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环绕声录音
环绕声技术
随着近年来，随着高密度记录媒体、家庭影院、多媒体计算机、数字信号处理等技术的发展，各种数字视听系统层出不穷，极大的提高了人们对视听效果的感受。
因此环绕声技术得到较大的发展，并广泛的应用在电视，电影，家庭影院，多媒体计算机和虚拟现实等方面。
1、引言
最开始声音的录制和再现都是单声道的，很容易理解单声道只能带给听众空间中某一点的声音信息，丝毫谈不上有空间感，也不能给听众身临其境的感受。
随着电子录音和扬声器的不断发展，人们对完美声音的追求也在不断提升。
在二十世纪50年代中期引入了立体声录音，随即出现了立体声重放系统，可以说60年代是立体声的黄金时期。
在那个时候，唱片公司或音频生产厂商中尚未存在“环绕声”一词。
众所周知双声道立体声的出现是为了真实的再现原声场的声音及其空间信息，使人们在聆听时有身临其境的听觉感受。
在立体声发展的历史上，提出了声级差型、假头型和波阵面型三种不同的立体声系统。
但是双声道立体声系统只能提供有限的前方声场，即提供二维空间的分辨能力，并不能还原360°的空间信息。
在二十世纪七十年代才真正进入环绕声系统的研究。
环绕声首先在电影行业取得巨大成功，然后启发人们将该技术转向家庭和纯音乐领域。
应该说环绕声系统比立体声系统取得的最重要的进步是对空间感的真实塑造，不仅为听众重现了前方声场，对后方声场的声音也可进行了真实还原。
因此随着环绕声技术的不断发展，越来越成为关注的焦点。
2、环绕声拾音技术
环绕声拾音可以说近几年研究者关注的论题。
单声道和立体声拾音技术经过了近半个世纪的研究和发展，已经进入相当成熟的阶段，形成了AB、XY、MS等多种的立体声拾音制式，并广泛的应用在录音领域。
那么随着环绕声重放系统的普及，传统的拾音方式是不是也有改进的地方呢？
在引入环绕声录音这个课题之前，以前环绕声节目的制作是采用分轨录制，后期利用声像电位器的分配和效果上的处理人为制作成环绕声节目，而并不是真正意义上的环绕声重现。
随着这个课题的不断深入，世界各地致力于环绕声研究的单位先后提出了不同的环绕声拾音制式，这些制式的推出主要是从实践中得来，还没有很好的理论依据，相信随着理论的不断深入，将来会有一个统一的标准。
环绕声拾音制式如果能被广泛应用，除了结构简单，易于使用，还应该遵循以下的原则：
1、尽量能利用传统的传声器摆放方式
2、尽量一个传声器对应重放的一个声道
3、尽量不要对传声器拾取的声音进行再处理（时间延时，强度处理或矩阵处理）
归纳目前出现的所有环绕声拾音制式，大概分为三大类：
第一类是分层式环绕声拾音方式，分别使用点传声器，主传声器和环绕传声器；第二类是整体式（3/2）环绕声拾音方式，主传声器和环绕传声器一起使用形成传声器阵列，比如像TSRS拾音制式，FukadaTree拾音制式和INA-5拾音制式等；第三类是声场环绕声拾音制式，例如环绕声球传声器（SurroundSpheremicrophone）KFM360、声场传声器（SoundfieldMicrophoneBformat）等。
下面进行分类介绍。
2.1分层式环绕声拾音方式
2.1.1分层式环绕声拾音方式的声学理论基础
众所周知，音乐会现场录音的艺术表现要求是：
声源有稳定的声像定位；声音能够塑造真实的空间感和现场感；音色不失真。
而分层式环绕声拾音正是从音乐会现场同期录音的艺术表现要求入手而逐步出现的。
传统的立体声拾音方式，虽然可以表现乐队的宽度和纵深感，但是对于在音乐厅中的空间“广阔感”表现就有些不尽人意了。
因此我们应该首先分析直达声、早期反射声、混响声等声学因素对艺术表现的影响，并以此为依据来制定现场传声器的设置及摆放。
