[理论][转载]漫谈立体声耳机的声场再现

srp

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耳机的指标里，对于音质和声场定位这个主要靠主观听音做出评价的“软指标”无法表述，一个频响曲线相近的不同厂家的耳机，对其音质感觉和声场再现会有较大区别，这已是耳机爱好者们共同的认识。

   耳机音质的不同比较容易理解，人们会想到这和振膜的材料、大小、结构以及耳机腔体的设计有关。正如音箱中的高音喇叭单元，其振膜材料有钛质、铝质、布质、丝娟……等等，其音质的不同人们很容易想象。但是对于耳机声场以及声源定位表现的差异，就较难搞清。

    都是那些因素在影响着耳机声场以及声源定位的重放准确性，到底哪种结构的耳机能够相对准确的播放出原来声音的现场感，这并不是单靠想象就能得出来的结论。

   也许有人会问，声音的定位靠得是“双耳效应”，我们听立体声耳机时都是用双耳，听的都是立体声音乐，耳机声场和定位表现的差异难道还和“双耳定位效应”以外的什么原因有关？答案当然是肯定的。要不我们就无法解释以上的现象。

耳壳效应——另一种声音定位机理

   对声音信号的方位、来向和对集群声音信号的展开感、深受感的感知能力，是人们听觉系统天生所具备的能力。古典声学把人们感知立体声音和声场的机理归结于“双耳效应”。

   “双耳效应”的原理十分复杂，但简单的说，就是人的双耳的位置在头部的两侧，如果声源不在听音人的正前方，而是偏向一边，那么声源到达两耳的距离就不相等，声音到达两耳的时间与相位就有差异，人头如果侧向声源，对其中的一只耳杂还有遮敝作用，因而到达两耳的声压级也有不同。人闪把这种细微的差异与原来存储于大脑的听觉经难进行比较，并迅速做出反应从而辨别出声音的方位。

   可是到了上世纪70年代末期，人们却发现即使是聋了一只耳朵的人，对声音方向仍具有判别能力。如果我们用双手把耳壳后压平，在听音上就会有异样的感觉。这种感觉实际上是对声音方位判断能力的减弱，特别对高频声更是如此。

   当外界声音入射到人耳时，耳壳对声波具有反向作用，耳壳的形状使得这些反射声成为一组具有短延时量的重复声。如（图1）所示。


对于垂直方向的入射声，这些反射声的延时量大约在80~45微秒（μs）左右，对于水平方向的入射声，其反射声的延时量大约在2~20微秒（μs）左右，如（图2a）所示。这是因为人的耳朵是长卵形的，其长轴垂直、短轴水平的缘故。人们从这些反射声的短延时量的范围就可判断出声音是上还是下、是右还是右。如果声音来自人的后面，由于没有反射声人们也会以此做出判断。（见图2a）

   德国一些物理学家认为：耳壳效应造成了类似的“梳状滤波器效应”，如（图2b）所示，“梳状滤波器效应”的形成是由于耳壳反射形成的一组具有不同延时量的反射声与直达声之间的相位干涉引起的，这种相位干涉使人听到的声音出现了梳状波动，入射声角度的不同这种梳状波动的疏密、间隔也不同，因而带来了声音方向的信息。（见图2b）


虽然耳壳效应的物理原因还需要进一步研究搞清，但是它对声音定位的明显作用是不容置疑的，试验表明，它对4kHz~20kHz频段的定位起重要作用。

   特别还要说明的是：耳壳协助声音定位，主要是将每次接收到的声音，与过去存储在大脑里的重复声或梳状波动的记忆进行比较，然后才判断出声音方位。因为每个人的耳壳、耳腔尺寸并不完全相同，因而每个人在大脑存储的记忆是不相同的。换言之，每个人是自动熟悉了自己耳壳、耳腔所形成的这种重复声或梳状波动的。

   耳壳效应的研究提醒人们，如果用耳机听音，要注意不要破坏耳壳效应的作用，因此耳机的结构、耳罩的形式，单就声音定位来讲就显得至关重要了。

“梳状滤波器”的命名由来

   我们听音乐评价为频响平直的曲线，原业到达耳膜的并不是想象（图3）中的曲线a，而是曲线b。曲线b上存在一些具有一定间隔的跌落（这些音隔状况因人而异略有不同），它们的形成是由于耳壳效应、外耳谐振和各种声音的行衍射共同作用的结果。因为这个曲线形状象一把齿朝下的梳子，所以称作“梳状滤波器效应”，这是一种听音固有的自然现象，它包含着声源方位的特定信息。如果这个曲线的跌落间隔和跌落幅度有所变化，人们是可以明显感觉出来。（见图3）

在音频领域，“梳状滤波器效应”还产生在传声器中，传声器中“梳状滤波器效应”的形成是由于直达声和反射声到达传声程差所引起的。它会引起拾取声音信号的染色现象，在实际工作中都采取一定的措施予以削弱或消除。

   这里还要说的是，在电视传播的过程中也有一个“梳状滤波器”的概念，我们知道电视信号，是采用频谱交错原理将色度信号与亮度信号插入在同一谱带里进行传送的，在接收端则使用了一个频率传输性曲线象梳子一样的“梳状滤波器”，通过它把色度信号与亮度信号彻底分离出来，再经过同步亮度信号彻底分离出来，再经过同步栓波和解码、放大，最后输出R（红）、G（绿）、B（兰）信号提供给显像管。这里提到的“梳状滤波器”的概念与前面提到的守全是两回事。由于“梳状滤波器”的字样频繁出现在各种电视机的宣传单和包装箱上，为了防止混淆，觉得还是有必要提一下。

