谈谈立体声

为了便于了解立体声的原理，我们先来看下面的试验。图1中，Y\(_{1}\)和Y2是用两个相同的扬声器形成的两个声源，并且分别送给它们同相位的同样信号。我们发现：如果Y\(_{1}\)和Y2的声级相同，听者会感觉到声音是从中间来的。如果逐渐增大Y\(_{1}\)的声级，声响感将会由中心向Y1处移动。当Y\(_{1}\)－Y2=15分贝时，声响固定在Y\(_{1}\)处，继续增大Y1的声级，使得15分贝时，声响仍然在Y\(_{1}\)的位置不动。如果使得Y1和Y\(_{2}\)的声级保持相等，而将Y2向后移动，我们同样可以发现声响由中心位置向Y\(_{1}\)处移动，而且当Y1和Y\(_{2}\)到听者之间具有1毫秒（ms）的路程差时，相当于Y1在原处提升了5分贝（dB）的声级，当具有3毫秒的路程差时，声响也固定在Y\(_{1}\)处不动，继续增加路程差，声响同样停在Y1处不再移动。

由此可知，声级差和时差之间的关系是：1毫秒的路程差相当于5分贝的声级差，而且它们的互换性很好。它们之间的关系曲线见图2。

一个正常的人在听到声音后能判断出声源的远近，以及声源是来自听者的前、后、左、右、上、下的那个空间方位。这就是人耳的方位感。我们用图3来说明。

除了单一频率的纯音以外，一般声源（如语言、音乐等）都是由20～20000赫的音频频率中的任意一些频率复合而成的。我们把它叫做复合声源。图3中的声源就是一个复合声源。

对20～20000赫的音频频率，我们把其中小于150赫的频率划为低频区；150～500赫的划为中低频区；500～5000赫的频率划为中高频区；5000赫以上的频率划为高频区。

从声波在空气中传播的理论可知，声波在传播过程中遇到障碍物时，如果声波的波长小于障碍物时就会发生反射，不能通过障碍物。波长愈短，反射现象愈显著。如果声波的波长大于障碍物时就会发生绕射（也称衍射）而通过障碍物。波长愈长，绕射现象愈显著。同时波的反射和绕射都会改变声波的传播方向。根据这一理论，对于声源中2000赫以上的中高频率和5000赫以上的高频频率，其波长=声速／频率=340（米/秒）／2000（1／秒）=17（厘米），由于波长较短，可以和人头的直径相比较（据统计，人头的直径平均约为17厘米）。这样，频率在2000赫以上的声波遇到人头这个障碍物后，即会发生反射，使离声源较远的那只耳朵无法得到2000赫以上的频率成分。这就是所谓人头的“遮盖效应”。这种人头的遮盖效应使得离声源较远的耳朵在音色上（或称频率特性上）失去了2000赫以上的中高频和高频成分，在能量上也失去了2000赫以上的中高频和高频频率的能量，使两耳的声压级不同。

对于声源中2000赫以下到200赫左右那一部分中高频和中低频声波，由于其波长超过17厘米，不存在人头的“遮盖效应”。声波可以通过绕射到达高声源较远的一只耳朵，但根据上一节中实验得到的时差和声级差的关系，使得两耳得到的声压级不同，靠近声源的一只耳朵声压级较大，而另一耳朵则声压级较小。造成这种声压级上的差别，还由于绕射会使声波的方向发生变化，使得一部分声能散失到空中，只有一部分到达离声源远的那只耳朵。

对于声源中200赫以下的中低频和低频声波，由于它们的波长在170厘米以上，远远大于人头的直径17厘米，绕射引起的能量损失可以忽略不计，则可以看成仅仅是由于两耳到达声源的路程差所引起的时差使得两耳的声级不同。此外，时差会引起相位差，对于2000赫以下的所有频率的声波虽然都能不同程度地到达离声源远的耳朵，但却存在着时间差，这就使得两耳得到的声波之间还存在相位差。

