【摘 要】 现今，多声道音频系统已经广泛的应用于家庭影院系统（重放环节）和环绕声电影电视制作的监听环节。在制作环绕声系统的技术中，我们主要是利用了人耳对声音的感知过程来产生一个精确的声音定位，带给听众比以往单声道或普通二声道立体声更具震撼力的效果。因此，了解人耳听觉定位的工作原理，有利于我们更好的理解多声道环绕声系统的设计以及摆放原理，通过环绕声扬声器重放出更加真实的立体声场。
我们都知道，声音是由空气振动产生的。人类的听觉系统可以将这些简单振动变化转变为一种重要的信息。人的双耳既可以接收声波，而且还可以把它转化为一种可被听神经辨认的神经能，为人们的听神经所感受。在对声音的感知过程中，人们对声音的音调、响度和时间差作出判断。这三个信息量为人耳对声音的定位提供了重要的依据，使人耳可以判断出这个声音是来自三维空间的什么地方。
下面先简单叙述一下人的听觉系统的结构和功能。人耳的结构可以分为外耳、中耳和内耳。外耳包括耳廓、外耳道及鼓膜三个器官。耳廓具有一定的定向功能，可以区分来自前后的声音，并帮助直达声进入到外耳道。外耳道把耳廓接收到的声音信息传送到鼓膜。外耳道可以及将2000—5000Hz的声波放大。鼓膜则在传入声波的作用下自由振动，传递声音。中耳由三块听小骨（锤骨、砧骨和镫骨）组成，与鼓膜和内耳相连，它跟随鼓膜的振动而振动，并将振动传递给内耳。内耳的耳蜗将这些振动转换为神经元最终传递给大脑。
这就是人耳的基本工作原理。前面已经说过，人们对声音的感知是对声音的音调、响度和时间差作出判断。音调取决于声音的频率，而响度和音调的关系也是密不可分的。根据等响曲线可以知道，不同的频率，响度级的增长率各不相同。在响度相等时，低频的声压级要比高频高。另一方面，由于人头尺寸的影响，声音在传递到人耳时会因为声源位置的不同产生时间差和声级差，从而人耳可分辨出声源的位置。这种听觉的方位感受也称为“双耳效应”。声信号到达人耳的时间差可简单用下式表示：
这一时间差是由于声源发出的声音到达两耳的声程差 引起，所以
（c为声速）
若声波入射角为 ，人头近似看成一球体，直径为 ，则声波到达两耳的时间差可表示为：
因此，人们可以根据声音到达两耳的时间不同来分辨声音的位置。但是在低频段，尤其是在700Hz以下的低频，由于低频的波长很长，人头部尺寸的影响可以忽略不计。所以，声音到达两耳的幅度是一样的，从而造成了低频的方向性不强。两耳能够区别低频的位置是通过相位差异来完成的。随着频率的升高，头部的遮挡作用提高。这种遮挡作用会使被遮挡的耳朵接收到的声音响度大大降低，而且声音的高频部分被阻挡会使声音的音色发生变化。因此，随着频率的提高，双耳间的这种声级差和音色差也成为声源定位的主要因素。可以说，人耳对不同频段有不同的定位机制。
以上简单阐述了人耳听觉定位的基本原理。根据人耳的听觉定位特性，我们可以通过环绕立体声扬声器系统来重现这种三维的声场。要面对的最根本的问题就是如何在重放环境中（也许只是一个两平方米左右的听音环境）重现真实的声场（也许是音乐厅）。
以一般的5.1多声道环绕声重放系统为例，现在普遍采用ITU-R的建议BS.775来确定用于重放的扬声器摆放位置的，如下图所示。它的配置方案为3/2/.1，即三个前置音箱，两个后环绕音箱及一个低音音箱。
ITU-R的建议BS.775确定的用于重放的扬声器摆放位置
