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耳机原理与奥秘 3D环绕音效如何录出来?

发布时间:2020-07-31  浏览量:522  点赞:346

    耳机原理与奥秘 3D环绕音效如何录出来?

    人类只有两只耳朵、一左一右,但是我们不仅能听见来自四面八方的声音、分辨声音是从左方还是右方发出,甚至我们还能听出声音在「前后」或是「上下」,能够感受到垄罩着我们的三度空间音场,当我们使用多声道音响系统播放电影或是现场音乐会,只要调校得当,就能明确分辨各个声音的所在方位、距离与高度。

    这就怪了:不管我们听多声道音响系统、或者是戴起耳机聆听,都一样是「用两只耳朵听」啊?为什幺听多声道系统「用喇叭发声」可以让我们具体感受到音像的位置与音场,「戴耳机」却无法感受到、只能感觉到音像「偏左」、「偏右」或「居中」的差别呢?

    要是我直接拿两支麦克风当成耳朵,一支朝向左前方(代表左耳)、另一支朝向右前方(代表右耳),两只麦克风头的距离和我双耳的距离一样,当我在路上遇到街头艺人的时候用此两支麦克风录音,录下后回家用耳机听到的结果是:明明艺人在我的前方、路人观众在我的两侧和后方,但是听起来所有的声音还是在我的「双耳之间」,感觉所有音像仍是在我的「头壳里面」。

    到底少了什幺条件才会没有办法重现当时的「三度空间音场」?难不成耳朵就是和麦克风不一样?

    人类为何能「听声辨位」?

    回归到问题的原点:人类只有两只耳朵、为何能感觉到三度空间的声音?数十年来专家们的研究认为人之所以能「听音辨位」是因为以下几项要素:

    1.双耳听到同一个声音的时间差(interaural time differences,ITD):对于一个「非连续性」的猝发声响,若音像位置在右侧,右耳会比左耳「先听见」这个声音,所以我们会判断这个声音是在我们的右边,这是我们判断声音方位的「线索」之一。

    至于「连续的声音」则会因为声音偏左或偏右、声音到达双耳时间的差异使「双耳接收到的声音相位不一致」,这也是判断声音方位的线索之一,但是对于太低的频率(200Hz以下)因为声波的波长太长、双耳之间的相位差太小,太高频率的声波(例如10kHz以上)波长又太短容易使双耳听见的相位差大到360度以上而失去判断能力,因此相位差也只是判断方位的条件之一。

    2.另一项要素是左右耳「音压」的差异(interaural level differences ,ILD),例如现在有一个声音在我们的左方,因为比较靠近左耳,所以左耳听到的音压大于右耳,所以我们会判断出声音在偏左的位置。

    3.第三项要素是「音色」,这项要素可以提供两种听感线索:其一是「距离」,从声波的波形来看,自然界的声音绝大部分都不是「单纯的」、而是由基音与泛音构成的複合波,而泛音就是造成音色差异的谐波成分,当发声源距离我们愈远,不仅音压会下降、而且高次谐波衰减的比例(幅度)会比基音高得多,使「音色产生了变化」,距离愈远、高次谐波衰减的程度愈大。

    这是我们可以从听感判别发声源「距离」的重要线索之一(另外「音压大小」、「直接音与空间反射音的比例」以及「直接音与空间初期反射音的时间差」也是判断距离远近的因素)。

    再者是「双耳听到的音色差异」,例如发声源在右方,右耳听到的声音就会比较「直接」,而左耳听到的声音有蛮大的比例是经过脸部、头部、身体的反射与绕射,这些因素都会使发声源的音色改变,因此左右耳听到的音色不同,这也是人类听感判断发声源位置的线索之一。

    4.单耳效应(或称「耳廓效应」):以上的三项都是凭藉着「双耳」听见的时间差、音压差与音色差别来分辨音源的方向与位置,但是到了1970年代,研究者发现:就算是「只有单耳听得到声音」的人、仍然有「听音辨位」的能力!

    这就是因为「耳廓效应」的关係:耳廓(也就是俗称的「耳朵」)有反射、聚集声音能量的功能,但耳廓是呈「不规则形」,因此当声音从不同的方位、高度射向耳廓时,耳廓反射声波进入耳道的状况也不相同。

    从不同方向经过耳廓反射进入耳道的声音与「直入耳道」的声音相较,就会有微小的「延迟时间」差异,发声源高度(垂直方向)的差异会使耳廓反射音的延迟时间造成20至45μs的变化,而水平方向耳廓反射音的延迟时间範围则为2至20μs。

    先前的研究认为人类之所以能判断声音的高低与方位、就是因为大脑可以反应耳廓对于不同方向反射音延迟时间的差异,但是后来又有研究者认为前述只说明了单耳效应的一部分,当耳廓反射不同方向的声音时、会对原来的声音造成不一样程度、状态的「梳型滤波效应」,讲得白话一点:即使视同一个音源、当我们改变它与聆听者的相对位置时,由于梳型滤波效应在相异角度的影响不同、使得聆听者听到的频率响应(频谱)不一样。

    我举一个极端的例子:当发声源在聆听者后方,耳廓造成的梳型滤波效应降到极低,耳朵接收到的「直接音」也相对较低,相对听到的身体各部(头、肩)反射音与绕射音的比例较高(频谱与直接音也有颇大差异),把这些因素加总起来、经过大脑的处理,我们就可以辨认出声音是在后方。

    HRTF头部关连传导函数

    经过长年研究,科学家们已经归纳出人类之所以能听音辨位的三大因素:那就是双耳时间差(ITD)、双耳音压差(ILD)和频谱线索(Spectral Cues),并且以这三大因素推导出HRTF(head-related transfer function ,头部关连传导函数),自此之后,只要能够掌握ITD、ILD与Spectral Cues,就能掌握录音中任何一个音像「与聆听者的相对位置」。

    听耳机之所以「感受不到音场」,主因就在于「声音几乎都是直接灌进耳道」,缺少了耳廓、身体、头部造成的频谱影响,缺乏了「Spectral Cues」使我们难以判断声音的正确位置(尤其是发声源的高低与前后),既然已经知道戴着耳机听就是少了这项条件,能不能把它加进去呢?答案是肯定的!

