【摘 要】 現今，多聲道音頻系統(tǒng)已經廣泛的應用于家庭影院系統(tǒng)（重放環(huán)節(jié)）和環(huán)繞聲電影電視制作的監(jiān)聽環(huán)節(jié)。在制作環(huán)繞聲系統(tǒng)的技術中，我們主要是利用了人耳對聲音的感知過程來產生一個精確的聲音定位，帶給聽眾比以往單聲道或普通二聲道立體聲更具震撼力的效果。因此，了解人耳聽覺定位的工作原理，有利于我們更好的理解多聲道環(huán)繞聲系統(tǒng)的設計以及擺放原理，通過環(huán)繞聲揚聲器重放出更加真實的立體聲場。

    我們都知道，聲音是由空氣振動產生的。人類的聽覺系統(tǒng)可以將這些簡單振動變化轉變?yōu)橐环N重要的信息。人的雙耳既可以接收聲波，而且還可以把它轉化為一種可被聽神經辨認的神經能，為人們的聽神經所感受。在對聲音的感知過程中，人們對聲音的音調、響度和時間差作出判斷。這三個信息量為人耳對聲音的定位提供了重要的依據，使人耳可以判斷出這個聲音是來自三維空間的什么地方。
    下面先簡單敘述一下人的聽覺系統(tǒng)的結構和功能。人耳的結構可以分為外耳、中耳和內耳。外耳包括耳廓、外耳道及鼓膜三個器官。耳廓具有一定的定向功能，可以區(qū)分來自前后的聲音，并幫助直達聲進入到外耳道。外耳道把耳廓接收到的聲音信息傳送到鼓膜。外耳道可以及將2000—5000Hz的聲波放大。鼓膜則在傳入聲波的作用下自由振動，傳遞聲音。中耳由三塊聽小骨（錘骨、砧骨和鐙骨）組成，與鼓膜和內耳相連，它跟隨鼓膜的振動而振動，并將振動傳遞給內耳。內耳的耳蝸將這些振動轉換為神經元最終傳遞給大腦。
    這就是人耳的基本工作原理。前面已經說過，人們對聲音的感知是對聲音的音調、響度和時間差作出判斷。音調取決于聲音的頻率，而響度和音調的關系也是密不可分的。根據等響曲線可以知道，不同的頻率，響度級的增長率各不相同。在響度相等時，低頻的聲壓級要比高頻高。另一方面，由于人頭尺寸的影響，聲音在傳遞到人耳時會因為聲源位置的不同產生時間差和聲級差，從而人耳可分辨出聲源的位置。這種聽覺的方位感受也稱為“雙耳效應”。
    因此，人們可以根據聲音到達兩耳的時間不同來分辨聲音的位置。但是在低頻段，尤其是在700Hz以下的低頻，由于低頻的波長很長，人頭部尺寸的影響可以忽略不計。所以，聲音到達兩耳的幅度是一樣的，從而造成了低頻的方向性不強。兩耳能夠區(qū)別低頻的位置是通過相位差異來完成的。隨著頻率的升高，頭部的遮擋作用提高。這種遮擋作用會使被遮擋的耳朵接收到的聲音響度大大降低，而且聲音的高頻部分被阻擋會使聲音的音色發(fā)生變化。因此，隨著頻率的提高，雙耳間的這種聲級差和音色差也成為聲源定位的主要因素?？梢哉f，人耳對不同頻段有不同的定位機制。
    以上簡單闡述了人耳聽覺定位的基本原理。根據人耳的聽覺定位特性，我們可以通過環(huán)繞立體聲揚聲器系統(tǒng)來重現這種三維的聲場。要面對的最根本的問題就是如何在重放環(huán)境中（也許只是一個兩平方米左右的聽音環(huán)境）重現真實的聲場（也許是音樂廳）。
    以一般的5.1多聲道環(huán)繞聲重放系統(tǒng)為例，現在普遍采用ITU-R的建議BS.775來確定用于重放的揚聲器擺放位置的，如下圖所示。它的配置方案為3/2/.1，即三個前置音箱，兩個后環(huán)繞音箱及一個低音音箱。

ITU-R的建議BS.775確定的用于重放的揚聲器擺放位置
