目前一般音響器材所發出的聲音在時間及空間的性質上都遭到破壞,雖然大家都還能夠從中獲得欣賞的樂趣,但是我相信大家都承認,這絕不是我們在演奏會中真正所聽到的聲音。我所謂的一般音響主要是指針對振幅或響度來處理的放大器。應該由左邊來的聲音,就由左邊的喇叭來主宰其振幅;從右邊來的聲音,右邊的喇叭就會大聲些;所應該出現在中間的聲音,兩個喇叭發出的音量就一樣大。如果哪一邊的聲音稍微大一點,聽起來就是偏左或偏右。雙耳振幅差 IAD (interaural amplitude difference)就是一個幫助我們的耳腦系統來決定音像的因素。如果左耳收到的聲音,那麼我們的耳腦系統就使我們相信聲音由左邊發出,反之亦然。如果兩耳所收到的聲音沒有振幅差的話,耳腦系統將聲音定位於正前方。數年前一個古典的聲學實驗生動的證實了這種結果:測試聆聽由兩個分離的喇叭同時發出等音量的嘟嘟聲,其中一只喇叭稍微靠近試聽者,使其發出的聲音較早抵達試聽者。這時試聽者把這兩支喇叭當作是同一音源位於較靠近的這支喇叭;如果將較接近的喇叭的音量逐漸減少,而同時提高較遠處喇叭的音量,那麼是聽者感覺音源移向較遠方的喇叭,因而證明了音量對於耳腦系統定位的影響大於時間的影響。這時兩支喇叭的音量差必須相當大,同時試聽者也會感覺到音色改變了,變的更豐富、更具擴散性。
這個實驗證實耳腦系統對音像的定位產生了錯誤的判斷,然而這却是今日立體音響的基本原則。今日的錄音尤其在由多軌錄音帶來刻錄唱片時仍然是遵循這種原則。
同時這個實驗很容易讓大家產生錯覺認為我們已經完全了解耳腦定位系統的秘密,其實這是錯的。因為耳腦系統的定位受到數種因素的影響,而且這幾個因素會互相增強或混淆。雖然雙耳振幅差(IAD)對音像的定位有相當的重要的影響,尤其在與音源距離較近的時候。但是因為聲能的輸出與距離的平方成反比,所以對於音樂廳而言這種效果幾乎可以忽略(圖一A)。在距音源16呎的地方雙耳振幅差可以降到0.4分貝,因此振幅差對音像的定位變得無關緊要了。
但是儘管雙耳振幅差會隨距離的增加而減少。但是空間對定位的影響,極雙耳時差 ITD (interarual time difference)的影響,却不會因離音源距離的變化而改變。每一個人都有一個內在的生理時鐘,再任何環境下不停的計算到達兩耳的聲音的時差,所以在一個典型的音樂廳裡, ITD 決定了音像的定位,而 TDA 卻毫無影響。
另一個與定位有關的因素是因頭部對較遠的一邊耳朵造成的遮蔽效應。遮蔽效應會改變較遠一邊耳朵所接收的頻譜(frequency spectrum)而影響了耳腦系統對音像的定位,毫無疑問的這個因素也有其相當的重要性。但是一定要在沒有反射的環境如戶外才會顯出其重要性,因為在沒有反射的時候頭部才會產生一個穩定的遮蔽效應。在音樂廳裡,因為反射音場的存在,所以只有在第一前進波雙耳時差的這段時間內才會受到遮蔽效應的影響。因為要決定整個音譜的分佈,耳腦定位系統需要比雙耳時差更長一些的時間,所以遮蔽效應在音樂廳中顯得不完整,但是這並不表示遮蔽效應在家中的音響室裡一樣沒有影響。
對音源的定位而言,雙耳振幅差在音樂廳內的影響很少。遮蔽效應會產生一些影響,但是這種影響雖以定量的描述。而雙耳時差無論在何種環境下都會固定的存在,所以音源的定位主要由雙耳時差來決定。
時間的影響
不幸的是,目前流行的一般音響卻完全忽略了時間(即空間感)的影響。多軌錄音的方法根本假設這些因素不存在;而在安排麥克風的又忽略了空間的效果,並列的麥克風將這種效果完全消除了,使耳腦定位系統無法做正確的判斷。更糟糕是這些音響在放大的過程中會加入不適當的調整而造成了訊號在時間上的混亂。
