立體音響的形成
探討立體音響之前,說明一些聲音的物理性自然現象,將有助於我們了解立體音場的認識。首先,聲音與光線比較起來,聲音擴散的速度比較慢,在正常的溫度與大氣壓力的狀態下,聲音的速度大約為每秒334公尺,為了解我們如何感受空間感聽覺的現象,聲音從音源傳到聆聽者或麥克風的時間(例如個人說話或音樂演奏的樂器聲)很重要,而且一定得仔細的考量。
要想了解立體聲就必須先研究MONO聲或單聲道音響。早期有好幾十年,唱片界及電影音響系統是採用MONO系統,簡單的聲音利用一支麥克風拾取音響用一個聲道傳送至使用一個喇叭的再生系統,聲音是滿意可接受,但是總是感覺少了什麼!於是有人嘗試使用多支麥克風錄音,但仍然是MONO聲道,就算多支喇叭一起放音,也還是MONO系統,但是多支喇叭或多支麥克風在MONO系統裡,有可
能使訊號失真。
科技的進步帶給聲音傳送技術很大的發展成果,利用兩隻喇叭重播立體聲訊號的經驗和利用同樣兩支喇叭重播MONO聲道的訊號是截然不同的聆聽經驗,立體系統基本的型式是利用兩個有關係但是獨立拾音與傳送的聲道,此第二聲道的介紹發展,帶給重播音響系統高級技術很大的進步,重播MONO聲道,音響顯得較肥碩,只有一度空間,缺少了現場表演所營造出的空間定位感。
兩聲道立體音響訊號提供的音響較豐富,較完整,較自然。立體效果主要依賴數種人類耳朵與頭腦可以解讀的某些特殊訊息,這些特殊訊息讓我們收到的不僅是更真實的音樂表演節目,還包括了表演場地本身獨有的音場特性。最簡單的立體錄音技術,就是利用兩支麥克風放在音源正前方,麥克風可為全指向性,其吸收任何方向傳來訊號的靈敏度都相等,兩支麥克風之間擺設的距離是很重要的參數,發聲的音源可以一個以上,拾音的麥克風座落在不同的位置,因此每支麥克風對同一個音源的收音必定稍有不同。
舞台樂隊中,小喇叭的位置較靠近右邊的麥克風,因此小喇叭的聲音強度右聲道會比左聲道強,也因為比較靠近右邊的麥克風,因此小喇叭的聲音會比較先到達右邊麥克風,差距很微小,但是很重要,這些複雜的強度差別及兩支麥克風拾音時機的差異,需要仔細的剖析,因為他們是立體效應的主要關鍵!
因為兩個立體聲道的訊號存在差異,小喇叭的聲音顯得比較真實,樂器在立體音場中的相對位置的觀念與某些表演場地獨有特性,也因此可以感覺出來,聲音從遠處牆壁反射回來(殘響),可以豐富樂器的特色,也提供了表演場所空間大小的提示,以及該室內空間反射音的多寡。麥克風距離音源越近,強勢的直接音就能主宰佔弱勢的反射音,相反的,麥克風距離音源越遠,強勢的間接音就會主宰佔弱勢的整體音響。當聲音從立體音響設備重播出來時,就能表現出更準確,更完整的音樂廳音場印象。
要想了解立體聲就必須先研究MONO聲或單聲道音響。早期有好幾十年,唱片界及電影音響系統是採用MONO系統,簡單的聲音利用一支麥克風拾取音響用一個聲道傳送至使用一個喇叭的再生系統,聲音是滿意可接受,但是總是感覺少了什麼!於是有人嘗試使用多支麥克風錄音,但仍然是MONO聲道,就算多支喇叭一起放音,也還是MONO系統,但是多支喇叭或多支麥克風在MONO系統裡,有可
能使訊號失真。
科技的進步帶給聲音傳送技術很大的發展成果,利用兩隻喇叭重播立體聲訊號的經驗和利用同樣兩支喇叭重播MONO聲道的訊號是截然不同的聆聽經驗,立體系統基本的型式是利用兩個有關係但是獨立拾音與傳送的聲道,此第二聲道的介紹發展,帶給重播音響系統高級技術很大的進步,重播MONO聲道,音響顯得較肥碩,只有一度空間,缺少了現場表演所營造出的空間定位感。
兩聲道立體音響訊號提供的音響較豐富,較完整,較自然。立體效果主要依賴數種人類耳朵與頭腦可以解讀的某些特殊訊息,這些特殊訊息讓我們收到的不僅是更真實的音樂表演節目,還包括了表演場地本身獨有的音場特性。最簡單的立體錄音技術,就是利用兩支麥克風放在音源正前方,麥克風可為全指向性,其吸收任何方向傳來訊號的靈敏度都相等,兩支麥克風之間擺設的距離是很重要的參數,發聲的音源可以一個以上,拾音的麥克風座落在不同的位置,因此每支麥克風對同一個音源的收音必定稍有不同。
舞台樂隊中,小喇叭的位置較靠近右邊的麥克風,因此小喇叭的聲音強度右聲道會比左聲道強,也因為比較靠近右邊的麥克風,因此小喇叭的聲音會比較先到達右邊麥克風,差距很微小,但是很重要,這些複雜的強度差別及兩支麥克風拾音時機的差異,需要仔細的剖析,因為他們是立體效應的主要關鍵!
