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多声道音频和立体声像

2023-06-09 李满家 依马狮视听工场


是否想过,为什么有一些音乐听起来有种“很宽广”的感觉?亦或为什么有些动作电影里的爆炸声听起来像是从电影院的四面八方传来的?

当音乐制作人提及“立体声像”(Stereo Image)一词时,指的是立体声的两声道之间的信号差异。这种差异可以使听众在所听到声音中,感知声源的“位置”或“宽度”。不过,从技术的层面来说,有个术语可以概括,即为“立体平面”(Stereo Graphic),它指的是将三维对象映射到二维平面的技术。在本文中,我们将使用这种类比方式,解释音频专业人员使用的各种“多声道空间音频技术”(Multi-Channel Spatial Audio),并了解这些技术是如何欺骗我们的大脑,以实现声音“定位”的。

 

单声道音频

单声道音频意思是把来自不同方位的音频信号混合后统一由录音器材把它记录下来,再由一只音箱进行播放。

“单声道音频”(Monaural Sound),一般简称为“单声道”(Mono),仅使用一条音频通道记录声音,是最古老、最基础的声音重现方式。当扬声器回放音频信号时,我们的大脑会根据左右耳接收到的信号差异来感知“宽度”,就像几何平面上的单个点一样,单声道音频只有一个声源。因此,当在立体声扬声器系统(如监听耳机或大多数扬声器对型配置)上回放单声道音频时,单声道信号会在立体声扬声器系统中呈两通道相同的状态呈现。没有信号差,也意味着听者不会产生心理声学定位,因此其声源不会表现出“宽度”。

在单声道的音响器材中,你只能感受到声音、音乐的前后位置及音色、音量的大小,而不能感受到声音从左到右等横向的移动。所重播时的效果相对于真实的自然声来说,是简单化的,是失真了的。

单声道是比较原始的声音复制形式,早期的声卡采用的比较普遍。当通过两个扬声器回放单声道信息的时候,我们可以明显感觉到声音是从两个音箱中间传递到我们耳朵里的。这种缺乏位置感的录制方式是很落后的。

尽管当今大多数音频是以立体声录制、制作与传播的,但单声道音频仍用于某些应用,例如无线电广播。由于单声道音频只需要立体声音频一半的通道数,它的信号又比立体声信号更为简单,因此,在部分场合,它依然是个不错的选择。

 

双声道立体声

大部分现代音乐都是以“双声道立体声”(Stereo)发行的,而且多数“数字音频工作站”(DAW,Digital Audio Workstation)的默认输出设置也是双声道立体声。但这到底是什么意思呢?顾名思义,“双声道立体声“(Stereophonic)指的是具有左右两个声道的声音。

双声道由左、右两组拾音器录音、两个声道存储和传送、两组扬声器放音,所以也称为2-2-2系统。乐器可以定位,乐队的宽度感也可以再现,且具有一定的立体混响感和不同方向传来的反射声。比起单声道,双声道的临场感和真实感都有很大的提高。

双声道是在空间放置两个互成一定角度的扬声器,每个扬声器单独由一个声道提供信号。而每个声道的信号在录制的时候就经过了处理:处理的原则就是模仿人耳在自然界听到声音时的生物学原理,表现在电路上基本也就是两个声道信号在相位上有所差别,这样当站到两个扬声器的轴心线相交点上听声音时就可感受到立体声的效果。

 

多声道音频和立体声像

在音频制作中,我们都知道有单声道与双声道之分,另外还有一个立体声的概念。但是对于很多人而言,常常将双声道与立体声混淆,其实,这是两个不同的概念。

双声道就是有两个声音通道,其原理是人们听到声音时可以根据左耳和右耳对声音相位差来判断声源的具体位置,在电路上它们往往各自传递的电信号是不一样的,电声学家在追求立体声的过程中,由于技术的限制,在最早的时候只有采用双声道来实现。

这听起来像是与单声道没有太大区别,但这意味着采用双声道立体声的录音方式,可以让音频工程师具备,让音频充满“宽度”感的能力,也就是说,具有分别处理左右两个声道音频信息的能力,亦或创建两个不同的“面”的能力。在双声道立体声中,听者的大脑可以根据每个通道的振幅对音频进行“定位”;如果一个声音在左声道的音量大于右声道,则听者的大脑会将其“定位”在左边。双声道立体声音频技术也能支持我们测量一维空间内的音频信号,就像在测几何平面上某条直线一样。

除此之外,有一种特殊的立体声音频,称为“双耳人头立体声”(Binaural Audio),其使用心理声学模型,能模拟出传统双声道立体声录音中不具有的空间效果。

“双耳人头立体声录音技术”(Binaural Audio)是一种高度还原真实听感的录音技术。

回想最近一次看电影的经历,画面中的声音让您产生了身临其境的感觉,这是因为电影制片人和声音设计师们曾努力通过将不同的音频信号发送到电影院各处不同的音箱,以让观众更好地获得沉浸式声音体验。环绕声系统已发展了数十年,但只需两个声道就能实现这种效果的“双耳人头立体声录音技术”(Binaural Audio)却很少有人了解。

