5.1環繞立體聲混錄棚的系統構成和監聽設計

王 珺

（作者單位：桂林廣播電視臺）

雙聲道立體聲的出現取代了單聲道，大大豐富了人們的聽覺感受。但隨著這些年來，人們對錄音領域的重視與不斷開發，5.1環繞立體聲逐漸受到了更多人的關注。5.1環繞立體聲，是一種比雙聲道立體聲更能真實再現還原自然狀態下的聽音感受的聲音制式，它可以帶給人們更強的空間感和現場感[1]。目前，很多大型的高級影院使用的杜比全景聲，人們在iPad上聆聽到的杜比全景聲音樂，其實都是以5.1環繞立體聲為基礎的。

除此之外，有條件的影視劇都開始采用5.1環繞立體聲制作，尤其體現在電影的制作上。比起制作傳統雙聲道立體聲節目源的混錄棚，5.1電影混錄棚最大的特點之一就體現在監聽系統上。而在目前的中國，合格的5.1電影混錄棚在數量上還是難以滿足大量的電影制作的。

下面，筆者將以在多年前就已經通過國際杜比認證的原央視電影頻道5.1電影混錄棚為實例，著重介紹5.1電影混錄棚的監聽系統和聲學設計上的各項要求和各個方面。

1 5.1環繞立體聲混錄棚的系統構成及實例

討論5.1環繞聲混錄棚的監聽系統前必須先了解清楚什么才是5.1環繞立體聲，它是由哪些部分組成的，在實際的混錄棚中是如何具體設置的。

如同聲音的發展經歷了從單聲道到立體聲再到環繞聲的過程一樣，環繞聲自身也有一個不斷發展和完善的過程。從最早的杜比立體聲到如今層出不窮的各種環繞聲制式，5.1環繞立體聲系統已經成為音頻領域廣泛應用的聲音制式。

1.1 5.1環繞立體聲的系統構成

5.1環繞立體聲系統由6個相對獨立的聲道組成，重放時通過6個揚聲器來實現[1]。左前置、中置、右前置、左環繞和右環繞是5個全頻段聲道，頻率在20 Hz～20 kHz。此外，還有一路超低頻聲道，即LFE聲道，也就是0.1聲道。這樣，就構成了5.1環繞立體聲系統。圖1是影院5.1環繞立體聲的應用效果圖。

圖1 影院5.1環繞立體聲

數字技術進入環繞聲系統解決了原來編解碼矩陣系統中存在的串音和雜音等令人頭疼的問題，使得5.1環繞立體聲得以發展和成熟。目前5.1環繞立體聲領域最具競爭力的兩種制式分別是杜比數字（Dolby Digital）和數字化影院系統（Digital Theater System，DTS）。其中Dolby Digital更為普及，它是杜比公司于20世紀90年代開發出來的，現已成為全世界數碼影音光碟（Digital Versatile Disc-Video，DVD—Video）的制定標準。

這里需要特別注意的是，5.1環繞立體聲相比起原來的環繞聲形式諸如四聲道環繞立體聲有一個最大的特點，那就是LFE聲道的引進，因為低頻往往比中高頻段需要更大的動態。下面，筆者用等響曲線（見圖2）來進行說明。等響曲線是人耳在聽覺頻率范圍內所感受到響度相同的不同頻率純音聲壓級與頻率之間關系的曲線，即在不同頻率下的純音需要達到何種聲壓級，人耳才能獲得一致的聽覺響度。

圖2 等響曲線

如圖2所示，從等響曲線上取100 Hz和1 kHz信號進行分析可發現以下現象。

第一，50 dB聲壓級的1 kHz信號與60 dB聲壓級的100 Hz信號在一條等響曲線上。可見，若要使低頻與中頻獲得同樣的響度，低頻就需要更高的聲壓級。所以，對于5.1系統來說，要使各個頻段聽起來音量一致，低頻往往比中頻需要更大的能量。

第二，在1 kHz時向上提升10 dB跨越的等響曲線的數目要少于在100 Hz時向上提升10 dB跨越的等響曲線數目。可見，人對于低頻的音量變化更為敏感。所以低頻頻率再往低延伸時，音量的變化是很大的。