因為兩個立體聲道的訊號存在差異,小喇叭的聲音顯得比較真實,樂器在立體音場中的相對位置的觀念與某些表演場地獨有特性,也因此可以感覺出來,聲音從遠處牆壁反射回來(殘響),可以豐富樂器的特色,也提供了表演場所空間大小的提示,以及該室內空間反射音的多寡。麥克風距離音源越近,強勢的直接音就能主宰佔弱勢的反射音,相反的,麥克風距離音源越遠,強勢的間接音就會主宰佔弱勢的整體音響。當聲音從立體音響設備重播出來時,就能表現出更準確,更完整的音樂廳音場印象。
Shotgun Microphone 槍型麥克風
Shotgun Microphone 槍型麥克風也稱為Interference Tube Microphone干涉管麥克風。
1938年OLSON教授發明Shotgun microphone 蝦槓麥克風的叫法,得之於麥克風外形及其指向的特性,麥克風最重要的特性就是靈敏度及指向性,假設有一個固定壓力的音源,音源與麥克風的距離變遠或變近時,如果想得到恆定的輸出電平時,就必須控制放大系統的增益使之變強或變弱,然而間接音有時會和直接音量相等,此時該音源就顯得不能被利用,還好音源與麥克風之間距離的限制可以利用增加麥克風靈敏度,或用改變指向性來減少殘響效果或噪音的拾取,以克服收音的困難,干涉管麥克風就有這兩種特殊的特性。
通常干涉管裝在震膜上,而麥克風由四個部份組成:
1. 干涉管由一個前方收音口及數個側面收音口,由纖維或其他阻尼物質遮蔽。
2. 具有震膜及Counter Electrode反電極的音頭。
3. 後方收音口。
4. 電子線路。
指向特性基於兩個不同的原則:
(a) 低頻率範圍,干涉管麥克風好像一台第一階(每八度衰減6dB)指向性諧調器,在震膜之前的干涉管可以視為一種利用管內的空氣音量及側面的洞孔,或干涉管的裂縫所決定阻力的自然發聲元件,後收音口設計成為一個低通濾波器,來作相位轉移的工作,以達到指定的指向性。
(b) 高頻率範圍,干涉管的Acoustical聲學特性決定指向性,兩個不同指向性的頻率傳輸差異係由干涉管長度決定
fo = C/2L,fo是差異頻率,C音速 m/sec,L干涉管長度m
如果干涉管暴露在一個平面的聲波當中,每一個側面收音口都是新聲波旅行的起始點,新聲波將會在干涉管內旅行至震膜及前收音口,除了前方音源,每一個特定的聲波都旅行不同的距離才到達震膜,當然到達時間也不同,圖一顯示a, b 聲波相對於a聲波的延遲時間,請注意延遲時間因事件發生的角度有關,震膜所受的總壓力,可以把所有經過干涉管各長度產生的特定聲波相加而得,每一個聲波都具有相同的震幅,但是不同的相位轉移,因此頻率及相位的響應曲線就可以下列方程式敍述:
P(θ) Sin【πL/λ×(1-cosθ)】
=
P(θ-0) πL/λ×(1-cosθ)
P(θ) 某些角度收音的麥克風輸出
P(θ-O) 麥克風正軸輸出
λ 是波長
L 是干涉管長度
θ 音源角度
計算出來的曲線及指向性都畫在圖二、三上,干涉管麥克風長25公分,此例不考慮後收音口低頻指向性的問題,頻率響應圖看起來像一個有每八度衰減6dB的梳形的濾波器,只有前方收音的相位響應,是各頻率獨立變化的,其他角度、相位和頻率高低是線性關係,因此震膜最後承受的壓力呈現出拾音角度愈大,延遲時間愈長。
實際上,干涉管麥克風的結果和這個簡單的理論模型有誤差,圖四是MKH-60的指向性圖,內建干涉管使得內側收音有高頻滑落現象,有顯著的衰減尤其第一耳垂,側面收音口的形狀及遮蓋的物質,會影響頻率及相位響應圖,差異頻率可以更低,只要在前方收音口加上一個聲學物質,以增加低頻率的延遲時間。使用干涉管麥克風有幾點注意,因為它們是利用抵消頻率來得到指向性,頻率響應及相位的表現不會像全指向麥克風那麼平順,同時基於低頻率較不具方向性,干涉管麥克風的頻率響應在200HZ就下降得很快,這樣可以幫助控制指向性。
