基于三声道的环绕立体声系统

张坤　康社仁

摘 要：本文论述的是一种环绕立体声设计方案及实施办法，是一种新型的设计思路，不同于现有的对称式或者多元化扬声器单元布局模式，是以三声道方式呈现，扬声器面向四周的空间。并应用软件的算法处理，以相对简洁有效的办法构成三维立体声场，获得良好的环绕声效果。它结构简单，且体积小，可随意摆放，摆脱了现在人们欣赏环绕声对声源、器材、听音空间等的约束，结构简单，价格低廉，适合一般的殿堂级、家居休闲及电脑多媒体播放环境。

关键词：环绕声；DSP；声道；HRTF

现代音响工程属于声学，影音艺术与电声技术的交叉科学领域，随着社会进步及人民生活水平提高，音响技术飞速发展，若从声音采集和重放模式的发展历程看，大致可分为单声道、双声道、多声道环绕立体声三个阶段。

单声道：它比较原始的声音复制形式，早期的声卡采用较普遍。当通过两个扬声器回放单声道信息时，可明显感觉到声音是从两个音箱传递到我们耳朵里。这种缺乏位置感的简单声音重放方式如今已很少见。

双声道：双声道技术改变了单声道缺乏对声音位置定位这一状况，这也是立体声的概念。声音在录制过程中被分配到两个独立声道，达到很好的声音定位效果。这种技术在音乐欣赏中显得尤为有用，听众可清晰分辨出各种乐器的方向，使音乐更富想象力，更接近临场感受。

多声道：随着技术的进一步发展，人们开始希望在聆听音乐时能有身临其境的感受。传统的立体声系统正在逐渐被环绕声所取代，这就是三维音效。它主旨是为人们带来一个虚拟的声音环境。要达到这一效果仅依靠两只音箱远远不够，1977年杜比实验室成功研发出多声道环绕系统-Dolby Stereo（杜比立体声），音响系统进入5.1声道发展的新局面。

5.1声道声场的全方位三维空间感无疑可给听众一种鲜活的，置身于其中的临场感受，已成为目前音响发展的主流。但也有弊端，复杂的音箱布局结构，对空间的大量占用及相对高昂的价格使它直至目前远没有双声道的立体声音响那么普及。

本文所要探讨的是一种相对简单、实用的新型三维环绕声场系统及由此产生的音响实体。

1 设计理念

这是一种三声道音响架构，通过DSP技术运用，结合硬件结构的深度处理，产生出来一种环绕立体声的声场效果。从理论基础上讲它归属于又不同于SRS技术，确切地说它是对SRS技术的突破和延伸。

2 系统结构

这是一种听音位置不受限制的环绕立体声场系统，由3个声道组成，但共用一个箱体，是一个整体的結构，所以实质上还是一个音箱。三个独立声道在空间上呈相隔120?的方向排列，整个音箱呈现等边三角形的外形。对音箱的箱体容积及喇叭的口径尺寸并不作特别限定，但最少不应低于2寸。

三声道布局

本设计系统的内部构造实体由3个全频喇叭+低音喇叭组成，三个喇叭设计频宽可定为100Hz～18KHz。W1～W3是3个低音喇叭的安放位置，固定喇叭以提升低频份量。在这里用无源的声学共振膜代替。3个声学共振膜与3个全频喇叭相互均匀间隔放置，并与三个喇叭处于同一平面，同样相隔120?。于是形成一个3+3的圆周形布局结构，而这三个声道在物理空间上是相通的，即每个声道不各自独立，而是共用一个音箱腔体，使聆听者无论身处音箱哪个角度，都会获得均匀的听觉感受。因它发出的声音本身是面向四周的三维立体空间，并受各方向墙壁的反射与折射，更有助于三维立体声场的形成。经实地声学测试，先后尝试用四组、五组声道的扬声器单元对比，发现以圆周形布局的声道，采用三组单元即可达到预计的“较好程度”。

3 工作机理

该系统应用DSP数据处理机制，外部输入的音频信号无论是数字还是模拟，都要转换为数字信号进行处理，通过DSP的算法分析，将处理后的音频数据以不同成份输出，三个声道上得到不同音频分量：CH1通道上分配的是L+R，CH2是L-R，CH3是R-L。这里每个声道采用的是D类的功率放大器。

研究发现，人类耹听系统由于耳廓、耳道结构的复杂性，对正面和侧面来的同样声音人耳感觉的频响曲线不同。

在本设计系统中，应用DSP对音频信号数据进行处理，首先将单纯的L、R信号变为L+R、L-R、R-L三个不同的音频分量，然后通过一系列的算法进一步处理包含反射声的L-R和R-L互差信号，将它按上述b曲线轨迹提升。根据人耳感觉反射声特定的频响特性，把原有a曲线范围内的频率补偿强化，使人耳能听到的如同侧面进入的音频量，后输送到CH2和CH3通道放大输出。L+R信号中侧重表现的是中央声道的公共信息，包含所有的直接声和中间声（如对话、歌声）；互差信号L-R、R-L则包含环绕声信号，包括可分辩出的反射声、回声等。

而本设计在音频份量的分配上与上面提到的SRS有根本性的不同，SRS的扬声器单元仍是建立在立体声技术基础上，但它是将处理后的音频分量混合分配到L和R中。

经过处理后重现声场，符合HRTF听音规则，聆听者听到的声音是从空间中产生，而不是单从扬声器发出。而又因三个声道的喇叭是朝向360?的空间，所以当声音从人的头部上下、左右不同方向传送到人耳时，会受到外耳廓不同角度的反射影响，发生不同的延伸和幅度、频率变化，在人脑中就会产生出声音的三维定位。

4 辅助设计

本系统还包含低音单元的设计，类同于5.1声道之".1"声道（超低音）。W1～W3是低音单元的位置，这三个位置如果用实体的低音喇叭，只需在任何位置安放一低频扬声器即可，但本设计采用的是三只无源的声学共振膜替代实体的低音喇叭，这也是本设计系统颇具特色之处。由于声学共振的作用，用三只共振膜所产生的低频提升，和用实体的喇叭几乎是相差无几的，由于三只对称地呈圆周分布排列，更符合环绕声特点，使聆听者会感受到均匀的低频分量。且无源声学共振膜的应用也减轻了放大器负担，降低了功耗。

本系统另外一个特别之处是为此系统专门设计的可旋转式的音箱支架。由于音箱的扬声器单元是面向四周360?空间的，这样就使旋转成为可能。以此系统设计的产品体积小，可放置在旋转式的箱体支架上转动，显得特富动感美。

综上所述，本设计系统的声道单元的空间物理布局结构，加上数字信号处理的综合作用，使整个系统呈现一个高中低音层次分明、有立体环绕声音效的的三维声场，且相对简单，仅一只音箱，体积小，有不受空间环境限制的随意摆放性。

5 结束语

这种架构的音响系统目前比较接近家庭， 我们无论坐在房间的任何位置，哪怕是在房间里走动， 仍能接受到优美动听的环绕声效果。尽管它离理想的多声道环绕立体声还有一定差距，但它另辟溪径，以独特的三声道架构开创了一个环绕立体声的新模式，且成本相对低廉，对空间的要求极低，使它具有较大的市场潜力及广阔的发展前景。

参考文献

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作者简介

张坤（1976-），男，汉族，河南周口市，河南南阳理工学院电子与电气工程系，工程师，讲师，主要从事电子产品及音响产品的设计开发