基于三聲道的環(huán)繞立體聲系統(tǒng)

張坤　康社仁

摘 要：本文論述的是一種環(huán)繞立體聲設(shè)計方案及實施辦法，是一種新型的設(shè)計思路，不同于現(xiàn)有的對稱式或者多元化揚聲器單元布局模式，是以三聲道方式呈現(xiàn)，揚聲器面向四周的空間。并應(yīng)用軟件的算法處理，以相對簡潔有效的辦法構(gòu)成三維立體聲場，獲得良好的環(huán)繞聲效果。它結(jié)構(gòu)簡單，且體積小，可隨意擺放，擺脫了現(xiàn)在人們欣賞環(huán)繞聲對聲源、器材、聽音空間等的約束，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，適合一般的殿堂級、家居休閑及電腦多媒體播放環(huán)境。

關(guān)鍵詞：環(huán)繞聲；DSP；聲道；HRTF

現(xiàn)代音響工程屬于聲學(xué)，影音藝術(shù)與電聲技術(shù)的交叉科學(xué)領(lǐng)域，隨著社會進步及人民生活水平提高，音響技術(shù)飛速發(fā)展，若從聲音采集和重放模式的發(fā)展歷程看，大致可分為單聲道、雙聲道、多聲道環(huán)繞立體聲三個階段。

單聲道：它比較原始的聲音復(fù)制形式，早期的聲卡采用較普遍。當(dāng)通過兩個揚聲器回放單聲道信息時，可明顯感覺到聲音是從兩個音箱傳遞到我們耳朵里。這種缺乏位置感的簡單聲音重放方式如今已很少見。

雙聲道：雙聲道技術(shù)改變了單聲道缺乏對聲音位置定位這一狀況，這也是立體聲的概念。聲音在錄制過程中被分配到兩個獨立聲道，達到很好的聲音定位效果。這種技術(shù)在音樂欣賞中顯得尤為有用，聽眾可清晰分辨出各種樂器的方向，使音樂更富想象力，更接近臨場感受。

多聲道：隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，人們開始希望在聆聽音樂時能有身臨其境的感受。傳統(tǒng)的立體聲系統(tǒng)正在逐漸被環(huán)繞聲所取代，這就是三維音效。它主旨是為人們帶來一個虛擬的聲音環(huán)境。要達到這一效果僅依靠兩只音箱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，1977年杜比實驗室成功研發(fā)出多聲道環(huán)繞系統(tǒng)-Dolby Stereo（杜比立體聲），音響系統(tǒng)進入5.1聲道發(fā)展的新局面。

5.1聲道聲場的全方位三維空間感無疑可給聽眾一種鮮活的，置身于其中的臨場感受，已成為目前音響發(fā)展的主流。但也有弊端，復(fù)雜的音箱布局結(jié)構(gòu)，對空間的大量占用及相對高昂的價格使它直至目前遠(yuǎn)沒有雙聲道的立體聲音響那么普及。

本文所要探討的是一種相對簡單、實用的新型三維環(huán)繞聲場系統(tǒng)及由此產(chǎn)生的音響實體。

1 設(shè)計理念

這是一種三聲道音響架構(gòu)，通過DSP技術(shù)運用，結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)的深度處理，產(chǎn)生出來一種環(huán)繞立體聲的聲場效果。從理論基礎(chǔ)上講它歸屬于又不同于SRS技術(shù)，確切地說它是對SRS技術(shù)的突破和延伸。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這是一種聽音位置不受限制的環(huán)繞立體聲場系統(tǒng)，由3個聲道組成，但共用一個箱體，是一個整體的結(jié)構(gòu)，所以實質(zhì)上還是一個音箱。三個獨立聲道在空間上呈相隔120?的方向排列，整個音箱呈現(xiàn)等邊三角形的外形。對音箱的箱體容積及喇叭的口徑尺寸并不作特別限定，但最少不應(yīng)低于2寸。

三聲道布局

本設(shè)計系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造實體由3個全頻喇叭+低音喇叭組成，三個喇叭設(shè)計頻寬可定為100Hz～18KHz。W1～W3是3個低音喇叭的安放位置，固定喇叭以提升低頻份量。在這里用無源的聲學(xué)共振膜代替。3個聲學(xué)共振膜與3個全頻喇叭相互均勻間隔放置，并與三個喇叭處于同一平面，同樣相隔120?。于是形成一個3+3的圓周形布局結(jié)構(gòu)，而這三個聲道在物理空間上是相通的，即每個聲道不各自獨立，而是共用一個音箱腔體，使聆聽者無論身處音箱哪個角度，都會獲得均勻的聽覺感受。因它發(fā)出的聲音本身是面向四周的三維立體空間，并受各方向墻壁的反射與折射，更有助于三維立體聲場的形成。經(jīng)實地聲學(xué)測試，先后嘗試用四組、五組聲道的揚聲器單元對比，發(fā)現(xiàn)以圓周形布局的聲道，采用三組單元即可達到預(yù)計的“較好程度”。