以圖三為例,假設聲音經過適當的調整使得我們覺得音源位於兩支喇叭中間。等量的聲能延著L、R分別從左、右兩支喇叭到達左右兩支耳朵裡。耳腦定位系統很確定的決定聲音在正前方。在這一短戰的時間內,雙耳時差的條件也能同時滿足。但是在大約100微秒之後從左邊喇叭發出的聲音沿著Lr到達右耳,同時由右邊喇叭發出的聲音延著Rl到達左耳。這個時候耳腦的定位系統會感覺正前方沒有一個單獨的音源而有兩個相同的聲音在左右,於是造成了定位的混亂。
幸好每一個人都能儘量的接受雙耳振幅差的決定,否則立體音響根本難以存在。但是一種定位系統認為聲音由一個音源發出,而另一種定位系統,却又認為聲音是由不同的地點發出造成了在定位時的混亂。當然我們可以利用立體聲音效的方式將雙耳時差的影響降低,而使雙耳振幅差具有主要的影響,但是對我們來說這是一種不完整的感覺,雙耳時差是我們定位的主要根據而非次要。如果要滿足雙耳時差的要求那麼雙而都只應該聽到由同一個音源發出的兩個聲波,而不是一般立體音響中聽到的4個聲波。除了原始的兩個聲波之外,其餘的聲波都屬於非真實的聲音。如果不加以適當的排斥的話,會在定位時引起嚴重的困惑。
我們所使用的一般音響所發出的聲音能否與實際的聲音一樣真實嗎?從這些一般音響所發出的朦朧、單調、模糊的聲音是絕對不夠真實的,除非我們有意驅使我們去接受這種聲音,否則我們不會認為這是真實的。這並不因為這些聲音裡缺少了什麼,相反的反而是多了一些虛假的聲音。我認為額外的這些影響,主要是來自在真實生活中並不存在的額外聲波,干擾了定位的決定,而造成立體音像在時間及空間上的模糊。
立體音像
我們再看一下圖三,如果聲音的傳播只延著R及L這兩條路徑的話,雙耳振幅差及雙耳時間兩因素都會滿足;約在100微秒以內一切情況都很理想。但100微秒以後沿著Lr及Rl的干擾也到達了,於是音源的位置一分為二。如果我們能消除Lr及Rl的話,不但是中間的音像,整個立體音響的音像都會有很明確的位置。對右邊的耳朵而言,左邊的喇叭並不存在,反之左耳也不會覺得右邊喇叭的存在。這樣做有用嗎?如果有用要如何做到呢?
首先這絕不是單靠電路的設計所能解決的。除了電路的技巧外還需藉助其他的方法,如波動的干涉來決定。我們都知道在任何的環境中聲波都會互相的干涉,這種干涉造成聲音的增強或減弱。通常我們都認為這些必然存在的干擾,即使不是無法預測也是複雜的難以控制。對反射的聲音來說這是正確的,但是對從聲源直接輻射的聲波來說卻不見得如此。對直接輻射的聲波,我們知道波源的位置、波速,及聲波所及的位置,因此理論上我們能安排干涉的聲波使其在聲波所及的位置與不希望聽到的聲音重合,藉著干涉將不希望的聲音減弱或消除。如果聲源是左邊的喇叭,如果能消除延Lr傳達到右耳的聲音,那麼對右耳而言左邊喇叭即不存在;對右邊的喇叭也是如此。
消除這些聲音需要些什麼?首先這個干涉的聲音必須與延著Lr的聲音完全相同,但相位相反。第二它必須與Lr同時到達右耳。最後它絕不能從左邊的喇叭發出否則聲音會在喇叭內就互相干涉,使得聲音根本就不發出。
因此這個聲音一定要由右邊喇叭發出。所以我們要做的是從左聲道以一定的比例取出一部分聲音,將其倒相並調整它的時間使它能與延著Lr的聲音一起到達右耳,然後把這訊號送入右聲道而由右邊的喇叭發出。同時右聲道也依相同的方式處理,而消除Rl聲音的圖四是最後的結果。
