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[电脑音乐制作相关] 电脑音乐制作扫盲篇-第一章:揭开“声音”的秘密-第四节:立体声原理和立体声重现技术

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发表于 2015-1-25 20:08:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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楼主 王晓波说:
    本文作者:王晓波,出处:视障者音乐制作交流基地(szzyyzz.com)。做人要厚道,转载请注明作者与出处,谢谢!
    上回说到,我们平时听到的自然界中的声音是有立体感的,那么我们这次就来聊聊“立体声”这个话题。大家力克齐声说到:“亲们可要仔细点哈,本节内容超级重要,其重要程度可与‘探月工程’相媲美!!不学不行!!!!”哦哟,亲们都知道了哇,那晓波就不重负强调了哈。老王说:“都老一套了,全国人民都知道了!”好,既然亲们已经知道了本节内容的重要性,那下面就认真听讲哈。
    立体声技术的出现给音乐艺术的创作和表演带来了一场革命。1933年美国费城交响乐队通过电话线进行立体声音乐传播,是最早的立体声技术在音乐上的应用。之后,各种立体声的家用电器纷纷问世,使得音乐作品的欣赏家庭化、普遍化。作为立体声技术的延伸和发展,还出现了5.1声道、6.1声道、7.1声道、……的环绕立体声。
    很多朋友总是分不清什么是立体声,什么是单声道,在音乐制作领域,这是两个非常重要的概念,必须要非常透彻的理解。要想正确理解这节内容,首先要彻底明白我们前面几次聊过的“响度”、“音色”、“频率”这些最最基础却非常重要的概念。
    一个点声源发出的,被人的双耳接收到的声音就是单声道(mono)。利用多个点声源播放内容不同的声音,这个被人的双耳接收到的声音就是立体声(stereo)。
    这里面有几个非常重要的因素,大家一定要弄清楚,且听晓波下面慢慢道来。
    第一,点声源。
    点声源是个神马东东?举一个例子:一只音箱在播放音乐,那么这个音箱就是一个点声源;一个乐手在你面前吹奏唢呐,那么这个唢呐就是一个点声源。
    第二,多个点声源。
    多个点声源指的就是,不止一个点声源,可以是两个,甚至是更多。两只音箱在你面前播放,那么这两只音箱就是两个点声源;一个乐队在你面前演奏,那么这个乐队的每一个乐手演奏的乐器就是一个点声源,乐队齐奏的时候,就是多个点声源同时发声的时候。
    第三,不同内容的声音。
    所谓不同内容的声音指的是,每一个不同的点声源发出的声音不能完全相同。老王问:“在哪些方面不能相同呢?”在音量、音色、时间位置等等方面都不能相同。
    第四,双耳。
    一定要两只耳朵的听力都健全,否则无法清晰的辨别单声道与立体声。老王问:“晓波,我有个亲戚的二大爷只长了一只耳朵,能不能听立体声?”我心情十分沉重。请老王给你那位亲戚的二大爷补助200个音乐币,200个魅力,并且今后只能在我们视障者音乐制作交流基地(szzyyzz.com)的闲聊版块出入。好,咱们接着说。
    上面这四点,如果亲们已经弄清楚了,那么单声道与立体声就比较容易理解了。
    老王,你们明白了吗?大伙儿把脑袋摇得像波浪鼓一样。小妹娇滴滴的说:“这个太抽象、太概括了。”哦,那我们下面先来聊聊我们的耳朵到底是怎么辨别各个声援的方位的哈,也就是说立体声的原理。
    声场的立体化要转化为人听觉的立体感,主要是靠人的听觉,这是一个十分复杂的生理机制。
