环绕声系统原理和应用教材Word格式.docx

环绕声系统原理和应用教材Word格式.docx

《环绕声系统原理和应用教材Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《环绕声系统原理和应用教材Word格式.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

　　环绕立体声系统（简称环绕声系统）是一种新颖家庭娱乐AV系统。

家庭放声主要有Hi－Fi立体声系统、AV系统和环绕声系统。

聆听音乐是Hi－Fi立体声的出发点，进行卡拉OK、欣赏MTV是AV系统的要求。

家庭影院的环绕声系统则是在家中营造出一种类似电影院的视听环境，使电影拷贝上的信号和电影院内的声场在家庭环境下重现，人们可以观赏到电影院内看电影一样的视觉和听觉效果。

纯音乐的环绕声系统目前尚未流行，其中原因之一是家庭居室面积太小不易产生像音乐厅现场那样的音质效果。

Hi－Fi立体声系统主要表现音乐的内涵和细节，它要求对声音不失真地重发，在技术指标上讲究输出声功率、动态范围、频率响应、谐波失真等参数，对于声场只强调声像的方向定位，对它的赏欣以听觉为主。

AV系统则主要使声音与画面配合，卡拉OK以歌声为主，而MTV则以歌舞为主，对音质要求不如Hi－Fi立体声，因此它的音频系统仍然采用Hi－Fi立体声，但要求歌曲的伴奏音乐和歌词内容相配的背景图像同步显示。

家庭影院的环绕声系统则要求准确重现声场定位，强调空间感，环绕感和临场感，能够创造一种与画面配合的反映电影中某些惊心动魄的场面。

它对音乐的细节要求不高，其音质建立在多通路传输系统，欣赏集中在视觉和人物的对白，同时在对直达声源方向感不变的情况下，给聆听者带来环绕效果的音质感觉。

采用环绕声系统的家庭影院不再是简单地用电视机来看电影，而是使人们在家中能够享受到与电影院内相同的视觉和听觉效果。

　　家庭放声本质上是两个房间通过电声系统单向耦合，例如录音室和听音室，电影录音棚和电影院，如图1所示。

电声耦合房间内混响过程的特点是听音室的音质受录音室影响，在听音室内的混响过程不同于无耦合时的混响过程。

通常听音室内声能衰变受两个耦合房间的影响。

通过电声系统耦合时，听音室内的总衰变过程比两个被耦合房间中任一个衰变过程都慢。

其混响情况接近于混响强的房间。

通常录音室的混响时间比听音室要长，因此在听音室内放录音时，其音质受录音室影响，有可能获得类似于录音室的音质。

此外，通过多通路传输系统还能反映录音室内的声源分布，通常双通路立体声系统可给出声像方向定位，环绕声系统则进一步可实现声场定位。

图1　电声耦合房间

　　环绕立体声技术有电子学的（包括数字技术）和声学的（包括心理声学）。

电子学技术是使录音室记录的音乐传到听音室并考虑它的的旋律、音调、音色、节奏等并尽量不失真地传输。

声学技术则是保证录音室和听音室的声学特性，使录下音乐的音质优美并且通过传输在听者室内重放时能重现基于心理声学的声像定位和声场定位的感觉，有空间感、环绕感和临场感。

