聲韻分離與聲源重放廳堂擴(kuò)聲聲像的探討

聲韻分離與聲源重放廳堂擴(kuò)聲聲像的探討

1擴(kuò)聲系統(tǒng)的正聲分析大廳的擴(kuò)聲效果可分為兩種類型。其中之一是自然混合的無擴(kuò)聲通道，代表北京音樂館。另一個(gè)是有擴(kuò)聲的大廳。對(duì)于使用強(qiáng)度型立體聲拾聲、雙路揚(yáng)聲器重放擴(kuò)聲系統(tǒng)的廳堂會(huì)使聲像(聲源的幻像)位置和真實(shí)聲源位置產(chǎn)生偏差，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的分離現(xiàn)象。前期改建后的北京中山公園音樂堂即是一例。下面對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行分析。2單傳聲器拾聲在只有池座觀眾座席的廳堂中，一般是將擴(kuò)聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器系統(tǒng)放在舞臺(tái)口的兩側(cè)；在有樓座與池座觀眾座席的廳堂中，其擴(kuò)聲系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器系統(tǒng)放在舞臺(tái)口上方的聲橋內(nèi)。而拾聲的方式多采用強(qiáng)度型立體聲傳聲器拾聲或單傳聲器拾聲。(1）采用強(qiáng)度型立體聲傳聲器拾聲，并用雙路揚(yáng)聲器重放在雙揚(yáng)聲器連線的中垂線區(qū)域。聽者在雙揚(yáng)聲器中垂線上聆聽，如圖1所示，其聲像方位滿足正弦定律式中，f<700Hz時(shí)，K≈1;f≥700Hz時(shí)，K≈1.4；θI為聲源方向角（順時(shí)針為正）；θY為揚(yáng)聲器方位角；uL,uR為輸入左、右揚(yáng)聲器電壓。式（1）說明，采用強(qiáng)度型立體聲傳聲器拾聲（如X-Y拾聲），聽者能感受到聲源S在不同位置時(shí)，其聲像I的方位與其對(duì)應(yīng)的關(guān)系。聽眾也會(huì)感到在時(shí)空上聲源與聲像基本上是統(tǒng)一的，感覺同樣是自然的。(2）單傳聲器拾聲，雙路揚(yáng)聲器重放，在雙路揚(yáng)聲器連線中垂線聆聽。這種重放模式的廳堂使用還是比較普遍的。這種模式是將單傳聲器拾取聲源的信號(hào)均勻地分配給左右2路揚(yáng)聲器重放。這種單傳聲器拾聲雙揚(yáng)聲器重放的方式，具有很好的相關(guān)性，即送入雙揚(yáng)聲器的信號(hào)uL,uR內(nèi)容相同、二者既無時(shí)間差也無強(qiáng)度差，符合立體聲正弦定律。當(dāng)uL-uR=0時(shí)，聲像方向角θI為零，觀眾（聽眾）不會(huì)感到是左右2個(gè)聲源在發(fā)聲，聲源的幻像I處在雙路揚(yáng)聲器連線的中點(diǎn)上，其俯視圖如圖2所示。若觀眾（聽眾）的座位恰恰處在雙路揚(yáng)聲器連線的中垂線上時(shí)，觀眾看到的演唱者（即真實(shí)聲源）的空間位置和雙揚(yáng)聲器形成的聲源的幻像是時(shí)空合一的。這時(shí)觀眾（聽眾）感到很自然。3聲器連接的中垂線或處于中垂線上實(shí)際情況是只有少數(shù)觀眾（聽眾）座位處在雙路揚(yáng)聲器連線的中垂線上或處在中垂線附近的區(qū)域內(nèi)，絕大多數(shù)的觀眾（聽眾）的座位是偏離雙揚(yáng)聲器連線的中垂線或區(qū)域的，正弦定律的規(guī)律將不再符合。3.1聲源至兩耳的距離和聲源方位關(guān)系人對(duì)聲源方向的判斷不僅和聲波的傳播有關(guān),還和人的聽覺及心理因素有關(guān)，這里討論一下水平方向的聲源方向定位。如果聲源的頻率足夠低，即波長(zhǎng)足夠長(zhǎng)，以至人的身體和頭部對(duì)聲波傳播的阻礙作用可忽略不計(jì)時(shí)，可按自由波分析。設(shè)一簡(jiǎn)諧點(diǎn)聲源S位于人的右前方，如圖3所示，其中h為兩耳間距。由球面波理論可知左右兩耳處的聲壓狀態(tài)，按自由波分析其衍射場(chǎng)聲壓PDL和PDR近似地與自由場(chǎng)聲壓PFL和PFR相等，即式中，PDL,PDR為左右耳處衍射場(chǎng)聲壓復(fù)值；PFL,PFR為左右耳處自由場(chǎng)聲壓復(fù)值；rL,rR分別聲源到左右兩耳間距離；r0為已知參考距離，Pp0為據(jù)聲源r0處的自由場(chǎng)聲壓峰值；ω為聲波圓頻率；k為聲波波數(shù)，t是時(shí)間。當(dāng)聲源S于人頭正前方的夾角θs≠0,rL≠rR時(shí)，聲源S輻射到左右兩耳處的直達(dá)聲聲壓不相等，同時(shí)兩耳接受到的聲波出現(xiàn)時(shí)間差。