可获得更好的“贴耳感”:“双耳人头立体声录音技术”(Binaural Audio)的工作原理。

那,它是如何通过更少的声源营造出更深层的沉浸感的呢?这要从我们有两只耳朵的角度来解释。“双耳人头立体声录音技术”(Binaural Audio)的原理其实很简单:只要我们能够在和人耳所处的同样声学环境下录制音频,那我们就可以用立体声系统难以置信地还原人耳真实听到的“3D”声音效果。

这就需要我们精心搭建一个特殊的录音环境来模拟人耳听音的感觉。首先,将一对麦克风摆成成年人人头的宽度,我们就可以模拟出人耳听音的声学效果。实际上最好的一种录制方法是借助“仿真人头”(Dummy Dead),当然,这样的效果更有真实感。这类模型由复合橡胶做成,包含脖子和躯干部分,双耳里分别装置了一个小麦克风。因为声波在到达鼓膜之前会先通过内部结构并伴随大量反射,所以这些模型的材质表面设计非常讲究。除了用头模录音,另一种简单的方法就是让真人在耳朵里带上一对小的麦克风,就像耳机一样。

 

多声道音频和立体声像

Neumann KU 100头模麦克风

 

由于人类的个体差异,这种录音技术及其对应的设备存在一定的局限性。耳廓的朝向和形状、头部和肩部的尺寸大小,这些因素都会对录音效果和最终回放呈现的真实性产生影响。

尽管有多种录制方式可以达到不错的录音效果,但只有一种方式能体验到真实的回放效果,那就是带上耳机。我们的大脑通过辨析两只耳朵收到的同一个声源发出的信号的区别,来确定出周遭声源的方向和距离,这种信号的区别就是双耳时间差和响度差。当我们用一组音箱来回放双耳人头录音的音频时,以上的感觉就会完全消失,没有真实的体验感。但用耳机回放却可以保持左右声道的隔离,给人这种真实世界的体验感。

使用“双耳人头立体声录音技术”(Binaural Audio)的原因?

我们如此费力地做双耳人头录音是为了什么呢?身为歌曲作家兼制作人的J.Views为了制作他的采样音源库“Organic Electronics 2”,他带着双耳人头录音设备去郊区录制自然声景。从自然声景,到传统的交响乐团,面对任何需要复杂音响系统回放的音频时,这种既能创造沉浸感又富有创新性的录音技术就会大显身手。

另外该技术还被逐渐广泛应用于ASMR领域,通过触发器(例如耳语),可以引起刺激和兴奋感觉。在这个领域,耳机看起来已经是不可或缺的,因此,“双耳人头立体声录音技术”(Binaural Audio)对于ASMR来说可谓是相得益彰。

耳机回放的体验机会还是有一定局限性的,例如去电影院看动作大片,先进的音响系统依旧还是Dolby Atmos等等。但换个领域来说,当游戏、VR开发商想要进一步加强画面和声音的沉浸感时,双耳人头立体声录音技术一定会更有发展空间,而且只需要简单的立体声系统就能搞定。

①ASMR(英语:Autonomous sensory meridian response,缩写ASMR),即自发性知觉经络反应,意思是指人体通过视、听、触、嗅等感知上的刺激,在颅内、头皮、背部或身体其他部位产生的令人愉悦的独特刺激感,又名耳音、颅内高潮等。

 

环绕立体声

“环绕立体声”(Surround Sound,以下简称“环绕声”)的协议允许音频工程师将更多的音频通道混合在一起。在标准的5.1环绕声设置中,混合了六个声道,包括五个具有全带宽的声道,一个“低频效果声道/低音炮”(LFE,Low Frequency Effect)。这些声道的信号被发送到环绕摆放于收听位置(包括收听者身后)的扬声器中。这样一来,当您看到恐怖电影中的反派蹑手蹑脚地走到主角身后时,您会仿佛真的听到自己身后走廊的地板正在吱吱作响。

如果我们将双声道立体声比作一条直线,那我们可以将环绕声想象成一个正方形。双声道立体声的两条音频通道,可以让我们在立体声场的左右位置摆放声音的发声点;而环绕声的六条音频通道,则可以让我们将立体声场视为一个平面,而不是一条简单的直线:因为它相较于立体声来说拥有了声音的“宽度”。尽管对于大多数音乐人来说,音乐作品环绕声版混音可能没什么必要,但环绕声在另一个音频领域中有着重大意义:电影,尤其是在安装了全套专业音频设备的家庭影院环境下,环绕声可以给您带来绝佳的音视觉体验。

立体声是指具有立体感的声音。它是一个几何概念,指在三维空间中占有位置的事物。因为声源有确定的空间位置,声音有确定的方向来源,人们的听觉有辨别声源方位的能力。特别是有多个声源同时发声时,人们可以凭听觉感知各个声源在空间的位置分布状况。从这个意义上讲,自然界所发出的一切声音都是立体声。

双声道就是实现立体声的原理,在空间放置两个互成一定角度的扬声器,每个扬声器单独由一个声道提供信号。事实上用双声道实现立体声太幼稚,所以现在又有多声道。立体声源于双声道的原理,立体声不算和双声道一个概念,但是是因果关系。

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