   动圈式耳机有密闭式（闭式）、开放式（开式）和半开放式（半开式）之分，由于其结构的不同听音时也会产生不同的“梳状滤波器”效应，如（图4）所示。（见图4）

   图4（a）是闭式耳机的情况。由于密闭空腔使低频得到了提升，这就使得中低频段的一些耳道自然谐振被掩盖，其它的梳状跌落的幅度、数目、间隔也受到了影响，这就破坏了正常的平直频响的印象，因而一定程度上破坏了声音的真实感。闭式耳机如果阴尼设计不当还会形成轰鸣，使人听起来不舒服。
（见图A）

   图4（b）是开式耳机的情况。开式耳机有一个和大气连接的“通道”，这个通道或是振膜前面的透气耳热，或是振膜后面的透气腔体，有的干脆“双管齐下”前后都通。这个“通道”阴尼掉了低频谐振，消除掉了可能引起的轰鸣感觉，但同时也或多或少的压低了我们所需要的耳道谐振，使正常的“梳状滤波器”效应受到调制，从而在一定程度上也影响了正常的听音条件。（见图B）

   图4（c）是特殊设计的半开式耳机的情况。特殊设计的半开式耳机是奥地利著名电声厂家AKG公司的专有技术，这种结构的耳机耳垫是不透气的，采用的是多振膜系统。耳机主振膜的后腔不直接和大气相通，而是在它的周围分布了六个无源从动振膜，这些从动振膜采用极薄的高顺性材料制成，按照声旁路元件机理工作。并且巧妙地使六个从动振膜振动的相应略有差异，这就模拟了图2中的“梳状滤波器”效应，使听音者产生一个印象，似乎他本人的耳壳也在工作，因而给出一个空间立体感和空间开放的感觉。这种结构的耳机在声场的还原和乐器的定位感上有其明显的优势。（见图4）


立体声耳机听音的专用CD片

   耳机的声场再现除了和耳机的结构有关外，还和选用的CD唱片有很大关系。采用仿真头拾音制式和真人头给拾音制式制作的CD唱片称为仿真头CD唱片和真人头CD唱片，这两种唱片是专为高质量立体声耳机听音制作的。

   立体声的拾音方法主要有：A/B制式、X/Y制式、M/S制式、声像移动器（Pan Pot）制式、仿真头制式、真人头制式、ORTF制式、声场制式等等。

   仿真头拾音和听音系统如（图5）所示。（见图5）

   仿真头是个直径约为18cm的木质或塑胶制的假人头，在它的耳道末端装有两只完全相同的传声器。拾取的信号分别作为立体声L、R声道信号，把这样的两声道信号放大后，供人用立体声耳机听音时，就完全模拟了人在舞台前聆听音乐时的真实状态。因此会产生非常好的临场感。

   仿真头制式属于时间差、相位差和声级差的复合型系统。在这个系统中如果使用扬声器放声的话、听音者左、右耳除了直接听到左、右扬声器发出的声音以外，还能听到它们绕过头部形成的交叉音。听音者所判断出的声像就会与原声场中的声源们置有所不同，由此产生声像畸变，实际的听音感受是声像有些模糊不肖。

   真人头制式是将两只微型传声器，悬挂在音乐演奏现场听音人耳道口处拾取声音信号的方法，它的效果类似于仿真头制式。

   如果在立声耳机听音中，采用仿真头CD唱片和真人头CD唱片，我们就会感受到比其它CD唱片好得多的声场再现效果。

   综上所述，在立体声耳机的听音系统中要实现良好的声场再现效果，一是要尽量选择罩耳式耳垫的耳机或不带耳垫的耳机（如AKG公司的K1000）以求不破坏耳壳的形状；二是尽量选择采用“相位校正技术”的多振膜结构的耳机（如AKG公司的D240M、K240DF）；三是尽量选用仿真头CD唱片和真人头CD唱片。

   当然这种选择标准只是“顾其声场，不及其余”的作法，耳机爱好者们真要获得一件自己心仪的产品，亦然需要根据自己的喜好全面考虑才是.
               
                     ---------------------转自慧聪家电商务网(信息来源:家用电器)

reago

好文章啊!

天涯我读行

顶了再看

blazeln

好多啊，慢慢看。
不错的文章。

iLLogiCo

惠聪真有这样的能人？佩服佩服

srp

最初由 iLLogiCo 发表
[B]惠聪真有这样的能人？佩服佩服 [/B]

:D 的确比较专业了,貌似那边也是转载的
我觉得很有一定参考价值,就弄到这里来大家一起读读;)

csdmq

这样的科普文章要固顶

四季青

非常好的文章，得细细品品味。

zkf_911

顶了

JWang

压根没道理。没有的东西不要硬说有。

srp

最初由 JWang 发表
[B]压根没道理。没有的东西不要硬说有。 [/B]

愿闻其详
我知道:
证明一样东西不存在比证明它存在,要难得多.;)

steel

还是最后一条最重要。“三是尽量选用仿真头CD唱片和真人头CD唱片。”

可惜，如果这样的话，也就没啥唱片可听了。

随便听听

好文章啊!

就是我看了似懂非懂的。

kanex

谁有兴趣研究可以看看《3d sound for virtual reality and multimedia》，好像目前这方面就这本还有点意思 -_______-

galletti

以前看过