    晓波先给亲们引进一个概念:“双耳效应(Binaural effect)”。
    人对声音的立体感主要靠双耳。老王小声嘀咕道:“费话,不靠耳朵,难道还靠鼻子啊?”老王,我给你说过几次了,不要打岔,好,我们继续。由于耳朵在头部的两侧,如果声源偏离听者正前方的中轴线,则声源到达双耳的时间与相位、声强与音色都有差异。虽然这些差异非常微小,但听觉器官仍能够将其分辨出来。这就是由英国物理学家瑞利于1896年提出的双耳效应。
    老王说:“前面聊的都还没有理顺,好家伙,这一下又出来了几个‘差’。”不要着急哈,我们后面会逐一讲解的。
    时间差,是指声音双耳瞬间的时间差别。也就是说,同一声源的声音一个耳朵先听到另一个耳朵后听到。
    声波是按一定速度传播的,一秒钟跑若干米。老长连忙问:“请问晓波,到底跑多少米?”晓波愣了一下,开始流汗。说多少次了,不要乱讲话!!!自己复习我们前几次的内容,或者查阅初中物理课本去。对于这种扰乱秩序的问题,晓波拒绝回答!!!!!继续聊。因为声波的传播是有速度限制的,所以来自左面的声波自然是先经过你的左耳,再经过你的右耳。实验证明,当声源在两耳连线上时,时间差约为0.62ms。
    时间差对辨别突发声、瞬态声(如不同乐器的演奏和移动着的声源)的方位效果更明显。连续声虽然到达双耳也存在时间差,然而后到达某一只耳朵的声音会掩盖前面的声音,以致时间差定位效果不明确,所以音乐作品里的长时值持续音容易被听众忽略。
    声强差,是指声源到达两耳的强弱差别,起作用的通常是较高频率的声音。说白了就是俩耳朵听到的声音大小不一样。当声源在两耳连线上时,声级差可达到25db左右。
    举个例子:一个你心爱的男人(女人)趴在你耳边轻轻的呢喃一句“我爱你”,因为你一只耳朵听到的声音比另一只耳朵听到的声音大的多,所以大多数人都会判断出这个爱你的男人(女人)在哪个方向,以便向该方向伸出手(嘴)或向反方向逃跑。哥特问:“晓波,不会出现例外吗?”当然也不排除个别人会因为精神上的刺激而头昏脑涨辨别不出方向,但这属于心理学范畴,不是我们现在要讨论的哈。好,下面接着聊。
    声音在传播过程中,如果遇到几何尺寸等于或大于声波波长的障碍物,会对声波起遮蔽作用,在障碍物后面形成声音阴影区,称为遮蔽效应。
    如果遇到几何尺寸小于声波波长的障碍物,声波可以绕过去,称为绕射效应。
    人头直径为20CM左右,由于遮蔽效应,对于频率较高的声波,则无法绕过头部,所以到达被遮蔽的那只耳朵的音强,会比另一只耳朵低许多。频率越高,声源偏移中轴线越多,声强差就越大。人脑就根据这个来辨别声源的方位。
    遮蔽效应还形成了双耳的音色差。
    根据傅里叶定理,我们知道所有的声波都是多种单一波形的综合。偏离中轴线的声源,到达一只耳朵(直达区)的声音是原音色;到达另一只耳朵(高频阴影区)的声音,由于一部分单一波形被遮蔽,而使音色发生了变化。
    用我们通俗的大白话说就是,当声源位于人体的某一侧时,人头会将一部分波长小于脑袋直径的声音屏蔽掉,也就是说,当声源位于你左侧时,你右侧的耳朵听到的声音高频部分比左侧耳朵听到少。
    音色差是由声波频率成分的变化引起的。而低音的波长很大,不太会被你的头阻拦,所以低音的定位通常不准确。这也就是为什么家庭影院中的低音炮不讲究摆放位置的原因。哥特坏笑道:“晓波,我看你的头比一般人大,是不是你对低音的定位比我们准确?”顿时哄堂大笑,晓波流汗中。哥特的想象力真丰富,嘿嘿。理论上是这样,但差别没那么大,因为晓波的头没那么巨大哈。
    综上所述,所以,音色差也是判断声源方位的重要因素。
    相位差。