根據上面兩點，就可以知道為什么要設置LFE聲道和超低音揚聲器了。因為超低音若在5個全頻段揚聲器內與中高頻一樣重放出來，很難擁有跟其他頻段一樣的效果，所以5.1環繞立體聲系統給予了低頻特殊的強化。

5.1環繞立體聲系統配備了低頻管理系統，它在5個全頻段聲道中使用下限為50 Hz、衰減量為12 dB/倍頻程的高通濾波器使高頻通過，再將分立在5個聲道中的低頻抽取出來，和LFE聲道送來的超低頻效果聲信號一起送入超低音揚聲器進行重放。在還音時，低頻管理系統為LFE聲道提供了10 dB的額外的動態余量。圖3是低頻管理系統，圖4具有低頻管理系統的監聽系統。

圖3 低頻管理系統

圖4 具有低頻管理系統的監聽系統

5.1環繞立體聲的LFE聲道在不同的制式中擁有不同的上限頻率。比如，Dolby Digital和DTS對LFE聲道的上限頻率規定分別是120 Hz和80 Hz[2]。但不管使用哪種制式，LFE聲道在參數上有兩點是相同的。

第一，其他主聲道采用48 kHz采樣頻率時，LFE聲道的采樣頻率為240 Hz，頻響寬度為120 Hz。

第二，LFE聲道的重放電平在工作頻帶內比其他主聲道高出10 dB[3]。

1.2 5.1環繞立體聲的混錄棚實例

十年前，中央電視臺（簡稱“央視”）電影頻道的5.1電影混錄棚就已經是一個經過杜比標準認證的5.1環繞立體聲混錄棚，其各項指標都基本符合杜比給出的國際認證標準。本文以這個混錄棚作為一個實例來進行分析，作為對理論的另一個角度的詮釋。

該棚的長寬高分別為12.9 m、7.57 m和5.7 m，可計算出體積為556.62 m3。使用的調音臺是Studer Vistar 7的數字調音臺，它放置在屏幕前約9 m的位置。調音臺的后方設置了沙發，用來幫助錄音師、導演、制片等人進行監聽和審查。

為了減少混錄棚的噪音，大部分其他處理設備都沒有放置在這個房間內，而是放置在混錄棚旁邊的一個機房里。

另外，該混錄棚在監聽系統上也有其相應的設計特點，具體的內容會在后面的闡述中一一說明。

2 5.1環繞立體聲混錄棚的監聽系統

說到5.1混錄棚，就一定要提到其獨特的監聽系統。從一般意義上說，監聽系統在整個錄音過程中都擔任著重放音頻信號的任務，它可以直接帶給錄音師這個聲音素材的具體聽感，一定程度上決定了錄音師的判斷和操作。而且，5.1混錄棚的監聽系統不同于傳統雙聲道立體聲混錄棚的監聽系統，它采用多聲道多揚聲器重放，突破了雙聲道立體聲的聽音感受。

2.1 5.1環繞立體聲的監聽揚聲器設置方案標準

目前國際上對5.1環繞立體聲的監聽揚聲器設置方案主要是依照國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）的標準而定的，即ITU-R BS.775標準。ITU標準揚聲器排列，見圖5。

圖5 ITU標準揚聲器排列

分析圖5，并參照ITU標準，可以得出以下數據和結論：

第一，屏幕1多適用于電視屏幕，聽音距離=3H（2β1=33°）（H為屏幕高度）。屏幕2多適用于投影屏幕，聽音距離=2H（2β2=48°）。

第二，屏幕主揚聲器寬度B=2～4 m。

第三，中置揚聲器與主監聽位置呈0°。左前置、右前置與中置的夾角為±30°。左環繞、右環繞與中置夾角為±100°～±120°，常規下擺放在±110°位置。

第四，所有揚聲器的擺放高度應與人耳的高度一致，但環繞揚聲器可以視情況高于人耳位置放置。

第五，左前置、右前置揚聲器垂直于地面放置，中置揚聲器也以垂直放置為理論值，但要視屏幕的形狀、大小等因素來作出適當的調整。環繞揚聲器可以略微傾向地面放置，傾角不超過15°。

