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多媒體音箱新技術
2007-02-09 00:38
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隨著家用多媒體電腦的日益普及，尤其是近年來電腦聲卡性能有大幅提高，多媒體音箱也越來越顯示出在多媒體電腦系統中的重要地位。幾年前人們給電腦配一個幾十元的塑料小音箱就很滿足了，而現在上千元的中高檔多媒體音箱擺到了越來越多“發燒友”的電腦旁?，F在電腦使用的“多媒體音箱”幾乎都是有源音箱，所謂有源音箱簡單說就是把功率放大器和揚聲器發聲系統做成一體的音箱，可直接與電腦聲卡搭配，構成一套完整的音響組合。有源音箱縮短了連接線路，減少了干擾信號，可降低背景噪聲，而且有效地節省了音箱制造成本及占用空間，具有很高的性能價格比。? 當然多媒體音箱只是眾多音箱產品中的一個特殊的分支，電腦多媒體音響系統在音源與功率放大等部分還與真正的Hi-Fi音響系統有著一定的差距。不過隨著未來電腦多媒體技術的不斷發展，更多的新技術會應用到多媒體音箱之中（比如USB音箱和平板式音箱）。從未來更為復雜的PC音頻技術的發展需要來看，電腦多媒體音箱將向數字化、多聲道化（如5.1、7.1甚至9.1）、多技術類型（如各種3D聲場處理技術）以及多用途和高性能等方向發展。? 一、數字式與USB音箱? 現在“數字化”，可以說是一個非常流行的詞匯，很多新一代科技產品都被冠以?“數字化”的概念。和一般的模擬設備相比，使用了數字化技術的產品，確實在性能、質量、功能、易用性、可靠性等方面都有相應的提高，可以說數字化是今后大多數科技類產品的發展方向。從多媒體音箱的發展來看，自從誕生的那一天起，普通的模擬式音箱就一直占據著市場的主流，但隨著數字化時代的到來，PC用多媒體音箱也正在朝數字化的方向發展，當然支持數字輸出的聲卡、USB等新型接口的普及也為音箱朝數字化過渡提供了保障。? 目前“數字式音箱”主要包含兩個方面，即“數字調節”和“數字輸入”。采用數字式音量調節就可以避免模擬調節易受干擾的缺點，而且操作控制更加方便。數字式輸入可以充分保證音源的質量和純凈。數字音箱是從聲卡的數字接口將用高、低電平分別代表1和0的數字信號直接送至音箱內部的，這樣可以極大的的提高所輸出的聲音信號的信噪比，而模擬信號是連續變化的電平，所以極易受到干擾。因此數字式音箱避免了聲卡輸出的模擬信號受到機箱內復雜的電磁干擾而使聲音變得更加純凈，對細微聲音信號的分辨力和表現力都比傳統模擬音箱要好不少。? 此外數字音箱通過一條數據線能輸出的音頻種類是非常豐富的，如立體聲、Dolby?Digital（AC-3）或Dolby?Pro?Logic等，這也是模擬輸入音箱所望塵莫及的。以Dolby?Digital的6個聲道的原始未經解碼的聲音信號為例，要是用模擬方式輸出達到同樣的效果，就至少需要三個立體聲插口來輸出解碼后的模擬音頻信號才行，而對于數字音箱來說，它幾乎支持包括Dolby?Digital（AC-3）和Dolby?Pro?Logic在內幾乎全部的數字音頻格式，覆蓋面非常大；一些多聲道數字音箱可以自動識別輸入信號的種類，然后再進行不同的解碼和音頻轉換工作，功能強大，使用方便?，F在數字音箱還廣泛運用了SRS、APX、?Spatializer?3D、Q-SOUND、?Virtaul?Dolby和?Ymersion等硬件3D音效技術，此外還有有源機電伺服技術和BBE高清晰高原音重放系統等音效增強技術，對改善音質也有一定效果。? 由于在設計制造上的高要求，目前市場上的數字音箱產品并不是十分的豐富，只有少數幾款產品（如創通的Cambridge?SoundWorks?DeskTop?Theater?2500），而且價格昂貴，大多要2000元以上，還要使用帶數字輸出功能的聲卡（如Sound?Blaster?Live!Digital）與之相配，因此普及程度還很低。不過現在一種新型“數字式音箱”：USB音箱的出現，使這種情況得以改善。? USB是英文“Universal?Serial?Bus”的縮寫，意為“通用串行總線”。USB使用一個4針插頭作為標準插頭，并通過這個標準接頭，采用菊花辮形式把所有外設連接起來，它采用串行方式傳輸數據，目前最大數據傳輸率為12Mbps,?支持多數據流和多個設備并行操作，允許外設熱插拔。