    声音是以波的形式传播,而声波在空间不同位置上的相位是不同的(除非刚好相距一个波长)。由于两耳在空间上的距离,所以声波到达两耳的相位就可能有差别。耳朵内的鼓膜是随声波而振动的,这个振动的相位差也就成为我们判别声源方位的一个因素。当然频率越低,相位差定位感觉越明显。
    对于声源远近的位置判断,主要是根据人耳对声音能量损耗的感觉。
    一个声音在传播过程中,其能量在不断的损耗。声源越远,到达双耳的信号就越弱,不仅反映在声强上,而且反映在音色上。因为声波的复合性,那些振幅小的声波在传播过程中逐渐减弱,甚至消失,造成音色差异。例如,下雨时,近处的雷声又响又亮,远处的则又低又沉,就是这个道理。这些经验是后天积累的,大脑将这些信息储存,并和以后听到的信息进行比较,而得出一个声源远近的判断。
    下面再来给亲们引进另一个概念:“耳廓效应”。
    耳廓效应是双耳效应的补充。当声音传入人耳朵时,耳廓对声波也有反射作用。
    由于耳廓上不同位置向耳道反射,会产生一些具有很短延时的重复声。对于垂直方向的入射声,重复声的延时量约在20至45us(微秒),左右对于水平方向的入射声则在2至20us左右。所以从重复声的延时量的不同,人们就可以判断声音是来自水平面还是垂直面。
    实际上这里涉及到了声波的相位干射现象。老王连忙问:“晓波,直到现在,我对相位还是没有搞明白。”我正准备说让老王自己去复习物理课本的时候,小妹也疑惑的问:“是啊,晓波,我也不明白这个。”既然大家都对这个概念不太清楚,那下面我们就来补充一下。
    很多初学的朋友总是容易将“相位(Phase)”和“声像(pan)”两个词混淆。
    “声像”是指发音点的方位。比如舞台上不同乐器的左右摆位。而“相位”则完全是另外一码事。
    我们已经知道,声音是由物体的振动产生的,声波是一种周期运动,声波在周期运动中所达到的精确位置就叫做相位。通常以圆圈的度数来计算:任何一个波的起始点离其相邻波的起始点都是360度,也就是说所有波峰或者波谷都是同相位的;波峰、波谷之间则是互相反向,相位差正好是180°。同相位相加,反相位相减。关于相位,我们就说到这里了。
    如果声音来自后面,除了因遮蔽效应而形成的音色差外,由于耳廓不会反射从后面来的声音,因此不产生重复,从而判断声音来自后面。
    综上所述,我们的两只耳朵就是通过这些微小的“差”来辨别立体声场中各个声源的方位的。
    亲们,打开你们的2.0音箱,或者戴上耳机,我们现在来听一下一首音乐的单声道和立体声的两个版本,体验一下立体声和单声道之间的区别。
    点此播放示例音乐1.4.1点此停止该背景音乐,如需了解该播放器的其他操作,请点击网页顶部导航的“本站无障碍播放器使用说明”!。当我们听立体声音乐的时候,可以听见立体声音乐中各种乐器的位置很清晰,哪个乐器在哪边响,我们都可以很容易的判断出来。整体的声场非常宽阔,大家应该会感觉到,好像乐队就在你面前演奏一样,有一种身临其境的感觉。这就是双声道的立体声的声音感觉。
    点此播放示例音乐1.4.2。当我们听单声道音乐的时候,同样是前面听到的那首音乐,但是单声道版本中,所有的乐器声音都在正中间,我们根本无法判断哪一个乐器在哪一边响。整体声场非常的窄,大家肯定也不会有身临其境的感觉。这就是单声道声音的感觉。
    如果你听不出来这两者的区别,那就赶紧换音箱或者耳机,你的监听设备可能有问题。一定要能明显的听出两个版本的不同,我们才能继续往下聊。
    是什么造成了立体声与单声道这么大的区别呢?就是我前面强调过的,点声源的数量、点声源发出声音的内容、还有你的两只耳朵。
    小妹问:“不对呀,晓波,你刚才说的多个点声源,这个伴奏里的乐器可多了,不只有两个,但是我的耳机就两个喇叭,一左一右啊,这不是只有两个点声源吗,那为什么我能听见所有的乐器都在不同位置演奏呢,这不合逻辑啊?”
