多媒体音箱新技术

多媒体音箱新技术

2007-02-09 00:38

随着家用多媒体电脑的日益普及，尤其是近年来电脑声卡性能有大幅提高，多媒体音箱也越来越显示出在多媒体电脑系统中的重要地位。几年前人们给电脑配一个几十元的塑料小音箱就很满足了，而现在上千元的中高档多媒体音箱摆到了越来越多“发烧友”的电脑旁。现在电脑使用的“多媒体音箱”几乎都是有源音箱，所谓有源音箱简单说就是把功率放大器和扬声器发声系统做成一体的音箱，可直接与电脑声卡搭配，构成一套完整的音响组合。有源音箱缩短了连接线路，减少了干扰信号，可降低背景噪声，而且有效地节省了音箱制造成本及占用空间，具有很高的性能价格比。  　　当然多媒体音箱只是众多音箱产品中的一个特殊的分支，电脑多媒体音响系统在音源与功率放大等部分还与真正的Hi-Fi音响系统有着一定的差距。不过随着未来电脑多媒体技术的不断发展，更多的新技术会应用到多媒体音箱之中（比如USB音箱和平板式音箱）。从未来更为复杂的PC音频技术的发展需要来看，电脑多媒体音箱将向数字化、多声道化（如5.1、7.1甚至9.1）、多技术类型（如各种3D声场处理技术）以及多用途和高性能等方向发展。  一、数字式与USB音箱  　　现在“数字化”，可以说是一个非常流行的词汇，很多新一代科技产品都被冠以 “数字化”的概念。和一般的模拟设备相比，使用了数字化技术的产品，确实在性能、质量、功能、易用性、可靠性等方面都有相应的提高，可以说数字化是今后大多数科技类产品的发展方向。从多媒体音箱的发展来看，自从诞生的那一天起，普通的模拟式音箱就一直占据着市场的主流，但随着数字化时代的到来，PC用多媒体音箱也正在朝数字化的方向发展，当然支持数字输出的声卡、USB等新型接口的普及也为音箱朝数字化过渡提供了保障。  　　目前“数字式音箱”主要包含两个方面，即“数字调节”和“数字输入”。采用数字式音量调节就可以避免模拟调节易受干扰的缺点，而且操作控制更加方便。数字式输入可以充分保证音源的质量和纯净。数字音箱是从声卡的数字接口将用高、低电平分别代表1和0的数字信号直接送至音箱内部的，这样可以极大的的提高所输出的声音信号的信噪比，而模拟信号是连续变化的电平，所以极易受到干扰。因此数字式音箱避免了声卡输出的模拟信号受到机箱内复杂的电磁干扰而使声音变得更加纯净，对细微声音信号的分辨力和表现力都比传统模拟音箱要好不少。  　　此外数字音箱通过一条数据线能输出的音频种类是非常丰富的，如立体声、Dolby Digital（AC-3）或Dolby Pro Logic等，这也是模拟输入音箱所望尘莫及的。以Dolby Digital的6个声道的原始未经解码的声音信号为例，要是用模拟方式输出达到同样的效果，就至少需要三个立体声插口来输出解码后的模拟音频信号才行，而对于数字音箱来说，它几乎支持包括Dolby Digital（AC-3）和Dolby Pro Logic在内几乎全部的数字音频格式，覆盖面非常大；一些多声道数字音箱可以自动识别输入信号的种类，然后再进行不同的解码和音频转换工作，功能强大，使用方便。现在数字音箱还广泛运用了SRS、APX、 Spatializer 3D、Q-SOUND、 Virtaul Dolby和 Ymersion等硬件3D音效技术，此外还有有源机电伺服技术和BBE高清晰高原音重放系统等音效增强技术，对改善音质也有一定效果。  　　由于在设计制造上的高要求，目前市场上的数字音箱产品并不是十分的丰富，只有少数几款产品（如创通的Cambridge SoundWorks DeskTop Theater 2500），而且价格昂贵，大多要2000元以上，还要使用带数字输出功能的声卡（如Sound Blaster Live!Digital）与之相配，因此普及程度还很低。不过现在一种新型“数字式音箱”：USB音箱的出现，使这种情况得以改善。  　　USB是英文“Universal Serial Bus”的缩写，意为“通用串行总线”。USB使用一个4针插头作为标准插头，并通过这个标准接头，采用菊花辫形式把所有外设连接起来，它采用串行方式传输数据，目前最大数据传输率为12Mbps, 支持多数据流和多个设备并行操作，允许外设热插拔。