如果你已經(jīng)在音響圈待了一段時(shí)間，可能還未正式邁進(jìn)“發(fā)燒”的門檻，但必然或多或少聽說過以下說法：
閉上眼睛，歌手仿佛就站在你面前；
息，讓中置音箱可聞不可見；
只用左右兩只主音箱，就能呈現(xiàn)出前置左中右聲道的信
戴上耳機(jī)，即可享受全景聲效果；
只需條形音箱和低音炮，就能組建環(huán)繞聲/全景聲系統(tǒng)；
……
與之相關(guān)的還有各個(gè)音響品牌/廠家專有的“虛擬環(huán)繞技術(shù)”“聲場(chǎng)映射技術(shù)”“聲場(chǎng)定位技術(shù)”等等，花樣繁多，而且說得頭頭是道。剛接觸這些技術(shù)名詞時(shí)，想必很多人心中的第一個(gè)想法都是：這些音響廠家又在吹牛了！然而真正體驗(yàn)過后，又不得不承認(rèn)，其中確實(shí)有些神奇之處。
但要說這些技術(shù)就是神秘的黑科技嗎？也不盡然。關(guān)于“幻象聲場(chǎng)”的研究早已有之。它與人的生理和心理息息相關(guān)。
頭部尺寸和頻率、波長(zhǎng)的關(guān)系
人類的聽覺感知機(jī)制非常強(qiáng)大，能區(qū)分聲音到達(dá)兩耳10μs的時(shí)間差，能聽到超出10個(gè)倍頻程的聲音，要知道可見光的覆蓋范圍不到一個(gè)倍頻程，還能承受非常大的動(dòng)態(tài)范圍，所跨越的聲壓比值為10000000:1。
而人的頭部尺寸相對(duì)于聲波的大小，因波長(zhǎng)而有所不同。對(duì)低頻來說，頭部很小，對(duì)高頻來說又很大。人耳能聽到的最低頻率，在空氣中的聲波波長(zhǎng)超過15m，與之相比，頭部很小，聲波很容易通過衍射作用繞過去，而人耳能聽到的最高頻率的波長(zhǎng)小于25mm，這時(shí)候頭部就變成明顯的阻礙了。在與聲波入射方向相對(duì)的另一側(cè)頭部會(huì)形成“聲學(xué)陰影區(qū)”。中頻段聲波波長(zhǎng)則和頭部尺寸相近。
基本定位機(jī)制
這就意味著，人對(duì)不同頻率范圍有著不同的感知機(jī)制。在低頻段，聲波能自由繞過頭部，因此聲音到達(dá)兩耳間的電平差很小，不能基于電平差來定位。那要依靠什么呢？依靠聲音到達(dá)兩耳的時(shí)間差。這個(gè)感知機(jī)制叫做“雙耳時(shí)間差（ITD,intramural time difference）定位”。
高頻段則相反，兩耳間電平差因聲音入射角不同而有所改變，叫做“雙耳電平差（ILD，interaural level difference）定位”。同時(shí)，時(shí)間差的影響變得不再重要，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重混淆，因?yàn)楦哳l段的波長(zhǎng)很短，稍微動(dòng)一下頭部都會(huì)極大影響定位，時(shí)間差的作用變得微乎其微。
這兩種定位機(jī)制，能決定人耳對(duì)大多數(shù)聲音方位的感知。可能有些人會(huì)問，正前方、正上方和正后方的聲音，明明在兩耳之間產(chǎn)生的時(shí)間差和電平差完全相同，為什么人耳仍能感覺到方位的不同？這主要因?yàn)槎?yīng)，即外耳耳廓的形狀和渦狀結(jié)構(gòu)對(duì)不同方向聲音的響應(yīng)不同。
總而言之，雙耳時(shí)間差、雙耳電平差和耳廓效應(yīng)相結(jié)合，形成了一系列復(fù)雜的響應(yīng)，隨著聲場(chǎng)與聽音者頭部的相對(duì)角度發(fā)生變化。比如一個(gè)包含寬廣頻率的聲源，從頭部左右側(cè)傳來時(shí)，聽起來要明亮一些（聽到更多高頻成分），而從前后方傳來時(shí)，音色上會(huì)略微“發(fā)暗”。
最小可辨聽音位
