1.4 立體聲簡介

1.4.1 立體聲的概念

立體聲系統是由兩個或兩個以上傳聲器、傳輸通路和揚聲器（或耳機）組成的系統，經過適當安排，能使聽者有聲源空間分布的感覺。現在一般所說的立體聲，實際上是對立體聲廣播、立體聲錄音和立體聲重放的簡稱。

人有雙耳，因而人們能夠判斷聲源的方位和空間分布，也就是說，人耳具有感受立體聲場的能力。這就是通常所說的雙耳效應。

當我們收聽一組大型管弦樂隊演奏的轉播時，如果聲音轉播系統只由一只傳聲器拾音（或由幾只傳聲器拾音后混合在一起），經一個放大通道后由一只揚聲器或由一組揚聲器重放出來，就是所謂的單聲道系統，如圖1-8（a）所示。由于這時重放的聲源近似一個點聲源，因而不能反映出實際聲場中管弦樂隊各種樂器的方位和空間分布，與人們在演奏現場聽聲的效果有很大不同，也就是缺乏立體感。這是單聲道重放系統的最大缺點。

為了獲得有立體感的收聽效果，人們最初曾試驗將許多傳聲器排成一個平面垂直地布置在演奏現場舞臺前面，將各只傳聲器分別連接到各自的放大器，然后將各放大器的輸出分別與另一聽聲房間中排列成一個平面的同樣數目的揚聲器一一對應地連接起來。這樣，在聽聲房間中聽聲時，可以獲得與在演奏現場聽聲時非常近似的效果，能夠分辨出各種樂器的方位和空間分布，也就是具有立體感。但隨后發現，布置在演奏現場上方與下方的傳聲器實際作用不大，只要保留一排與樂器高度相當的傳聲器和一排與人耳高度相當的揚聲器效果就已很好。當然，組成一排的傳聲器數目與相應的揚聲器的數目越多，也就是聲道數越多，效果就越好。但是聲道數過多是不實際的。后來試驗只用3個聲道，效果就已足夠好。這就是20世紀50年代寬銀幕立體聲電影所采取的方法。隨后，進一步試驗發現，用兩個聲道（雙聲道）也可以獲得很好的效果，也就是后來的立體聲唱片、立體聲磁帶錄音和立體聲廣播所采取的方式。

雙聲道立體聲傳聲系統如圖1-8（b）所示。它和單聲道系統相比，無論是在音質的改善還是在臨場感的加強，以及如實地重現實際聲場中各個聲源的方位和空間分布方面都有極大的飛躍。但雙聲道立體聲傳聲系統只是在聽聲者的前方重現出聲源的方位和空間分布，還不是從四面八方建立起立體聲場，所以目前已經從立體聲向環繞聲和3D全景聲發展。在上篇中，我們只著重介紹立體聲系統，有關環繞聲的內容將在中篇中介紹。

下面我們先看一下人耳怎樣對聲源定位，然后再來看應當用什么方法來拾音和重放，可以使人們用雙耳聽聲后獲得立體感，從而達到高保真立體聲重放的目的。

1.4.2 人耳對聲源的定位

由于人們有雙耳，所以除了對聲音有響度、音調和音色3種主觀感覺外，還有對聲源的定位能力，即空間印象感覺，也可稱為對聲源的方位感或聲學透視特性。

人耳之所以能辨別聲源的方向，主要是因為下面兩個物理因素：一是聲音到達兩耳的時間差，二是聲音到達兩耳的聲級差。

除此之外，人們的視覺以及經驗等心理因素也有助于對聲源分布狀態的辨別，但這方面在立體聲拾音過程中是無法利用的。

如果聲源在聽聲者右前方較遠處發聲，則到達聽聲者兩耳的聲音，由于距離不同，以及人頭的掩蔽作用，就會產生時間差、相位差和聲級差。下面分別加以說明。

1.聲音到達兩耳的時間差及相位差

如圖1-9所示，假設人頭為球形，在通過人的兩耳與地面平行的平面內，聲波的傳播方向與頭的正前方的夾角為θ。設球體的半徑為a，則聲波到達聽聲人左耳（L點）要比到達右耳（R點）多走一段距離LA+AB。由此可計算出聲波到達兩耳的時間差?t為

式中，c為聲音在空氣中的傳播速度。在1標準大氣壓、15℃時，c = 340m/s。

由式（1-1）可知，?t與θ的正弦成正比。通常，兩耳之間的距離是因人而異的，一般取2a = 21cm，則當θ= 90?時，?t=6.2×10?4s=0.62ms，為最大值。根據式（1-1）可以繪出?t和θ之間的關系曲線，如圖1-10所示。

