环绕声系统的开发 - 从单声道到 3D。音频的艺术

环绕声系统的发展——从单声道到 3D

音频的艺术

目前，双声道立体声已成为传输和再现声音的经典方式。立体声再现的目的是尽可能准确地传达声像。声音定位只是实现更丰富、更自然声音的一种手段。然而，最常见的“经典”双声道系统传输空间信息有许多缺点，这鼓励设计人员创建各种环绕声系统。

音乐厅中的听众不仅可以听到管弦乐队各个乐器发出的直达声，还可以听到从各个方向（包括后面）从房间的墙壁和天花板反射而来的漫射声，从而产生空间效果并完成整体画面印象。漫射声到达听者耳朵的延迟及其频谱成分取决于房间的大小和声学特性。在双通道传输中，漫射声产生的信息大部分会丢失，而在录音室录音的情况下，它可能一开始就不存在。

人耳最能将声源定位在水平面上。与此同时，在没有额外信息的情况下，来自后面的声音的局部化程度会更差。视觉，包括周边视觉，是确定物体位置的主要感觉，因此，在没有视觉信息的情况下，评估声音在垂直平面中的位置及其与我们的距离的能力很弱且相当个体化。这可以部分地用耳朵的个体解剖特征来解释。播放录音时，没有视觉信息，因此任何声称提供“环绕声”的面向大众市场的声音技术都被迫创造一些平均且显然是妥协的东西。

可以使用多种方法来再现或合成“霍尔效应”。早在 50 年代中期，飞利浦、Grundig 和 Telefunken 就测试了 3D 和 Raumton 三维复制系统。声音传输是单声道的，但额外的扬声器（通常是内置的，很少是外部的），向侧面或向上辐射声音，由于从墙壁和天花板反射的声音而产生了大空间的印象。由于住宅内的回声延迟很小，后来在附加信号的放大通道中使用了弹簧混响来增加回声延迟。由于当时的技术复杂性很高，这些系统在市场上存在的时间并不长，很快就从市场上消失了。

随后，人们开发了环绕声系统来传输扩散声音，主要应用于电影院。在此类系统中用于传输扩散声的附加通道（或多个通道）的功率比主要通道的功率小，并且它们的频率范围对应于扩散信号的频带（大约300...5000 Hz）。来自附加扬声器的辐射必须被扩散，为此它们被定向到听音室的墙壁或天花板。

环绕声系统的发展——从单声道到 3D

标准化的复杂性以及记录和传输三、四或更多声道信号的技术问题导致两声道立体声多年来成为记录和传输声音的主要系统。但创建环绕声系统的尝试并没有停止。 Ambiphony的发展是quadraphony（四声道声音再现），其流行的顶峰出现在70年代上半叶。与环绕声系统不同，这里所有声音再现通道均配备相同。离散（全）四声道可以提供最大的现场效果，需要四个声音传输通道，因此与当时存在的录音和广播技术手段不兼容。

环绕声系统的发展——从单声道到 3D

为了克服这个障碍，创建了几种矩阵四方系统（当时的术语是准四方系统），其中四个通道的原始信号被矩阵化以在两个通道上传输，并且在播放期间，原始信号通过以下方式恢复：和差变换，并且可以在没有解码器的情况下再现正常的立体声信号。由于这些系统都不是完全四声道的，也没有完全兼容双声道立体声，因为声道之间的信号穿透力很大，因此它们的实际用途受到限制，人们对它们的兴趣很快就消失了。

环绕声系统的发展——从单声道到 3D

四声道系统的“标准之战”中没有赢家；这个想法很快就消失了，原理被遗忘了，但这个术语仍然存在。因此，现在很少有人对具有四个放大通道和四个扬声器的“东西”被自豪地称为“四声道系统”这一事实感到困惑。但这是根本错误的，因为信号源仍然是两声道，而这种系统设计的前后声道信号只是电平不同，即利用了平移原理。

自 50 世纪 500 年代中期以来，立体声录音制作中的平移已被广泛使用，以定位声场的“左/右/中”单声道音频信号。平移对信号的频率或相位没有任何影响；它仅改变提供给每个立体声通道的单声道信号的电平。跨多个通道的平移（在多通道录音的情况下）以相同的方式完成。然而，在确定声源方向时，我们的助听器不仅利用声音信号强度的差异，还利用它们之间的相移，而相移对声源定位精度的影响为在大约 3000 至 XNUMX Hz 的频率范围内最为明显。（同样，扩散声的频率范围！）。

因此，简单的声像无法提供所需的声音保真度。第一个立体声录音的立体声效果（“跑步声”、“左右”声音绑定等）很快就变得无聊。因此，60年代录音室中电子乐器的最佳录音都是使用麦克风技术进行的，这解释了声音的“现场”本质：引入多通道全电子（不使用麦克风）乐器录音随后的混音，虽然让音响师的工作变得更加轻松，但同时也破坏了大厅的气氛。随后，在录音室录音时开始考虑这一事实，尽管麦克风技术并未完全回归。

当使用两声道播放方案时，视在声源（ASS）有效定位的主要区域位于听者前方，覆盖水平面约180度的空间。除非有附加信号的支持，否则两个前声道无法充分再现其源实际上位于后面且位于垂直平面内的声音。后置扬声器与声音平移的结合使用对于位于听众前面和后面的声源效果很好，而对于侧面位置则效果较差。然而，仅靠声音平移永远无法在垂直平面上提供可接受的声源定位。

