环绕声录音前方三声道传声器临界连接设置初探

关童

（中央电视台）

【摘要】本文以环绕声前方三声道传声器设置为研究对象，通过对Williams理论的系统介绍，明确了L-C、R-C两个子区域有效拾音范围实现平滑、无缝连接的可操作性。为解决由于有效拾音范围部分重叠导致的前方三声道声像还原不准确问题提供了可供参考的办法，也为新闻媒体技术应用环绕声录音声像定位的相关研究加以铺垫。【关键词】三重幻象声源Williams理论临界连接时间差补偿强度差补偿混合补偿 在中国环绕声电视制作早期，节目类型起步于体育比赛、演播室综艺、音乐会实况等等。随着电视高清化、数字化的发展，新闻一线工作者应对环绕声录音技术进行深入学习和探讨，为新闻类节目环绕声制作打下良好基础。理想情况下环绕声前方三声道L-C-R传声器设置方式要求是：左、中、右拾音区域声源只分别被L-C、R-C、中央传声器C系统拾取。但由于声道间存在串扰，声源有可能会被前方三个传声器对系统同时拾取，重放时会形成三个幻象声源点。如图1所示。

图1三重幻象声源点示意图[1]

三重幻象声源点干扰了正常的声源定位，使录音质量下降。中央声源在不同位置被拾取的信号在中央扬声器处叠加重放还会造成“声染色”效应，产生不良的声学现象。同时由于两个子立体声拾音区域的必然重叠，使得声源定位大多集中于两个子拾音系统中间，不能形成正常的线性分布，如图2所示。

图2 子立体声拾音区域拾音范围重叠示意图[1]

1.建立L-C-R传声器系统的先决条件在L-C-R拾音系统中，为了实现理想的声源定位，须运用“声道隔离”和“信号隔离”两个方法。1.1 声道隔离目的是减小或排除L-R传声器对形成的立体声拾音系统对声源正常定位的干扰，保证L、R良好的分隔度，使其拾取信号相关性足够小。1.1.1时间差声道隔离根据时间差原理，当时间差△t≥1.5ms时，声像定位在声音提前发出的扬声器位置上。在环绕声录音前方三声道中，时间差隔离方式就是利用传声器拾取信号的时间差来对系统中左右声道信号进行隔离。1.1.2强度差声道隔离根据强度差原理，当强度差△L≥1.8dB时，声像定位在声音强度大的扬声器位置上。在环绕声录音前方三声道中，强度差隔离方式就是利用传声器拾取信号的强度差来对系统中左右声道信号进行隔离。但当环绕声前方三声道拾音拟使用三只传声器时， L、R传声器不会紧靠在一起，所以不存在纯粹的强度差隔离，于是产生了第三种方式。1.1.3混合声道隔离混合声道隔离方式是将时间差与强度差两种隔离方式结合来进行拾音系统设置。1.2信号隔离目的是在L-C、R-C传声器对有效拾音区域彼此不互相覆盖的前提下，彼此形成良好的衔接，这也是本文所讨论的美国录音理论家Michael Williams的研究初衷。借助传声器的摆放来调整两个子立体声拾音系统的有效拾音角度，解决拾音范围相互覆盖产生的三重幻象问题。2.传声器补偿偏移临界连接设计理念Williams提出“传声器设置临界连接”概念指出，“L-C-R系统设置要满足一定的条件，即对原来传声器对拾取信号的时间差或者强度差比对关系重新调整，使两个子立体声区域能够平滑连接，从而得到正确的声像定位。”在环绕声录音传声器设置中，这是一个很有价值的研究思路，同时也是个相对庞大、复杂的理论体系，在进行深入的讨论之前，我们需要对Williams的“传声器设置临界连接”做以全面的了解。2.1名词解释2.1.1临界连接即“Critical Linking”。“临界”指两个子立体声区域无重叠、无缝隙连接状态，也是传声器设置的理想状态。2.1.2偏移量补偿临界连接即“Offset Linking”。“Offset”兼有“偏移量”和“补偿”的意思，在实现平滑连接的过程既互相联系，又有所区别。2.2 环绕声录音前方三声道传声器临界连接初步构想“拾音范围”是指：“立体声传声器系统拾取的全部声音信号能在立体声重放系统当中正确声像定位的声源范围。”[1]同时要明确，＂由于单一传声器对的不同特性和原理，扬声器重放的声场角度会大于或者小于传声器的主轴张开角度，而且通常是对称的。＂[1]环绕声录音前方两个传声器对可以等价为类立体声对传声器，因此以上规律同样适用。理想情况下传声器对拾音范围应该分别覆盖两边的录音区域，我们要讨论的是如何使这两个录音区域连接平滑，极小或没有相互重叠。在设计多声道传声器列组合时，必须能够完全控制或者调整重放声场中的角度偏移，这个角度偏移与每对传声器对覆盖区域的对称轴相关。在设置前方三个传声器时，必须弥补或抵消重放区域，使左右声场的边侧限制线能和中央传声器的轴向相对应；对于侧面的区域，我们应该能够在不受传声器的物理轴线声场边线限制的前提下，自由调整其边线的覆盖区域；对于后方区域，又可以类似立体声对称区域来研究。这里使用一个术语为“覆盖角度”（总拾音范围），其意义就是每对立体声传声器对的录音角度(拾音范围)的总和，下面来介绍两个名词——“正角度偏移”和“负角度偏移”2.2.1正角度偏移图3显示环绕声录音前方三声道拾音系统中，R-C传声器对的录音角度（即系统的拾音范围）大于传声器对的主轴张开角度，以线段OA、OB来标示。

