5.1环绕立体声混录棚的系统构成和监听设计

王 珺

（作者单位：桂林广播电视台）

双声道立体声的出现取代了单声道，大大丰富了人们的听觉感受。但随着这些年来，人们对录音领域的重视与不断开发，5.1环绕立体声逐渐受到了更多人的关注。5.1环绕立体声，是一种比双声道立体声更能真实再现还原自然状态下的听音感受的声音制式，它可以带给人们更强的空间感和现场感[1]。目前，很多大型的高级影院使用的杜比全景声，人们在iPad上聆听到的杜比全景声音乐，其实都是以5.1环绕立体声为基础的。

除此之外，有条件的影视剧都开始采用5.1环绕立体声制作，尤其体现在电影的制作上。比起制作传统双声道立体声节目源的混录棚，5.1电影混录棚最大的特点之一就体现在监听系统上。而在目前的中国，合格的5.1电影混录棚在数量上还是难以满足大量的电影制作的。

下面，笔者将以在多年前就已经通过国际杜比认证的原央视电影频道5.1电影混录棚为实例，着重介绍5.1电影混录棚的监听系统和声学设计上的各项要求和各个方面。

1 5.1环绕立体声混录棚的系统构成及实例

讨论5.1环绕声混录棚的监听系统前必须先了解清楚什么才是5.1环绕立体声，它是由哪些部分组成的，在实际的混录棚中是如何具体设置的。

如同声音的发展经历了从单声道到立体声再到环绕声的过程一样，环绕声自身也有一个不断发展和完善的过程。从最早的杜比立体声到如今层出不穷的各种环绕声制式，5.1环绕立体声系统已经成为音频领域广泛应用的声音制式。

1.1 5.1环绕立体声的系统构成

5.1环绕立体声系统由6个相对独立的声道组成，重放时通过6个扬声器来实现[1]。左前置、中置、右前置、左环绕和右环绕是5个全频段声道，频率在20 Hz～20 kHz。此外，还有一路超低频声道，即LFE声道，也就是0.1声道。这样，就构成了5.1环绕立体声系统。图1是影院5.1环绕立体声的应用效果图。

图1 影院5.1环绕立体声

数字技术进入环绕声系统解决了原来编解码矩阵系统中存在的串音和杂音等令人头疼的问题，使得5.1环绕立体声得以发展和成熟。目前5.1环绕立体声领域最具竞争力的两种制式分别是杜比数字（Dolby Digital）和数字化影院系统（Digital Theater System，DTS）。其中Dolby Digital更为普及，它是杜比公司于20世纪90年代开发出来的，现已成为全世界数码影音光碟（Digital Versatile Disc-Video，DVD—Video）的制定标准。

这里需要特别注意的是，5.1环绕立体声相比起原来的环绕声形式诸如四声道环绕立体声有一个最大的特点，那就是LFE声道的引进，因为低频往往比中高频段需要更大的动态。下面，笔者用等响曲线（见图2）来进行说明。等响曲线是人耳在听觉频率范围内所感受到响度相同的不同频率纯音声压级与频率之间关系的曲线，即在不同频率下的纯音需要达到何种声压级，人耳才能获得一致的听觉响度。

图2 等响曲线

如图2所示，从等响曲线上取100 Hz和1 kHz信号进行分析可发现以下现象。

第一，50 dB声压级的1 kHz信号与60 dB声压级的100 Hz信号在一条等响曲线上。可见，若要使低频与中频获得同样的响度，低频就需要更高的声压级。所以，对于5.1系统来说，要使各个频段听起来音量一致，低频往往比中频需要更大的能量。

第二，在1 kHz时向上提升10 dB跨越的等响曲线的数目要少于在100 Hz时向上提升10 dB跨越的等响曲线数目。可见，人对于低频的音量变化更为敏感。所以低频频率再往低延伸时，音量的变化是很大的。