根据这个建议可以知道，5个全频带的重放扬声器分为前置扬声器（包括L、R、C）和后置扬声器（也称环绕扬声器包括Ls、Rs），按照图示所规定的角度和方位进行摆放，并且它们都位于一个圆的边界上，圆的半径为2—4m。其中L、R扬声器与C扬声器分别呈30度夹角，Ls、Rs扬声器与C扬声器分别呈110度夹角。除此5个全频带的声道外，还有一个低频增强声道，称之为LFE（即低频效果声道），它的频率范围在200Hz以下，大约是全频带倍频程的10%左右，因此也称点一声道。它的放置没有特殊的要求，一般放置在前面。
其实严格说来，5个重放扬声器的摆放并不是说能够完全重现真实的空间声场，5个扬声器的使用仅仅是一种为重现空间声场而采用的粗略的实现方式。但是它已经足够可以还原出一种比较真实、丰满的声场了。因此，在实际中按照这种规定摆放的5.1声道扬声器系统已经得到了广泛的应用。
首先，中置音箱摆放的原则只有一个——摆放在正前方。也就是左右音箱的垂直平分线上，与左右音箱在同一平面内。这是好理解的，一般家庭影院播放的节目，通常将对白、对话或主音分配到中间声道。因此中置音箱摆放在中间可以使声音直达进入到人耳，从而保证了清晰度，而且能够定位准确。另外，如果不是纯声音节目，而是还有电视画面，那么电视画面在正前方。我们都知道视觉的作用可以影响到双耳的听音定位，因此把对白声道即中间声道放在与画面一致的地方，可以使视觉与听觉统一。
前面左右两个扬声器的摆放位置最好与听音者成一个等边三角形。我认为这是运用了人耳的“双耳效应”原理以及哈斯效应。前面说过，人耳的听觉方位感受主要是由两耳间的时间差、声级差、相位差及音色差形成的。此外，还有其他一些影响因素。因此，如果两个前置音箱之间的距离过近，那么声源到达人耳时，产生的声程差就会变短。根据前面的公式可以知道，声称差变短就会造成时间差变小，这是不利于人耳对声源的定位的。另一方面，如果两个扬声器间距离过近，或是人离两扬声器距离过远，那么在两扬声器之间的声像分布就会变窄，好像把体积压缩了一样，使重放声音失去空间感和临场感。如果音箱距离听音者太近的话，人耳听到的则过多是从两个扬声器直接辐射出的直达声，从而缺少了那些经过墙壁和周围空间的反射声。或者即便是经过了墙壁的反射，但由于听音者离声场过近，经过衍射的声音也被掩盖了，因此很难被听到。这样，听到的声音会很不理想，而且由于过于贴近声源，声音定位不会很准确。
其次，这两只音箱的摆放与中置声道音箱的位置也有很大关系。一般来说，中置音箱的摆位应该比左、右两只音箱退后一段距离，直到两者声场能完全结合在一起，共同营造出真正统一的声象定位。我想，这是由于对于左右两只音箱来说，人耳是通过哈斯效应将声源定位到两扬声器中间的，我们称作虚声源。而现在我们又在中间摆放一个中置音箱，中置音箱中的声音属于直达声，它必须与这个虚声源很好的结合，才不至于产生混乱的声场。毕竟，中置扬声器通常是承担了播放主要对白、对话和主要声音的，因此必须保持清晰度。而且由左右扬声器产生的虚声源肯定比中间音箱产生的直达声的声压级要低，所以要将中置音箱推后，才能在声压级上达到一种平衡。一般的做法是使左、中、右这三只音箱在一个圆上，它们各自到听音者的距离相等。