图3 R-C传声器对拾音范围大于传声器对主轴张开角度示意图[2]

可以看出，线段OA超出了中央传声器C主轴方向所示虚线标注范围，和右侧的L-C传声器组合时，势必会有拾音范围的重叠，为了达到L-C、R-C传声器对拾音范围在中央传声器C处平滑、无缝连接，就要对其进行声场覆盖（拾音范围）顺时针方向旋转处理，如图4所示。

图4 R-C传声器对拾音范围进行正角度偏移后示意图[2]

图4显示，线段OA偏移之后与中央传声器C的主轴已经不再重叠，即为L-C、R-C传声器对拾音范围在中央区域的平滑无缝连接提供了可能性。我们将这种顺时针拾音范围角度偏移称为“正角度偏移”。2.2.2负角度偏移图5显示的是环绕声录音前方三声道拾音系统中，R-C传声器对的录音角度（系统的拾音范围）小于传声器对的主轴张开角度，以线段OA、OB来标示。

图5 R-C传声器对拾音范围小于传声器对主轴张开角度示意图[2]

如图5，线段OA明显未达到中央传声器C主轴方向所示虚线标注范围，和右侧的L-C传声器组合时，势必会有两者拾音范围都不能覆盖的中间区，产生中空的现象。为了达到L-C、R-C传声器对拾音范围在中央传声器C处平滑、无缝连接，就要对其进行声场覆盖（拾音范围）逆时针方向旋转处理，如图6所示。

图6 R-C传声器对拾音范围进行负角度偏移后示意图[2]

图6显示，线段OA在偏移之后和中央传声器C的主轴产生了交点，即为两个L-C、R-C传声器对的拾音范围在中央区域的平滑无缝连接提供了可能性。我们将这种逆时针拾音范围角度偏移称为“负角度偏移”。2.3环绕声录音前方三声道传声器临界连接实现过程首先明确，在实际应用中，一般声源与传声器系统的距离都比传声器彼此之间的距离大得多，因此可以从传声器轴线处作图引出拾音范围的图线。通过拾音系统传声器对的拾音范围以及正、负角度偏移的共同作用，得到平缓、连续的拾音范围覆盖。2.3.1声源最大入射角度在传声器对拾音范围内时临界连接实现过程由图7所示，FLS为“Front left segment”的缩写，为“左前部分”，FRS为“Front right segment”的缩写，为“右前部分”。“Critical Linking”为“临界连接”，左右传声器对相互对称。

图7声源最大入射角度在传声器对拾音范围内时临界连接实现过程示意图

线段OA、OB标示了R-C传声器对原始拾音范围，线段OD、OE标示了L-C传声器对原始拾音范围。使AOB区域以O为顶点逆时针旋转，即负角度偏移；DOE区域以O为顶点顺时针旋转，即正角度偏移；OA与OD重合在线段OF上，就可实现L-C、R-C两个传声器对的拾音范围实现平滑无缝连接。2.3.2声源最大入射角度在传声器对拾音范围外时临界连接实现过程如图8所示，线段OA、OB标示了R-C传声器对原始的拾音范围，线段OD、OE标示了L-C传声器对原始的拾音范围。我们使AOB区域以O为顶点顺时针旋转，即正角度偏移；DOE区域以O为顶点逆时针旋转，即负角度偏移；使OA与OD重合在线段OF上，就可以实现L-C、R-C两个传声器对的拾音范围实现平滑无缝连接。