使用長的干涉管麥克風時,請別誤會以為在拾音區(圓錐形)以外的聲音都不會被拾取,偏軸180°的拾音當然會比正軸0°在音量上有明顯的變化,在偏軸90°至180°之間的音源其音壓可能被抵消20dB以上,具抵消的數量,當然得依音源位置距離麥克風多少及音量大小而定。
例如:一個距離6m從正軸傳過來的聲音,比同距離偏軸90°至180°的強度將衰減20dB以上,這樣可以防止從牆壁,天花板等反射過來的聲音送至前方收音口,換句話說,在2m偏軸的音壓和相同音壓在6m正軸可拾取相同的音量,這是因為麥克風仍然抵消至少20dB的不需要聲音,但因為兩個音源不等的距離,偏軸音源音量比正軸音源音量大了20dB(依反平方定律計算),因此,它們由麥克風產生相同的音量。
在會有隨意噪音及殘響的房間內使用麥克風拾音時,問題很大,麥克風需擺在隨意噪音及殘響的最小音量處,並且儘量遠離干擾的音源。如果麥克風在車內或密閉空間內使用,並指向後門時,拾音結果將會很差,因為所有的聲音,包括需要與不需要的音源,都將到達麥克風正軸方向。
因為車門是唯一的入口,車身壁禁止音源由麥克風側面拾音,麥克風變成全指向性能,因為牆的反射音,我們可以預知麥克風在不同的點收音的結果,好的收音,麥克風應用在開放空間使用,不得用在密閉的角落,拾音角度的狹窄,隨著噪音很有效地減小,麥克風與音源的距離可以增加卻不用產生真實感的損失。
Shotgun干涉管麥克風無法和伸縮鏡相比,因為焦距既不能變也不能有伸縮音頭改善收音效果的功能。
狹窄指向性和高頻率抵消麥克風的作用是用來減低隨機噪音的能量及允許放大器將增益放大而不嚴重地減少信噪比SNR。在舞台上及在觀眾群中使用Shotgun 蝦槓麥克風收集某一個人講話是很困難的,尤其音源距離麥克風23~30 m 時,所有觀眾還要靠音響系統放大才聽得到,在這個環境下,最多只能在9~15 m之內,還得在良好的控制之下,才不會產生回授。
1938年OLSON教授發明Shotgun microphone 蝦槓麥克風的叫法,得之於麥克風外形及其指向的特性,麥克風最重要的特性就是靈敏度及指向性,假設有一個固定壓力的音源,音源與麥克風的距離變遠或變近時,如果想得到恆定的輸出電平時,就必須控制放大系統的增益使之變強或變弱,然而間接音有時會和直接音量相等,此時該音源就顯得不能被利用,還好音源與麥克風之間距離的限制可以利用增加麥克風靈敏度,或用改變指向性來減少殘響效果或噪音的拾取,以克服收音的困難,干涉管麥克風就有這兩種特殊的特性。
通常干涉管裝在震膜上,而麥克風由四個部份組成:
1. 干涉管由一個前方收音口及數個側面收音口,由纖維或其他阻尼物質遮蔽。
2. 具有震膜及Counter Electrode反電極的音頭。
3. 後方收音口。
4. 電子線路。
指向特性基於兩個不同的原則:
(a) 低頻率範圍,干涉管麥克風好像一台第一階(每八度衰減6dB)指向性諧調器,在震膜之前的干涉管可以視為一種利用管內的空氣音量及側面的洞孔,或干涉管的裂縫所決定阻力的自然發聲元件,後收音口設計成為一個低通濾波器,來作相位轉移的工作,以達到指定的指向性。
(b) 高頻率範圍,干涉管的Acoustical聲學特性決定指向性,兩個不同指向性的頻率傳輸差異係由干涉管長度決定
fo = C/2L,fo是差異頻率,C音速 m/sec,L干涉管長度m
如果干涉管暴露在一個平面的聲波當中,每一個側面收音口都是新聲波旅行的起始點,新聲波將會在干涉管內旅行至震膜及前收音口,除了前方音源,每一個特定的聲波都旅行不同的距離才到達震膜,當然到達時間也不同,圖一顯示a, b 聲波相對於a聲波的延遲時間,請注意延遲時間因事件發生的角度有關,震膜所受的總壓力,可以把所有經過干涉管各長度產生的特定聲波相加而得,每一個聲波都具有相同的震幅,但是不同的相位轉移,因此頻率及相位的響應曲線就可以下列方程式敍述:
P(θ) Sin【πL/λ×(1-cosθ)】
=
P(θ-0) πL/λ×(1-cosθ)
