光通信实验中,如果收不到信号,扬声器会发出嗡嗡声。为什么?

麦克风的立体声原理

人类研究立体已经有近百年的历史了。立体声带给人的声音美感享受,是单声道无法比拟的。立体声技术发展如此之快,被人们所认可,是因为它给听众一种临场感和真实感。主要原因是两个扬声器辐射的声音塑造了声源方位,也就是立体声。

人耳对声源方向的判断

人的听觉不仅涉及到听觉器官本身,还涉及到生理、物理、心理等综合因素,比如视觉,甚至触觉。我们主要从听觉的角度来讨论。

人耳除了对响度、音调、音色的主观感受外,还有对声源的空间印象感受,即定位声源的能力。

人有两只耳朵,耳朵之间有一定的距离(约17cm)。如果一个声源在听者面前偏离了主轴,到达两耳的声音就会不一样,听觉系统可以通过根除这些差异来确定声源的方向。这个理论就是“双耳效应”理论。双耳效应理论认为,人耳判断声源方向的能力是基于以下四个由双耳距离差引起的物理因素:

1.声音到达两耳的时间差。

2.声音和耳朵之间的强度差异。

3.声音的低频成分由于时间差而产生的相位差。

4.由于人头对高频成分的屏蔽作用,音色较差。

很好理解,时差反映的是声音到达双耳的相对时间差,强度差反映的是声音在空气中传播的距离造成的衰减差。相位差与时差密切相关,也可以说是由时差得来的。低频声音的波长很长。在室温下,20kHz的波长为17cm,200Hz的波长为1.7m因此,时差产生的相位差在一定值以内,可以作为判断声源方向的信息。而高频声音的波长,比如10kHz是3.4cm,20kHz是1.7cm,时间差会产生很大的相位差,甚至超过360度,也就是开始另一个波长,所以相位差作为判断声音方位的信息没有价值,因为无法区分相位是超前还是滞后,所以称为“混沌相位差”信息。所以时间差起到了帮助判断各频率声音方位的作用,而相位差只对低频声音起作用。

扬声器立体声回放系统

在扬声器立体声回放系统中,听者听到的与单声道回放截然不同,是一种非常复杂的声音叠加。当然,这也为立体研究提出了许多需要解决的问题,其中最重要的是听觉图像及其位置。

在一定条件下(两个扬声器的信号完全相同),听者感觉不到两个声源的存在,而是感觉好像两个扬声器之间有一个空间点。这个声点就是声像,因为这个点实际上并不存在,所以也叫幻像,或者虚拟声像。幻听声像的产生是人们成功运用“双耳效应”理论,正是由于幻听声像的存在,听者在听音活动中才能感受到声音方位的变化,才有可能再现声音方位信息。双耳效应理论是立体声理论的基础。当然,在立体声播放系统中听和在自然状态下听是不同的。

在立体声播放系统中,如果在一定范围内调整两个扬声器之间的信号时间差或强度差,那么从两个扬声器沿这条连接线连接在一起的中心点,并位于某一点,声像对其中一个扬声器来说会更便宜。这种现象是立体声播放的基础。某个声像的定位是两个扬声器发出的两个声音重叠到达听者耳朵的结果。也就是说,听者每只耳朵听到的声音包含了两个扬声器发出的声音。

使用扬声器系统进行立体声播放有三个先决条件:

1.来自两个扬声器的声音信号不应包含反相成分(反相信号将在两个扬声器的连接处之外传播,这是一种无法定位的“漂移”声音)。

2.两个扬声器声道之间的时间差和强度差的信息应该保持在一定的幅度范围内。

3.收听者应该在扬声器立体声播放系统的一定范围内,即在立体声收听范围内。

时差声学定位

我们知道,在扬声器立体声播放系统中,如果两个扬声器的信号一致,即没有差别,那么声像就位于两个扬声器连线的中点C。如果两个扬声器的信号之间存在时间差信息,即一个扬声器的声音滞后于另一个扬声器的声音,那么声像就会从C点沿着两个扬声器的连线向声音没有延迟的扬声器偏移。时差用△ t表示,△t值越大,声像偏差越大。实验表明,当△t=1.5ms时,声像位于未延迟的扬声器上。