图8声源最大入射角度在传声器对拾音范围外时临界连接实现过程示意图

Williams基于以上的设想与构思，提出了“传声器位置偏移临界连接设计理念”。经过这样的处理，理想条件下，理论上我们可以比较灵活地设置覆盖前方声音区域传声器系统，同时L-C、R-C传声器对各自的拾音范围可以实现平滑、无缝连接。3.临界连接理念的具体实现方法为了实现声道隔离条件基础上的信号隔离，在理想化条件下实现传声器对之间的平滑无缝连接，Williams进一步提出了时间差补偿法与强度差补偿法。其目就是要通过改变原有传声器对之间信号的比对关系，来实现有效拾音角的旋转，从而实现临界连接。[3]3.1时间差补偿法(Time offset)时间差补偿法是在原来传声器对拾音信号之间附加时间差成分，使有效拾音角发生偏转，按照理想情况，使原本相互重叠的传声器对拾音区域达到平滑连接，有两种实现方式。3.1.1传声器时间差位置补偿方式(Microphone time position offset)这种补偿方式就是在原有的传声器系统设置上，不改变两只传声器对夹角，通过增加两只传声器对之间的距离来改变声音信号在传声器对之间的时间差关系，从而使原来某一声源相对于传声器对系统的时间差有所变化，进而使其相对位置发生变化，也就实现了理想化的有效拾音角度的偏移。3.1.2电时间补偿方式(Electronic time offset)Williams的定义是：“在传声器对之间的时间差或者强度差基础上增加的一个持续的时间差量值。”[3]简单地说就是通过周边设备对原有信号进行直接的时间差添加方式，来实现原来某一声源相对于传声器对系统的时间差有所变化，进而其相对位置发生变化，同样也就实现了理想化的有效拾音角度的偏移。3.2强度差补偿法(Intensity offset)强度差补偿法时间差补偿法就是在原来的传声器对的拾音信号之间加入附加的强度差成分，使有效拾音角发生偏转，从而按照所构想的理想情况，使原本相互重叠的传声器对拾音区域可以平滑连接。Williams认为强度差补偿法同样有两种实现方式。3.2.1传声器强度差位置补偿方式(Microphone intensity position offset)这种补偿方式就是在原有的传声器系统设置上，不改变两只传声器对的间距，通过增加两只传声器对的夹角来改变声音信号在传声器对之间的强度差关系，从而使原来某一声源相对于传声器对系统的强度差有所变化，进而其相对位置发生变化，也就实现了理想化的有效拾音角度的偏移。3.2.2电强度补偿方式(Electronic intensity offset)Williams的定义是：“在传声器对之间的时间差或者强度差基础上增加的一个持续的强度差量值。”[3]简单地说就是通过周边设备对原有信号进行直接的强度差添加方式，来实现原来某一声源相对于传声器对系统的强度差有所变化，进而其相对位置发生变化，同样也就实现了理想化的有效拾音角度的偏移。3.3混合补偿方式(Mix Offset)混合补偿法就是在原来的传声器对的拾音信号之间加入附加的时间差和强度差成分，使3.3.1传声器混合位置补偿方式(Microphone mix position offset)这种补偿方式就是在原有的传声器系统设置上，既改变两只传声器对的夹角，又通过增加两只传声器对的距离来改变声音信号在传声器对之间的强度差与时间差关系，从而使原来某一声源相对于传声器对系统的强度差和时间差均有所变化，进而其相对位置发生变化，也就实现了理想化的有效拾音角度的偏移。3.3.2电混合补偿方式(Electronic mix offset)Williams的定义是：“在传声器对之间的时间差或者强度差基础上增加的一个持续的时间差和强度差量值。”简单地说就是通过周边设备对原有信号进行直接的时间差和强度差的添加方式，来实现原来某一声源相对于传声器对系统的时间差有所变化，进而其相对位置发生变化，同样也就实现了理想化的有效拾音角度的偏移。由于篇幅所限，本文简单介绍了环绕声前方三声道传声器临界连接的基本理念，其核心“Williams理论”以对“临界连接”这种理想化方式可行性的探讨，指出在实际情况下要使声场分配区域没有重叠，使声场的再现达到平缓，和谐的效果，就要对传声器设置进行相对严格的规定，具体参数理论上可以通过针对不同的“补偿组合形式”计算得到，同时也是我们关于环绕声前方三声道传声器设置问题下一步可行的研究方向。 参考文献 [1] 冈瑟×锡尔.基于音响心理学的多声道自然音乐录音.德国：IRT广播技术研究所；2001：2[2] Michael Williams.Multichannel Microphone Array Design.AES the 108^th Convention；2000：3-5[3] Michael Williams.Microphone Array Analysis for Multichannel Sound Recording. France: AES the 107^th Convention；1999：5-7 关童手机：15210216511邮件：kinseymc@163.com 编辑：中国新闻技术工作者联合会