P(θ) 某些角度收音的麥克風輸出
P(θ-O) 麥克風正軸輸出
λ 是波長
L 是干涉管長度
θ 音源角度
計算出來的曲線及指向性都畫在圖二、三上,干涉管麥克風長25公分,此例不考慮後收音口低頻指向性的問題,頻率響應圖看起來像一個有每八度衰減6dB的梳形的濾波器,只有前方收音的相位響應,是各頻率獨立變化的,其他角度、相位和頻率高低是線性關係,因此震膜最後承受的壓力呈現出拾音角度愈大,延遲時間愈長。
實際上,干涉管麥克風的結果和這個簡單的理論模型有誤差,圖四是MKH-60的指向性圖,內建干涉管使得內側收音有高頻滑落現象,有顯著的衰減尤其第一耳垂,側面收音口的形狀及遮蓋的物質,會影響頻率及相位響應圖,差異頻率可以更低,只要在前方收音口加上一個聲學物質,以增加低頻率的延遲時間。使用干涉管麥克風有幾點注意,因為它們是利用抵消頻率來得到指向性,頻率響應及相位的表現不會像全指向麥克風那麼平順,同時基於低頻率較不具方向性,干涉管麥克風的頻率響應在200HZ就下降得很快,這樣可以幫助控制指向性。
使用長的干涉管麥克風時,請別誤會以為在拾音區(圓錐形)以外的聲音都不會被拾取,偏軸180°的拾音當然會比正軸0°在音量上有明顯的變化,在偏軸90°至180°之間的音源其音壓可能被抵消20dB以上,具抵消的數量,當然得依音源位置距離麥克風多少及音量大小而定。
例如:一個距離6m從正軸傳過來的聲音,比同距離偏軸90°至180°的強度將衰減20dB以上,這樣可以防止從牆壁,天花板等反射過來的聲音送至前方收音口,換句話說,在2m偏軸的音壓和相同音壓在6m正軸可拾取相同的音量,這是因為麥克風仍然抵消至少20dB的不需要聲音,但因為兩個音源不等的距離,偏軸音源音量比正軸音源音量大了20dB(依反平方定律計算),因此,它們由麥克風產生相同的音量。
在會有隨意噪音及殘響的房間內使用麥克風拾音時,問題很大,麥克風需擺在隨意噪音及殘響的最小音量處,並且儘量遠離干擾的音源。如果麥克風在車內或密閉空間內使用,並指向後門時,拾音結果將會很差,因為所有的聲音,包括需要與不需要的音源,都將到達麥克風正軸方向。
因為車門是唯一的入口,車身壁禁止音源由麥克風側面拾音,麥克風變成全指向性能,因為牆的反射音,我們可以預知麥克風在不同的點收音的結果,好的收音,麥克風應用在開放空間使用,不得用在密閉的角落,拾音角度的狹窄,隨著噪音很有效地減小,麥克風與音源的距離可以增加卻不用產生真實感的損失。
Shotgun干涉管麥克風無法和伸縮鏡相比,因為焦距既不能變也不能有伸縮音頭改善收音效果的功能。
狹窄指向性和高頻率抵消麥克風的作用是用來減低隨機噪音的能量及允許放大器將增益放大而不嚴重地減少信噪比SNR。在舞台上及在觀眾群中使用Shotgun 蝦槓麥克風收集某一個人講話是很困難的,尤其音源距離麥克風23~30 m 時,所有觀眾還要靠音響系統放大才聽得到,在這個環境下,最多只能在9~15 m之內,還得在良好的控制之下,才不會產生回授。
頻率響應:55Hz-20kHz ± 3dB的意義
頻率響應:55Hz-20kHz ± 3dB這項規格數據是最常見的,幾乎所有的電子器材都有類似的標示,顯示該器材在某頻率範圍的表現,55Hz 表示本頻率範圍的最低頻,數字愈小,低頻的延伸愈好,20kHz 表示本頻率範圍的最高頻,數字愈大,高頻的延伸愈好,就愈能夠表現美麗的高頻泛音。中間的 ±3dB表示頻率響應範圍的上下偏差值,數字愈小愈好。
如果頻率響應以55Hz-20kHz標示,後面的±dB值不寫,是無意義的,事實上依規定輸入粉紅噪音時,55Hz至20KHz這個頻率範圍其測量的音量誤差絕對值是不能大於6dB(+3-<-3>=6),到底在55Hz的時候低音的音量是多少?在20KHz的時候高音的音量是多少?只有靠儀器測量才知道。±dB越小越表示該規格越佳,不標示±dB值的規格,就表示每一台相同功能的器材都合格。