由式（1-1），我們可以得到純正弦聲波在左右兩耳產生的相位差?φ為

式中，ω為純正弦聲波的角頻率。

由式（1-2）可知，當ω比較小，即為波長較長的低頻聲時（例如，常溫空氣中，20Hz的聲波波長為17m,200Hz的聲波波長為1.7m），由時間差產生的相位差有一定數值，人耳可以根據它來判斷出聲音的方位；當ω比較大，即為波長較短的高頻聲時（例如，常溫空氣中， 10kHz的聲波波長為3.4cm,20kHz的聲波波長為1.7cm），由時間差產生的相位差甚至會超過360?，這時人耳已無法判斷相位是超前還是滯后，不能根據它判斷聲音的方位。所以，相位差只對低頻聲音有用。

通過對式（1-1）和式（1-2）的分析，我們可以得到如下結論。

① 聲音到達兩耳的時間差?t與聲源的方位角有關，可以根據它來確定各聲源的方位。

② 聲音到達兩耳的相位差?φ不僅與聲源方位角有關，而且與聲源的頻率有關，可以根據它來確定低頻聲的方位。

2.聲音到達兩耳的聲級差

如圖1-11所示，由于人頭對聲波的衍射作用，即使聲波傳來的方向相同，由于頻率不同也會對兩耳造成不同的聲級差。對高頻聲（f ＞3kHz），聲波波長小于或等于頭部尺寸，聲波被人頭遮蔽而不能衍射到左耳，所以到達左耳的聲音很小，形成陰影區。聲源偏離中軸線越多，或者頻率越高，兩耳間的聲級差越大。

通過分析不同頻率時兩耳間的聲級差可得出下列結論。

① 對于從正前方附近（θ為0?～40?）或正后方附近（θ為160?～180?）傳到聽聲者處的聲音，兩耳間的聲級差隨聲源方位角θ 的變化較大，即聲源變化一個角度時，聲源在兩耳間產生的聲級差變化較大，也就是曲線斜率變化較大，所以人耳對正前方（或正后方）附近聲源方位變化的反應比較靈敏，或者說定位能力較強。

② 根據試驗，當聲源頻率f =300Hz的聲源由正前方移動到后方時，右耳的聲級變化小于2dB，左耳的聲級變化小于4dB，由聲源方位變化產生的兩耳的聲級差最大約為4dB；當聲源頻率f =6 400Hz時，這一差值可達25dB。所以，對300Hz以下的低頻聲，聲源在兩耳間所產生的聲級差隨聲源方位角θ 的變化很小，即雙耳對低頻聲的定位能力較差。但隨著聲源頻率的增高，兩耳間的聲級差逐漸增大，對聲音定位的能力也逐漸增強。

1.4.3 雙揚聲器聽聲試驗

前面所討論的是一個聲源在不同方位時使人們產生的聽覺印象，下面討論有一定關系的兩個聲源使人們產生的聽覺印象。

將兩個聲源左右對稱地布置在聽聲者面前，并發出相同頻率信號，如圖1-12所示，揚聲器YL和YR為兩個聲源，并設兩只揚聲器的距離等于聽聲者與兩只揚聲器連線中心的距離。圖中θ為揚聲器對聽聲者的半張角，約等于27?。

當饋給兩只揚聲器相同頻率的信號，并且兩只揚聲器發出的聲級相等時，如果兩只揚聲器所發聲音在聽聲者處沒有時間差，聽聲者將只感覺到在兩只揚聲器中間有一聲像，即虛聲源存在，而并不會感覺到是兩個揚聲器在發聲。

1.兩只揚聲器只有聲級差而無時間差時

對兩只揚聲器只有聲級差而無時間差的情況進行研究后，可以歸納出下面的結論：如果使其中一個揚聲器增大發聲的聲級，則聲像將由中間向較大聲級的揚聲器方向偏移，偏移量與兩只揚聲器的聲級差?I的關系如圖1-13所示。當聲級差超過15dB時，聲像就會固定在聲級較大的揚聲器一邊。

2.兩只揚聲器只有時間差而無聲級差時

對兩只揚聲器只有時間差而無聲級差時的情況進行研究后，可以歸納出下列兩點結論。

① 設法使在聽聲者處兩只揚聲器傳來的聲音有時間差，但到達聽聲者處的聲級仍相等。可以將圖1-12中的揚聲器YR向后移到虛線所示位置，使YR傳來的聲音滯后于YL傳來的聲音，并且調整揚聲器YR所發聲音的聲級，使到達聽聲者處聲級與揚聲器YL傳來的聲級相等。這時聽聲者會感到聲像位置向未延時的揚聲器YL方向偏移，并且偏移量與兩揚聲器到達聽聲者處的時間差有關。當時間差小于3ms時，聲像位于正前方與未延時揚聲器之間；當時間差大于3ms而小于30ms時，聲像就會固定在未延時的揚聲器一邊，而感覺不到延時揚聲器的發聲；當時間差大于30ms而小于50ms時，聽聲者會感到延時揚聲器的存在，但仍會感到聲音來自未延時揚聲器；當時間差大于50ms時，聽聲者會感到延時揚聲器所發出的另一清晰的聲音，即產生回聲的效果。

