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环绕声系统原理和应用【家庭影院装修设计】

2012-05-23 14:47:07      点击:

环绕声系统原理和应用

  【摘 要】 基于心理声学考虑讨论了环绕声系统的听觉印象,分析了杜比环绕声的声像定位、空间感和临场感。简单叙述了环绕声节目源和环绕声系统的应用。
  【关键词】 环绕声系统 杜比立体声 声像定位 空间感 临场感

1 引言
  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
  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。诓看娲⑵骺梢约且浠煜焐哪J、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。ǔR笳庵质奔浼涓舯匦胄∮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,这样可以改善声音重发中扬声器之间距离不够宽时的聆听效果。

5 环绕声系统的音质
  人只有两只耳朵,却能感觉到三维空间的声音,但是单通路系统重放时只能传递音乐中重要的信息,例如旋律、音色、节拍、混响等,没有空间感和环绕感。采用双通路立体声系统就可以感觉到声源的分离和声像定位。多通路系统中,每只音箱可以代表该通路的独立位置声源,而音箱和音箱之间的相互组合又可出现很多不同位置的声像。实验表明多通路系统才能捕捉和还原音乐信号的方位与空间的复杂关系。要获得前方舞台的声源幻像需2条通路,若对一群听众来说就需要左、中、右三条通路。理论上通路数越多越好,通路数量依赖于舞台和观众厅的大小以及需要定位的准确度。通常在家庭环境下再现音乐精确的声像位置并不是很重要的,因为还必须考虑放声系统的价格。双通路立体声系统已能把声源分开的感觉保存下来,它是“家庭使用已足够”和“实际可能”之间的折衷。当时多通路系统的许多技术问题还没有解决,因此双通路立体声并不是科学概念,而是当时技术的现实可能。
  双通路立体声常导致中空效应和左、右声道效果的夸张。4通路立体声企图获得更丰富的声像定位和空间感。采用矩阵编码的环绕声系统是把4路信息编码后记录到2路声迹上。重放时经解码恢复为4路信号,这样不但减少存储和传输的复杂性,而且可与双通路立体声系统兼容。但恢复的4路信号与原来不一样,有漏音和串音,使聆听者分不出哪个声音来自哪条通路。较好地矩阵系统能够产生没有串扰的4路信息的声像,但要求处理几个同时出现的声像时就无能为力了。实际上4通路立体声的失败是由于没有以心理声学为基。嗦牒徒饴肴狈侠硇,4通路立体声只是把双通路系统简单地扩充。放在后边的扬声器对产生包围感和空间感也不是好的,可能放在侧向反而更好些。音乐中来自后方的声音很少,但对空间形象是需要的。统计表明,喜欢环绕音箱放在两侧的听众比放在后边大约多2~4倍。应该注意到,4通路立体声系统虽然失败了,但是保留下两大技术发明;多通路技术和矩阵编码。杜比实验室把降噪技术和4通路立体声结合起来,创造出4通路杜比系统用于电影放声。左、中、右三路在前方,单一的环绕通路用听众边上和后面的一组音箱来重放,如图4所示。所有信息编码在2路宽频带声迹上,并发明了编码矩阵和有源解码矩阵。在家庭影院中采用了杜比环绕声,环绕声扬声器减少到两只,放在后方左右两侧以便为多数用户接受并有效地形成空间感和环绕感。环绕通路内加一定的延时,使时间上与前方音箱的声音分开。这时,屏幕中间是定位良好的对白,音乐和声音效果横跨前方并存在于环绕通路中。混响信息和另一些环境声放在环绕通路,可人为地制造出一些从头顶掠过的声音效果。特别是一个固定的提供对白的中央通路,使听众区展宽,同时环绕通路增强了音乐和音响效果的气氛。