根据双耳效应，我们知道人耳可以通过双耳间的时间差，强度差，相位差和音色差对声源进行定位，这也是立体声拾音制式的重要理论依据。
而这些差值主要都是由到达双耳的直达声信号不同引起的。
由此可见直达声对于声源的定位起到极其重要的作用。
早期反射声，尤其是两边侧面墙壁的反射声有塑造真实声场和空间“广阔感”的作用，所谓“广阔感”是指听觉的空间扩散特性，主要是由直达声后约10至80ms时间内（最佳延时范围为15至25ms）从侧面方向到达听音者耳内的早期反射声。
如果早期侧面反射声建立时间短，则可以获得准确的声源定位；而如果早期侧面反射声建立时间慢，则声像被展宽。
研究发现，“广阔感”取决于早期侧面反射声的延时时间、声级、入射角度和频谱。
而混响声是营造空间感最重要的因素。
下表是日本录音师Hamasaki对室内声学因素影响同期录音艺术表现的总结分析：
直达声
早期反射声
混响声
前方声场声源的定位
大
中
小
环境声场
小
大
中
空间感
小
大
大
混响感
小
中
大
音色
大
中
中
后方声场声源的定位
大
中
小
表1室内声学因素对同期录音表现的影响
由此可见，直达声、早期反射声和混响声对同期录音的艺术表现有不同的作用，在实际录音中应该采用不同的录音方式来进行拾取。
2.1.2应用延时设计
在环绕声拾音系统中，更多的采用了多只传声器甚至是传声器阵列的方式，那么由于传声器的不同摆位造成拾取到具有时间差的声音。
为了实现空间印象和深度感的自然声像重现，需要布置延时效果。
下面以“主传声器＋辅助传声器＋混响传声器”的拾音方式为例来说明如何应用延时设计，该理念也适合于其他的多传声器布置。
图1主传声器＋辅助传声器＋混响传声器拾音方式
由上图可以看出辅助传声器距离声源最近，拾取到的声音要早于主传声器的声音，于是听音者会将辅助传声器信号当作直达声，而丢失了对于主传声器所期望的声像特性，使重放的声音显得不自然，缺乏空间深度。
减轻这种空间定位干扰的做法就是加入人工混响，或者是适当补偿主传声器信号的延时。
如果单纯的补偿延时量又会产生声音不自然的情况，即当演员走进辅助传声器时，声音会突然变大。
为了避免这种不良影响并保持主传声器信号给出的空间定位感，应当对辅助传声器信号引入比所需补偿量更多的延时，使其进入早期反射声的范围内。
一般来讲，早期反射声较直达声延时20ms，听音者可以无意识的能感知声音的空间大小。
混响传声器由于一般距声源较远，拾取到的声音较主传声器和辅助传声器有较大的延时。
为了避免由于传声器间距过长（例如主传声器和混响传声器相距10米以上）产生回声现象，往往除了让辅助传声器较主传声器有延时外，还将这两者相对混响传声器也有延时。
2.1.2分层式环绕声拾音系统的构成
第一层：
设置主传声器拾取尽可能多的直达声，获得稳定的声像定位。
第二层：
设置环境传声器，通过对传声器的摆放位置和指向性进行选择与调整，使其拾取更多的反射声，以获得真实的环境感和空间感。
第三层：
再使用人工混响器来补充现场混响的不足。
图2分层式环绕声拾音系统构成
2.1.3主传声器阵列
主传声器主要起到的作用是：
准确的拾取到多种声源的直达声，在重放的前方声场形成准确的定位；此外为了达到前后声场的融合性，主传声器还应拾取到一定的早期反射声和混响声，以便馈送给后方环绕声道。
因此为了达到拾取直达声，获得稳定的声像，主传声器一般摆放在混响半径以内，且多使用有指向性的传声器。
以下是常见的主传声器类型。
（1）OCT（OptimizedCardioidTriangle）制式
OCT制式的发明者是德国的GuentherTheile，主要使用心型和超心型传声器，传声器摆位如图2所示。
图3OCT制式传声器摆放示意图
此种传声器阵列的有效拾音角度为：
该制式由于采用了超心型传声器，而且分别指向左右两边，这样可以保证在音箱L-C和C-R之间形成稳定声像，而在音箱L-R之间几乎不会形成声像，减少了左右声道间的串扰。