将USB技术应用于多媒体音箱上，实现音箱的全数字输入，可以使音质得到很大的提高，USB为即插即用的可以热插拔的接口，USB音箱使用起来是比较方便的，此外与传统音箱相比，USB接口及设备均受CPU控制，因此USB音箱可以通过软件实现开、关机、调节音量大小、静音等。而且USB音箱的价格并不太贵,一般在几百元的价位上。  　　USB音箱的一个重要特点是不再需要声卡，它利用主板的USB接口来输出数据信号，而将原来由声卡来完成的数模转换的工作移到音箱的内部通过专门的芯片来完成，从而绕过了声卡的一环；而其他的支持数字输入的音箱则必须要有声卡的数字输出接口相配才能使用，所以使用USB音箱在计算机的成本方面相对有所降低。但对一些如A3D、EAX、硬波表等需要用声卡硬件芯片来合成处理的声音音效USB音箱是不能实现的。从目 前来看USB音箱只能支持基于Windows界面的Direct Sound（3D）的声音音效。  　　USB音箱允许由CPU对音频数据进行前期处理，然后再传送到音箱，不过目前USB接口的带宽是有限的，所以USB传送的只可能是压缩过的Dolby Digital音频信号，因此就必须在音箱内部配置价格不菲的Dolby Digital解码芯片，而随着USB2.0规范的出台，其带宽足够实现多通道环绕声系统的声音回放。可以说USB音箱的发展前景是很广阔的。另外市场上还出现了IEEE1394音箱，也有很好的发展前景。  二、平板音箱  　　和传统音箱相比，“平板音箱”首先留给人的印象就是其轻薄、独特的外观。除此之外平板音箱的振动原理与一般传统扬声器的振动原理有所不同，传统的扬声器采用的活塞式的振动方式工作的，宏观上的振动点只有一个，而平面式喇叭的振动方式采用随机振动的方式，因此它的振点非常多，这使其具有一个独有的优点就是无指向性。而传统扬声器具有很强的指向性，听者必须站在喇叭的前方才能听到完整的声音，特别是高音的部分，锥状声场的覆盖面积很小，而平板音箱的听音效果与听者的位置关系不大。  　　此外平板音箱声场强度分布也比较均匀。声音的真实度较好。不过由于平板扬声器的设计采用的是波浪式的振动方式，所能推动的空气量很小，远没有传统扬声器推动的空气体积大，所以它的低频效果非常不好，因此它必须搭配一组低音炮以提高低音的表现力。另外，很多人都会感到对平板音箱发出的声音不太习惯，这除了发声原理上差异外，还与现在绝大多数音源录制过程有关的。因为声音的录制大多是在声场中以点的方式采集录制的，因此用以点发射方式进行回放的传统扬声器较为适合，而平板音箱是一种面声源，现在还不大可能将声音源的采集方式改为面采集。  　　就性能而言，“平板音箱”并没有多大的优势可言，其音质音色恐怕只与中低档普通音箱相近，而且听惯了普通音箱的人还不一定能习惯它面声源的发声特性。总的来说“平板音箱”在声音质量上并没有多少优势，应该讲它的优势外观和体积上。因为是平板式的，可以做得非常轻薄，比传统音箱的体积要小许多，所以它的摆放和安装是极为灵活的，你甚至可以把它作为装饰品贴在墙上。另外“平板音箱”还可能在笔记本电脑等移动计算领域中得到应用。  　　平板音箱在结构上与传统音箱有着许多不同之处，其核心是“驱动体”（Exciter），“驱动体”的冲程长度非常小，一般不超过2mm；音圈部分相对较轻，以避免高频部分的失真；采用高磁的设计（一般磁密度在10000高斯以上）。多个驱动体可以共用，以提高输出声压和得到更好的频响曲线。平板音箱的另一个重要组成是，“振动板”（Cone），所起的作用类似人的声带，对音箱的音色、声强和声音的平整度起着决定性的作用。  　　振动板的材料可以分为：纸桨类、层板类、PCB板和蜂巢类等几类，其中以蜂巢类的效果最佳，但它的成本也相对是最高的；其次为纸桨类，再次为层板类，最差的为PCB板。另外现在还有一种复合式纸盆振动板，刚性大、重量轻，而且有着抗高温、抗潮湿、不变形的特性，性价比较高。此外振动板的设计还须考虑结构尺寸的问题，目前在平板式扬声器方面，世界上主要有两大系统，一种是英国的NXT系统，另一种是澳大利亚的平面喇叭系统，目前NXT在性能与成本方面都处在了领先的地位。现在平板音箱大多按NXT的专利黄金比0.88比1或1比1.414设计，以获得最佳的频响曲线。  三、3D音效和多声道音箱  　 首先先让我们来了解一下3D音效的概况。在现实世界中我们可以仅凭两只耳朵就感受到三维音效，那么仅凭一对音箱或是耳机是否也有可能达到同样的效果呢？