综上所述，人的听觉系统凭借两只耳朵得到的声波的频率成分不同（即音色不同）、声压不同和相位不同，来判断声源的方位，我们称之为“双耳效应”。人耳对于垂直方向的方位感觉是比较差的，是依靠人头的移动来定位。此外，人的听觉上的方位感和心理、视觉还有关。

人的听觉对声源具有方位感觉。但单声道只用一个声源来复现原来声音，不可能将原来声音的各个方位都复现出来，所以单声道指标即使做得很高，听起来和现场效果总不一样，它只能给人以深度感，即当演员从舞台前面走到后面，或从后面走到前面时，从单声道中可以感觉出来。这是由于到达听者的直达声和混响声之比不一样了，也有人叫瞬态声和稳态声之比不一样了。但是当演员从舞台的左面走到舞台的右面时，这种方位上的变化，听者却无法从单声道中得到，更不可能得到临场感，或叫包围感——即听者在现场得到的来自前、后、左、右周围各个方向的声音信息。为了解决单声道和自然声之间的差别，19世纪末有人开始研究立体声。

从前面所举实验可知，如果让听者位于Y\(_{1}\)和Y2两个固定扬声器的中间，而不同程度地改变输送给两个扬声器的同相位信号的强度，就可以使听者产生声源在移动的幻觉。这个移动的声源，我们把它叫做“虚声源”。将同相位信号适当分配给两只扬声器，对位于中间的听者来说，“虚声源”的位置可以调整到两个扬声器之间的任何位置。

如果我们采取图4的装置，造成一个“声舞台”，由于三个传声器各自接收到的舞台上各个声源的声级不一样，因此传送到“声舞台”上的三个扬声器还原出来的各个声源的强度也不一样，因而听众虽然未见到真实演出的情况，但各种乐器和演出的方位都能真实地感觉出来。

最早人们把立体声应用在电影上，当音乐和画面同时出现时，希望音乐能引起立体感。尤其当宽银幕电影出现之后，立体声更为重要。当火车从画面上开过时，用一种“全景电位器”人工地控制声源的分配，造成声景移动，以配合画面上的动作。

如果我们设法将图4装置的三个（或左、右两个，一般两个就足够了）传声器接收到的信号分别在两个通道上用磁带记录下来，然后设法翻成唱片，这就出现了双声道立体声录音磁带和双声道立体声唱片。如果通过无线电台将双声道的信号用两个载频分割调制，分两路传送出去，然后用接收机还原，这就成了立体声广播。

双声道立体声比起单声道来说，是个很大的进步，它用两个扬声器在听众前面的舞台上复现原有声源位置，但实际生活中的声音并不限于听众前面的固定舞台，它可能在听众周围的任一方向，然而双声道立体声仍不包含这样的信息，因而它在临场感（即包围感）方面，还是有局限性的。采用四个扬声器的四声道立体声，把听众前面的舞台延伸到听众四周，使得无论在动态及频率内容方面，还是在几何位置方面，都能将产生在听众周围360°内任何一点的声音很好地重现出来，如图5。例如一个飞机在我们的头部上空打圈子，四声道立体声就能将飞机的空间方位重现出来。但是所有的立体声都仅限于水平面内，一般认为竖直面内的立体声效果是不需要的，因为人们的方位感习惯上以水平面为限。

在立体声重放过程中，使用的扬声器要相同，如果使用的扬声器不相同，虽然也可以产生空间方位的感觉，但却不能在舞台上获得声像正确位置的重现。除此而外，必须认真注意给两个扬声器以同相位的信号。要保持两个扬声器的相位的一致性。

立体声重放要有一定面积的房间才能建立起立体声声场来。房间小了效果不好。最佳状况希望是10×12平方米的房间，房间的混响时间T\(_{6}\)0为0.4秒，见图6（T60是指在扩散声场中，由声源停止时原声压级降低60分贝所需要的时间）。

听立体声要有一定的位置。如图7在画黑线的范围内听都是可以的。A\(_{0}\)为正三角形的顶点，这点最为合适；A1\(_{2}\)点听也可以；B1点只能听到受左边扬声器影响较大的立体声，B\(_{2}\)只能听到受右边扬声器影响较大的立体声。