图4 电影院杜比立体声的音箱布置

  杜比环绕声系统的扬声器布置采用1/3方式,即在前方设L、R、C三条通路的扬声器用以模拟聆听者前方声源的直达声,前方的早期反射声以及前方的混响信息。在聆听者后方侧面设置并联在环绕通路的两只扬声器(S×2),用以携带模拟聆听者左、右和后方的早期反射声和混响声信息,也可以携带画面以外的效果信息,并且在环绕声通路中插入延时电路和降噪电路,利用优先效应使环绕声信号不干扰前方声像定位。
5.1 杜比专业逻辑环绕声系统
  杜比专业逻辑环绕声系统(Dolby Pro-Logic Surround)是在杜比环绕声基础上改进而成的,它在解码时固定矩阵用自适应矩阵来替代(也称方向强调矩阵),可将各重发通路之间的分离度提高。在杜比环绕声中矩阵编码把传递空间信息的独立信号收并为两个,所需的传输信号较少。因此编码过程中使原声场的空间信息受到损失解码时只有牺牲后方声像的明晰度来确保前方的明晰度。在杜比专业逻辑环绕声系统中方向强调电路可在扬声器方向上产生一个明晰的声像,这是它突出的优点,但是对于非扬声器方向上的声像却难以奏效这样限制了重放时声像的分布。并且方向强调电路在同一时刻内只能对一个方向是对角线上的两个相对方向起作用,不能同时对多个方向起作用。所以Pro Logic系统在同一时刻内只有单一声源发声的情况,如影视中的对话,一些特殊效果等,结合视觉和听觉的心理特性可以取得较好效果,但是对于同时有多个声源发生的情况,例如大型管弦乐,方向强调电路的作用就不大。当这种系统的环绕声效果出现在听者室内时,即使在狭小的房间内也能够让聆听者感觉到空间变大,犹如置身于宽广的空间里。中央通路和前置的一对扬声器所形成声像定位很精确的前方声场时,若视觉与听觉配合时可以产生非常自然的戏剧性效果,使聆听者感受到剧中人物的言行举止更逼真,且有立体感,能表现出飞跃头顶的音响效果。但是由于环绕通路为单通路,因此无法表现后方不同定位感的微妙变化。
  此外,在杜比编码过程中,4个声道所携带的声源直达声、早期反射声和混响信息已经全部包含在2声道信号中,如果用双通路立体声系统重放这样的信号会得到很好的立体声效果,因此具有兼容性。值得注意的是,当聆听者处在扬声器半张角为45°的位置时,原来在环绕通路内聆听者左、右、后方的早期反射声和混响声很真实地出现在两只扬声器以外至聆听者左、右±90°范围的角度内,具有界外立体声效果。
5.2 杜比数字声环绕声系统
  为了解决编解码引起的失真采用了3/1方式4-4-4系统,即杜比AC-3数字环绕声系统,它具有完全分离的5.1通路的独立传输通路即L、 C、 R、SL、 SR通路,主通路的频率响应均为宽频带(120~20000Hz),另外再加一条超低音通路,其带宽为3~120Hz故称为5.1通路。它的优点是中央定位更精确,两条后置环绕声通路具有宽带响应,其声学效果更为自然、真实。杜比AC-3系统采用感觉编码运算来进行数据压缩,删除无法听闻部分并利用听觉掩蔽效应大幅度减少所需比特数从而实现了实用化,AC-3系统虽然具有六通路,但其传输率却只有320kb/s。此外,AC-3系统的环绕声通路实现了立体声化,加上前方三条通路使声像定位和声场再现非:,在欣赏影视节目时临场感会更强烈。在AC-3编码系统中,5.1条通路没有耗损,消除了通路间串扰,由于采用了先进编码系统极大地提高了动态范围和展宽了频率范围,保证了重发时的低失真。根据有关文献[4],通过改变5通路3/2方式系统现有的对信号馈给方法,可以使它能够重发较稳定的侧向声像并且听音区也有所扩大,从而使系统不但能适用于伴随图像声音重发,也可用于不伴随图像的纯音乐重发。
5.3 DSP环绕声系统