传统的音效设备是依靠一对分为左右声道的音箱来产生单层面的立体声声场的。一个三维音效系统有关键的两部分组成：三维定位和交互，就是在一个听者周围的三维空间中有复杂的音源定位的能力，和能即时作到这一点的能力，这就是现代三维音效所遵循的基础。  　　首先我们谈谈用两只音箱实现3D环绕立体声效果。在这方面比较经典的是SRS(SoundRetrievalSystem，即声音修正系统)技术。SRS技术利用仿声学原理， 根据人耳对各空间方向声音信号函数的反应不同，对双声道立体声中的反射、折射、回射等信号分离提取后，再对这部分信号进行处理，让其达到一个空间方向上的变换效果。这样处理后，原本是从一个方向来的立体声信号，却让人感觉是从四面八方传来一般，给人以置身于3D声场中的感受 (实际上这是人耳的错觉) 。  　　SRS技术只使用两只普通音箱，无需杜比编码技术，即可产生出仿3D环绕声放音效果。现在的多媒体电脑系统中，大多采用了SRS技术。在SRS的基础上，虚拟环绕声系统运用3D音频技术可以通过一对普通音箱营造出五个音箱的幻像，如Aureal’s A3D Surround就是一种虚拟的环绕效果。可以看出环绕声音轨对于电影、DVD等非交互式的背景音乐非常适合，但不适合于交互式的三维游戏中。  　　现在最新的双音箱3D环绕技术扩展立体声（Extended Stereo）技术，通过电路对声音信号进行附加处理，使听者感到声像方位扩展到了两音箱的外侧，以此进行声像扩展，使人有空间感和立体感，产生更为宽阔的立体声效果。现在一些3D音箱采用了最新的APX(TM)3D技术，实现了只用两只音箱，创建三维环绕音场。APX是英文AllPositioneXpansion（全方位扩展）的缩写,是美国AHEAD公司的专利技术,该技术实现只用二只立体声音箱创建一个全方位360度的三维声场。  　　APX技术的理论依据是人的听觉系统特性和听觉心理学。耳道、外耳和耳廓对辨别声音方向起到重要的作用。由于耳廓和外耳的复杂形状，声道进入这个区域在各个频率上会被反射、加强或削弱。通过两耳对方位角和上下位置变化的反应，辨别出声音来自上、下、左、右、前、后。耳廓和外耳就像滤波器一样，起到加强某些频率的信号，衰减另外某些频率的信号和对某些频点信号作延时。而APX利用这一特性，采用数字和模拟混合技术，对普通声源作适当的控制回音、混响、延时、空间效应及强度，声音被“编程”到大脑。这样你能听到声音似乎超出了声源边界而来自四面八方多个声源，从一只耳朵这边延伸到另一只耳朵那边，在空间每边有180度的全方位的扩展。  　　APX不同于杜比环绕声系统，后者需要音源中含有多路信号的编码，而目前大多数VCD碟片中根本没有这类编码，也就是说VCD中的声音采用昂贵的杜比AV影院系统，根本不能达到真实再现原声，最多只能是模拟环绕效果。而APX的声源可以是普通的立体声，甚至是单声道声音，而且兼容含杜比编码的节目源。  　　而创通提出的环境音效（EAX,Environmental Audio Extensions）更多的是强调三维环境声音效果的真实性与临场性，它对三维定位效果的体现不是其中的主体。Creative的EAX使用相同的API支持多种音箱设置，当使用多个音箱时，声音的3D特性连同混响、反射等模拟声学环境的效果得以提高。但EAX现有的Direct Sound 3D API没有提供足够的功能来产生比现有3D音效技术更高级的音响效果。由于距离只能通过响度来模拟，游戏的声音设计人员尽管可以选择录制包括混响的声音或直接利用3D音效，但这两种选择都不尽如人意。  　　解决此问题的唯一方法是安装物理上的后置音箱，甚至只有一个后置音箱也可以极大地提高听音质量。音箱越多，效果越好。多音箱还有其他的优势，比如可以做到干扰抵消。多音箱使额外独立的变量加入到干扰抵消的微分方程中。这为多于两点的空间点提供了精确解，更重要的是提高了近似解的准确程度。因此，多音箱的出现充分拓展了3D音效中“鸣点”的范围。目前越来越多的游戏支持EAX和A3D，这是只有一对音箱的声音系统所不能够表现的，所以多声道音箱的运用就成为了一种必然。从听音系统来讲，今后流行的肯定是多声道音箱系统，如5.1甚至9.1等，这也符合未来更为复杂的音频技术的发展要求。