的称为单声道录音。使用两个声道，并且两个声道再录音再放音的过程中是相互独立、不互相干扰，但两个声道信号又有声学上关联叫双声道立体声，近些年来又出现了有更多声道的全景立体声，即环绕立体声。 单声道单声道录音是只使用一个声道的声道转换技术。 在录音时，单声道录音只使用一只传声器，或者将若干只传声器拾取的声音信号混合称为一个声道的记录信号。声音重放时一般使用一只扬声器，或者使用若干只扬声器重放相同的信号。可以说，单声道录音的听音是比较“自然”的。单声道声音信号中较好地保留了原声场中除了左右信息以外的其他主要声音成分，包括原声群发生幻将的声学特性、声群的纵深等。单声道录音在使用相同的第二只或更多只扬声器做重放时，声音就有些不自然了。因为在重放房间中，扬声器不仅向听音人直接辐射声能，还会向顶棚、前面、地面辐射声能。这些界面的声反射使声音延迟，防碍了声相定位，尤其对语言声是十分不利的。单声道录音最大的缺陷是声音还原时所有的声音都来自一个方向，即声源是一个点。 双声道立体声双声道立体声无疑问能重放出比单声道丰富得多的声音信息。它可重放出整个乐队的宽度感和展开感，每件乐器、每一组乐器都可以比较准确的分布到各自的位置，因而在两扬声器中间呈现出整个乐队完整的声像群。 双声道立体声是根据一定的规则，通过两个声道将声群和房间特性记录下来。房间特性指声源的位置，声源的扩展（体积）和距离。还包括直达声、反射声、混响声的分布。立体声录音的目的是使听者产生在录音环境内声音发生事件的想象。 四声道立体声也称四方声，是20世纪70年代从日本开始研究的一种录音和重放技术。四声道立体声录音时用四声道录音，可用4个、3个或2个声道记录。重放时还原成四声道，即前左、后左、后右（或前、后、左、右）。四声道立体声在开始的几年曾颇为轰动，但最终并没有取得商业上的成功，最后完全消失。人们已经普遍认为，四声道立体声的失败是因为它有一些无法克服的缺点： 1.四声道立体声听音效果好的只有在听音环境中央很小的区域，而且对听音室要求较高，在一般家庭中难以做到。 2.系统造价昂贵。 3.四声道立体声有严重的声像漂移现象，这是致命的缺陷。因立体声的重要内容就是应该保持稳定的重放声像。 三维立体声以上各种立体声都是在平面展开的，而三维立体声的设计者试图追求声像在三维空间内展开。三维立体声的重放系统扬声器布置成左前上、右前下、左后下、右后上。但人耳对垂直方向的辨别能力不如水平方向明显。很多人认为三维立体声比平面立体声优越性并不多。 环绕立体声环绕立体声技术从20世纪80年代开始发展很快，并早已投入商业生产。环绕立体声开始于电影工业，现在已进入家庭。环绕立体声与双声道立体声本质的进步是在左右扬声器间增加了一个中间扬声器。那么，听音人前方的声像定位是在左—中—右之间完成的，其目的是为了加强中间声音的声像定位。左侧声音的声像定位借助中和右声道间的相关信号。环绕立体声与双声道立体声的另一个区别是在听音人的后方增加了数量不等的环绕声扬声器。后边的扬声器主要对环境声进行描述。 上述这些拾音方法，单声道目前一般只在语言录音场合使用，四声道立体声已经被淘汰了。双声道立体声因发展得较早，目前从技术上和理论上比较成熟，也是目前使用最多的立体声录音方法。当然，近几年环绕立体声技术发展十分迅速，但是目前还有许多技术、艺术的问题尚未解决，并且双声道立体声无疑是环绕立体声的基础，对双声道立体声的研究仍然有其现实意义。 双声道立体声拾音技术的分类 双声道立体声录音方法种类繁多，录音技术和技巧更是见仁见智。为了对立体声技术深刻地理解，对众多录音方法科学的分类很有必要。不同双声道立体声录音技术之间本质的区别发生在对声音信号的拾取环节。在这个意义上，可以将双声道立体声拾音技术分为“立体声方法”、“拾音方法”和“传声器方法（拾音制式）”三种方法。 1.立体声方法 它是立体声信号拾取和重放理论的建立原则。其中包括： a.“房间立体声” “房间立体声”立体声信号的拾取和重放，尤其是重放是在房间中进行的，声像定位受房间的影响。它要求听音人借助扬声器立体声重放系统听音。 b.“人头立体声” 在“人头立体声”中，立体声信号的重放与听音房间无关，而与人头紧密相关，声像随人头的运动而运动，重放使用耳机等听音设备。 2.拾音方法 指通过利用那种声场参数，即什么样的“差”信号获得立体声信号。拾音方法中包括三种参数获得方法： a.时间差拾音方法 以声道间“时间差”为主要信息获得立体声信号，“差”信号中还包括“相位差”和少量的“强度差”。 b.强度差拾音方法 以声道间“纯粹”的“强度差”信息获取立体声信号。 c.混合拾音方法 以声道间“时间差”和“强度差”为主要信息获取立体声信号“差”信号中还包括“相位差”。 房间立体声 房间立体声力求拾取声音信号本身和加载了房间特性的声音方位信息，并在房间内通过扬声器立体声重放系统再现录音环境里的声场随时间变化的情况。理论上，录音和声音重放使用的声道数量越多，放音房间中声学特性对声像定位的影响越小，理想情况下，录音和重放系统使用无穷个声道才能完全再现声场的情况，但从技术上考虑是无法实现的，从经济上考虑，相当多声道使用的经济投入不能给声音还原带来相应大的改善，也是不能被接受的。所以，现在大多数的录音都被压缩成为双声道的声音记录和重放。人们对仅比单声道录音再加一个声道的投入便获得了立体声响是比较满意的。 在“房间立体声”中，在扬声器立体声重放系统中声像定位与人在自然界里对声源方位的判断情形差异很大，但都是通过双耳间的时间差、强度差和相位差获得的。在录音中，由于不同的利用时间差、强度差和相位差，便产生了不同的拾音方法，与扬声器立体声重放系统无关，不同“传声器方法”和其所隶属的“拾音方法”的声音记录都使用相同的扬声器立体声重放系统。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/22/2007)