  利用人工混响技术可以在家庭听音环境下模拟音乐厅、剧场、电影院等的音质。由于它是通过电子电路调整听音室的声学特性,因此可模拟的音响效果类型很多,并且调节迅速方便。DSP环绕声系统采用在数字混响器技术上发展起来的数字声场处理器(Digital Sound Processor),目前一些AV放大器内部都有设置声场重现的各种模式,或在存储器内记忆环绕声模式、延迟时间和混响特性,后方通路电平、中央通路电平和中央通路模式和平衡等。如果不使用记忆模式则可以切换为标准模式。数字声场处理器可提供数十种不同类型声场和环绕声效果。延迟时间可在较大的范围内选择,有多种中心模式控制,有些还有均衡网络配合以达到效果。家庭影院可以采用日本YAMAHA公司Cinema DSP环绕声系统,由杜比专业逻辑解码器和声场处理器组成。杜比Pro Logic系统可使人们在家中欣赏电影所录制的音响效果,而DSP所模拟的是固定的特殊空间,它们是完全不同的。但是两种效果可以混合在一起形成与电影音响效果结合的空间效果。例如,当你在电影院内看电影时,除Pro Logic环绕声系统营造出来的声音空间外,电影院本身的环境也会影响电影反映的音响效果。人们听到的声音是混合着两种效果的声音。然而在家中只使用杜比Pro Logic系统或者Cinema DSP系统就只能享受电影音响效果或模拟电影院声学空间效果。把两种效果叠加在一起,就可以完整地呈现出在特定电影院内看杜比制式电影的临场效果。
  Cinema DSP系统除了设有构成杜比Pro Logic系统重放的L,R,S×2共5条通路以外,还增加了两条通路的前方声音输出,即总共7条通路输出,使家庭影院的音响效果非常良好。这种技术的要点是以原输入信号为基。疟萈ro Logic解码器和Cinema DSP处理,根据选择的DSP程序形成7条通路信号以重现一个三维空间声。鎏咄磐盼ё。采用Cinema DSP系统重放时的显著特点是声像定位十分准确,声场分布连续而平滑,并且受音量的影响较小。
5.4 两通路环绕声系统
  双通路立体声系统只能重现有限的前方声。岩月愣栽〉闹叵趾突竦昧俪「。 但是人们用两只耳朵却能听到三维声音。因此双通路环绕声技术根据生理声学和心理声学研究成果解决了这个问题。它主要采用两类方法:(1)采用双耳效应和耳廓效应对音频信号进行处理,并采用滤波技术消除扬声器重放时的交叉声音,因此只使用两只扬声器可以再现三维环绕声。(2)根据头部相关传递函数(HRTF)设计的滤波器对双通路立体声节目进行处理,利用耳廓效应补偿传声器频率响应与人类听觉系统的差异,通过双通路立体声系统重放三维环绕声场。已经提出的有3D系统、SRS系统、Spacilizer系统和Qxpander系统等。这种情况一方面反映各人对听觉心理的不同理解,另一方面也受专利权的影响。
  双通路环绕声系统采用3D Audio技术,它产生三维声场的方法与多通路系统完全不同。多通路系统是通过增加声源的数量来改变客观的物理声场以产生空间感,而3D Audio技术是基于人的主观听觉特性,恢复声音记录时丢失的听觉系统用于空间定位的信息,在放声时重现三维声场。已经提出的3D Audio技术方案有三类:(1)在录制节目时采用特殊录音方法记录下来的信号仍为两路,但保持原有空间定位信息不致丢失,只需使用普通双通路立体声设备重放就可获得三维空间效果,缺点是无法利用现有的立体声节目源;(2)利用现有节目源,将双通路立体声信号送入3D Audio处理器,通过特殊算法恢复已经丢失的空间信息,然后混入常规节目进行播放;(3)把3D Audio处理过程从录制端移到用户端,这时每个用户需要加装一个3D Audio处理器,但节目源是普通双通路录音节目源。在播放时由3D Audio处理器对双通路立体声节目源进行实时处理,产生三维空间效果。显然双通路环绕声系统是多通路环绕声系统的一个补充,是为了用现有双通路立体声设备产生环绕声效果,虽然它与多通路环绕立体声效果仍有一定差距,但随着信号处理技术的发展会不断提高环绕立体声效果。双通路环绕声系统有一些特点,例如:(1)环绕感强,动态范围大,影响节目的音乐和音响效果充满欣赏环境,有良好的空间感和临场感;(2)声场开阔,环绕声效果与听音位置无关;(3)定位感稍差,虽然对一般影视对白能够定位在屏幕前,但准确性稍差,且中央通路的音量无法调节,L和R通路的声像基本上分布在前方,但较为散乱;(4)在一定程度上可改善节目源的信噪比,并且多种双通路环绕声除了共性外,还有其独特个性。