著名的“哈斯效应”理论认为,当△t在3-30 ms之间被称为“第一波前的临界值”时,声音从未延迟的扬声器发出,另一个扬声器发出的声音不明显。当△t在30 ~ 90 ms之间时,听到延时扬声器发出的声音,听到两个明显的声源。在扬声器立体声播放系统中,当△t=1.5ms时,可以满足扬声器侧的声像定位,即声像停留在扬声器的位置。根据“哈斯效应理论”,△t在1.5ms以上继续增大,声像只停留在声音没有延迟的扬声器上。所以,就声像位于扬声器连接上而言,大于1.5ms的△t值是没有意义的。

利用强度差的声像定位

理解时差声定位将有助于我们更好地理解强度差声定位。当两个扬声器的声音信号没有时间差,只有一个强度差时,声像也会发生偏移,强度差用△ L表示,当△L=0时,声像位于两个扬声器连线的中点C。随着△L的增大,声像向高强度的扬声器偏移。△L在15-25dB之间时,声像位于高强度的扬声器上。实际中,一般采用△L=18dB作为强度差,以满足扬声器侧的视听定位要求。

△L中的L是英语水平的前缀,强度差也可以用△P来表示,这是德语Pagel的前缀。由强度差定义的两个信号之差在录音工程中有两层含义。一种是指扬声器中两个信号的强度差,也称为声级差;另一种是指电路中电信号强度的差异,也称为电平差,都用dB表示。需要区分这两种强度差信号的异同。声级差总是和声音的频率有关,比较复杂。而在立体声播放中,电平差与频率关系不大,也就是说,声音频率对扬声器立体声播放系统中的声像定位影响不大。

* * *时间/强度差异对视听定位的影响

在立体声拾音中,由于麦克风设置不同,形成不同的拾音方式。一些拾取方法拾取通道之间的时间差,一些拾取通道之间的强度差,一些拾取方法拾取通道之间的时间差和强度差。这种拾音方法拾取的声音信号的时间差和强度差与立体声播放中的声像定位相同。就声像定位而言,时差和强度差具有相同的含义,声像的偏移量大于单独使用时差和强度差的总和,是两者的叠加。

耳机立体声播放

在录音和听音活动中使用扬声器立体声播放占主导地位,但在某些场合使用耳机进行立体声播放还是有一定优势的。尤其是从20世纪70年代发展起来的头戴式立体声拾音技术,要求立体声播放必须使用耳机。

使用耳机进行立体声播放的优势:

1.耳机的价格比音箱便宜很多。花很少的支出,就可以获得和音箱一样甚至更好的带宽和更高的声压。

2.用耳机听的突出优点是听音室的声学特性对听音没有影响,这一点对于一些声学有缺陷的听音室或者听者对听音室不熟悉不舒服的时候尤为重要。

3.耳机对噪音和噪声的分辨率比音箱高,耳机的噪声水平比同级别的音箱可以提高10dB。比如数码录音中的纠错噪音,耳机很容易识别。这对音响工程师无疑是有利的。

4.此外,使用耳机进行回放不受听者位置的限制。无论多少人需要使用耳机同时收听,所有听众都能听到完全相同的声音。所以很多听力测试都是用耳机监听的。

用耳机听的缺点是,随着头部的摆动,听者感受到的视听形象也在摆动,人们往往不习惯在自然听的状态下出现这种不可能的结果,使听者感到不自然。

用耳机听和用音箱听最大的区别在于,用耳机听最大的特点是人在大自然中听声音时的“头内定位”现象,视听定位是在听者的头部之外完成的,音箱的立体声播放也是如此。在某些条件下,视听影像也可以位于人的头部,前提是使用耳机进行立体声播放。使用耳机进行立体声播放时,视听定位是在听者的双耳连接上完成的。这种视听定位被称为“头内定位”,也称为“侧化”。定位在头部一条直线上的视听图像的位置是“漂移”的、不确定的。