將USB技術應用于多媒體音箱上，實現音箱的全數字輸入，可以使音質得到很大的提高，USB為即插即用的可以熱插拔的接口，USB音箱使用起來是比較方便的，此外與傳統音箱相比，USB接口及設備均受CPU控制，因此USB音箱可以通過軟件實現開、關機、調節音量大小、靜音等。而且USB音箱的價格并不太貴,一般在幾百元的價位上。? USB音箱的一個重要特點是不再需要聲卡，它利用主板的USB接口來輸出數據信號，而將原來由聲卡來完成的數模轉換的工作移到音箱的內部通過專門的芯片來完成，從而繞過了聲卡的一環；而其他的支持數字輸入的音箱則必須要有聲卡的數字輸出接口相配才能使用，所以使用USB音箱在計算機的成本方面相對有所降低。但對一些如A3D、EAX、硬波表等需要用聲卡硬件芯片來合成處理的聲音音效USB音箱是不能實現的。從目?前來看USB音箱只能支持基于Windows界面的Direct?Sound（3D）的聲音音效。? USB音箱允許由CPU對音頻數據進行前期處理，然后再傳送到音箱，不過目前USB接口的帶寬是有限的，所以USB傳送的只可能是壓縮過的Dolby?Digital音頻信號，因此就必須在音箱內部配置價格不菲的Dolby?Digital解碼芯片，而隨著USB2.0規范的出臺，其帶寬足夠實現多通道環繞聲系統的聲音回放?？梢哉fUSB音箱的發展前景是很廣闊的。另外市場上還出現了IEEE1394音箱，也有很好的發展前景。? 二、平板音箱? 和傳統音箱相比，“平板音箱”首先留給人的印象就是其輕薄、獨特的外觀。除此之外平板音箱的振動原理與一般傳統揚聲器的振動原理有所不同，傳統的揚聲器采用的活塞式的振動方式工作的，宏觀上的振動點只有一個，而平面式喇叭的振動方式采用隨機振動的方式，因此它的振點非常多，這使其具有一個獨有的優點就是無指向性。而傳統揚聲器具有很強的指向性，聽者必須站在喇叭的前方才能聽到完整的聲音，特別是高音的部分，錐狀聲場的覆蓋面積很小，而平板音箱的聽音效果與聽者的位置關系不大。? 此外平板音箱聲場強度分布也比較均勻。聲音的真實度較好。不過由于平板揚聲器的設計采用的是波浪式的振動方式，所能推動的空氣量很小，遠沒有傳統揚聲器推動的空氣體積大，所以它的低頻效果非常不好，因此它必須搭配一組低音炮以提高低音的表現力。另外，很多人都會感到對平板音箱發出的聲音不太習慣，這除了發聲原理上差異外，還與現在絕大多數音源錄制過程有關的。因為聲音的錄制大多是在聲場中以點的方式采集錄制的，因此用以點發射方式進行回放的傳統揚聲器較為適合，而平板音箱是一種面聲源，現在還不大可能將聲音源的采集方式改為面采集。? 就性能而言，“平板音箱”并沒有多大的優勢可言，其音質音色恐怕只與中低檔普通音箱相近，而且聽慣了普通音箱的人還不一定能習慣它面聲源的發聲特性。總的來說“平板音箱”在聲音質量上并沒有多少優勢，應該講它的優勢外觀和體積上。因為是平板式的，可以做得非常輕薄，比傳統音箱的體積要小許多，所以它的擺放和安裝是極為靈活的，你甚至可以把它作為裝飾品貼在墻上。另外“平板音箱”還可能在筆記本電腦等移動計算領域中得到應用。? 平板音箱在結構上與傳統音箱有著許多不同之處，其核心是“驅動體”（Exciter），“驅動體”的沖程長度非常小，一般不超過2mm；音圈部分相對較輕，以避免高頻部分的失真；采用高磁的設計（一般磁密度在10000高斯以上）。多個驅動體可以共用，以提高輸出聲壓和得到更好的頻響曲線。平板音箱的另一個重要組成是，“振動板”（Cone），所起的作用類似人的聲帶，對音箱的音色、聲強和聲音的平整度起著決定性的作用。? 振動板的材料可以分為：紙槳類、層板類、PCB板和蜂巢類等幾類，其中以蜂巢類的效果最佳，但它的成本也相對是最高的；其次為紙槳類，再次為層板類，最差的為PCB板。另外現在還有一種復合式紙盆振動板，剛性大、重量輕，而且有著抗高溫、抗潮濕、不變形的特性，性價比較高。此外振動板的設計還須考慮結構尺寸的問題，目前在平板式揚聲器方面，世界上主要有兩大系統，一種是英國的NXT系統，另一種是澳大利亞的平面喇叭系統，目前NXT在性能與成本方面都處在了領先的地位?，F在平板音箱大多按NXT的專利黃金比0.88比1或1比1.414設計，以獲得最佳的頻響曲線。? 三、3D音效和多聲道音箱? ?首先先讓我們來了解一下3D音效的概況。在現實世界中我們可以僅憑兩只耳朵就感受到三維音效，那么僅憑一對音箱或是耳機是否也有可能達到同樣的效果呢？