6 环绕声系统的节目源
  节目源是放声系统的必备条件并且需与放声系统匹配,它是是否能普及的关键问题。自从光盘问世以来,许多节目源都采用光盘,它不但性能优异而且选曲容易,可以实现人机对话。激光唱片CD是双通路立体声系统的节目源,激光影碟LD和激光小视盘VCD是AV系统的节目源,前者性能良好,但价格昂贵,不为家庭放声用户接受。而VCD则性能适中,价格便宜易于流行。对于杜比环绕声的节目源可以采用LD和激光数字视盘DVD。两通路环绕声系统的节目源可以采用CD,VCD。对于杜比环绕声系统需采用编码节目源,至少要有两通路信号,因此盒式录像带可以用作4-2-4编码系统的节目源,通过解码器恢复成4通路环绕声系统。应该指出VCD的视频和音频信号均按MPEG-1进行数据压缩,其图像分辨率比LD要差,音质接近于CD。VCD通常不用作Pro Logic系统节目源。因为它采用MPEG-1压缩编码方式,对Pro Logic系统的2声道信号需要先进行解压缩,再由带Pro Logic解码功能的AV放大器解码成4声道信号激励扬声器放声。MPEG-1是对独立声道分别进行压缩,而经过矩阵编码的信号在每一声道中除原有的左或右声道信号以外,还有一定比例的中置信号和环绕声信号。利用人耳掩蔽效应的MPEG-1压缩方式将打乱原始信号的比例,即使再由Pro Logic矩阵解码,聆听时声场定位感觉已混乱。因此VCD用作杜比节目源是一种不合理的配置。而仅仅比较适用作AV系统的节目源,例如卡拉OK系统的节目源。
  LD是一种优质AV节目源,它可以用于这三类系统。早期的LD记录的视频信号是模拟信号,而音频信号则是双通路信号或是将矩阵编码的模拟信号再进行数字化处理后的数字信号,用Pro Logic解码器处理可获得杜比环绕声。稍后的LD也可装载AC-3音频数字信号,故可用作AC-3环绕声系统的节目源。但是价格较贵,仅用于专业音响。开发的激光数字视盘DVD是一种价格上可接受的优质环绕声节目源,它具有5.1独立声道的多路记录系统,虽然采用MPEG-2数字压缩方式,由于是独立的分离通路,故不影响聆听时的声像定位与声场定位的质量。可以用DVD直接拷贝电影片作为家庭影院的节目源,在家庭环境下获得在电影院看电影那样的视觉和听觉效果。公布的超级VCD标准,因为仍然是2声道声音,故必将是一个市场过渡产品,在技术上是不能与DVD竞争的。DVD的音频信号采用AC-3压缩编码,具有5.1条独立通路,音质比Pro Logic系统提高很多,还可以同时播放8种语言和32套字幕。目前DVD标准已提出两种类型分别用于AV节目源的DVD-Video和用于纯音乐的DVD-Audio,后者可用于Hi-Fi环绕声节目源,从而可以提供伴随图像和不伴随图像通用环绕声系统的节目源。