但随之带来的问题是系统频率响应不是很好，低频会有一些损失，因此可以选择在两侧再加入两个全指向传声器，将它们拾取的信号通过一个低通滤波器滤出后也送入L、R声道，以提供从20Hz到100Hz的低频声。
有如下的两种变形：
图4OCT制式传声器的变形摆放
图5OCT制式传声器的变形摆放
（2）INA-3心形阵列的布局INA—IdealeNierenAnordnung
INA－3制式是由三只心型传声器构成，传声器摆放如图5所示。
图6INA-3制式传声器摆放
该方式是根据“威廉姆斯曲线”而设计的，可以依据所需的拾音角度计算出a和b的距离：
拾音角度（Ψ）
a
b
100°
69cm
126cm
120°
53cm
92cm
140°
41cm
68cm
160°
32cm
49cm
180°
25cm
35cm
表二不同拾音角度对应的传声器间距
传声器对L-C和R-C能够很好的将前方声场均匀的分离成左右两个立体声场，但是由于三只传声器指向性都是心形，而且距离较近，所以通道间的分离度不够，导致定位的清晰度有所下降。
（3）准同轴传声器拾音制式
该制式传声器排成一直线。
外侧的传声器L、R具有超心形指向性（偏离中心角30°）。
中央传声器具有心形指向特性。
LCR
17.5cm17.5cm
图7准同轴传声器拾音制式
由于L和R采用了超心形传声器，可以在彼此之间提供较好的声道隔离度。
但是由立体声拾音原理我们知道，由于传声器对L-C和C-R间距较近，而且偏离角度较小，使得每个立体声传声器对的拾音角度都较宽，这样在左右两个声场形成了较大的重合区，影响声音定位。
此外由于每对传声器中一个为心形传声器，另外一个为超心形传声器，导致声像的定位分布有些不对称。
（4）DeccaTree拾音制式
DeccaTree拾音制式由三个全方向性传声器以较宽的间隔形成三角形配置。
这种制式早就出现在立体声拾音制式中，主要是以时间差进行声音的定位。
由于传声器间隔较大，且为全指向性传声器，不适合于精确的立体声声像定位。
该制式在保证中央声像定位的基础上，更易于产生出广阔，空间感较强的声场。
图8DeccaTree拾音制式
2.1.4环境传声器的设置
环境传声器的作用分为两个方面：
一是充分拾取反射声和混响声，减少直达声的拾取，避免由于直达声过多造成前方声像定位的不稳定；二是拾取环境声，例如在音乐厅观众的鼓掌声。
因此环境传声器一般使用有指向性的传声器，而且距主传声器阵列有一定距离，通常都放置在混响半径之外。
为了能使得声音前后自然过渡，有时会将前方声道部分信号馈送到环绕声道，或将环绕声道信号馈送到前方声道。
（1）HamasakiSquare
这种制式是由日本录音师Hamasaki发明的，采用了四支八字形指向的传声器组成正方形，如图9，通常放置在音乐厅的中后部位置。
之所以采用八字形传声器并且传声器主轴指向侧面，是为了减少直达声的拾取，由图可以看出正前方的声音垂直进入八字形传声器，很好的抑制了直达音的拾取，而更多的拾取侧面反射声和混响声。
为了能获得良好的主观包围感，传声器阵列通常放置在较高的位置上。
拾取到的四路信号，后两路馈送到环绕声声道，前两路信号馈送到L、R声道，从而保证声场的统一。
图9HamasakiSquare拾音制式
采用八字形传声器虽然可以抑制直达声的拾取，但随之带来低频声拾取不够的问题。
因此为了改善声音的频域特性，会有下面的两种变形：
图10HamasakiSquare变形1图11HamasakiSquare变形2
指向后方的心形传声器可以拾取到从后墙反射过来的反射声，从而增加空间感，改善频率特性。
（2）IRTCross
这个制式是由德国广播技术学院发明的，四支传声器成对角线摆放，形成正方形，示意图如图11所示。
传声器的指向性可以为心形或者全指向型，选择哪种指向性是与所要达到的声道间相关性多少有关。