    假人头录音(Dummy Hed Recording)

    最单纯的想法就是要用两支麦克风「当成人耳」来录音,光是用麦克风是不够的、还要模拟「耳道之外的条件」,所以就要製作成「人的样子」:有「人头」、有「耳廓」、甚至还有「肩膀和身体」来模拟声波受到人体各部反射、绕射之后的结果,再把两支麦克风装在它的「耳道」之中,这样製作出来的「人型双麦克风系统」称为「假人头」(Dummy Head),或者称为「头与身体模拟器」(Head And Torso Simulator,HATS)。

    1933年AT&T贝尔实验室在芝加哥世界博览会展出了一个暱称为Oscar的机器人,它不只是假「人头」、而是真的作成人的样貌(还穿着西装),在「他」的双耳中就藏着麦克风,当时的民众带着耳机、听「Oscar听见的声音」感觉非常新奇,但是它只有「电话一般的音质」。

    耳机原理与奥秘 3D环绕音效如何录出来?

    最早的「假人头」可不只是有人头而已,贝尔实验室在1930年代研发的「Oscar」是假人头的鼻祖,他就是作成人的形状、在双耳的位置收音。

    真正开始把「假人头」应用在Hi-Fi录音则是在四十年之后:1972年德国麦克风名厂Neumann发表了一款假人头麦克风「KU80」、次年正式应用在Hi-Fi录音,后来KU80又演化为KU81,林俊杰在发行的「和自己对话」专辑则是採用Neumann的KU100假人头麦克风录音。

    假人头录音是二声道、它和一般的二声道录音有什幺不一样?在「用耳机听」的状况下,假人头录音可以呈现出「三度空间音场」,能够让我们分辨音像是在哪个位置,不只是「左右」而已,还能听到音像在我们的前后、高度比我们高或低,这样的「环绕音效」并非「人工作出来的效果」,而是「假人头」模拟人类在现场「听到」的状况。您想听听看假人头录音的效果吗?

    耳机原理与奥秘 3D环绕音效如何录出来?

    林俊杰「和自己对话」这张专辑号称是亚洲第一张假人头录音专辑,所以要听到最佳的音场效果,务必要戴着耳机聆听。

    您可以上YouTube、用关键词「Dummy Head Recording」或「binaural recording」搜寻,就可以找到一堆相关影片,请记得「一定要戴着耳机听」,您将会感受到非常自然、真实的音场与音像定位,甚至在某些片段中还能明确听见「声音在后面」呢!

    耳机的3D环绕音效

    耳机原理与奥秘 3D环绕音效如何录出来?

    像「Dummy Head Recording」这类的「耳机环绕音效」,目前主要是应用在电玩耳机(耳麦),而虚拟实境(VR)从2016年开始成为热门话题,结合头戴显示器与耳机环绕音效,带给玩家身历其境的感受。

    假人头录音能够录下「真实世界的」三度空间音场与音像,而HRTF的应用还不只如此,这方面的专业人员利用HRTF的原理製作应用程式,用电脑来处理音讯,就能让已经录下的声音、已经做好的音效,这些「声音物件」的位置,想让它们出现在哪个方位、高度都行。

    录製音乐软体时可以不用「假人头录音」,只要把人声与乐器这些「声音物件」单独录下来,利用HRTF的应用程式就能把各个声音物件放在不同的位置,例如主唱在正前方、钢琴在前方偏左、两把吉他在有两侧、和声歌手在背后,经过这样的处理之后,用耳机就能听到「被人声和乐器包围」的感觉。

    HRTF处理也应用在第一人称的电玩游戏,戴着耳机就会听到前面有砲击、上方有飞机越过头顶、后方有脚步声⋯⋯等等。既然电玩游戏能利用HRTF的原理作出「耳机的3D环绕音效」,当然也能够以相同的手法处理电影音效、在播放电影软体时戴着耳机就能听到环绕效果,这并不是空谈、现在就有这样的应用。

    耳机原理与奥秘 3D环绕音效如何录出来?

    2014年Amazon推出的平板电脑「Fire HDX 8.9」就能对应Dolby Atmos、并经由HRTF处理让玩家都听到三度空间音效,平板电脑都做到这种程度了,内建Dolby Atmos解码的环绕扩大机也要赶快跟上吧!

    其中最有有名的例子就是「Dolby Headphone」,它不只能运用DSP晶片作HRTF的运算处理、把二声道讯源作「虚拟环绕」的转换,还能直接把5.1、甚至7.1声道音讯转换成「给耳机听的」环绕音效。

    现在电影音效已经进化到「Object-based」时代,在「有装上方喇叭的多声道系统上」、Dolby Atmos和dts:X都能让我们感受到三度空间音场、明确呈现出「音像在哪个高度」,这样的效果也能在耳机实现吗?

    2014年Amazon推出的平板电脑「Fire HDX 8.9」就有「给耳机用的Dolby Atmos」,同样也是利用HRTF把Dolby Atmos的「声音物件构成的三度空间音场」转换成为「耳机的3D环绕音效」,只是现在採用Dolby Atmos的影片档还很稀少,我希望这样的作法能应用成为「环绕扩大机附属功能」,让玩家能戴着耳机听见BD、UHD BD软体的Dolby Atmos和dts:X音效。