在两声道立体声重放环境中，环境声场的感觉是通过录音师调节直达声与混响声的比例产生的。而在5.1扬声器系统中，主要是用环绕音箱来营造环境气氛的,因此它在整个环绕声重放系统中占据了很重要的地位。环境声应该是包围在人耳四周的。我们可以通过两个前置音箱（L、R音箱）来重现前方的声场，其中包括直达声与环境声。但在实际听音的时候，人耳通过耳廓以及头部的移动不仅可以接收来自前方的声音，也可以分辨来在后面的声音。因此，我们在后方也应该摆放与前方左右声道类似的环绕声道，而且后置左右环绕音箱的高度也应尽量与左右主音箱同高。摆放形式也按等腰三角形摆法，底边与主音箱两音箱距离等长或略长一些。后置音箱夹角最好呈110度摆放，可在100度到120度之间摆放。这样摆放的原因在于人耳的夹角约等于110度，而后置音箱主要回放从后面传来的声音，因此110度的摆放比较接近人耳实际听到的效果。由于有了后环绕音箱，它增强了立体声的深度，在人耳听音时，声音不再仅集中在前方，而是来自于四周，这是符合人耳的听觉习惯的。这样，重放后的声音则显得更加真实，更具临场感。
低音效果声道的摆放则需要强调一下。根据人耳的结构可以知道，当声波进入外耳道后，低频的声波不能通过外耳道来放大，所以人耳对低频声音是很不敏感的。这一点通过等响曲线也可以被描述出来。因此，我们在多声道音频系统中增加低频效果声道是为了加强低音，带给听众更多的震撼力。通常，低频效果声道中的声音是通过通滤波器后产生的200Hz以下声音。低音的方向性比较弱，因此在摆放时可以不用太考虑位置。一般来说，它靠近墙摆放，会有比较平均的低音表现。
从ITU-R标准给出的参考位置图可以看到，听音的最佳位置在圆心上。我们知道，单声道由于只有一个重放音箱，因此在相当大的听音区域内声音效果都不好，声场很窄，且与人耳实际听音是不符合的。两声道立体声比单声道有了很大改进，但是它也只能是在到两扬声器等距的那条“听音线”上才能听到最佳的声音效果。五个声道环绕声的效果比立体声更真实，更符合人耳听音的实际情况。但是根据ITU-R的标准，我们只有在单独的听音点上（圆心）才会收到很好的效果。可以想象，当我们坐在家中欣赏环绕声节目时，我们通常不是一个人在欣赏，而是有两个人，或者是更多的人。但是最佳的听音区只有那一点，这显然是不能让人们的耳朵满意的。现在人们想出一些解决办法，来使听音区变成真正的“听音区”，而不只是“听音点”。我通过阅读文章总结出，一般可以有通过拾音方法的改变、改变扬声器的排列或是增加扬声器来进行改善。
对于拾音方法的改变，麦克风阵列的使用可以解决这个问题。利用空间全指向麦克风阵列，使麦克风接收声音信号的幅度随接收信号的时间先后而不同。这样，即使没有坐在最佳听音位置，听音者也可以听到一个比较均匀的空间声场。这种拾音技术在声像的深度上可以显得更自然。但人们会有这样的感知，即声像的距离和深度不统一。一些听音者会认为在极左或极右的乐器感觉上比在中间的乐还要近。这是与早期反射声有关的。扬声器排列的改变主要是为了符合实际环音环境的需要，例如在比较狭小的环境中，可能扬声器就不能按照ITU的标准进行摆放。至于增加扬声器，例如增加到6.1或7.1时，由于扬声器的增加可以使最佳听音区域扩大，从而达到改善的目的。在此这些改善方法就不详细说明了。
经过简单的分析，我们可以看到，对于5.1声道的声音，在重放时是要遵守一定的摆放条件才可以使观众享受到最佳的重放声音效果。我所讨论的只是简单的家庭影院或是一般环绕声电视制作监听的重放扬声器的摆放与人耳听觉之间的一些关系。我想，如果推广到影院中，在影院的声学环境做好的前提下，扬声器也能够摆放在最佳位置，那么在观看影片时，声音将会带给观众效果更加震撼、定位更加清晰的享受，才能更好的发挥声音的魅力。