文中基于心理声学特点讨论环绕声系统的原理和应用。

2　多通路声的主观感觉

　　在音乐厅内听实况演出时，听众除了听到直接来自乐队的直达声以外，同时也听到由房间内各个表面反射回来的许多反射声。

这些反射声是由房间添加的，反射声的总和形成环绕声信息，它反映了聆听大厅的音质。

在家庭环境下聆听立体声录音节目的同时，也能够辨别出录音大厅混响信息的环绕声，并认出录制节目大厅的声学特点。

这是高质量放声系统的一个重要特性，多通路系统的发展力求实现这个传输特性。

在听双通路立体声时，可以感觉到录制时音乐传来的方向，能够分辨出管弦乐队各种乐器的空间分布位置，但主要是平面分布的位置。

这时感觉到的声像可以在两只扬声器之间的任何一个位置，所以双通路立体声能够给出声音的方向感，但缺少环绕声。

由于听音房间的尺寸和声学特性和录音房间不同，当位于舞台前传声器接收的声信号用位于听众前方的扬声器重放时，由于掩蔽效应不能充分再现录音房间的混响信息（即环绕声）。

可以用一只传声器放在舞台前传输音乐信号，另一只传声器远离声源以接收并传输录音房间的混响信息，这样的两通路系统虽然可以使聆听者有空间感，但不能分辨声源的方向性。

　　4通路立体声试图重放音乐时，除了保留原信号的方向感以外，还部分地再现环境声以产生更真实的空间感。

典型的四通路立体声系统使用四只传声器接收声信号，其中两只靠近舞台拾取直达声，另外两只传声器远离声源用来拾取混响声。

这些信号通过4条独立通路用布置在听音室四角的四只扬声器重发以获得空间感。

70年代为了节省传输和记录通路，提出了矩阵式4－2－4系统。

将4通路传声器信号用矩阵编码为两条通路信号供传输或记录，在重放时用解码电路恢复为4路信号用四只扬声器重放。

但是由于通路之间有串扰而产生了一些缺点，例如声像位置畸变，声像不稳定，理想听音区窄等。

4通路立体声虽然给放声提供了一种崭新的感受，但还不能说是理想的多通路系统，至少可以认为音乐厅内的声音不完全来自四个点，并且4通路立体声只能重现声音的水平面分布，不能产生垂直方向的空间效果。

由于受电影院杜比立体声的影响，在家中重放录音节目也使用后通路创造一种环绕声，而不仅仅重现反映录音大厅混响信息的环绕声。

环绕声系统的目的是再现环绕聆听者周围三维空间的方向信息（即声场定位），给聆听者形成一种身临其境的感觉。

环绕立体声的重发除了保留原信号的方向感以外，还产生包围感（即来自四面八方）和空间扩展感（即具有比听音房间更大，混响更强的感觉）。

杜比环绕声系统方框图如图2所示。

它是一种3／1方式的4－2－4系统，记录时前方左、中、右3路主通路，后方1路环绕声通路。

记录和传输时4条通路编码为2条通路，重放时由2通路解码还原成3／1方式的4条扬声器通路。

虽然也采用4条通路，但前方扬声器重发时声像位置排列不仅仅限于聆听者前方几十度范围，而是已经将这种排列范围无畸变地扩展到聆听者的四周，甚至包含整个空间。

在聆听环绕立体声时，聆听者能够区分来自前后左右的声音以再现录音大厅的声学空间尺度和混响过程，使环绕立体声无论在临场感、空间感和环绕感等方面都比双通路立体声有质的飞跃，使人们在家庭环境下可以享受到电影院、音乐厅的音响效果。

图2　杜比环绕声系统方框图

　　应该指出，混响声和环境声都是指室内反射声的总和，但环境声强调主观的临场感觉，而混响声是反射声时间衰变的感觉。

在放声技术中，通常混响声指声源房间中反射声的总和，而环境声更多的是指在听音室内听录音节目时由传输系统带来的录音房间混响信息的主观感觉。

当然听音房间内也有反射声，但它的混响时间小于录音室的混响时间，因此环绕声系统的目的是力图重现演出现场混响信息的环境声并反映其声学特性，从而使重放时有较好的临场感。

此外，放声技术中还有一个听众席问题。

对于双通路立体声系统，本质上只能个人享受，也就是只有一个聆听位置能“听到”正确的声像位置。

如果偏离中心位置，声像就变动，舞台感丧失。

当坐在两扬声器的中垂线上时，声像会落在两只音箱之间，但音质会因梳状滤波器效应而变化。

因此听音区受到严格限制。

而对于环绕声系统其听音区几乎不受约束。

3　混响信息的传输

　　最早的混响信息传输方式是用一只心形指向特性曲线传声器对准声源检拾直达声，另用一只主轴与第一只传声器主轴成正交的8字形指向特性曲线传声器检拾房间内的混响声，其布置与双通路立体声的MS拾音方式相同。