在矩阵系统的开发过程中，事实证明，空间信息的很大一部分包含在差异信号（立体声信息信号）中，该差异信号可以以纯形式或与某种特定形式混合提供给后声道的扬声器。前方信号的比例。在最简单的情况下，这甚至不需要额外的放大通道，并且信号可以在放大器的输出处进行矩阵化：

环绕声系统的发展——从单声道到 3D

几个伪四声道系统就这样诞生了，在 70 年代中期将“真正的雅利安人”彻底赶出了市场。它们的不同之处仅在于获得差异信号的方式。然而，他们的胜利也是短暂的，这是由于信号载体——黑胶唱片和磁带——的缺点造成的。来自左右声道的不相关噪声没有被减去，加上差分信号电平相对较低，使得后声道的信噪比大大恶化。

这种系统的另一个同样重要的缺点是后部信号的电平不依赖于录音制品的性质。后置信号电平较低时，空间效应不太明显；电平升高时，声场出现断点，片段向后移动（“包围管弦乐队”的效果，与现实不符）。

当播放“现场”录音（具有总分量、差值和相位分量的自然分布）时，这个缺点表现得并不明显，但在大多数录音室唱片上，后声道在 IZ 的位置中引入了严重的错误。为了克服这个缺点，早期的环绕声系统尝试使用自动平移。控制信号是从空间信息水平获得的——差异信号水平的增加导致后通道增益的增加。然而，所采用的平移模型非常粗糙，扩展器控制错误导致后方信号电平发生混乱变化（“沉重的呼吸”效应）。

随着数字媒体的出现，人们对环绕声系统重新产生了兴趣，数字媒体的固有噪声水平可以忽略不计，甚至模拟信号处理实际上也不会降低系统的动态范围。数字信号处理方法的发展导致了数字声音处理器（Digital Sound Processor - DSP）的创建。

环绕声处理器最初是为家庭影院系统开发的，最近开始积极用于汽车音响系统。它们的使用可以显着改善车内的声音，这就是为什么它们不仅作为单独的 DSP 设备生产，而且还包含在相对便宜的收音机中。处理器设置允许您为所选聆听位置选择最佳参数。

有多种方法可以让设备通过有限数量的声学系统再现空间中的局部声音。不同的实现方法各有优缺点，因此了解主要信号处理方法之间的根本差异非常重要。现代环绕声系统（杜比环绕声、杜比定向逻辑、Q-Sound、Curcle Surround 等）基于相同的和差转换思想，并辅以“专有”信号处理方法（模拟和数字）。它们通常被统一在通用名称“3D 系统”（四十年前术语的“重生”！）下。

在了解环绕声系统中处理音频信号所涉及的原理之前，请考虑典型的录音过程。首先，录制具有许多单独通道的录音——乐器、声音、音效等。在混音过程中，控制每个音轨的音量大小和声源位置，以达到所需的效果。在立体声录音的情况下，混合的结果是两个声道；对于环绕系统，声道数量更大（例如，“6”Dolby Digital/AC-5.1 格式为 3 个声道）。无论哪种情况，每个通道都包含设计为在用户收听时发送到各个扬声器的信号。这些信号中的每一个都是原始源信号复杂混合的结果。

接下来，对混合后获得的通道进行编码，结果是一个数字流（比特流）。在播放期间，解码器处理数字流，将其分成单独的通道并将它们传输到扬声器系统进行播放。对于多通道（离散）环绕声系统，模拟实际不存在的扬声器系统的模式（幻象模式）是可能的。如果您只有两个扬声器，则只需将低音炮（低频）和中置（对话）通道同时添加到两个输出通道即可。左后声道添加到左输出通道，右后添加到右输出通道。

请记住，平移仅影响音频信号的幅度。现代 3D 系统中的音频转换包括有关音频流输出通道之间的幅度和相位差/延迟的附加信息。通常，处理量取决于信号的频率，尽管使用简单的时间延迟可以产生一些效果。

使用什么方法来处理音频信号？首先，这是立体声扩展（Stereo Expansion），它是通过影响前声道的差分立体声信号而产生的。这种方法可以被认为是经典的，主要应用于传统的立体声录音。

信号处理可以是模拟的或数字的。其次，Positional 3D Audio（本地化3D音频）。该方法对许多单独的音频通道进行操作，并尝试在空间中单独定位每个信号。第三，虚拟环绕声是一种使用有限数量的声源来回放多声道录音的方法，例如在两个原声扬声器上播放五声道声音。显然，后两种方法仅适用于多通道音频媒体（DVD、AC-3格式的录音），这与汽车系统还不太相关。

除此之外还有各种人工混响方法。当声音在空间中传播时，它可以被各种物体反射或吸收。大空间中的反射声音实际上可能会产生清晰可辨的回声，但在有限的空间中，许多反射声音组合在一起，使我们听到它们作为一个单一的序列，跟随原始声音并衰减，并且衰减程度因不同的声音而异。频率并直接取决于周围空间的特性。

数字声音处理器使用广义混响模型，将混响过程的控制减少到设置关键参数（延迟时间、反射次数、衰减率、反射信号频谱成分的变化）。这就是大厅、现场、体育场等模式的实现方式。事实证明，模仿得非常真实。模拟处理器使用信号延迟线来实现此目的。在这种情况下控制混响参数要复杂得多，因此通常只有一种固定的操作模式。

当然，很难描述所有现有环绕声系统的结构特征，但它们的工作是基于所讨论的原理 - 区别仅在于算法和模式集（预设）的细节。因此，选择声音处理器时最好的顾问是您自己的听力。

出版物：www.bluesmobil.com/shikhman

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