根据上面两点，就可以知道为什么要设置LFE声道和超低音扬声器了。因为超低音若在5个全频段扬声器内与中高频一样重放出来，很难拥有跟其他频段一样的效果，所以5.1环绕立体声系统给予了低频特殊的强化。

5.1环绕立体声系统配备了低频管理系统，它在5个全频段声道中使用下限为50 Hz、衰减量为12 dB/倍频程的高通滤波器使高频通过，再将分立在5个声道中的低频抽取出来，和LFE声道送来的超低频效果声信号一起送入超低音扬声器进行重放。在还音时，低频管理系统为LFE声道提供了10 dB的额外的动态余量。图3是低频管理系统，图4具有低频管理系统的监听系统。

图3 低频管理系统

图4 具有低频管理系统的监听系统

5.1环绕立体声的LFE声道在不同的制式中拥有不同的上限频率。比如，Dolby Digital和DTS对LFE声道的上限频率规定分别是120 Hz和80 Hz[2]。但不管使用哪种制式，LFE声道在参数上有两点是相同的。

第一，其他主声道采用48 kHz采样频率时，LFE声道的采样频率为240 Hz，频响宽度为120 Hz。

第二，LFE声道的重放电平在工作频带内比其他主声道高出10 dB[3]。

1.2 5.1环绕立体声的混录棚实例

十年前，中央电视台（简称“央视”）电影频道的5.1电影混录棚就已经是一个经过杜比标准认证的5.1环绕立体声混录棚，其各项指标都基本符合杜比给出的国际认证标准。本文以这个混录棚作为一个实例来进行分析，作为对理论的另一个角度的诠释。

该棚的长宽高分别为12.9 m、7.57 m和5.7 m，可计算出体积为556.62 m3。使用的调音台是Studer Vistar 7的数字调音台，它放置在屏幕前约9 m的位置。调音台的后方设置了沙发，用来帮助录音师、导演、制片等人进行监听和审查。

为了减少混录棚的噪音，大部分其他处理设备都没有放置在这个房间内，而是放置在混录棚旁边的一个机房里。

另外，该混录棚在监听系统上也有其相应的设计特点，具体的内容会在后面的阐述中一一说明。

2 5.1环绕立体声混录棚的监听系统

说到5.1混录棚，就一定要提到其独特的监听系统。从一般意义上说，监听系统在整个录音过程中都担任着重放音频信号的任务，它可以直接带给录音师这个声音素材的具体听感，一定程度上决定了录音师的判断和操作。而且，5.1混录棚的监听系统不同于传统双声道立体声混录棚的监听系统，它采用多声道多扬声器重放，突破了双声道立体声的听音感受。

2.1 5.1环绕立体声的监听扬声器设置方案标准

目前国际上对5.1环绕立体声的监听扬声器设置方案主要是依照国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的标准而定的，即ITU-R BS.775标准。ITU标准扬声器排列，见图5。

图5 ITU标准扬声器排列

分析图5，并参照ITU标准，可以得出以下数据和结论：

第一，屏幕1多适用于电视屏幕，听音距离=3H（2β1=33°）（H为屏幕高度）。屏幕2多适用于投影屏幕，听音距离=2H（2β2=48°）。

第二，屏幕主扬声器宽度B=2～4 m。

第三，中置扬声器与主监听位置呈0°。左前置、右前置与中置的夹角为±30°。左环绕、右环绕与中置夹角为±100°～±120°，常规下摆放在±110°位置。

第四，所有扬声器的摆放高度应与人耳的高度一致，但环绕扬声器可以视情况高于人耳位置放置。

第五，左前置、右前置扬声器垂直于地面放置，中置扬声器也以垂直放置为理论值，但要视屏幕的形状、大小等因素来作出适当的调整。环绕扬声器可以略微倾向地面放置，倾角不超过15°。