    看起来的确不合逻辑,但是千万不要把点声源的数量、点声源播放的内容与人的两只耳朵这三点独立认识,一定要结合起来认识。
    你用音箱也好,耳机也罢,的确只有两组扬声器在发出声音,只有两个点声源,但是这两组扬声器里面发出来的声音内容是不同的,就是因为内容的不同,所以两个点声源发出的声音可以模拟出来多个点声源同时发出声音的感觉。这是立体声重现原理中最为重要的一个环节。我们下面就来聊聊重现立体声的原理。
    立体声的重现,是依靠电子设备来实现的,主要是充分利用哈斯效应(Haas effect)、德·波埃效应(D.Poher effect)和李开试验的结果,来获得高保真的度的重复立体声效果。
    老王连忙插嘴:“得了,又来一堆‘效应’,这还没完没了啦。”我狠狠的捏了捏老王的鼻子,叫你不要总是打岔,你就是不听。哼,认真听讲哈。
    1、哈斯效应。
    哈斯效应也叫优先效应,它指出:如果有两个音质、强弱相同的音源(如一对扬声器),如果延迟在5至35ms(毫秒),在听觉上两个声源合并为一个,只能感到前面的声源,对滞后的声源感觉好像不存在似的。如果延迟在30至50ms时,则开始感觉到滞后声源的存在,但声音来向仍由前面的声源来确定。
    如果延迟大于50ms时,滞后的声源将成为清晰的回声,听者可以明显的听出两个声源的不同方向。
    哈斯效应在室内或室外扩声、布置声场时都是应该仔细考虑的一种效应。作为声源的音箱间分布距离超过17m,便会产生声音重叠,使听音者无法听清声音。
    2、德·波埃效应。
    两只相同的声源对称地分布在听音者的正前方,如果声源的音强基本相同,两只扬声器辐射的声强级差为0,到达听音者耳朵的时间差为0,则听音者感觉到声音只有一个,来自正前方的对称轴上,人耳不能区分出两个声源。如果增加两声源的声强级差,则声源方位(声像)向声音响的那只扬声器偏移,其偏移量大小与声强级差有关。
    当声强级大于15dB时,听者会感觉到声音来自声强级大的那只扬声器。
    如果两只扬声器的声强级差为0,但两个声源有一些时间差,这时听音者感觉到声像向先到达的那只扬声器方向偏移。当时间差大于3ms时,声像好像完全来自声音先到达的那只扬声器。实验表明,声强级差与时间差所引起的效果是类似的,其间可以相互补偿,并且声强级差在15dB以下、时间差在3ms以内时,它们之间呈线性关系,每5dB的声强级差引起的声像偏移相当于两声音引起的时间差1ms的效果,这便是德波埃效应。这种效应说明了人耳同时听多个声源发声的方位感的有限性,也是立体声放声所要利用的效应。
    3、李开实验。
    李开试验是对哈斯效应和德·波埃效应的补充,对左、右声源的声音都能达到听者左右两耳这个交错现象进行详细的描述。简单的说,李开试验证明:两个声源的相位相反时,声像可以超出两个声源以外,甚至跳到听音身后。李开试验还提示,只要适当控制两声源(左、右声道扬声器)的强度、相位,就可以获得一个范围广阔(角度、深度)的声像移动场。
    4、劳氏效应。
    直达声经过延时并倒相180度,叠加在直达声上,使人耳产生空间印象,称为劳氏效应。
    5、视听转移效应。
