--------------------------------------------------------------------------------
返回目录
小溪深处是何山
——音响、音乐漫谈
--------------------------------------------------------------------------------
王以真
值得推敲的概念
国产音响大展举办了六届，中国音响工业发展有一段历史，但在音响比较热的情况下不免鱼龙混杂，泥沙皆下；也有一些似是而 非的观点在中国音响界流传。
比如说“普通双声道放大器的性能和声场定位的关系”。我们随便翻开一本音响杂志，我们可以看到许多看法。例如评论某 放大器和音箱时用到“音场深度较好”，“纵深感好”、“音场的宽度达到相当高的水平”、“在深度感上表现出极高的水平”、 山“声场极其宽广和深远”……
但是也并不是所有的音响评论都是这样写的，我于是又回头来翻看大陆、港台人士写的一些有关音响器材的评论文章。我特 别注意到许多有经验的音响评论作者，他们着重写的是音色、音质评价，低频如何、中频如何、高频如何，很少涉及声场问题。 涉及声场也很少涉及声场深度问题，我想这不是没有道理的。
目前使用的Hi-Fi音响器材，大多是立体声重放，即两声道重放。因此可以有一个宽度定位问题。单就CD机、放大器、音箱是不 能决定声场的深度，更不能决定三维空间的声场（当然这样有人会有些疑感、反对意见。不妨看完本篇全文）。从九十年代前后开始， 国内兴起一个音响发烧热，这是一件很好的事情。推动了国外优秀的音响器材流入中国，促进了一大批音响器材厂家的发展。形成了 一个广阔的音响器材市场；吸引、培育、发展了一大批音响、音乐的爱好者，兴办了一大批音响杂志、报纸的音响专版，为音响知识 的普及、音乐文化的传播摇旗呐喊、推波助澜；各式各样的展示会、报告会、试听欣赏会都为发烧热的兴起添火加柴。但是不能不看 到我们的基础是太差、太虚弱、太空洞了。而音乐就是一个恢宏无边的文化宝库，音响器材又是兼容现代的尖端科技与传统技术的科 技产品。而我们在音乐与音响方面只是处于启蒙阶段、初级阶段。中国的音乐不太发达，中国古典文化之中，诗歌的水平境界却很高。 唐诗宋词浸透了中国人上千年的灵魂。绘画技术、境界亦不低，有自己独到之处。而中国乐曲则有些单调，正像白居易所写“岂无歌 与村笛，呕哑嘲哳难为听”。
中国的音响技术准备也不足。中国的大学有正规电声专业的为数不
多，现在的一些电声专家不少是半路出家，许多音响技术人员，音响文章的作者都是仓促上阵。
从这个意义上讲，有些误解、有些认识错误，也是可以谅解和原谅的。还不用说音乐本身、音响器材本身博大精深，究其一生未 必能彻底弄清楚。
所以有一个科普工作、知识推广的任务。如果我们广大音乐、音响爱好者、发烧友在一些最基本问题上有一些共识，有一些 一致看法，有一些共同语言，有一些共同的规范化的名词、术语，其意义是很大的。而不同意见的讨论、争论也是必要的、有益 的，甚至是不可缺少的。
我们为什么能辨别声音方位
早几年去世的华南理工大学谢兴甫教授对发展和普及中国的立体声理论和技术作了许多工作，其贡献是不可磨灭的。是他首 先将国外有关立体声的理论介绍到中国并发展研究。所以我们不妨看以下已经被大家所认同的声音定位原理。
一、远近高低各不同——时间差和相位差
苏东坡有一首脍炙人口的咏庐山诗:
横看成岭侧成峰，
远近高低各不同。
不识庐山真面目，
只缘身在此山中。
苏东坡在这里谈山水、叙情怀。研究立体声可以借用一句“远近高低各不同”，主要是由于声波到达倾听者两耳的距离、时间、相位的不同，成为判别