在重发时直达声信号馈给面对聆听者的扬声器，另用一只具有8字形指向特性的扬声器馈以混响声信号并放在第一只扬声器的上方或后方。

这样在聆听时会有一种空间感觉，这种系统与双通路系统一样需要两条传输通路，但在聆听时不能提供方向信息，因此不被重视。

另一种传送混响信息的方式是采用双通路立体声系统，对左右两只扬声器除馈以主信号（L，R）以外，还分别馈以反相的混响声信号，即（L－R）或（R－L）信号。

也可以将一只传声器置于声源前检拾直达声，同时用另一只传声器置于远离声源处检拾房间中间混响声，重发时扬声器作相应于传声器的布置，当聆听者位于一定的中心区时就会感到混响声似乎来自室中的两侧墙，但聆听者在这个中心区以外时，这种感觉就会消失。

如果采用图3中所示的传输混响信息系统，直达声由位于聆听者前方的主扬声器重放，混响声则由分布在房间内四周的辅助扬声器以各种不同方向向室内辐射。

这种方式的效果较前两种优良，聆听者虽然不能确定声像位置，但犹如置身于演奏室中，并且聆听区域几乎可以遍及整个试听室。

这种声音重放方式，虽然也用了两条传输通路，但是传送混响的辅助通路的带宽较主通路的带宽要窄，并且与主信号之间相位关系的要求也不严格。

因此在设备方面较双通路立体声系统简单。

图3　传输混响信息的系统

4　混响信息的模拟

　　在声音重发系统中，产生混响信息主要有两种途径，一种是把发声房间内的混响声通过重发系统传输到听音室内，如果这时听音室内混响声被传输过来的混响信息掩蔽，则混响声主要决定于发声室的混响时间。

另一种是直接在听音室内用延时器和混响器或数字声场处理器模拟著名厅堂的特性以改善听音室的音质。

目前这两种方法都使用着并且听音音质不断提高。

前一种方法是采用多通路传输系统，也就是环绕立体声系统，后一种方法采用人工混响系统。

　　采用人工合成延迟声的方法，即采用人工混响方法可在录音室或聆听室内将混响时间延长，也可在聆听中模拟混响声空间印象的感觉。

由于混响声本质上是由许多具有不同延迟的反射声组成，而其强度随反射次数的增加而逐渐衰减。

因此可以用许多延时器产生人工混响，使声信号经过多次延时和不同衰减以适当的强度与原信号混合以模拟直达声、早期反射声和混响声，在实际应用中采用电子延时器组成人工混响器。

目前人工混响是录音和放音时控制音质的主要手段。

通常在混响时间较短的录音室内录音，然后对已录音节目加入人工混响。

在听音室内由于混响时间较短，也可附加人工混响。

　　为小房间提供人工混响的数字声场处理器是最新发展起来的人工混响技术，它不同于一般的人工混响器。

后者是在聆听者的后方或侧面安装扬声器来播放，利用人工混响技术模拟教堂、音乐厅、体育馆或电影院的音响效果，并且单通路的人工混响效果往往被固定在某一点上，正面的声音很难向空间扩散，使主通路和人工混响通路无法平滑连接，从而不可能获得自然的混响效果。

使用在数字技术基础上发展起来的数字声场处理器可以再现多种模式的声场，内部存储器可以记忆混响声的模式、延迟时间和混响特性等，可以提供多种声场的音响效果。

　　也可以用延时器和混响器模拟声音的空间感觉。

以延时信号馈给主扬声器右边的另一只扬声器或两侧的两只扬声器，聆听时都可以产生空间感觉而没有声音分裂现象。

但是在不同位置上，音质有明显差别。

在房间内听声音时，聆听者可以根据到达人耳的直达声和早期反射声之间的间隔判断厅堂的大小，通常要求这种时间间隔必须小于20ms，并且要求直达声相对混响声要较强。

也可以在直达声和人工混响声之间引入一个或几个无混响但具有衰减的延时信号以改善重放声的音质。

通常采用多个延时器，其中一个产生早期反射声，另一些产生人工混响。

空间感觉的模拟有时也应用于双通路立体声录音。

它用延时器和衰减器将左、右两通路信号交叉引入另一通路，从而模拟房间四壁的早期反射，这样