    听觉对声源方位的判断,同视觉对声源方位的判断有着紧密的联系。有点视力的朋友应该有这样的经验,听觉对声音远近的判断、对两个声源之间距离的判断,都与视觉平时储存于大脑的距离感紧密相连。例如,在大厅里看电影,明明银幕上演员说话的声音是从侧面的扬声器中传出的,然而,听众仍感觉声源在银幕当中。
    视听转移效应在立体声电影、电视和现场立体声传导技术上有着重大的作用,可以使听者产生更具体的声源方位感。
    综上所述,我们就是在电子设备上通过运用前面说的那些原理来实现重现立体声的。
    好了,通过我们前面的讲解,不知道亲们是不是透彻的理解了立体声和立体声重现的原理了呢?我们下面通过几个实例来验证一下我们最初给立体声下的定义——利用多个点声源播放内容不同的声音,这个被人的双耳接收到的声音就是立体声。
    我们现在来听一段一男一女的对话,点此播放示例音乐1.4.3。亲们可以感觉到,两个人的声音都是在正中间的,没有什么空间位置感。也就是说,虽然是两个不同的声音,但是他们实际上只相当于一个点声源。
    现在我们把男生的声音放在左边,女生的声音放在右边,再来播放一下,大家来听听效果,点此播放示例音乐1.4.4。亲们应该可以感觉到,两个人的声音明显是一左一右的,位置区别很清晰,有很明显的空间位置感。也就是说,把两个不同的声音分开了,就是两个点声源同时在发声了。这一次的就是一个有明显立体声感觉的声音。而上一次的就是一个单声道的声音。
    现在我们把女声去掉,只留下男声一个波形,把男声的位置放在正中间,大家再听听看,点此播放示例音乐1.4.5。男生的声音又回到了正中间,又变成了单声道的感觉了。
    我们现在让左边先发出声音,然后右边再发出声音,相差10ms,我们再来听一下效果,点此播放示例音乐1.4.6。这样男生的声音就像是从左边传来的。因为我们的左耳先听到男声,右耳后听到男声。左右两只扬声器发出的声音都是男声,但是由于达到双耳的时间不同,有时间差,所以我们能感觉到声音是从左边传来的。这两个点声源因为存在时间差,因此是属于不同内容的声音。
    两个扬声器就是通过,对左右声声像调节和时间延迟等,来达到模拟多个点声源同时发声的效果的。这也就是我们常说的双声道立体声。当然除了双声道的立体声外,还有更复杂的多声道立体声,比如我们前面提到的5.1与7.1环绕立体声等等。关于这个,不属于我们这次讨论的范畴,以后有机会再说。注意哈,晓波可没说双声道不能重现环绕立体声哈,下面请亲们带上耳机,听一下这段录音,必须是用耳机来听哈,点此播放示例音乐1.4.7。有趣吧,这个录音就是用人头录音录制出来的双声道环绕立体声。关于这方面的内容,我们会在聊录音的时候讲到的。
    我们现在来做一个实验,把男声复制一份,也就是说,把一个波形变成两个波形,然后把原始声音的声像放在左边,复制的那一份声音的声像放在右边,接下来以相同的音量同时播放一下,点此播放示例音乐1.4.8。亲们听到了,虽然我们把男声复制了一份,变成了两个波形,一左一右的放置,但是听起来男声的位置还是在正中间。
    老王问:“那为什么刚才把男女声个放在一边,就有立体声的感觉,而把男声复制一份,各放在一边,就没有立体声的感觉呢,仍然是一个单声道的声音呢?”