--------------------------------------------------------------------------------
声源方位的依据。
根据许多人的研究，人耳判断声源方向主要与下列因素有关：
1、声音到达双耳的时间差；
2、声音到达双耳的相位差；
3、声音到达双耳的声级差；
4、声音到达双耳的音色差；
5、直达声与连续发射声的声级差；
6、耳廓对声音的反射，也就是说单耳也有定位功能；
7、人体对声音的感受；
8视觉和经验等心理因素的判别，实际上是若干因素的总和作用。
如图1所示，声波A和声波B是同一声源发出的，到达倾听者左右耳的时间不同。如果将倾听者的头部当球体看待， 两耳距离为17cm(人两耳的平均距离为(16.25-17.50cm)，那么沿倾听者正面两耳有一时间差，那么倾听者可以鉴别的最 小偏角，从实验中发现大约为6°。实际上，这种最小偏角往往因人而异，一个在这方面训练有素（乐队指挥）的人，其 鉴别能力远超常人，最小约为3°。
既然声音传到两耳之后一般都有时间差，因此相应的也产生相位差，对于一个正弦信号，一定的时间差相应产生一 定的相位差，不过声波到达两耳的相位差，不仅与声源的方位角有关，而且与声源频率有关。人们对相位差辨别能力比 较差。
二、声级差和音色差
声级是表示声音强度的一个数值。一般的说，从声源分别传到倾听者两耳的声音，由于距离不等和头部的掩蔽作用，以 及耳壳、外耳道的指向性，使声音到达两耳并不完全相同，除了前面提到的时间差以外，还有声级差。有些文章提到的振幅 差和强度差，意义相同。
计算声波经过倾听者头部在两耳产生的声级差实际上有很多困难。通常人们是通过实验的方法来测定。
实验证明声波在两耳间的声级差不仅与声源的方位角有关，而且与声源的频率有关。
这些实验结果是选择一些听力正常的人，经过多次实验所得的统计平均值。
略去一切细节，而撷取有用的结论如下：
1、对于倾听者正前方或正后方附近传来的声音，两耳间的声级差随声源方位角的变化比较大，或者说人耳对正前方 或正后方声源方位变化反映比较灵敏，或者说定位能力较强。
2、这个定位能力与频率有关，在声源频率较低时，如在声源频率f=300Hz以下的低音频范围，声源在两耳间产生的 声级差比较小，所以双耳定位能力差。随着声源频率的提高，在两耳间产生的声级差逐渐加大，对声音定位能力也逐渐 加强。
也就是说，在可听频谱中的较低的频率再现立体声较困难，之所以如此，是由于两耳之间的实际距离造成的。人两 耳距离平均为16.25-17.50cm，正好是800-1000Hz频率波长的一半。频率到300Hz，声波波长为1.147m。这时在两耳产 生的声级差和时间差都非常微小。
3、当声源方位角一定时，由于声源频率的变化，不仅在两耳产生的声级差不同，而且还有音色差。
三、决定声音方位的主要因素
前面提到了由于声音到达两耳存在着时间差和相位差、声级差和音色差，但是我们要进一步问以上其中哪一项因素 起主要作用，还是说各项因素平均起作用。
在实际情况中，时间差、相位差、声级差、音色差往往是同时存在的，而需要判别方向的声音也是千变万化的，有纯音 和噪音，有频率低和频率高的声音，有连续的或短促的声音，这些差别也会反映到方向的判别上。当频率低于1000Hz时，声 波在两耳之间的声级差不显著，只能察觉到抵达两耳信号的相位差。例如：声音到达双耳的相位差曾被用于飞机和潜艇等的 方向定位。但是当频率升高时，情况就发生变化。收听者两耳间产生的相位差逐渐增加，最后达到难于判断相位差是超前还 是滞后，也就无法用相位差来判别方位。此时，声音到达两耳的声级差成为确定声源的方向的主要因素。