那么從聽音者前方傳來和從后方傳來，又有什么不同呢？這就涉及到最小可辨聽音角（MAA,minimum audible angle）的概念。它在聽音者四周各不相同。正前方水平面上的最小可辨聽音角最小，大約為1度，垂直面大約是3度。而且在聽音者前方高于聽音水平面位置的各個(gè)角度保持良好的分辨率，朝著側(cè)面和后方逐漸劣化。因此，從心理聲學(xué)上考慮多聲道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，前方聲道的數(shù)量比后方聲道更多。
幻象聲場(chǎng)/聲像的來源和研究
一般來說，聽音者會(huì)將聲音定位在最早到達(dá)的直達(dá)聲方向，而從各個(gè)方向傳來的反射聲疊加到從一個(gè)方向傳來的直達(dá)聲之后，會(huì)產(chǎn)生各種效果，包括人耳感覺聲源變寬，音色變化等等。當(dāng)反射聲電平增高到某一水平時(shí)，“綜合定位效應(yīng)”開始起作用，使兩個(gè)聲源之間的方位被聽音者判斷為聲源的方位，從而產(chǎn)生了幻象聲源，在揚(yáng)聲器之間形成幻象聲像。
再加上基本定位機(jī)制的影響，雙聲道系統(tǒng)中，只有左右揚(yáng)聲器特性、房間聲學(xué)條件匹配，同時(shí)聽音者面對(duì)揚(yáng)聲器坐在兩只揚(yáng)聲器的中垂線上時(shí)，左右揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的完全一致的聲場(chǎng)才能使聽力正常的聽音者聽到處于中間位置的幻象聲像。注意這段表述中的“重重限制”，一旦聽音者移動(dòng)身體，幻象便隨之移動(dòng)、跳變，這是引入中置揚(yáng)聲器的主要原因之一。
早在1975年，英國(guó)廣播公司研究實(shí)驗(yàn)室就對(duì)“四方聲”進(jìn)行了全面研究，試圖了解廣播要不要采用四聲道格式。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)左右聲道電平差為0dB時(shí)，聲像處于正中間的位置。當(dāng)右聲道電平比左聲道電平低10dB時(shí)，聲像位于中間偏左略大于22.5度的位置。當(dāng)聲道間的電平差達(dá)到30dB時(shí)，聲像完全定位在左揚(yáng)聲器。
再來看側(cè)方聲場(chǎng)的情況。當(dāng)前后聲道間的電平差為0dB時(shí)，實(shí)際上的聲像位置比想象中的90度要靠前，大約往前偏移了25度左右。標(biāo)準(zhǔn)偏差也比前方聲場(chǎng)要大得多，說明不同測(cè)試者之間差異較大。5聲道、7聲道乃至全景聲的情況自然更為復(fù)雜。
空間感和包圍感的差異
但是萬變不離其宗，幻象聲像/聲場(chǎng)的形成和變化始終離不開生理和心理兩大因素的影響。摸清規(guī)律，耳機(jī)、兩聲道音箱、條形音箱、多聲道音箱都能依靠調(diào)節(jié)直達(dá)聲和反射聲、混響聲之間的比例，來形成和控制空間感和包圍感。
這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常被混用，但確實(shí)有所不同。空間感指的是聲音所處聲場(chǎng)的空間被展現(xiàn)的程度，雙聲道和多聲道都能擁有空間感。在雙聲道系統(tǒng)中，空間感主要表現(xiàn)的是揚(yáng)聲器之間所塑造的物理空間，其中也包括深度信息。
而包圍感表現(xiàn)的是被聲音環(huán)繞的感覺，即處于聲場(chǎng)空間之內(nèi)的感覺，需要多聲道系統(tǒng)來營(yíng)造。雙聲道立體聲只能塑造出從揚(yáng)聲器之外觀察一個(gè)空間的感覺，而多聲道立體聲能塑造在空間內(nèi)部的感覺。
參考資料：《多聲道環(huán)繞聲技術(shù)（第二版）》 Tomlinson Holman著，王玨譯，人民郵電出版社，2011年