時間的調整是大約100微秒的延遲(精確的計算是125微秒)。這也就是由左邊喇叭發出延著L到左耳及Lr延到右耳的聲波的時差。不用說如果要得到理想的結果,聆聽者的位置一定要位於設計時所預定的位置。雖然這種干涉的效果絕對依位置而定,但是聽者的姿勢卻不如我們所預料的那麼重要。只要聽者的座椅在適當的位置,它可以自由的移動頭部而不必擔心有嚴重的變化。當然兩個聽者不可能具有相同的位置。但是即使聽者的位置偏離了一點,同樣會有效果,即使離的很遠也不會比一般的音響差。我將這種結果稱為立體音像"sonic holography"。因為這與利用光波干涉所產生的光學的立體影像很相似。
立體音像錄音
立體音像的產生主要是因為在聽者頭部的周圍聲音的干涉而建立的。而這些干涉的訊號可以測量、分析,並複製。你甚至可以自己錄在錄音帶上,只要你有立體音像產生器(sonic hologram generator),或者刻錄在一般的唱片上如Sound sheet所發行的唱片,播放這些唱片或錄音帶即可獲得完整的立體音像。立體音像產生器是用來處理一般的音樂,使其具有立體音像的效果。
僅僅播放Sound sheet唱片對你並沒有很大的用處,除非使你聆賞的座椅與你的喇叭之間有正確的相對位置,並且遠離會影響立體音像的反射面。記得你是要使自己的頭部位於產生干涉的區域內,所以必須使自己的頭位於固定的位置,忍受一些不方便不會毫無代價的。
Sound sheet唱片特別以立體音像的方式錄音,並且能利用一般的器材播放而產生完整的立體音像。你必須一步步的遵從指示來裝設自己的系統才能獲得這種效果。首先你要準備一卷捲尺來測量距離,並且還要有一張易於搬動的椅子。參考圖B一,B一是房間的鳥瞰圖,包含了兩個喇叭及試聽的椅子。第一步移動喇叭使喇叭離開所有的反射面及牆壁。第二步,將兩支喇叭移近(由中心算以距離3-5呎,由中心算起的話最好)。然後用捲尺分別謹慎的測量由兩支喇叭到試聽椅中央的距離。使這兩個距離盡量接近,至少要精確到⅛吋以內,只要d1 d2相等,實際的距離並不重要。
Sound sheet唱片太容易變形,所以不能用肋型與邊緣支撐的唱片墊,使用時在下面墊一張唱片再播放。試聽的訊號順序如下:
(1)演奏以弧形展開在你的前方,展開的角度從45°到90°。
(2)一般分佈的音像,音源有時在左方,有時在右方,並保持音像的穩定性。
(3)增加前後的深度,使音源出現在喇叭後方或喇叭的前方。
(4)完整的空間感及清晰的演奏,有如活生生的音樂家位於確實的位置。
只要你坐在你的位子上,轉動頭部或輕微的移動不會影響到你在位置上的感受。即使站起來離開你的位子聽起來也不會比一般的音響差。如果你不能肯定你是否或得了完整的立體音像的效果,或者你在離開椅子之後有極大的改變的話,檢查一下椅子及喇叭的相對位置,然後重新測試一次。
一旦你認清了完整的立體音像之後,你就可以開始一吋一吋的將喇叭慢慢的移回原位,一直到你不能夠忍受音像的損失為止。記得一定要保持d1及d2相等。最後附帶一提的是Sound sheet唱片並不是為了聽音樂而刻錄的,所以唱片的內容並不是非常好,因此不要對音樂抱太高的期望。
立體音像的產生
圖B二是一個立體音像產生器的方塊圖。串入比(injection ratio)的部分是可調的。從低於主訊號-3.5分貝(理論上正確的干涉訊號電平)到-5分貝(一般在錄音時常用的衰減,尤其從多軌的錄音帶主盤轉錄成立體雙聲道音樂時)。
對串入訊號的時間延遲理論上是125微秒,但在立體音像產生器中所加入的兩個設計可以使你有額外的115微秒及95微秒的延遲。配合使用這三個延遲能使得產生立體音像的條件沒有那麼嚴格,因此別人也能一同欣賞。