因为两个扬声器现在播放的是完全相同的内容,两边的音量相同,也就是没有声级差;两边没有做任何时间延迟,也就是没有时间差;所以自然就没有立体声的感觉了。这说明即使有多个点声源,但是播放的内容完全相同,也不会有立体声的感觉。
    我们接着做实验,把男女声左右各放一边,这一次,把右边的音量降到最低,只让左边有声音,下面来听一下,点此播放示例音乐1.4.9。虽然左边有男女生的声音,只是女声音量稍比男声小,但是还是无法判断出来女声的位置在男声的右侧。
    老长问:“为什么一边响,一边不响,就没有立体声感觉了呢?”因为现在只有左边的扬声器一个点声源了,右边的扬声器不发出声音,所以自然没有立体声的感觉。这样做相当于堵上了你的右耳,只有你的左耳听见声音,所以也没有立体声的感觉。这说明只有一个点声源,或者只有一只耳朵接收声音,那无论生源播放的是什么内容,都不会有立体声的感觉。
    通过以上的演示与实验,我们现在应该知道了想要达到立体声效果,多个点声源、多个点声源播放不同的内容、两只耳朵同时接收声音,这三个要素一个都不能少。亲们应该能辨别什么叫立体声,什么叫单声道了吧。大家齐声回答道:“明白了!”
    在实验一里,我们把男声复制后放在两边,但是两边的声音是一模一样的,所以没有立体声效果,也不是立体声,他是双声道的单声道。而实验二里的,同样也不是立体声,但是这种情况就不要叫做单声道了,可以把他叫做只有左声道,如果只有右边有声音,那就叫做只有右声道,这两种可以统称为只有一个声道。
    立体声、单声道与只有一个声道是三个不同的概念,大家不要混淆了哈。
    总结一下,用双声道来回放声音时,只有一边有声音的就是只有一个声道,两边声音内容一模一样的就是单声道,两边声音内容不一样的就是立体声,这些与有几个声道、有几个波形一点关系都没有的哈。
    小妹说:“说到底,辨别立体声与单声道是站在耳朵的角度来说的。”哎呀,小妹你真是聪明又美丽。就是这样的。
    好了,关于立体声的话题,我们就聊到这里。
    至此,升学基础相关的话题,我们就暂时告一段落。亲们一定要透彻的理解这些内容,因为这些内容将贯穿我们这个扫盲教程。从下次起,晓波将和亲们聊聊乐理、作曲和编曲等音乐制作前期方面的话题。
    点此查看上一篇《声波的特性》点此查看下一篇《戏说乐理和作曲》
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发表于 2015-1-31 14:37:43 | 显示全部楼层
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沙发 葫芦娃说:回楼主王晓波
老王这么快就出修订版的了啊,我觉得这次的版本更严谨了。赞一个!
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音乐小帮家

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发表于 2016-4-29 23:11:54 | 显示全部楼层
板凳 zxljynszbd说:
没想到声音还有这么多门道。
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音乐尖子生

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发表于 2018-10-28 20:01:28 | 显示全部楼层
地板 小旋风说:
王老师,我总觉得听唱片的时候,如果是少量的乐器,如铜管五重奏,里面的这乐器声音要清晰好听,如果是乐队管弦乐的,那里面的铜管乐器就没这五重奏的好听,,那应该就是乐队里的铜管乐器,他离开录音的话筒远了的原因吧,铜管五重奏的那几个铜管乐器,录音靠话筒比较近,,他声音里的高频部分损失小,,所以我感觉听起来音色更加好听一点,更加接近乐器本来的音色,引用,断的损耗。声源越远,到达双耳的信号就越弱,不仅反映在声强上,而且反映在音色上。因为声波的复合性,那些振幅小的声波在传播过程中逐渐减弱,甚至消失,造成音色差异。例如,下雨时,近处的雷声又响又亮,远处的则又低又沉,就是这个道理。这些经验是后天积累的,大脑将这些信息储存,并和以后听
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发表于 2018-10-29 08:31:58 | 显示全部楼层
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5楼 琴韵晓波说:回地板小旋风
恩,是这个道理。
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