总之，对方向定位的作精确解释是困难的， 我们选取一种较为通行的说法。即对于双耳定位来说，用到达收听者两 耳声音的相位差说明中频、低频段定位，用到达收听者两耳的声级差来解释高频段的定位。在3000Hz附近不论相位差、 振幅差都不能用来说明定位的状况，实际上在3000Hz时，人的定位能力最差。这在第一节中我们也提到过，人耳的定位 能力随频率而变。
定位能力不但与频率有关，而且与声音频谱结构有关，即音色有关。如对于像语言、打击声等瞬变声的定位显然比 连续不变的持续声容易。我们也有这样的体会，各种小贩、手工业者招揽顾客都是采用短促、响亮的声音，如梆子、竹 板、小锣等，顾客很容易判断出他们的方位。
--------------------------------------------------------------------------------
上面一些结论适合声源与收听者距离在一米以外的较远的地方，在声源与收听者距离小于一米的情况下，这时对声音的定 位在低频则由声音到达双耳的相位差和声级差共同定位。
以上论述的声音定位指的是水平面定位，而耳还会遇到一个垂直方向定位的问题。有经验的军人往往利用 呼啸而过的枪弹所产生的声音来判断它们的垂直方位，因而估计出敌人的大概位置。至于一般人就要自愧不如如了，人耳对垂直方向的声音定位能力要 比水平方向差，深度定位的能力就更差。
四、两耳垂肩和耳壳效应
“三国演义”里形容刘备是“两耳垂肩，双手过膝”。表明这是一个皇帝、真命天子的福相，那么这样大的耳朵有什么用呢？ 罗贯中他们是说不清楚的。最近有人研究，耳壳对声音定位也有一定作用，在高频定向方面，可能由于耳壳的绕射作用，使后 方声源传来的声音强度较前面传来的低。因此，收听者在高频定向时对前后声源不致弄错。
除了上面叙述的耳壳作用以外，有些学者认为，人的听觉定位机理不单只凭借双耳效应。单耳失聪的人，仍然可以判断声音方位， 也可以将一个人的耳朵掩蔽起来，他仍然可以判断出声音的方向，这可以说明单耳也有定位作用。单耳定位的机理在于耳壳各部位将 声音反射到耳道，由于声音传来的方向不同，这些反射信号到达耳道有极微小的时间差，虽然不过以微秒计算，这些反射信号先后到 达耳道，便会给接收者带来定位信息。由此可见，刘皇叔的双耳垂肩，耳壳大，也许对声音的定位要灵敏一点，这种耳壳定位机理称 之为耳壳效应。
在实际上判定声音的方位不仅仅取决于双耳效应和耳壳效应，对环境的熟悉程度，对声源的熟悉程度都有助于方位的判别。这种 判别声音方位的能力也是可以培养的。
回忆我们自己的经验，在我们仔细判别声音方向时，我们常常利用头部的微小转动来准确判断声音的方位。这可以解释为双耳轴 线位置和声波入射角度都产生了一个微小的变化，增加了声音方位判断的信息。
五、两水中分白鹭洲——德·波埃效应
前面我们讲到立体声的一些基本概念，现在可以稍为接触一下立体声中双声源的一些关系。
最简单的立体声声源是一个双声源，双声源就带来单声源所没有的、特殊的现象。双声源有两只分开的扬声器和两只头戴耳机两 种不同情况，每种情况又有各自不同的特点。
现在我们先看两只扬声器的情况，图2是两只分开的扬声器。
两只扬声器左右对称的张开于收听者面前，并且使张开的距离等于收听者与两扬声器联线中心的距离。
如果加到两个扬声器的信号强度相当，对位于中轴线的听者来说，既没有声级差也没有时间差，收听者听起来并不能将两个声源 分辨，而感到声源在中轴线方向，这是一个重放出来的声像。这个声像位于两只扬声器的中间，形象一点，可借用李白诗句“两水中 分白鹭洲”。如果增大其中一只扬声器发出的声级，则声像的位级差超过15分贝时，声像即固定于声级较大的扬声器处。
