在现场扩声系统中应用立体声次低频系统在听感上的优势（上）

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　摘要

　　最近对低频声源定位的研究表明最低可定位频率与房间尺寸、声源/听音者位置和空间混响特性有关。因此，较大的空间有助于对低频声源的精确定位，理论上相对于按流行的单声道次低频系统来说，宽频多通道现场回放系统应该能够提供更好的听感。本文会探讨是否单声道次低频系统会成为听感晋升的主要限制，以及立体声次低频系统是否能够提供精彩的音效。这项调查通过双耳丈量和一系列聆听测试来对单声道和立体声次低频系统进行比较，立体声次低频系统采用常见的左/右立体声配置。


　　1.引言

　　在过去的数十年间，立体声配置在现场扩声扩声系统中已经成为事实尺度，并且在大多数情况下是通过调节调音台的声像来实现的。假如对这项技术的长处/缺点进行深入讨论的话，那么可能会因为声学感知的主观特性而耗费大量时间而又无法得出明确的结论。因此，本文仅对这个主题的一项分支进行讨论：立体声低频扩声系统的益处。


　　在现场扩声场合中应用立体声次低频系统这个主题变得非常有趣的原因是，本文作者在过去的十数年间的观察结果：越来越多的音频工程师选择（在良多情况下，坚持）使用一个单声道辅助输出总线为次低频系统提供信号。次低频扬声器的信号来源与立体声主输出总线没有联系关系，这种做法的泛起是因为音频工程师们以为可以控制将哪些乐器的信号发送至次低频系统是一个比较好的混音方式。但是单声道次低频系统的使用带来了另外一个题目，是否会因为使用这种系统架构而损失一些东西呢？


　　本文通过例如双耳录音和实际试听等主观评价方式对这一题目进行研究。在第二章节中，我们对当下对低频声源在封锁空间内的定位的观点进行了描述，并侧重于对房间布局和声源/听音者位置进行讨论。在第三和第四章节中，我们对一些实验性的丈量方法和结果进行了描述，并集中对数据分析和潜伏的可能性进行了讨论。



　　2.低频声源定位


　　基于瑞约定律的研究对人类如何对声源定位（特别是在水平平面上）进行了详尽的描述。对头部相关的传递函数（HRTF）的研究将这一题目的研究扩展到了3维空间，因为人类的双耳的非对称性，声波到达头部两侧人耳的传播路径会泛起稍微差异。


　　在专业领域，对于声源定位的研究略有争议的论题是：人类对低频声源的定位能力到了什么程度，以及更重要的是，在扩声中带指向性的低频音源是否重要。作者之前的论文对此论题进行了文献综述，阐明了各方观点。


　　迄今为止，有14篇集中讨论这个特定主题（或者至少非常接近的相关主题）的文章。其中6篇文章的结论是带指向性的低频声源非常重要和/或可猜测，而另外6篇的结论是带指向性的低频声源并不重要和/或不可猜测的。还有2篇文章给出的结论是混合性的，并且指出了要解决这个题目所需要进行的工作。


　　这些论文的一个共同点是，试听仅在一个房间中进行，且试听者的听音位置在房间的中心。而我们的研究检视了之前的研究结果，并往前深入一步，基于房间布局、声源和听音者位置来模拟声源定位，形成一个初步假说。这项研究证实了，要实现对声源的定位，听音者与声源之间的间隔大约为1.4倍该频率波长。


　　这个结果表明，测试空间越大，可定位的频率下限越低。在现场扩声应用场合，场地空间通常都比较大，因此我们可以公道的假设低频声源的确是可以被定位的。但一个枢纽题目是，在宽频段的音频信号当中，带指向性的低频信号是否有意义。这是我们将在本文当中重点讨论的题目。


　　3.实验方法




　　我们在实验中使用了两个类型的场地：1个大尺寸的室内扩声系统测试室（房间尺寸为11.6 x 10.6 x 9.1 m），测试室的均匀混响时间为0.5s；1个室外场地（独一不同的是在“舞台”背后有一个大型建筑物，在间隔扬声器大约10m的位置有1个小型泊车场）。在两个场地使用了配置完全相同的扩声系统。

　扩声系统由2只双18寸低频扬声器和2只摆放在低频扬声器上面的全频扬声器组成。这两组扬声器之间的间隔为6.4m，以舞台中线为中轴对称摆放。在室内测试当中，这两组扬声器分别与间隔最近的侧墙距离2.1m，与背墙的距离为4.75m。


　　我们在一个按照3 x 3的布局方式设置了9个丈量点。在室内丈量空间当中，丈量点的第一排位于房间长度一半的位置，其他两排分别摆放在房间长度2/3和5/6的位置。每排之间的距离为1.94m。每一排的中轴都位于房间宽度的中点位置，其他两点与中轴的间隔各为房间宽度1/4（间距为2.65m）。在户外丈量当中，丈量点的间距保持一致，以扬声器组间距的中点作为参考。


　　3.1.客观丈量
　　客观丈量通过一个带人工耳廓、分别配置了拾音器的假人头进行。拾音器拾取的信号被发送至运行用于录制和保留音频信号（24 bit / 48 kHz）的定制版Matlab软件的笔记本电脑（通过Sound Devices USBPre音频接口）。
假人头被安装在一个竖立的发话器架上（发话器的高度为1.2m），并被依次摆放至每一个丈量点。每次丈量都按照距离5秒的方式播放3段音乐片断。我们使用的音乐片断的低频部门都不是单声道，曲目如下：

　　音频信号录制了两次：第一次是将左声道和右声道信号作为单声道信号发送至次低频扬声器（发送到次低频扬声器的左声道和右声道信号均为-6 dB）；第二次是分别将左声道和右声道信号发送至左/右两侧次低频扬声器（左右声道信号均为0 dB）。在两次录制过程中，发送至高频扬声器的信号均经由分频点为100 Hz的分频器处理。


      所有丈量结果都使用专有名称保留为立体声wav文件，这些文件用于随后进行的分析工作。


　　3.2.主观评价
　　主观评价测试在室内环境进行，听音区域为中间一排的丈量点位置。测试素材同样使用了上述的3个音乐片断。介入者坐在每个丈量点，音乐素材播放A/B随机切换方式。介入者需要在每一个听音位置对听到的两段音乐素材听感进行评价，并且对听音时长没有限制。


　　A/B对比所使用的音乐素材和每段音乐素材采用单声道或立体声配置情况均采用随机选择方式。每一次全过程测试的时长均匀为10分钟。

　　每一位介入者的主观评价数据和客观丈量数据都被用于结果分析。