声韵分离与声源重放厅堂扩声声像的探讨

声韵分离与声源重放厅堂扩声声像的探讨

1扩声系统的正声分析大厅的扩声效果可分为两种类型。其中之一是自然混合的无扩声通道，代表北京音乐馆。另一个是有扩声的大厅。对于使用强度型立体声拾声、双路扬声器重放扩声系统的厅堂会使声像(声源的幻像)位置和真实声源位置产生偏差，甚至出现严重的分离现象。前期改建后的北京中山公园音乐堂即是一例。下面对上述现象进行分析。2单传声器拾声在只有池座观众座席的厅堂中，一般是将扩声系统中的扬声器系统放在舞台口的两侧；在有楼座与池座观众座席的厅堂中，其扩声系统中的扬声器系统放在舞台口上方的声桥内。而拾声的方式多采用强度型立体声传声器拾声或单传声器拾声。(1）采用强度型立体声传声器拾声，并用双路扬声器重放在双扬声器连线的中垂线区域。听者在双扬声器中垂线上聆听，如图1所示，其声像方位满足正弦定律式中，f<700Hz时，K≈1;f≥700Hz时，K≈1.4；θI为声源方向角（顺时针为正）；θY为扬声器方位角；uL,uR为输入左、右扬声器电压。式（1）说明，采用强度型立体声传声器拾声（如X-Y拾声），听者能感受到声源S在不同位置时，其声像I的方位与其对应的关系。听众也会感到在时空上声源与声像基本上是统一的，感觉同样是自然的。(2）单传声器拾声，双路扬声器重放，在双路扬声器连线中垂线聆听。这种重放模式的厅堂使用还是比较普遍的。这种模式是将单传声器拾取声源的信号均匀地分配给左右2路扬声器重放。这种单传声器拾声双扬声器重放的方式，具有很好的相关性，即送入双扬声器的信号uL,uR内容相同、二者既无时间差也无强度差，符合立体声正弦定律。当uL-uR=0时，声像方向角θI为零，观众（听众）不会感到是左右2个声源在发声，声源的幻像I处在双路扬声器连线的中点上，其俯视图如图2所示。若观众（听众）的座位恰恰处在双路扬声器连线的中垂线上时，观众看到的演唱者（即真实声源）的空间位置和双扬声器形成的声源的幻像是时空合一的。这时观众（听众）感到很自然。3声器连接的中垂线或处于中垂线上实际情况是只有少数观众（听众）座位处在双路扬声器连线的中垂线上或处在中垂线附近的区域内，绝大多数的观众（听众）的座位是偏离双扬声器连线的中垂线或区域的，正弦定律的规律将不再符合。3.1声源至两耳的距离和声源方位关系人对声源方向的判断不仅和声波的传播有关,还和人的听觉及心理因素有关，这里讨论一下水平方向的声源方向定位。如果声源的频率足够低，即波长足够长，以至人的身体和头部对声波传播的阻碍作用可忽略不计时，可按自由波分析。设一简谐点声源S位于人的右前方，如图3所示，其中h为两耳间距。由球面波理论可知左右两耳处的声压状态，按自由波分析其衍射场声压PDL和PDR近似地与自由场声压PFL和PFR相等，即式中，PDL,PDR为左右耳处衍射场声压复值；PFL,PFR为左右耳处自由场声压复值；rL,rR分别声源到左右两耳间距离；r0为已知参考距离，Pp0为据声源r0处的自由场声压峰值；ω为声波圆频率；k为声波波数，t是时间。当声源S于人头正前方的夹角θs≠0,rL≠rR时，声源S辐射到左右两耳处的直达声声压不相等，同时两耳接受到的声波出现时间差。当人的两耳之间的间距h<<rL或rR时，可认为rL≈rR。此时，两耳处的直达声声压近似相等，即但实际上两耳接受到的声波时间差依然存在。可以这样认为，人们对声源方向的判别主要依靠两耳接受到的声波时间差。于是有式中，Δr（=rL-rR）为声源到两耳的路程差；θS取顺时针为正。因此可求出直达声到达两耳的时间差Δt为其中，c为常温标准状态下的声速。声波到达两耳处的时间差Δt和声源方位角θS的曲线如图4所示。从（6）式可以看出，Δt正比于θS的正弦函数。且通常两耳之间的间距是因人而异的,一般取h=21cm，在空气温度为15°C，声速c=340m/s时，时间差的最大值是0.62ms，即当θS=90°（设顺时针方向为正）声源S位于人头右方时，Δt有最大值。当声波到达两耳处的时间差Δt在0～0.62ms之间时，声源的方位角θS则处在0°≤θS≤90°之间，人耳能清楚地判断出声源的方位。同理，声源的方位角θS处在0°≤θS≤-90°时，Δt具有相同的规律，人耳同样能够判断出声源的方位，并遵守式（6）的规律。3.2明确双合成前声压ur-lr-r的距离听众处在非双路扬声器连线的中垂线上聆听的俯视图如图5所示。设传声器拾取的信号是简谐信号，若双路扬声器重放时送入双路扬声器的信号uL,uR内容相同、具有很好的相关性，两者既无时间差也无强度差。听者正前方轴线的声像方位角θI′，双扬声器与听者轴线之夹角分别为θYL和θYR。忽略人头对声波阻碍的影响，可将声波按自由声场考虑。听者相当于面向2个具有很好相关性的声源，听者由于处在非双扬声器连线的中垂线上，故距2个声源的距离不相等。对右前方的声源uR，听者双耳感受到的声压为听者双耳对uL感受到的声压为由于听者处在非双路扬声器连线的中垂线上，扬声器到听者处的距离较远，使rL-L（或rL-R）>>rL-R-rL-L;rR-L（或rR-R）>>rR-L-rR-R。故双扬声器到听者双耳的距离rL-L≈rL-R;rR-L≈rR-R。图5中设rL-L≈rL-R>rR-L≈rR-R，所以这里，rL-L,rL-R和rR-R,rR-L是2个扬声器分别到两耳的距离，r0是已知参考距离，PFL-L,PFL-R,PFR-R,PFR-L分别是左、右扬声器到左右两耳处的自由场声压，PLp0,PRp0是在已知距离r0的声压峰值。低频时，扬声器无指向。设2路扬声器的参数一致，且双路扬声器的信号uL,uR内容相同，没有强度差，则式中，E为扬声器声压灵敏度，ULP,URP为左、右扬声器电信号的电压峰值。所以，听者双耳对uR感受到的声压为听者双耳对uL感受到的声压为若rL-L=nrR-L(n=正数），则式（13），(14）可化为德·波埃效应指出，当与听者中轴线左右对称的2个声源的强度差Δp与时间差Δt均为零时，听者则感到声源来自2个声源连线的中垂线方向。如果强度差Δp加大，则声像会向着声音响的声源方向移动。由于听者处在非双路扬声器连线的中垂线上，即rL-L=nrR-L，相当于左路扬声器输入的电压数值是右路的1/n，这与德·波埃效应等效，其声像会向离听者近的扬声器箱的方向移动，而不在原始声源S所在的位置上，使听众感到声像位置和真实声源位置产生偏差。3.3声音延迟时，课内发声由于rL-L≈rR-L≠rR-L≈rR-R，听者到左右2路扬声器箱的距离不相等，左、右扬声器的声音传到听者处会产生时间差，它应该满足哈斯效应，右路扬声器的