    根據這個建議可以知道，5個全頻帶的重放揚聲器分為前置揚聲器（包括L、R、C）和后置揚聲器（也稱環(huán)繞揚聲器包括Ls、Rs），按照圖示所規(guī)定的角度和方位進行擺放，并且它們都位于一個圓的邊界上，圓的半徑為2—4m。其中L、R揚聲器與C揚聲器分別呈30度夾角，Ls、Rs揚聲器與C揚聲器分別呈110度夾角。除此5個全頻帶的聲道外，還有一個低頻增強聲道，稱之為LFE（即低頻效果聲道），它的頻率范圍在200Hz以下，大約是全頻帶倍頻程的10%左右，因此也稱點一聲道。它的放置沒有特殊的要求，一般放置在前面。
    其實嚴格說來，5個重放揚聲器的擺放并不是說能夠完全重現真實的空間聲場，5個揚聲器的使用僅僅是一種為重現空間聲場而采用的粗略的實現方式。但是它已經足夠可以還原出一種比較真實、豐滿的聲場了。因此，在實際中按照這種規(guī)定擺放的5.1聲道揚聲器系統(tǒng)已經得到了廣泛的應用。
    首先，中置音箱擺放的原則只有一個——擺放在正前方。也就是左右音箱的垂直平分線上，與左右音箱在同一平面內。這是好理解的，一般家庭影院播放的節(jié)目，通常將對白、對話或主音分配到中間聲道。因此中置音箱擺放在中間可以使聲音直達進入到人耳，從而保證了清晰度，而且能夠定位準確。另外，如果不是純聲音節(jié)目，而是還有電視畫面，那么電視畫面在正前方。我們都知道視覺的作用可以影響到雙耳的聽音定位，因此把對白聲道即中間聲道放在與畫面一致的地方，可以使視覺與聽覺統(tǒng)一。
前面左右兩個揚聲器的擺放位置最好與聽音者成一個等邊三角形。我認為這是運用了人耳的“雙耳效應”原理以及哈斯效應。前面說過，人耳的聽覺方位感受主要是由兩耳間的時間差、聲級差、相位差及音色差形成的。此外，還有其他一些影響因素。因此，如果兩個前置音箱之間的距離過近，那么聲源到達人耳時，產生的聲程差就會變短。根據前面的公式可以知道，聲稱差變短就會造成時間差變小，這是不利于人耳對聲源的定位的。另一方面，如果兩個揚聲器間距離過近，或是人離兩揚聲器距離過遠，那么在兩揚聲器之間的聲像分布就會變窄，好像把體積壓縮了一樣，使重放聲音失去空間感和臨場感。如果音箱距離聽音者太近的話，人耳聽到的則過多是從兩個揚聲器直接輻射出的直達聲，從而缺少了那些經過墻壁和周圍空間的反射聲?；蛘呒幢闶墙涍^了墻壁的反射，但由于聽音者離聲場過近，經過衍射的聲音也被掩蓋了，因此很難被聽到。這樣，聽到的聲音會很不理想，而且由于過于貼近聲源，聲音定位不會很準確。
    其次，這兩只音箱的擺放與中置聲道音箱的位置也有很大關系。一般來說，中置音箱的擺位應該比左、右兩只音箱退后一段距離，直到兩者聲場能完全結合在一起，共同營造出真正統(tǒng)一的聲象定位。我想，這是由于對于左右兩只音箱來說，人耳是通過哈斯效應將聲源定位到兩揚聲器中間的，我們稱作虛聲源。而現在我們又在中間擺放一個中置音箱，中置音箱中的聲音屬于直達聲，它必須與這個虛聲源很好的結合，才不至于產生混亂的聲場。畢竟，中置揚聲器通常是承擔了播放主要對白、對話和主要聲音的，因此必須保持清晰度。而且由左右揚聲器產生的虛聲源肯定比中間音箱產生的直達聲的聲壓級要低，所以要將中置音箱推后，才能在聲壓級上達到一種平衡。一般的做法是使左、中、右這三只音箱在一個圓上，它們各自到聽音者的距離相等。