7 环绕声系统的应用
  环绕声技术在电影院、音乐重放系统、家庭影院和高清晰度电视伴音获得广泛的使用,它增强了重发系统的方向感、空间感和环绕感,使聆听者犹如置身于原声。猩砹倨渚车母惺芏艿交队。环绕声系统是双通路立体声普及以来放声技术的进展。从不断改进放声时声像分布的准确性以及为了减少传输通路并和双通路立体声具有兼容性,发展了各种类型的环绕声系统。应用于电影院、音乐重放、家庭影院、高清晰度电视伴音以及效果声的各种环绕声系统,它们的基本原理相同,但又各具特色。
7.1 电影院杜比立体声系统
  1957年杜比实验室提出了杜比立体声系统,使电影院内放声系统出现了革命性变化,80年代开发了杜比专业逻辑编码光学影片,极大地提高电影院声系统的质量,成为普及的一种形式,它采用3/1方式的4-2-4编码制系统。90年代在频谱录音(SR)技术的基础上发行了杜比SR立体声系统的影片,同一时期内又推出杜比SR.D数字声影片,并且把AC-3压缩编码系统用于35mm影片的制作中。目前35mm宽银幕影片采用4通路声系统,其中1、2、3条声迹信号送给银幕后边左(L)、中(C)、右(R)三组扬声器,而第四条声迹上录有音响效果声送给观众厅侧墙和后墙上的环境声扬声器。70mm宽银幕立体声影片中声音采用六条声迹,它们的分配方法有两种:(1)1~5条声迹的信号分别送给银幕后的左(L)、中左(CL)、中(C)、中右(CR)、右(R)五组扬声器,第六条声迹的信号送给观众厅侧墙和后墙上环绕声扬声器;(2)杜比NR6方式第1,3,5声迹是加有降噪处理的全频带信号,第2,4条声迹记录200Hz以下音频信号并且也加有降噪处理,第6条声迹为环绕声通路。全景电影则采用7条通路的系统,其中5条通路的信号送给银幕后边的L、CL、C、CR、R五组扬声器,第6、7条声迹分别送给电影院观众厅内配置的2路环绕声扬声器。
7.2 用于音乐重放的环绕声系统
  这是一种Hi-Fi环绕声系统,主要采用杜比环绕声系统和杜比AC-3环绕声系统。通常是3/2方式的5-5-5环绕声系统(L、C、R、SL、SR)和利用人工混响技术的DSP环绕声系统。
7.3 家庭影院环绕声系统
  在家庭影院中采用杜比Pro Logic环绕声系统和杜比AC-3环绕声系统。为了提高放声质量,又出现了THX家庭影院环绕声系统,DTS家庭影院环绕声系统以及SDDS家庭影院系统。其中THX环绕声系统是杜比Pro Logic系统的后处理系统,它对左、右环绕声通路上加去相关电路,对高音部分再均衡并保证主声道音乐与环绕声道匹配并对听音室和音箱规定一些技术要求以保证杜比Pro Logic系统的音质更为良好。
7.4 高清晰度电视用多通路环绕声系统
  由于高清晰度电视(HDTV)的发展,要求在改善图像质量的同时也改善伴音的质量。目前国际上普遍认为只有环绕声系统的音质才能与高清晰度图像质量相匹配,加上考虑到视听一体化系统将成为今后家用立体声系统的发展方向而采用环绕声伴音系统,但各国采用的系统不同,除了上述杜比Pro Logic系统和杜比AC-3系统以外,还有3/2方式5通路系统,3/1方式的4通路系统。

作者单位:中国科学院声学研究所 北京 100080

参考文献
[1] 谢兴甫.立体声原理.科学出版社,1981
[2] 沈山豪,韩秀苓.数字音响和多媒体.北京科学技术出版社,1999
[3] 沈鹏.拨开家庭影院的迷雾,音响技术,1999.2.43
[4] 谢菠荪.多通路平面环绕声系统的研究.博士论文,1998