當(dāng)人的兩耳之間的間距h<<rL或rR時(shí)，可認(rèn)為rL≈rR。此時(shí)，兩耳處的直達(dá)聲聲壓近似相等，即但實(shí)際上兩耳接受到的聲波時(shí)間差依然存在?？梢赃@樣認(rèn)為，人們對(duì)聲源方向的判別主要依靠?jī)啥邮艿降穆暡〞r(shí)間差。于是有式中，Δr（=rL-rR）為聲源到兩耳的路程差；θS取順時(shí)針為正。因此可求出直達(dá)聲到達(dá)兩耳的時(shí)間差Δt為其中，c為常溫標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的聲速。聲波到達(dá)兩耳處的時(shí)間差Δt和聲源方位角θS的曲線如圖4所示。從（6）式可以看出，Δt正比于θS的正弦函數(shù)。且通常兩耳之間的間距是因人而異的,一般取h=21cm，在空氣溫度為15°C，聲速c=340m/s時(shí)，時(shí)間差的最大值是0.62ms，即當(dāng)θS=90°（設(shè)順時(shí)針方向?yàn)檎┞曉碨位于人頭右方時(shí)，Δt有最大值。當(dāng)聲波到達(dá)兩耳處的時(shí)間差Δt在0～0.62ms之間時(shí)，聲源的方位角θS則處在0°≤θS≤90°之間，人耳能清楚地判斷出聲源的方位。同理，聲源的方位角θS處在0°≤θS≤-90°時(shí)，Δt具有相同的規(guī)律，人耳同樣能夠判斷出聲源的方位，并遵守式（6）的規(guī)律。3.2明確雙合成前聲壓ur-lr-r的距離聽眾處在非雙路揚(yáng)聲器連線的中垂線上聆聽的俯視圖如圖5所示。設(shè)傳聲器拾取的信號(hào)是簡(jiǎn)諧信號(hào)，若雙路揚(yáng)聲器重放時(shí)送入雙路揚(yáng)聲器的信號(hào)uL,uR內(nèi)容相同、具有很好的相關(guān)性，兩者既無時(shí)間差也無強(qiáng)度差。聽者正前方軸線的聲像方位角θI′，雙揚(yáng)聲器與聽者軸線之夾角分別為θYL和θYR。忽略人頭對(duì)聲波阻礙的影響，可將聲波按自由聲場(chǎng)考慮。聽者相當(dāng)于面向2個(gè)具有很好相關(guān)性的聲源，聽者由于處在非雙揚(yáng)聲器連線的中垂線上，故距2個(gè)聲源的距離不相等。對(duì)右前方的聲源uR，聽者雙耳感受到的聲壓為聽者雙耳對(duì)uL感受到的聲壓為由于聽者處在非雙路揚(yáng)聲器連線的中垂線上，揚(yáng)聲器到聽者處的距離較遠(yuǎn)，使rL-L（或rL-R）>>rL-R-rL-L;rR-L（或rR-R）>>rR-L-rR-R。故雙揚(yáng)聲器到聽者雙耳的距離rL-L≈rL-R;rR-L≈rR-R。圖5中設(shè)rL-L≈rL-R>rR-L≈rR-R，所以這里，rL-L,rL-R和rR-R,rR-L是2個(gè)揚(yáng)聲器分別到兩耳的距離，r0是已知參考距離，PFL-L,PFL-R,PFR-R,PFR-L分別是左、右揚(yáng)聲器到左右兩耳處的自由場(chǎng)聲壓，PLp0,PRp0是在已知距離r0的聲壓峰值。低頻時(shí)，揚(yáng)聲器無指向。設(shè)2路揚(yáng)聲器的參數(shù)一致，且雙路揚(yáng)聲器的信號(hào)uL,uR內(nèi)容相同，沒有強(qiáng)度差，則式中，E為揚(yáng)聲器聲壓靈敏度，ULP,URP為左、右揚(yáng)聲器電信號(hào)的電壓峰值。所以，聽者雙耳對(duì)uR感受到的聲壓為聽者雙耳對(duì)uL感受到的聲壓為若rL-L=nrR-L(n=正數(shù)），則式（13），(14）可化為德·波埃效應(yīng)指出，當(dāng)與聽者中軸線左右對(duì)稱的2個(gè)聲源的強(qiáng)度差Δp與時(shí)間差Δt均為零時(shí)，聽者則感到聲源來自2個(gè)聲源連線的中垂線方向。如果強(qiáng)度差Δp加大，則聲像會(huì)向著聲音響的聲源方向移動(dòng)。由于聽者處在非雙路揚(yáng)聲器連線的中垂線上，即rL-L=nrR-L，相當(dāng)于左路揚(yáng)聲器輸入的電壓數(shù)值是右路的1/n，這與德·波埃效應(yīng)等效，其聲像會(huì)向離聽者近的揚(yáng)聲器箱的方向移動(dòng)，而不在原始聲源S所在的位置上，使聽眾感到聲像位置和真實(shí)聲源位置產(chǎn)生偏差。3.3聲音延遲時(shí)，課內(nèi)發(fā)聲由于rL-L≈rR-L≠rR-L≈rR-R，聽者到左右2路揚(yáng)聲器箱的距離不相等，左、右揚(yáng)聲器的聲音傳到聽者處會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，它應(yīng)該滿足哈斯效應(yīng)，右路揚(yáng)聲器的