如果保持两只扬声器的声级而改变两扬声器传来声音时间的先后，则感到声像向先导的声移动。当时差大于3毫秒时，声 像就好像来自先导的声源。
由此可见，声级差与时间差都能起到使声像移动的作用。
5分贝的声级差相当于1毫秒的时间差所造成的声像移动，这个效应称之为德·波埃效应。
上述两个试验中，如果改变两扬声器对收听者的张角，声像的偏移量也按比例增加或减少。
我们还可以进一步试验，如果两扬声器发出的声音同时具有声级差、时间差两个因素，他们都起作用，当声级差、时间差使声像 偏移方向一致时，综合作用使声像偏移量加大。当两个因素分别单独产生的声像偏移方向相反时，则综合作用的结果使声像偏移量减 小，以至于抵消。也就是说用声级差所产生的声像偏移可以被时间差所产生的声像偏移所抵消或者相反。两者关系都是线性的，可以 相互校正。
注意，本节中所论述的声级差和时间差指的是两个扬声器发出的声音在收听者位置上的差异，与上几节中所述的一个声源发出的 声音在人的左耳和右耳所造成的声级差和时间差显然不是一回事。
从这些试验中我们得到一项最重要的结论是适当改变两只扬声器之间的声音差异时，可以获得所需要的声像位置。立体声重放的 关键就是重放声的声像位置是否与原声场一致，所以这一条结论奠定了近代双声道立体声重放技术的基础。
六、树深时见鹿，溪午不闻钟——优先效应（哈斯效应）
对上述的双扬声器，我们可以连续研究时间差超过几毫秒以上的情况。当两个强度相同而其中一个经过延迟的声音传到倾听者的 耳中时，如果延时在5-30毫秒，听觉上感到声音只来自未经延迟的声源，而并不感到已经延迟声源发出的声音，好像这个滞后声源 并不存在，当延迟时间在30-50毫秒之间时，这时可以识别延迟声源的存在，但是仍然感到声音是来自未经过延迟的声源方向。只有 当延迟时间超过50毫秒时，这时滞后声源成为一个清晰的回声。两个声源的方向分别由它们自己决定，这种现象称为声音的优先效 应，同时称为哈斯效应。这效应与延迟声源的位置无关。
李白在访载兴山道士不遇这首诗中写到“犬吠水声中，桃花带雨浓。树深时见鹿，溪午不闻钟”。这个“溪午不闻钟”可以 解释为喧闹的溪流掩蔽了远处的钟声，是不是也可以解释为由于钟声的延迟，我们已感不到它的存在。
在优先效应中，在延迟时间在30-50毫秒时，延迟声的作用只是提高未经延迟声音的响度并使人们感到声音更丰富（但延 迟时间也不能太长，太长会使清晰度降低）。而响度的提高与功率增加成正比，即当两声源强度相等时，其强度比单独 一个声源时增加三分贝。
哈斯效应有更重要的实际价值。因为我们对立体声的一个中心问题就是要判断声源的方向。在实际遇到的问题往往比较 复杂，例如在一个歌剧院中，会出现若干个声源，这些声源发出声音的时间和声压级会各不相同，即使是演员在独唱，我们 可以听到演员演唱的直达声，各种乐器、伴奏的直达声，两边台口扬声器的直达声、顶棚声柱的直达声、厅堂各方的反射声， 不言而喻这些声音强度不会相同，由于空间和电路的传输，某些声源就会出现延时，那么根据哈斯效应，有些强度相同的声 音，但某一声音延时在5-30毫秒时就会听不到，也就是说某些声音被掩蔽掉了。
根据已经提到过的，在方向定位上时间差和声级差有对应的关系，所以结合本节中提到的，不仅强度相同，存在延迟时 间的两个声音会有掩蔽作用，即使强度不同，具有延迟时间的声音也有掩蔽作用。当然它们之间的关系就要稍为复杂一点， 这里我们就不去详谈了。
先声夺人，拱云托月与后发制人——哈斯效应的应用