2.2 5.1环绕立体声混录棚的监听系统设计

5.1环绕立体声混录棚可以看作是面积较大的5.1环绕立体声控制室。由于面积大、室内设备较多等各种因素，扬声器的摆放很难做到ITU标准。例如：为了满足大空间内的良好监听效果，工作人员常常将环绕扬声器设置为多个扬声器组成的扬声器组。再比如：当门窗、设备的位置与扬声器摆放位置冲突时，工作人员应该在其中作出权衡和调整。

2.2.1 调整原则与方法

在调整方案时，有一点原则是必须遵守的，那就是保持监听扬声器的一致性，即对应位置的扬声器相对于整个房间以主监听和中置扬声器所在的轴线，在同一高度上对称安装，这样可以保证在监听位置上得到重放信号具有相同的传输特性，获得准确的声音信息。

当扬声器位置与屏幕位置冲突，通常采用升高扬声器高度的方法。一般来说，人耳在垂直方向上对声源位置变化的灵敏度要比水平方向的灵敏度低很多[4]。所以，为避开屏幕而将扬声器作垂直位置上的调整是可行的，对听音质量产生的影响并不大。但是，也不可将扬声器放置得太高，因为过高的摆放位置会使直达声在地面和调音台表面产生声反射，对音质产生不好的影响。在大投影屏幕的混录棚内，通常选择将扬声器悬挂在屏幕的后方，但也可理解为提升扬声器高度的一种，只是没有悬挂在屏幕的最顶端。它的悬挂高度以重放信号正好达到监听位置为最佳。

超低音扬声器的摆放位置在ITU标准中就没有明确说明，因为低频指向性弱，所以它的摆放位置确实并不是那么严格的，只要可以获得平直的频率响应就可以了。

2.2.2 具体的可行性调整方案

2.2.2.1 中置扬声器

多数情况下，由于中置位置常需要放置屏幕，所以很难将中置扬声器水平0°、垂直0°进行摆放。在产生矛盾时，笔者给出了如下的调整方案以供选择。

第一，将中置扬声器的高度提升，以避开屏幕和调音台形成的障碍，这样的选择常适用于小监视器的控制室。

第二，将中置扬声器的高度放低，以避开屏幕形成的障碍和调音台产生的声反射。

第三，将中置扬声器放置在屏幕的后面，这是5.1环绕立体声混录棚常用的方案。

一般来说，不采用第二种方法，因为设备都放置在地上，若将扬声器放低，那么重放出来的声音在传播过程中极易遇到障碍而被反射，这样能到达监听位置的声音质量就下降了。

通常，即使把扬声器放置在屏幕后方也是采取悬挂在屏幕后高处的方法，所以下面主要针对第一种和第三种方法在提升高度的控制问题上作出一些分析。

第一，提升中置扬声器最大的弊端就是扬声器重放出来的声音会经过屏幕前地面或调音台的表面反射到主监听的位置上。若反射强度大，则会干扰录音师对音质的判断。所以，在提升高度的问题上，工作人员通常选择使中置扬声器升高到坐在主监听的位置上平视刚好可以看见整个扬声器的高度，这样扬声器里重放出来的声音刚好从调音台的表桥上掠过，进入录音师的耳朵，可极大减小反射。

第二，人虽然对垂直方向上声源位置的变化不太敏感，但对于不同频率的感知是存在的，这是由人头部带来的高频遮蔽效应和低频绕射效应决定的。所以，在监听时扬声器的位置应尽量与听众在听音时与扬声器的相对高度差不多，只有这样才能最真实地重现和还原录音时的效果。

2.2.2.2 左前置、右前置扬声器

与双声道立体声监听的标准一样，左前置和右前置扬声器的摆放位置呈±30°角。如果说在双声道立体声时代，人们对左右扬声器间距太大而产生的中空现象感到担忧的话，那么5.1环绕声系统中引进的中置扬声器就解除了人们的顾虑。