通常如果采用心形传声器，间距为25cm；如果采用全指向传声器间距为40cm，当然间距的大小可以根据具体的声学环境有所调整。
实验表明，小间距可以获得更准确的环境声（掌声）的声像定位，大间距可以获得更融合的空间感。
拾取到的前LB、RB信号以一定比例馈送到L和R声道，而LS、RS信号馈送到环绕声声道。
图11IRT拾音制式的示意图
IRT拾音制式除了作为环境传声器使用外，偶尔也用于主传声器阵列。
因为它可以看成是两对立体声传声器，一对朝前一对朝后。
图12IRT制式的实物图
（3）双MS制式
双MS制式是从立体声拾音技术演变来的，其实就是2对MS拾音制式的组合，一对朝前一对朝后。
实际应用中常常共用一个S信号，如图13所示，传声器放置在混响半径之外。
与其他环绕声制式一样，前方信号馈送至L和R声道，后方信号馈送至环绕声声道。
图13双MS拾音制式示意图
图14双MS制式的实物图
双MS除了作为环境传声器阵列外，还可单独作为一个整体的环绕声拾音方式。
一种实现方法是共用S信号，传声器阵列位于混响半径之内，如图15所示，拾取到的信号经过声音处理器分离出L、R、LS、RS和C信号。
另外一种方法是独立的两个S信号，如图16所示，图中可以看出前方的MS对位于混响半径之内，更多的拾取直达声；后方的MS对位于混响半径之外，更多的拾取混响声和反射声。
该方式下只产生出了L、R、LS、RS声道的信号，建议在前方摆放一支心形传声器获得C信号。
图15共用S信号的双MS整体环绕声拾音制式
图16使用2个S信号的双MS整体环绕声拾音制式
（4）PCM拾音制式
该拾音制式是由两支PCM传声器组成，将其贴在音乐厅二层的侧墙上，主要拾取侧墙的反射声和混响声。
2.2整体式（3/2）环绕声拾音方式
整体式环绕声拾音方式不同于分层式环绕声拾音，该方式是采用一组传声器阵列，传声器间间距不大，从立体声拾音技术出发，相临的传声器之间可以通过时间差，强度差等因素实现声像定位，只要能有效的控制好传声器之间的串音就可以实现360º的声像定位。
但是有实验证明整体式环绕声拾音方式并不能对侧面和后方进行准确的声像定位，所以360º声像定位的说法是值得商榷的。
根据整体式环绕声拾音方式的声学理论基础，此类拾音方式应遵循以下几点：
（1）由于传声器间距较近，为了避免串音，一般采用有指向性的传声器
（2）为了保证前方中间声音的声像定位，拾取C信号的传声器应距离声源更近一些。
2.2.1TSRS（TureSpaceRecordingSystem）
TSRS拾音制式是由Mora和Jacques在1998年提出的，如图17所示。
图17TSRS环绕声拾音制式
该制式采用了五支心形传声器，放置在混响半径之内。
他们为了验证该制式的定位准确性做了实验：
首先通过标准的5.1环绕声监听系统重放定位在不同位置的噪声脉冲信号，并测量记录了听音者对不同位置的定位特性；然后同样的信号先由TSRS拾音制式拾取（位置摆放在听者的位置），再由环绕声监听系统重放让听音者判断声音的位置。
他们从实验数据可以看出，两次实验都表明侧面的定位情况要普遍差于前方和后方的声源定位，而且侧面定位不准确的情况都很类似。
由此反映出该拾音制式还是一种较为合理的方式。
2.2.2FukadaTree
该制式是由日本录音师Fukada提出的，如图18所示。
它采用了3支心形传声器来拾取前方的声音，应该说是DeccaTree的一种变形。
两支心形传声器指向侧后方主要用来拾取反射声和混响声。
另外有两支全指向性的传声器放在更宽的位置上，是为了呈现管弦乐队的宽度和增强低频特性，将LL和RR拾取到的声音以－4dB或者－6dB的电平值加入到L和R声道。
声音的空间特性靠1.8米的方形来实现，传声器的间隔可以根据录制乐队的大小和队形做调整。