2.2 5.1環繞立體聲混錄棚的監聽系統設計

5.1環繞立體聲混錄棚可以看作是面積較大的5.1環繞立體聲控制室。由于面積大、室內設備較多等各種因素，揚聲器的擺放很難做到ITU標準。例如：為了滿足大空間內的良好監聽效果，工作人員常常將環繞揚聲器設置為多個揚聲器組成的揚聲器組。再比如：當門窗、設備的位置與揚聲器擺放位置沖突時，工作人員應該在其中作出權衡和調整。

2.2.1 調整原則與方法

在調整方案時，有一點原則是必須遵守的，那就是保持監聽揚聲器的一致性，即對應位置的揚聲器相對于整個房間以主監聽和中置揚聲器所在的軸線，在同一高度上對稱安裝，這樣可以保證在監聽位置上得到重放信號具有相同的傳輸特性，獲得準確的聲音信息。

當揚聲器位置與屏幕位置沖突，通常采用升高揚聲器高度的方法。一般來說，人耳在垂直方向上對聲源位置變化的靈敏度要比水平方向的靈敏度低很多[4]。所以，為避開屏幕而將揚聲器作垂直位置上的調整是可行的，對聽音質量產生的影響并不大。但是，也不可將揚聲器放置得太高，因為過高的擺放位置會使直達聲在地面和調音臺表面產生聲反射，對音質產生不好的影響。在大投影屏幕的混錄棚內，通常選擇將揚聲器懸掛在屏幕的后方，但也可理解為提升揚聲器高度的一種，只是沒有懸掛在屏幕的最頂端。它的懸掛高度以重放信號正好達到監聽位置為最佳。

超低音揚聲器的擺放位置在ITU標準中就沒有明確說明，因為低頻指向性弱，所以它的擺放位置確實并不是那么嚴格的，只要可以獲得平直的頻率響應就可以了。

2.2.2 具體的可行性調整方案

2.2.2.1 中置揚聲器

多數情況下，由于中置位置常需要放置屏幕，所以很難將中置揚聲器水平0°、垂直0°進行擺放。在產生矛盾時，筆者給出了如下的調整方案以供選擇。

第一，將中置揚聲器的高度提升，以避開屏幕和調音臺形成的障礙，這樣的選擇常適用于小監視器的控制室。

第二，將中置揚聲器的高度放低，以避開屏幕形成的障礙和調音臺產生的聲反射。

第三，將中置揚聲器放置在屏幕的后面，這是5.1環繞立體聲混錄棚常用的方案。

一般來說，不采用第二種方法，因為設備都放置在地上，若將揚聲器放低，那么重放出來的聲音在傳播過程中極易遇到障礙而被反射，這樣能到達監聽位置的聲音質量就下降了。

通常，即使把揚聲器放置在屏幕后方也是采取懸掛在屏幕后高處的方法，所以下面主要針對第一種和第三種方法在提升高度的控制問題上作出一些分析。

第一，提升中置揚聲器最大的弊端就是揚聲器重放出來的聲音會經過屏幕前地面或調音臺的表面反射到主監聽的位置上。若反射強度大，則會干擾錄音師對音質的判斷。所以，在提升高度的問題上，工作人員通常選擇使中置揚聲器升高到坐在主監聽的位置上平視剛好可以看見整個揚聲器的高度，這樣揚聲器里重放出來的聲音剛好從調音臺的表橋上掠過，進入錄音師的耳朵，可極大減小反射。

第二，人雖然對垂直方向上聲源位置的變化不太敏感，但對于不同頻率的感知是存在的，這是由人頭部帶來的高頻遮蔽效應和低頻繞射效應決定的。所以，在監聽時揚聲器的位置應盡量與聽眾在聽音時與揚聲器的相對高度差不多，只有這樣才能最真實地重現和還原錄音時的效果。

2.2.2.2 左前置、右前置揚聲器

與雙聲道立體聲監聽的標準一樣，左前置和右前置揚聲器的擺放位置呈±30°角。如果說在雙聲道立體聲時代，人們對左右揚聲器間距太大而產生的中空現象感到擔憂的話，那么5.1環繞聲系統中引進的中置揚聲器就解除了人們的顧慮。