当人们把影院中的电影搬到家庭影院中来观看时，则容易出现一个问题，那就是左右扬声器的宽度大于屏幕的宽度。据统计，当声画形象有15°偏差的时候，50%的人都会感觉到不舒服。而专业人士可以分辨出4°之内的声画不对位，所以应将左右前置扬声器摆放在不大于画面左右边框±4°的位置[4]。不过在5.1混录棚内不会出现这样的问题，因为屏幕占据了前方整面墙的宽度，只需要按照±30°的原则来放置左右前置扬声器即可。

2.2.2.3 环绕扬声器

环绕扬声器的摆放会相对灵活一些，在ITU标准中，它可以被放置在±100°和±120°的范围之内。在混录棚中，环绕扬声器的摆放有自己的特点。

根据笔者在电影院观影的经验，影院中的环绕扬声器并不是单单通过一左一右两个扬声器来实现的。在这么大的一个放映空间里多组环绕扬声器的使用是十分有必要的。对应的，在5.1混录棚里也应当采用扬声器组来担当环绕扬声器的重放任务，它能使声音更有包容感并扩大监听区域。在摆放时应注意，偶数只环绕扬声器应在监听位置的侧后方对称排布，并且在灵敏度、频率响应等特性上应保持一致。

2.2.2.4 超低音扬声器

超低音扬声器的摆放位置可以说是不严格的。基于它重放的上限频率不会超过120 Hz，而人耳对如此低频的声音又很难对其准确定位，所以超低音扬声器的位置没有明确规定。国际环绕声技术推荐标准指出，即使不使用低频效果增强声道，其重放音质仍然是令人满意的[5]。一般来说，多数监听室选择将超低音扬声器放置在墙角，因为这个位置可以充分利用地板和墙面充当反射面，使低频获得最大的输出。

但有一种情况会暴露超低音扬声器的位置。在低频管理系统中，分频点上切掉中、高频的低通滤波器的斜率如果不够陡峭，那么一部分较高的频率就会通过超低音扬声器重放出来，这样就会使观众听出超低音扬声器的位置，不利于整个低频重放的声场。

2.2.3 5.1环绕立体声混录棚的监听系统设计实例

根据杜比标准，混录棚的前置扬声器应严格摆放在屏幕后方，而环绕扬声器应从1/3房间边长处开始从前往后对称排列。图6是杜比标准影院的环绕扬声器摆放方式。

图6 杜比标准正确的环绕扬声器摆放

以央视电影频道5.1混录棚为例，该杜比认证的5.1混录棚的监听系统是按照杜比标准来进行摆放的。其一，屏幕后方共四组扬声器，其中三组分别为左、中、右前置扬声器，均采用JBL3632型号。它们按照与监听位置±30°的角度悬挂在2 m左右高度的墙上，第四组为超低音扬声器，为JBL4645型号，放置在墙角处。其二，环绕扬声器系统一共由12只JBL8330型号的扬声器组成。在距离屏幕约6 m处开始排布第一个环绕扬声器，随之以1.5 m的间距均匀向后排布。后墙的环绕扬声器以1.2 m的间距均匀排布。均悬挂在约2.1 m的高度上。

从设计上看，屏幕扬声器严格满足了±30°的ITU标准设置，而环绕扬声器采用了扬声器组的形式，它们相对于监听位置严格对称，高度与屏幕扬声器相当，并且在布置上可以满足杜比标准给出的要求。超低音扬声器放置在墙角，实现了最大输出的可能。

3 结语

本文是以理论知识为基础，并结合央视电影频道5.1电影混录棚的实地考察共同完成的。理论知识和理论值为本文的论述提供了依据，而实例分析则是从另一个角度验证了理论分析，具有很强的现实意义。笔者希望能够通过此文为广大音频工程师与录音师们建立5.1环绕立体声混录棚的监听系统提供一些方法与思考，只有更多的5.1环绕立体声混录棚能建成并投入使用，才能使得这项技术能更加普及，并且有更多的5.1环绕立体声的作品问世。