图18FukadaTree环绕声拾音制式
2.2.3INA-5心形阵列的布局
INA-5是INA-3的扩展，即在INA-3的基础上加入两支心形传声器LS和RS，如图19所示。
前方的三个声道就是INA-3,使用心形的传声器。
INA-5实现360º的录音范围是这样进行分配的：
话筒对
录音区域
L-C
-90°-0°
C-R
0°-+90°
R-RS
+90°-+150°
RS-LS
+150°--150°
表三各传声器对间的录音区域
图19INA-5环绕声拾音制式
由表三可以看出为了保证前方180º的录音角度，L-C和R-C的间距都应该很小，而且为了保证拾取的声音在L-C-R之间有合适的声像分布，传声器必须距离声源很近，但是显然这种位置对于环绕声传声器LS和RS是不适合的。
如果为了达到较好的空间声像，就要使得INA-5的位置距离声源有一定的位置，但是随之而来的问题是拾取到的声音会感觉到集中于中央扬声器周围（“中央效应”）。
为了解决这一矛盾就要对前方传声器作出适当的折衷，即减少前方录音角度（90º－110º），将INA-5拉远，放置在混响半径处来得到最佳的直混比。
图20是SPL公司根据该制式生产的商业产品。
该产品增加了一些灵活性，五支传声器的间距、极性和角度都是可以改变的。
通过配置的信号处理器可以将五声道信号缩混成两声道。
图20SPL公司生产的产品
2.2.4Williams拾音制式
Williams是“威廉姆斯曲线”的创始者，他提出的这种制式如图21所示，采用了五支相同的心形传声器。
通过调整传声器间的位置和角度，保证每支传声器的拾音角度是“临界连接”的，每支传声器覆盖的扇区都不会相互交叠，从而涵盖360º的拾音范围。
为了获得良好的声音效果，往往对拾取到的五声道信号使用适当的延时和输入电平的调节。
2.2.5OCT-Surround制式
显而易见OCT-Surround制式是在OCT制式的基础上增加了两支拾取环绕声的传声器构成整体式拾音制式，如图21所示。
图21OCT-Surround拾音制式
2.3声场环绕声拾音制式
这类环绕声拾音制式是以自然逼真还原声场信息为目的，更多的是来模仿人耳听音情况，做到声场的真实重现。
2.3.1环绕声球传声器拾音系统
环绕声球传声器拾音系统不同与其他的拾音制式，它由两部分组成：
声场话筒和控制编码装置，如图22所示。
声音首先由声场传声器进行拾取，然后经过控制器进行编码，同时该控制器还可以对声场传声器进行控制，例如指向性等。
图22环绕声球传声器拾音系统的构成
声场话筒由四个近似交叉重叠的心形电容传声器组成，四个传声器振膜分别指向：
左-前-上、右-后-上、左-后-下、右-前-下。
该传声器具有如下特点：
（1）指向性可连续调整，只需通过控制器就可完成指向性的设置，使用方便。
（2）摆放位置易于调整。
由于声场传声器是一体化的，不需调整传声器间的距离。
在现场录音时，找到最佳听音位置放置即可。
（3）后期缩混的时候可以改变传声器的各种参数。
由于声音信号已经被控制器所记录，此时可以通过软件重新调整话筒的各种参数，这种技术可以很方便的弥补前期的过失。
（4）传声器组合形式的多样性，可以作为单声道、立体声对和环绕声传声器（在专有插件的支持下记录的信号可生成5.1声道）来使用。
该系统拾取的声音有A、B、C、D四种基本格式和G格式组成。
A格式信号是声场传声器自然拾取的声源信号。
B格式是声音信号的记录格式，即声音信号经过声场传声器拾取后，通过MKV控制器编码后，信号以B格式记录。
C格式是B格式信号通过UHJ编码器，成为一系列分级结构的信号格式。
D格式是C格式信号经过UHJ解码器解码后得到的信号。
G格式信号是由B格式通过SP451解码器解码后得到的5.1环绕声信号。
这五种格式信号之间的关系如图23所示。
图23五种格式的关系