    在兩聲道立體聲重放環(huán)境中，環(huán)境聲場的感覺是通過錄音師調節(jié)直達聲與混響聲的比例產生的。而在5.1揚聲器系統(tǒng)中，主要是用環(huán)繞音箱來營造環(huán)境氣氛的,因此它在整個環(huán)繞聲重放系統(tǒng)中占據了很重要的地位。環(huán)境聲應該是包圍在人耳四周的。我們可以通過兩個前置音箱（L、R音箱）來重現前方的聲場，其中包括直達聲與環(huán)境聲。但在實際聽音的時候，人耳通過耳廓以及頭部的移動不僅可以接收來自前方的聲音，也可以分辨來在后面的聲音。因此，我們在后方也應該擺放與前方左右聲道類似的環(huán)繞聲道，而且后置左右環(huán)繞音箱的高度也應盡量與左右主音箱同高。擺放形式也按等腰三角形擺法，底邊與主音箱兩音箱距離等長或略長一些。后置音箱夾角最好呈110度擺放，可在100度到120度之間擺放。這樣擺放的原因在于人耳的夾角約等于110度，而后置音箱主要回放從后面?zhèn)鱽淼穆曇?，因?10度的擺放比較接近人耳實際聽到的效果。由于有了后環(huán)繞音箱，它增強了立體聲的深度，在人耳聽音時，聲音不再僅集中在前方，而是來自于四周，這是符合人耳的聽覺習慣的。這樣，重放后的聲音則顯得更加真實，更具臨場感。

    低音效果聲道的擺放則需要強調一下。根據人耳的結構可以知道，當聲波進入外耳道后，低頻的聲波不能通過外耳道來放大，所以人耳對低頻聲音是很不敏感的。這一點通過等響曲線也可以被描述出來。因此，我們在多聲道音頻系統(tǒng)中增加低頻效果聲道是為了加強低音，帶給聽眾更多的震撼力。通常，低頻效果聲道中的聲音是通過通濾波器后產生的200Hz以下聲音。低音的方向性比較弱，因此在擺放時可以不用太考慮位置。一般來說，它靠近墻擺放，會有比較平均的低音表現。
    從ITU-R標準給出的參考位置圖可以看到，聽音的最佳位置在圓心上。我們知道，單聲道由于只有一個重放音箱，因此在相當大的聽音區(qū)域內聲音效果都不好，聲場很窄，且與人耳實際聽音是不符合的。兩聲道立體聲比單聲道有了很大改進，但是它也只能是在到兩揚聲器等距的那條“聽音線”上才能聽到最佳的聲音效果。五個聲道環(huán)繞聲的效果比立體聲更真實，更符合人耳聽音的實際情況。但是根據ITU-R的標準，我們只有在單獨的聽音點上（圓心）才會收到很好的效果。可以想象，當我們坐在家中欣賞環(huán)繞聲節(jié)目時，我們通常不是一個人在欣賞，而是有兩個人，或者是更多的人。但是最佳的聽音區(qū)只有那一點，這顯然是不能讓人們的耳朵滿意的?，F在人們想出一些解決辦法，來使聽音區(qū)變成真正的“聽音區(qū)”，而不只是“聽音點”。我通過閱讀文章總結出，一般可以有通過拾音方法的改變、改變揚聲器的排列或是增加揚聲器來進行改善。
    對于拾音方法的改變，麥克風陣列的使用可以解決這個問題。利用空間全指向麥克風陣列，使麥克風接收聲音信號的幅度隨接收信號的時間先后而不同。這樣，即使沒有坐在最佳聽音位置，聽音者也可以聽到一個比較均勻的空間聲場。這種拾音技術在聲像的深度上可以顯得更自然。但人們會有這樣的感知，即聲像的距離和深度不統(tǒng)一。一些聽音者會認為在極左或極右的樂器感覺上比在中間的樂還要近。這是與早期反射聲有關的。揚聲器排列的改變主要是為了符合實際環(huán)音環(huán)境的需要，例如在比較狹小的環(huán)境中，可能揚聲器就不能按照ITU的標準進行擺放。至于增加揚聲器，例如增加到6.1或7.1時，由于揚聲器的增加可以使最佳聽音區(qū)域擴大，從而達到改善的目的。在此這些改善方法就不詳細說明了。
    經過簡單的分析，我們可以看到，對于5.1聲道的聲音，在重放時是要遵守一定的擺放條件才可以使觀眾享受到最佳的重放聲音效果。我所討論的只是簡單的家庭影院或是一般環(huán)繞聲電視制作監(jiān)聽的重放揚聲器的擺放與人耳聽覺之間的一些關系。我想，如果推廣到影院中，在影院的聲學環(huán)境做好的前提下，揚聲器也能夠擺放在最佳位置，那么在觀看影片時，聲音將會帶給觀眾效果更加震撼、定位更加清晰的享受，才能更好的發(fā)揮聲音的魅力。