② 當時間差大于3ms而小于50ms時，聲像在未延時揚聲器一邊，延時聲的作用只是加強了未延時聲音的強度，使聽聲者感到聲音更加豐滿。

3.兩只揚聲器既有聲級差又有時間差時

如果兩只揚聲器發出的聲音在聽聲者處既有聲級差又有時間差時，那么，它們的綜合作用就將使聲像偏移增大或減小。適當選取時間差和聲級差，可以使兩者的作用完全抵消，使聽聲者感到聲像的位置仍在兩揚聲器連線的中間。圖1-14所示為聲級差與時間差產生相同效果時兩者之間的關系。可以看出：當?I小于15dB時，?t小于3ms時，它們之間基本上呈線性關系，即1ms時間差相當于5dB聲級差。

4.雙聲道立體聲的正弦定理

由上面的討論可知，通過控制左、右揚聲器所發聲音的強度，就可使聽聲者在聽覺上產生方向感。圖1-15所示的左、右揚聲器YL和YR的特性完全相同，聽聲者位于兩只揚聲器的中分線上，θ為揚聲器的半張角，θI為聲像方位角。

對YL和YR所發聲音的強度IL、IR與θ和θI之間的關系進行研究后，得出近似公式

式中，f≤700Hz時，K=1;f ＞700Hz時，K=1.4。

式（1-3）稱為雙聲道立體聲正弦定理。

1.4.4 雙聲道立體聲的拾音

立體聲廣播或立體聲錄音時對立體聲節目信號的拾音方式，在雙聲道立體聲系統中可分為仿真頭方式、AB方式以及聲級差方式（又可分為XY方式和MS方式）3種。

1.仿真頭方式

仿真頭是用塑料或木材仿照人頭形狀做成的假頭，直徑約18cm。在仿真頭的兩耳內部也做成耳道，并在左右耳道末端分別裝有一只無指向性電容傳聲器，將它們的輸出分別作為左右聲道信號。由于仿真頭中左右傳聲器所拾得的信號與人耳左右鼓膜所得的聲音信號是很近似的，所以也存在聲級差、時間差和相位差等。當將它的左右聲道信號分別經放大器放大后，送到立體聲耳機的左右單元中使人聽聲時，就相當于聽聲者處在仿真頭所在的位置聽聲。

仿真頭方式立體聲系統的臨場感和真實感是很好的。但是用耳機聽立體聲時，會呈現頭中效應，也就是聽聲者會感到聲像出現在頭中兩耳的連線上或在頭頂上。

仿真頭方式立體聲在20世紀70年代高保真立體聲耳機出現以后才得到了發展。現在有些國家的立體聲廣播就采用這種方式。立體聲唱片也有采用這種方式的。

2.AB方式

AB拾音方式是將兩只彼此相距為1.5～2m（也可減小到幾十厘米，視聲源排列寬度而定）、特性完全相同的心形指向性傳聲器置于聲源前方，分別拾音后作為左右聲道信號輸出。

使用這種拾音方式，當聲源不在兩只傳聲器平分線上時，聲源到達兩只傳聲器的路程是不同的。因此，每只傳聲器拾得的信號既有聲級差又有時間差（即相位差），而相位差是隨聲源的頻率改變的。所以，如果將左右信號合起來作單聲道重放時，就必然會產生相位干涉現象，使有的頻率左右信號相位相反而抵消，有的頻率左右信號相位相同而加強，使輸出信號強度隨頻率產生變化。例如，聲源距兩只傳聲器的距離差為34cm，則聲源到達兩只傳聲器的時間差為1ms。對1 000Hz聲音，因波長剛好是34cm，所以到達兩只傳聲器的聲波相位相同，兩者相加時，聲音增強；對500Hz聲音，因波長為68cm，而34cm剛好是半個波長，所以到達兩個傳聲器的聲波相位相反，兩者相加時，聲音抵消。從頻譜上看，會形成與“梳狀濾波器”相似的現象，如圖1-16所示，使聲音聽起來不悅耳。

3.聲級差方式

聲級差拾音方式是將兩只傳聲器一上一下靠緊組成一對，而兩者的主軸形成一定角度，各方向聲源傳到兩只傳聲器的直達聲幾乎沒有距離差，因而只有聲級差而沒有時間差。所以，當將用這種拾音方式拾得的信號合成為單聲道重放時，就不會產生相位干涉現象。根據使用的傳聲器類型和所朝向的方向不同，可以將聲級差方式分為XY和MS兩種方式。