综上所述，环绕声球传声器拾音系统突出的优点是对于传声器的没有严格的限制，便于使用；根据扬声器的数量与摆位，解码器可以给出单声道、立体声和多声道的信号。
但是由于该系统必须使用专用的解码器，普及率还不是很高。
2.4环绕声拾音制式的主观评价
环绕声拾音技术发展到现在虽然还没有形成统一的定论，但是不同研究者正试图通过主观评价实验来比较各种环绕声拾音制式，从主观的角度进行分析得出结论。
2001年杜赛尔多夫的PhilipHeck和ChristophRiesberg对四种环绕声拾音制式进行了比较，这种环绕声拾音制式分别是：
OCT+IRT;Willianms；INA－5和Fucada－tree。
他们录制了两段素材：
在音乐厅中录制交响乐和在教堂中录制合唱。
四种拾音制式平行的进行录制，OCT+IRT被放置在离声源较近的位置上获取与其他话筒相同的距离感。
Fucada－tree的L、LL、R和RR与INA-5和Willianms的中置传声器距离声源的距离是相同的，这样Fucada中置传声器与声源的距离是最近的。
他们将每个传声器阵列拾取到的信号混成3/2环绕声，进行主观音质评价。
对被试者提出的问题是：
（1）声源的宽度－你认为声源的宽度感如何？
（2）声源的定位－你认为声源定位的精确性如何？
（3）深度－你认为声源的深度感如何？
（4）通透感－在哪个片段中你可以更容易的找到单个乐器？
（5）空间感－在哪个片段中你可以更好的感觉到你处于这个音乐所录制的真实空间？
被试者一共有81名，每种制式都与其他三种成对比较，被试者并不知道他们听到的是来自哪种制式，然后关注相关的选项，他们有五个可选答案：
（1）A比B好很多
（2）A比B好一些
（3）A比B一样
（4）B比A好一些
（5）B比A好很多
经过统计得到如下的结果：
参数
喜爱度排列
宽度
INA>FUK>WIL>OCT
定位
INA=FUK=WIL=OCT
深度
INA=OCT>FUK=WIL
通透感
INA>FUK>WIL>OCT
空间感
INA>WIL>FUK=OCT
表三主观音质评价统计表
由此可以看出，INA-5是可以获得所有还音所需参数的最好系统，有时与其他的制式拾取参数一样；Williams和Fukada共同处于第二和第三的位置。
除去定位和和深度感外，OCT+IRT有最差的还音参数。
2005年以中国传媒大学录音艺术学院为首联合多家单位也进行了一次主观音质评价实验。
实验使用的素材是在中央音乐学院音乐厅录制的一首钢琴与乐队的协奏曲。
比较的制式包括：
DeccaTree+HamasakiSquare（简记为DT+H）；
INA3+HamasakiSquare（简记为INA3+H）；OCT+HamasakiSquare（简记为OCT+H）；OCT-Surround（简记为OCT-S）；DeccaTree+IRTCross（简记为DT+IRT），现场传声器的摆位如图23[1]所示。
图24现场环绕声拾音制式的摆放
主观评价实验采用了对偶比较法，评价参数包括：
临场感、包围感、乐队宽度、单个声源的定位和乐队深度。
被试者共27名，包括录音学院的学生、老师和专业录音师。
经统计结果如下：
参数
喜爱度排列
定位感
INA3+H>OCT-S>OCT+H>DT+IRT>DT+H
声像宽度
OCT+H>OCT-S>DT+IRT>DT+H>INA3+H
声像深度
DT+IRT>DT+H>OCT-S>OCT+H>INA3+H
包围感
DT+IRT>DT+H>OCT-S>OCT+H>INA3+H
临场感
DT+IRT>OCT-S>DT+H>OCT+H>INA3+H
表四主观评价统计表
通过上面介绍的两次音质主观评价，可以看出虽然进行比较的制式不尽相同，但是
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