哈斯效应的中心是说明当两个声音到达倾听者双耳时，出现延迟的一些现象，它在声源的方向定位上有什么意义呢？
“先声夺人”，这个成语的内在含义，我们这里不去管它，在我们立体声里都可以借用它说明声的延迟现象，我们再归纳 起来说一下。
1、 在我们讨论的哈斯效应（优先效应）中，延迟声的延迟时间小于50毫秒，这时，己能感到延迟声存在，但还不是回 声，它对方向定位不起作用，声像仍在未延迟的方向，即所谓先声夺人。但是这个延迟声也不是处于消极的无所作为的状况， 而是能提高未延迟声的响度，起到一种拱云托月的作用，增加音乐的气氛，使听感更丰满。
当我们在空旷的田野上讲话时，往往会觉得声音单薄，当在室内讲话时，就会觉得收拢些、丰满些。这是因为墙壁、顶 棚等的反射声，以一种延迟声的方式送入人耳而增加了声音的响度。
2、如果在这种情况下，我们不改变延迟时间，只是增加延迟声的强度（这是不难办到的），达到一定程度以后，我们就 会感到这个延迟声的存在，当我们感到这个延迟声和未延迟声的强度相等时，这时延迟声就不再是一个陪衬的角色，而是与 未延迟声平分秋声，分庭抗礼。声像的位置不再是未延迟方向，而是在两个声源中间。
3、如果继续增加延迟声的强度，这时就会感到延迟声的强度大于未延迟声的强度，未延迟声和延迟声的主次关系就会 转化，喧宾夺主，就像拔河一样，声像的方向偏向延迟声的方向。
4、当延迟声强度继续增加，大到相当程度，听觉上就会感到声音只来自延迟声，所谓后发制人，延迟声就会压倒非延 迟声，此时声像就固定在延迟声的方向。未延迟声和延迟声之间固定在延迟声的方向。未延迟声和延迟声之间关系互相转化， 未延迟声这时反而起一个配角作用，增加延迟声的响度和气氛。
在这里我们只是定性的说一下哈斯效应的应用，但是没有提到它们之间的数量关系、延迟声、未延迟声之间的强度差和 时间差究竟是多少，这是可以通过试验求得的。
一场有趣的讨论
前面我们介绍了人们辨别声音方向性的原理，根据上述原理，一般立体声放声系统，人们可以判别两只音箱间音源的方 位，应该是与深度无关的，可是实际上我们的感受怎样呢？
曾经在生产小旋风音箱的惠普公司讲学时,也涉及到声音定位问题。有的朋友说“你讲的道理，我们明白,但是我们实际在听 两只音箱的放声时,会感到有一定深度感,这是什么原因呢?”
我回答说，“因为我们是在一个具体环境放声的，房中有天花板 、地板、各种家具，它们都会有不同程度的反射声。那么空 间任意两点，都会有不同声级、相位的声音到达听者，就会出现一个声源位置。这样若干个直射声和反射声组合就会在空间形成 多个（甚至无穷个）声像位。这就是我们实际感到的声像有深度感、纵深感的原因。很显然，这个空间感只与你聆听现场的建筑、 布置有关，并不是原来实际的空间状态。另外，我们听交响乐时，熟知乐器的位置，这种听众的心理，我们很容易认为定音鼓应 该是从后方发出的，管乐是从右后方发出的”。苏东坡当年 游道场山，有诗云：
出山回望翠云鬟，
碧瓦朱栏缥缈间。
白水田头问行路，
小溪深处是何山。
山色青翠，碧瓦缥缈，小溪蜿蜒泉水清踪。小溪深处又是何处仙山。我们听音乐时，也是如此，弦管齐鸣，我们面前似 乎有一个乐队，纵深排列，小溪深处是何山。尽管我们似乎听到的是一个立体空间，实际上与音乐厅的空间声效不同。不管 是何山，也是一种艺术感受。艺术是美好的，科学是实际的，实话说出来有时会煞风景，又有什么办法呢？
将我们的意见再归纳一下，在两只音箱的立体声重放时，我们可以正确判别声音在两只音箱间的位置。而我们实际感受的深度感、三维空间感，主要要取决于我们当时的听音环境和原来的录音环境，和器材本身的关系都是很小的。