當人們把影院中的電影搬到家庭影院中來觀看時，則容易出現一個問題，那就是左右揚聲器的寬度大于屏幕的寬度。據統計，當聲畫形象有15°偏差的時候，50%的人都會感覺到不舒服。而專業人士可以分辨出4°之內的聲畫不對位，所以應將左右前置揚聲器擺放在不大于畫面左右邊框±4°的位置[4]。不過在5.1混錄棚內不會出現這樣的問題，因為屏幕占據了前方整面墻的寬度，只需要按照±30°的原則來放置左右前置揚聲器即可。

2.2.2.3 環繞揚聲器

環繞揚聲器的擺放會相對靈活一些，在ITU標準中，它可以被放置在±100°和±120°的范圍之內。在混錄棚中，環繞揚聲器的擺放有自己的特點。

根據筆者在電影院觀影的經驗，影院中的環繞揚聲器并不是單單通過一左一右兩個揚聲器來實現的。在這么大的一個放映空間里多組環繞揚聲器的使用是十分有必要的。對應的，在5.1混錄棚里也應當采用揚聲器組來擔當環繞揚聲器的重放任務，它能使聲音更有包容感并擴大監聽區域。在擺放時應注意，偶數只環繞揚聲器應在監聽位置的側后方對稱排布，并且在靈敏度、頻率響應等特性上應保持一致。

2.2.2.4 超低音揚聲器

超低音揚聲器的擺放位置可以說是不嚴格的。基于它重放的上限頻率不會超過120 Hz，而人耳對如此低頻的聲音又很難對其準確定位，所以超低音揚聲器的位置沒有明確規定。國際環繞聲技術推薦標準指出，即使不使用低頻效果增強聲道，其重放音質仍然是令人滿意的[5]。一般來說，多數監聽室選擇將超低音揚聲器放置在墻角，因為這個位置可以充分利用地板和墻面充當反射面，使低頻獲得最大的輸出。

但有一種情況會暴露超低音揚聲器的位置。在低頻管理系統中，分頻點上切掉中、高頻的低通濾波器的斜率如果不夠陡峭，那么一部分較高的頻率就會通過超低音揚聲器重放出來，這樣就會使觀眾聽出超低音揚聲器的位置，不利于整個低頻重放的聲場。

2.2.3 5.1環繞立體聲混錄棚的監聽系統設計實例

根據杜比標準，混錄棚的前置揚聲器應嚴格擺放在屏幕后方，而環繞揚聲器應從1/3房間邊長處開始從前往后對稱排列。圖6是杜比標準影院的環繞揚聲器擺放方式。

圖6 杜比標準正確的環繞揚聲器擺放

以央視電影頻道5.1混錄棚為例，該杜比認證的5.1混錄棚的監聽系統是按照杜比標準來進行擺放的。其一，屏幕后方共四組揚聲器，其中三組分別為左、中、右前置揚聲器，均采用JBL3632型號。它們按照與監聽位置±30°的角度懸掛在2 m左右高度的墻上，第四組為超低音揚聲器，為JBL4645型號，放置在墻角處。其二，環繞揚聲器系統一共由12只JBL8330型號的揚聲器組成。在距離屏幕約6 m處開始排布第一個環繞揚聲器，隨之以1.5 m的間距均勻向后排布。后墻的環繞揚聲器以1.2 m的間距均勻排布。均懸掛在約2.1 m的高度上。

從設計上看，屏幕揚聲器嚴格滿足了±30°的ITU標準設置，而環繞揚聲器采用了揚聲器組的形式，它們相對于監聽位置嚴格對稱，高度與屏幕揚聲器相當，并且在布置上可以滿足杜比標準給出的要求。超低音揚聲器放置在墻角，實現了最大輸出的可能。

3 結語

本文是以理論知識為基礎，并結合央視電影頻道5.1電影混錄棚的實地考察共同完成的。理論知識和理論值為本文的論述提供了依據，而實例分析則是從另一個角度驗證了理論分析，具有很強的現實意義。筆者希望能夠通過此文為廣大音頻工程師與錄音師們建立5.1環繞立體聲混錄棚的監聽系統提供一些方法與思考，只有更多的5.1環繞立體聲混錄棚能建成并投入使用，才能使得這項技術能更加普及，并且有更多的5.1環繞立體聲的作品問世。