傳統的音效設備是依靠一對分為左右聲道的音箱來產生單層面的立體聲聲場的。一個三維音效系統有關鍵的兩部分組成：三維定位和交互，就是在一個聽者周圍的三維空間中有復雜的音源定位的能力，和能即時作到這一點的能力，這就是現代三維音效所遵循的基礎。? 首先我們談談用兩只音箱實現3D環繞立體聲效果。在這方面比較經典的是SRS(SoundRetrievalSystem，即聲音修正系統)技術。SRS技術利用仿聲學原理，?根據人耳對各空間方向聲音信號函數的反應不同，對雙聲道立體聲中的反射、折射、回射等信號分離提取后，再對這部分信號進行處理，讓其達到一個空間方向上的變換效果。這樣處理后，原本是從一個方向來的立體聲信號，卻讓人感覺是從四面八方傳來一般，給人以置身于3D聲場中的感受?(實際上這是人耳的錯覺)?。? SRS技術只使用兩只普通音箱，無需杜比編碼技術，即可產生出仿3D環繞聲放音效果?，F在的多媒體電腦系統中，大多采用了SRS技術。在SRS的基礎上，虛擬環繞聲系統運用3D音頻技術可以通過一對普通音箱營造出五個音箱的幻像，如Aureal’s?A3D?Surround就是一種虛擬的環繞效果?？梢钥闯霏h繞聲音軌對于電影、DVD等非交互式的背景音樂非常適合，但不適合于交互式的三維游戲中。? 現在最新的雙音箱3D環繞技術擴展立體聲（Extended?Stereo）技術，通過電路對聲音信號進行附加處理，使聽者感到聲像方位擴展到了兩音箱的外側，以此進行聲像擴展，使人有空間感和立體感，產生更為寬闊的立體聲效果。現在一些3D音箱采用了最新的APX(TM)3D技術，實現了只用兩只音箱，創建三維環繞音場。APX是英文AllPositioneXpansion（全方位擴展）的縮寫,是美國AHEAD公司的專利技術,該技術實現只用二只立體聲音箱創建一個全方位360度的三維聲場。? APX技術的理論依據是人的聽覺系統特性和聽覺心理學。耳道、外耳和耳廓對辨別聲音方向起到重要的作用。由于耳廓和外耳的復雜形狀，聲道進入這個區域在各個頻率上會被反射、加強或削弱。通過兩耳對方位角和上下位置變化的反應，辨別出聲音來自上、下、左、右、前、后。耳廓和外耳就像濾波器一樣，起到加強某些頻率的信號，衰減另外某些頻率的信號和對某些頻點信號作延時。而APX利用這一特性，采用數字和模擬混合技術，對普通聲源作適當的控制回音、混響、延時、空間效應及強度，聲音被“編程”到大腦。這樣你能聽到聲音似乎超出了聲源邊界而來自四面八方多個聲源，從一只耳朵這邊延伸到另一只耳朵那邊，在空間每邊有180度的全方位的擴展。? APX不同于杜比環繞聲系統，后者需要音源中含有多路信號的編碼，而目前大多數VCD碟片中根本沒有這類編碼，也就是說VCD中的聲音采用昂貴的杜比AV影院系統，根本不能達到真實再現原聲，最多只能是模擬環繞效果。而APX的聲源可以是普通的立體聲，甚至是單聲道聲音，而且兼容含杜比編碼的節目源。? 而創通提出的環境音效（EAX,Environmental?Audio?Extensions）更多的是強調三維環境聲音效果的真實性與臨場性，它對三維定位效果的體現不是其中的主體。Creative的EAX使用相同的API支持多種音箱設置，當使用多個音箱時，聲音的3D特性連同混響、反射等模擬聲學環境的效果得以提高。但EAX現有的Direct?Sound?3D?API沒有提供足夠的功能來產生比現有3D音效技術更高級的音響效果。由于距離只能通過響度來模擬，游戲的聲音設計人員盡管可以選擇錄制包括混響的聲音或直接利用3D音效，但這兩種選擇都不盡如人意。? 解決此問題的唯一方法是安裝物理上的后置音箱，甚至只有一個后置音箱也可以極大地提高聽音質量。音箱越多，效果越好。多音箱還有其他的優勢，比如可以做到干擾抵消。多音箱使額外獨立的變量加入到干擾抵消的微分方程中。這為多于兩點的空間點提供了精確解，更重要的是提高了近似解的準確程度。因此，多音箱的出現充分拓展了3D音效中“鳴點”的范圍。目前越來越多的游戲支持EAX和A3D，這是只有一對音箱的聲音系統所不能夠表現的，所以多聲道音箱的運用就成為了一種必然。從聽音系統來講，今后流行的肯定是多聲道音箱系統，如5.1甚至9.1等，這也符合未來更為復雜的音頻技術的發展要求。? |
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