1．双声道立体声磁带和唱片：双声道立体声的录音和放音，是在一条磁带上录上两个声迹，一个左声道，一个右声道，然后分别把它们用两个声道重放出来，见图8。

双声道立体声唱片，是将左、右两个声道的信号各以与唱片录音面呈45°角的方向刻纹。一般的粗纹唱片是以纵向刻纹的。由于其抗转盘噪声的能力较差，所以后来的密纹唱片都是横向刻纹。立体声唱片既有纵向，又有横向，然后通过唱头顶部两个互相垂直的线圈把纵向和横向所记载的信号分解出来，还原出左声道和右声道。

2．双声道立体声的拾音制式：双声道立体声的拾音制式多采取：AB制；XY制；MS制三种制式，其中以MS制为最好。

AB制——两个拾音话筒之间放一个假人头，人头的直径为17厘米，见图9。

XY制——两个拾音话筒之间相距2～3米。

MS制——将一只方向性是“心形”的拾音话筒和一只方向性为“∞”字形的拾音话筒合在一起使用，见图10。假如以L、C、R代表左、中、右三个声源，由于拾音话筒的方向性，两个拾音话筒的输出分别为：

X=心形输出=L＋R＋C

Y＝∞形输出=L-R（这里的负号表示话筒左、右有180°的相位差）。

将两只话筒得到的信号用加法器和减法器就可以得到：

3．四声道立体声唱片：由于多迹录音技术的发展，四声道立体声的录音技术是不存在困难的，但四声道立体声唱片是到七十年代才出现的东西。它的制式主要有三种：RM制；CD—4制；SQ制。其中以CD—4制为最好。

RM制和SQ制都是矩阵方式，即用编码的方法将四声道信号变成两声道信号传输记录，然后在唱片的45°/45°刻纹上记录，重放时再用翻码器将其还原成四声道信号送给四只扬声器重放。

CD—4制是以加调制的办法变四声道为两声道传输记录。如图11使得每路刻纹上不是象普通唱片一样记录0～20千赫的声迹，而是0～45千赫的声迹。把前左+后左的信号记录在0～15千赫的频段上；用前左-后左的信号去调制30千赫的频率，记录在20～45千赫的频段上。还原时只要设法解调，就可以得到前左+后左和前左-后左的两路信号，然后再用加法器和减法器就可以得到前左和后左两路我们所需要的信号。这样在0～45千赫的频率范围内就记录了前左和后左两路信号。再在另一路刻纹上用0～45千赫记录前右和后右两路信号。如此，原来的双声道45°／45°刻纹就可以记录4个声迹。这种CD—4制式具有较好的“兼容性”，即可用双声道唱机来放四声道唱片。

为什么要采取如上所述的记录“前左+后左”和“前左-后左”的方式？这是因为上述“兼容性”的需要：即在20～45千赫的频段上记录的“前左-后左”的声级，可以比在0～15千赫的频段上记录的“前左+后左”的声级低19分贝。这样，在用双声道立体声唱机放送四声道立体声唱片时，不需要的“前左-后左”的信号不致于被作为噪声放送出来；同时，用双声道立体声电唱机放送四声道立体声唱片时，解调后得到的信号经“加法器”和“减法器”可以得到：

这样每一路的信号杂音比也就提高了，串音问题就更易于解决。

4．立体声广播：立体声广播制式很多，不下有十几种，其中以具有“兼容性”的制式为最好，就象黑白电视和彩色电视可以兼容的制式一样，黑白电视机可以接收彩色电视信号。兼容立体声广播在传送内容上是由包含立体声和单声道两者的兼容信号和立体声广播用的附加信号，用频率分割调制。调制的方式有FM—FM和AM—FM两种。对于四声道立体声广播，有分离式分别传送四个信号的，也有四个信号变换成两个信号分两路传送出去的。（南京无线电厂第二设计所 费元稳）