广度与360°的声音:为什么我们不能同时拥有两者

制造商经常通过宣传 “出色的广度 “和 “身临其境的360°声音 “来推广他们的音箱。但在我们的现实测试中,广度的良好分数总是被音箱周围均匀分布声音的不佳表现所抵消,反之亦然。原因在于,事实上,传统的音频系统在声学上不可能同时提供宽广且360°的声音,不管是音箱、电视机还是智能手机,都是如此。

定义和测试声音的广度

尽管看起来是直观,但声音广度的概念实际上是很难解释的。简单地说,它代表最左边的声音和最右边的声音之间的感知距离。换而言之,如果一台音箱提供良好的广度,它能够在左右轴上产生一个扩大的可感知的声场。

在我们严格的DXOMARK音箱协议中,我们通过比较几个音箱来进行这些感知评估。被测试的设备会与它在市场上的两个主要竞争对手,以及四个参考音箱进行比较。

一位音响工程师准备在DXOMARK的消声室中测试一个音箱的方向性能。

虽然声场的从左到右的扩展是广度子分数的主要组成部分,但它并不是唯一的组成部分:还会考虑从左到右的一致性以及传递声音的宽阔感。在我们的音乐场景中,例如 “在家放松”,广度是使用 “森林 “提供的特定空间线索来评估的,这是一首专门为我们的协议创建的曲目(关于我们测试曲目的更多信息,可以查看我们的专门文章)。测试电影时,由于我们没有制作自己的大预算电影(也许以后会有!),我们会使用声场特别广和混合良好的场景,如 “星球大战:原力觉醒(第七集)”中的场景。

提供良好广度的音箱主要是为了娱乐一小组人,他们都能在设备前,理想情况下不超过三个人。这类音箱特别适合个人或小家庭使用,通常用来看电影或只是在家里放松。

适合于电影播放的音箱;从左起:雅马哈MusicCast 50,Naim Mu-so第二代,亚马逊Echo Studio

但是,制造商有什么工具可以使音箱从沉闷和狭窄的声场变成宽广且空间感丰富呢?首先,在非空间属性的良好播放性能将帮助现有的广度显得更加宽阔。例如,瞬态声音的良好起音将帮助声场内的声源定位变得更加精确,这将大大有助于让声场听起来更宽广。

信号越相似,场景越狭窄

除了将扬声器放在尽可能分开的地方,在硬件方面没有什么可做的。由于设计上的限制,有时并不可行,而且最重要的是,这还不够。这也是软件要发挥作用的原因。要记住的主要原则是去除音频信号的相关性。换句话说:信号越相似,场景就狭窄,反之亦然。另一方面,如果信号差异太大,那么立体声场景就会变得不一致和偏向一边。这使得拓宽声场成为一个非常棘手的走钢丝的工作,但制造商有一些巧妙的方法,通过音箱的数字信号处理器(DSP)来平衡结果。

频率和力度技巧

这种技巧包括对信号应用不同的均衡和/或力度设置。例如,”中间 “内容–即应该在立体声场景的 “中间 “感知的内容,其音量在左、右声道之间平均分配–可以稍微压缩一些,而两侧内容的高音可以提升。这使侧面的信号变得更加明显,从而增加了广度。

哈斯效应

一个简单但非常有效的方法是在其中一个通道引入几毫秒的延迟,使音频听起来更宽广:延迟很短,大脑听不到回声,但它会在感知上改变信号的位置,使其朝着 “非延迟 “的通道。这种心理声学技巧,称为哈斯效应,通常用于更大的音响系统,如演唱会场馆:一个小的延迟引入整个场地的次级音箱,给观众的印象是他们听到的放大的声音全部来自舞台,而事实上它主要来自侧面的音箱。

哈斯效应可用于音乐会场所 © Yvette de Wit

相位反转

另一种使立体声信号听起来比音箱的物理限制更宽的经典方法是,取一点左声道,扭转其极性,将其混入右声道,反之亦然。这可能是制造商最常使用的技巧之一,但经常被过度使用。

测量360°的声音

让我们看一下典型的制造商的提供 “360°的声音”的承诺。在现实中,除非你在消声室中聆听,否则你总是能感受到音箱周围的声音,所以这有点像一个含糊的承诺。音箱的真正困难在于如何在各个角度均匀地传播声音,而这正是我们在协议中测试的内容。

全向性音箱对于招待一大群人是非常实用的,这样无论位置如何,每个人都可以有相同的听觉体验,对于户外场景也是如此,这样在音箱周围移动不会破坏声音质量。

为了提供全向性的声音,高音扬声器播放的所有信号必须严格相同。

与广度不同,全向性声音主要通过硬件设计来实现。为了提供全向性的声音,高音扬声器(高音驱动器)必须在音箱四周360°等距离放置,取决于模型的设计,这可能是个棘手的问题。所以大多数全向性音箱是圆柱形(见下面的苹果HomePod)。此外,高音扬声器播放的所有信号必须严格相同,否则声音在每个方向的分布就不均匀。

在我们的协议中,这种能力是通过将音箱放置在一个由精密麦克风环绕的旋转桌上来测量的。其结果就是我们所说的极性模式,它表示音箱能在任何给定频率下360°的发射。下面的图显示了我们迄今为止测试过的指向性 最低和最高的音箱的极性模式。正如你所看到的,苹果HomePod Mini在传递360°声音方面比正面发射的Marshall Stanmore II要灵巧得多。你还可以注意到,由于它们各自的波长,高音(绿线)比低音(蓝线)更有方向性:这就是为什么低音扬声器(低音驱动器)可以放在设备结构的任何地方,因为低音基本上是全向的。

苹果HomePod Mini的极性模式
Marshall Stanmore II的极性模式

此外,我们在户外、派对和友好聚会场景(全向声音很重要的场景)所要求的条件下进行感知测试,从设备的侧面和背面分析音色、力度和空间属性,以了解离轴播放的质量如何受到影响。

苹果公司的首款HomePod及其360°的七个高音扬声器阵列,能够提供全方位的声音。
图片来源:苹果

 

为什么一个音箱不能同时提供宽广全向的声音?

总而言之,如果两个信号都是相同的,就无法实现声场的宽广,而真正的全向性声音只有在所有信号都相同的情况下才能实现。一个音箱根本不可能同时产生宽广和全向的声音。
但更确切地说。传统的音箱不可能同时产生宽广和全向的声音。但这可能在变化。 例如,像Noveto这样的音箱能够在耳朵外创造出立体声的 “口袋”,随着听众的移动而移动(并保持不变)。

这项技术最近在人工智能与头部追踪系统和波束成形技术相结合的帮助下成为可能。从这里,我们可以想象同样的音箱,采用圆形设计,从而能够360°跟踪听众的头部,同时提供宽广的立体声。真香!