3 工作機理

該系統(tǒng)應(yīng)用DSP數(shù)據(jù)處理機制，外部輸入的音頻信號無論是數(shù)字還是模擬，都要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理，通過DSP的算法分析，將處理后的音頻數(shù)據(jù)以不同成份輸出，三個聲道上得到不同音頻分量：CH1通道上分配的是L+R，CH2是L-R，CH3是R-L。這里每個聲道采用的是D類的功率放大器。

研究發(fā)現(xiàn)，人類耹聽系統(tǒng)由于耳廓、耳道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對正面和側(cè)面來的同樣聲音人耳感覺的頻響曲線不同。

在本設(shè)計系統(tǒng)中，應(yīng)用DSP對音頻信號數(shù)據(jù)進行處理，首先將單純的L、R信號變?yōu)長+R、L-R、R-L三個不同的音頻分量，然后通過一系列的算法進一步處理包含反射聲的L-R和R-L互差信號，將它按上述b曲線軌跡提升。根據(jù)人耳感覺反射聲特定的頻響特性，把原有a曲線范圍內(nèi)的頻率補償強化，使人耳能聽到的如同側(cè)面進入的音頻量，后輸送到CH2和CH3通道放大輸出。L+R信號中側(cè)重表現(xiàn)的是中央聲道的公共信息，包含所有的直接聲和中間聲（如對話、歌聲）；互差信號L-R、R-L則包含環(huán)繞聲信號，包括可分辯出的反射聲、回聲等。

而本設(shè)計在音頻份量的分配上與上面提到的SRS有根本性的不同，SRS的揚聲器單元仍是建立在立體聲技術(shù)基礎(chǔ)上，但它是將處理后的音頻分量混合分配到L和R中。

經(jīng)過處理后重現(xiàn)聲場，符合HRTF聽音規(guī)則，聆聽者聽到的聲音是從空間中產(chǎn)生，而不是單從揚聲器發(fā)出。而又因三個聲道的喇叭是朝向360?的空間，所以當(dāng)聲音從人的頭部上下、左右不同方向傳送到人耳時，會受到外耳廓不同角度的反射影響，發(fā)生不同的延伸和幅度、頻率變化，在人腦中就會產(chǎn)生出聲音的三維定位。

4 輔助設(shè)計

本系統(tǒng)還包含低音單元的設(shè)計，類同于5.1聲道之".1"聲道（超低音）。W1～W3是低音單元的位置，這三個位置如果用實體的低音喇叭，只需在任何位置安放一低頻揚聲器即可，但本設(shè)計采用的是三只無源的聲學(xué)共振膜替代實體的低音喇叭，這也是本設(shè)計系統(tǒng)頗具特色之處。由于聲學(xué)共振的作用，用三只共振膜所產(chǎn)生的低頻提升，和用實體的喇叭幾乎是相差無幾的，由于三只對稱地呈圓周分布排列，更符合環(huán)繞聲特點，使聆聽者會感受到均勻的低頻分量。且無源聲學(xué)共振膜的應(yīng)用也減輕了放大器負(fù)擔(dān)，降低了功耗。

本系統(tǒng)另外一個特別之處是為此系統(tǒng)專門設(shè)計的可旋轉(zhuǎn)式的音箱支架。由于音箱的揚聲器單元是面向四周360?空間的，這樣就使旋轉(zhuǎn)成為可能。以此系統(tǒng)設(shè)計的產(chǎn)品體積小，可放置在旋轉(zhuǎn)式的箱體支架上轉(zhuǎn)動，顯得特富動感美。

綜上所述，本設(shè)計系統(tǒng)的聲道單元的空間物理布局結(jié)構(gòu)，加上數(shù)字信號處理的綜合作用，使整個系統(tǒng)呈現(xiàn)一個高中低音層次分明、有立體環(huán)繞聲音效的的三維聲場，且相對簡單，僅一只音箱，體積小，有不受空間環(huán)境限制的隨意擺放性。

5 結(jié)束語

這種架構(gòu)的音響系統(tǒng)目前比較接近家庭， 我們無論坐在房間的任何位置，哪怕是在房間里走動， 仍能接受到優(yōu)美動聽的環(huán)繞聲效果。盡管它離理想的多聲道環(huán)繞立體聲還有一定差距，但它另辟溪徑，以獨特的三聲道架構(gòu)開創(chuàng)了一個環(huán)繞立體聲的新模式，且成本相對低廉，對空間的要求極低，使它具有較大的市場潛力及廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡介

張坤（1976-），男，漢族，河南周口市，河南南陽理工學(xué)院電子與電氣工程系，工程師，講師，主要從事電子產(chǎn)品及音響產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)