（1）XY方式

XY方式立體聲拾音法所用的兩只傳聲器必須是相同類型并且特性一致的傳聲器，例如兩個心形或兩個“8”字形傳聲器。兩只傳聲器主軸夾角可以是90?，也可以增大到120?，視拾音范圍而定，兩主軸分別與正前方形成相等的夾角。拾音時，指向性主軸朝向左邊的傳聲器輸出的信號送入左聲道，指向性主軸朝向右邊的傳聲器輸出的信號則送入右聲道。

（2）MS方式

MS拾音方式也是用一上一下相靠很近的兩只傳聲器，它的一只傳聲器（M）的指向性主軸對著拾音范圍的中線，而與之正交的傳聲器（S）的指向性主軸則對著兩邊。因此，M傳聲器拾取的是中間的總的聲音信號，即左右的和信號，而S傳聲器則拾取旁邊方向的聲音信號，即左右的差信號，如圖1-17所示。

通常M多采用心形、“8”字形或無指向性的傳聲器，而S則使用“8”字形指向性的傳聲器。

由于M、S兩只傳聲器的信號必須進行和差轉換才能成為左、右聲道的信號，因此在MS立體聲中，必須使用變換電路，如圖1-17所示。

4.多聲道錄音的拾音

目前，歌曲、舞蹈音樂等的立體聲錄音大多采用多聲道錄音法。這種方法是在一個混響時間很短的大型錄音室中進行的。通常將大型錄音室用隔音板隔成若干個小房間，并將樂隊按照樂器的類型分為若干組，例如分為小提琴組、打擊樂器組等，每個組分別在一個小房間中演奏，由各自的傳聲器拾音后經調音臺控制并放大，然后送往多聲道錄音機，分別記錄在磁帶或其他介質聲跡中。通常的多聲道錄音機可以記錄16個或24個聲跡。

錄音時，演員要頭戴耳機，通過耳機使演員不僅能聽到自己演奏的聲音，同時還能聽到其他樂器組演奏的聲音，也就是整體的聲音，以便使演奏能步調一致，融合成一體。

多聲道錄音機也可以單獨用來記錄一條聲跡或重放一條聲跡的錄音。所以對一首樂曲，既可以一次錄制完成，也可以先錄制樂曲的節奏聲，然后再分別讓各種樂器組的演員頭戴耳機按照節奏聲來演奏，即經多次錄音，然后再通過后期加工，得到完整的節目。

在后期加工時，可以對各聲道的聲音分別進行必要的延時，也可以加入適當的人工混響，或者對某些頻率進行補償。在最后合成兩聲道立體聲時，將每一聲道樂器的信號通過調音臺上的聲像電位器，按不同比例分配到左右聲道中，這樣就可以將各種樂器人為地定位在某一方位，使整個樂曲經兩聲道重放時獲得層次分明、立體感強的立體聲。當然也可以通過旋動聲像電位器使某一樂器組的聲音忽左忽右地移動。

聲像電位器是由兩個電位器組合而成的，兩者嚴格地同軸轉動。如圖1-18所示，當一個電位器的阻值按正弦函數增加時，另一個的阻值則按余弦函數減小，兩者的阻值決定了分配給左右聲道的電壓UL和UR。

UL=U0cosθ

UR=U0sinθ

式中，U0為輸入電壓，θ為聲像電位器轉動的角度。由于每個聲道的輸出功率與電壓平方成正比，所以，sin2θ+cos2θ =1，就是說，無論θ為何值，左右聲道輸出的功率之和為一定值。

這種將許多單聲道錄音人為地合成兩聲道立體聲的方法有許多優點。

① 各樂器組可以互不干擾，使錄下的聲音層次分明。

② 不用所有演員都同時演奏，錄音安排可以比較靈活。例如歌唱演員可以在他方便的時候先錄下歌聲，以后再配伴奏。

③ 可以將每組樂器的錄音處理得更細致，使效果更加理想。

④ 如果某一樂器組演奏中有失誤的地方，或樂譜中對某一樂器需要有小的修改時，可以只重錄這一樂器組的聲音。

⑤ 可以做到由一個歌唱演員唱幾重唱，也可以由一個演員演奏幾種樂器。這在舞臺上是不可能的。

對于古典音樂，由于其要求融合感強，所以不用多聲道錄音方式。

1.4.5 雙聲道立體聲的聽音

重放立體聲時的最佳聽音位置是在以左右揚聲器連線為底邊的等邊三角形的頂點A處，如圖1-19所示。當左右揚聲器發出的聲音聲級相同時，在頂點A處聽音，聲像就定位在兩只揚聲器的中央。當左右揚聲器聲級不同時，聲像將向聲級高的揚聲器方向移動。另外，如果左右揚聲器傳來的聲波有相位差，即使聲級相同，聲像也會移動。

如果偏離最佳聽音位置聽音，則聲像都將向偏離的方向移動，立體聲效果就會減弱。