音譜處理線路(spectral shaping)的用處也需要說明一下。我們同時對串入的訊號及主訊號做處理,處理的結果如圖B三。這是由實驗所決定的結果,經過處理後恰好能滿足我們預測的要求。音譜處理線路的決定牽涉到幾個因素:
因素1:現在一般音響的最大缺陷就是L、Rl及R、Lr這兩組訊號會在耳朵附近無可避免的產生干涉而改變了我們所聽到的聲譜,使得聽到的聲音與原來錄製的不同。通常錄音工程師在試聽、混音到完成這個階段都會聽到這種結果,所以錄音工程師都會藉等化器予以修正。因此立體音像產生器就必須將聲音還原成原始的形式,因為立體音像並不會受到這種干涉的影響而不需額外的修正。
因素2:當聲音的波長短到與人頭部的大小相似時,一些一般音響所無法顧及的問題就產生了。首先是L、Rl(及R、Lr)的干涉變成加強性,而非破壞性的干涉,而產生一個尖峯。第二是遮蔽效應的重要性開始增加,第三是耳朵變得更為敏感。這些因素的組合決定了我們的處理程度,使得結果儘可能接近真實的聲音。
因素3:大家都曾對家裡過度增加的低音感到頭痛。侷限於小房間內的長波長常會產生駐波而造成訊號的增強或減弱。因為立體音像的原理就是要控制在聽者周圍的干涉情形,因此正好可以從根本上解決這個問題。我們所選擇的低頻修正電平對一般音響最困擾的問題,即喇叭與相對的牆壁共振的消除特別有效。除了偶爾的例外,這種程度的處理的恰能提供一個平坦的響應。
空體音像的經驗
聽過立體音像的人,都覺得音樂顯得更真實、更完整,並且更有深度及空間感。聲音從兩個喇叭所構成的平面的前方,後方發出似乎音源原來就是位於那裡。聲音與聆賞的空間無關,似乎又回到了音樂廳。低音不再受牆壁的影響,似乎充塞在一個更大的空間裡。這種經驗是一般的音響所沒有的,而音質却媲美於最佳的器材。
在這我要回答一個許多讀者所關心的一個問題,具立體音像的音響是否能解決一般唱片中(相位)的問題。我認為不可能,這些問題必須由其他的方法來解決,這不是立體音像所能解決的。但是立體音像可以使這些唱片更具可聽性。
在我的經驗裡,在唱片上時間或相位的偏差並不是一種同時存在於唱片兩面的必然缺陷。這種缺陷是一種隨意產生的缺陷,完全是一種隨機的結果,可能是在混音時造成的。立體音像的音響主要是針對音聆聽環境的幾何形狀對聲音所造成極端或永久性的渲染而設計的。減少這些影響只是改進由喇叭傳播出的聲音,而無法改變音樂的本質。
對立體音像音響的研究始於數年前,當時致力於如何使一般的音響能與實際有相同的音像。因為某些錄音在某些情況下,你會覺得音樂更有深度,並散佈的整個空間而不是由喇叭的位置發出。但是無論如何改進總覺得不夠理想。於是我們了解如果想要有理想、完整的空間效果的話,我們一定要修正我們的立體音像音響的理論,於是立體音像的研究就開始發展。
要具有空間感相當的簡單,市場上現在已經有數種產品問世。但是要達到一致性、可信性,及完整性則相當的困難。最後我們通常都只能藉著線性元件,依據理論針對某種最嚴重的問題加以解決而無法同時兼顧。
一般的立體音響是計劃設計下的結果,立體音像音響也是計劃設計下的結果。兩者都不是我們在真實環境所能聽到的聲音,但是立體音像音響能更接近真實。
(取材自Audio, 3月號, 1982,原作者為Robert Carver)
轉載音響技術第78期JUNE. 1982 唱片、音響器材與立體音像的三角關係/王超群 譯
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