CEDIA/CTA-RP22沉浸式音頻設計推薦規范要點分析3

文_編輯部

家庭影院音頻系統設計相關標準要點

當美國丹佛CEDIA 2023展會結束之后，CEDIA協會正式推出CEDIA/CTA-RP22沉浸式音頻設計推薦規范，將近幾年影音定制影院所關心的沉浸式音頻系統構建所涉及到的方方面面，進行了非常詳細的解析與重定義，并且帶來了眾多實際項目施工相關的建議與說明，為構建標準化、統一格式沉浸式音頻系統奠定了國際性的參考標準。我們在前面兩期詳細介紹了CEDIA/CTA-RP22推薦規范當中，關于Performance Level selection性能等級、Seating layout座位布局關鍵細則。本期，我們將會繼續聚焦在CEDIA/CTA-RP22推薦規范關于沉浸式音頻設計中揚聲器布局與揚聲器性能方面。其中，在揚聲器布局方面，集中討論揚聲器安裝高度、增寬揚聲器擺位、頂置揚聲器擺位、揚聲器合適安裝數量、揚聲器指向性、揚聲器入墻或障板安裝等關鍵技術點。而在討論揚聲器性能方面，關注的重點則在Spinorama揚聲器軸向測量體系、揚聲器聲音指向性、極性、相位、延遲、聲壓級、傳播損失等方面。這些部分都是我們在打造沉浸式音頻系統之中的技術難點以及容易忽略的地方，值得每一位影音行業工作者、影音愛好者與發燒友參考與清楚掌握。

RP22沉浸式音頻設計推薦規范要點分析3：

揚聲器布局

● 揚聲器位置需要考慮聽眾頭部聲學遮擋問題

● 增寬揚聲器推薦擺位

● 上層揚聲器推薦擺位

● 為聆聽區域配置合適的揚聲器數量

● 在所有格式中最大化上層揚聲器的使用

● 揚聲器指向性和最佳方位

● 揚聲器指向參考傾聽位置

● 無指向角揚聲器安裝指南

● 揚聲器入墻或障板安裝指南

揚聲器性能

● ANSI/CTA-2034-A，Spinorama揚聲器軸向測量體系

● 揚聲器聲音擴散熱圖

● 揚聲器間極性不匹配

● 揚聲器間相位不匹配

● 揚聲器群間組延遲不匹配

● 揚聲器最大聲壓級范圍

RP22沉浸式音頻設計推薦規范，揚聲器布局

揚聲器位置需要考慮聽眾頭部聲學遮擋問題

當聆聽區域內并非只是設置單一座位，而是多個座位時，由于某些環繞揚聲器到某一位置的聲音傳播路徑被坐在一旁或后方的聆聽者頭部所遮擋，可能會產生聲音遮擋問題。這可能導致聲音“陰影”效應，并可能對聲音的音調平衡、聲源定位產生極大的負面影響。當聆聽區域包含多排座位時，某些觀眾的視野也可能會被前排座位上觀眾的頭部部分遮擋。在這種情況下，就需要為前后排座位構建階梯，讓前后排座位有一定的高度差，即從第二排開始，每排依次提升足夠的高度，以確保每個座位都有無障礙的視野。因此，此時環繞揚聲器層與聽眾層不再是水平的，而是向前傾斜下降。

無論多座位聆聽層是否水平或者傾斜，都應該避免聆聽者的頭部被遮擋，以減少座位間聲音的變化，并讓揚聲器最大限度重現播放內容的聲音本質。這可以通過調整揚聲器的垂直和水平位置的方法來解決。

●垂直方向的頭部空間，往往需要輕微提升整個環繞揚聲器平面高度，略高于聽眾層，以使所有聽眾都能夠從對應的揚聲器位置聽到聲音，高過其他人的頭部。這通常需要大約30cm(12英寸)的高度提升，但具體數值可能因聽眾區域的大小、與墻壁的距離和天花板高度的不同而有所不同。需要注意的是，將環繞揚聲器提升得太高，會使環繞聲場與上層聲場相合并，直接影響頭頂上方聲場的準確性。

●水平方向的頭部空間，往往需要前后移動每個環繞揚聲器的位置，以確保它們與相鄰的座位行處于同一直線上，為所有聆聽者清除聲音傳統路徑上的障礙。需要注意，這應與保持環繞揚聲器之間維持等間距擺放。

總的來說，需要確保從每個座位都能清晰與完整地看到每一個環繞揚聲器。

為了避免出現頭部聆聽被遮擋的問題，需要對環繞揚聲器進行輕微的擺位調整

增寬揚聲器推薦擺位

在完成屏幕揚聲器的擺位之后，如果發現屏幕揚聲器最外側的左右揚聲器與最前排的環繞揚聲器之間，存在一個較大的聲場空隙，這個時候我們就可以使用前置增寬揚聲器來填補這個空隙。具體有以下兩種方法可以實現。

1.中位角法。從前左或前右揚聲器到對應的第一對環繞揚聲器的距離中點，與參考聆聽位置所形成的角度。例如，如果前左揚聲器(FL)到環左揚聲器(SL)的距離為3米，則前置增寬揚聲器應該放置在1.5米的位置。中位角則是相對于參考聆聽位置所形成的角度。

圖4顯示了IVY數據庫中符合模型條件的72組圖像的VC(D,wα,c)+f(D,wα)與對比度的關系，橫坐標表示對比度，縱坐標表示舒適度評分與包含D+W變量的函數的和，從中可以看出兩者間存在相關關系.在Matlab中使用最小二乘法做曲線擬合得到式(13)，將f(D,wα)右移整理得舒適度模型為式(14).在本文中，(9)～(14)中D的取值范圍均為0.50≤D≤2.00.

2.二等分角法。前左或前右揚聲器到參考聆聽位置的角度和對應的第一對環繞聲揚聲器角度的半角。例如，如果前左揚聲器相對于中置揚聲器的角度是30度，環左揚聲器的角度是90度，則二等分角是(90度-30度)/2=30度，即是前左揚聲器外30度，或者與中置揚聲器60度的位置。這也表示兩個增寬揚聲器之間的夾角為120度。

相比二等分角法，中位角法讓增寬揚聲器更接近屏幕，這更接近于電影院中的情況。值得注意的是，杜比和DTS都推薦將前置增寬揚聲器放置在聽眾層中，相隔120度(相對于中置揚聲器的角度為±60度)。

前置增寬揚聲器應與前左或前右聲道揚聲器放置在同一水平面上，并指向聆聽位置。這可能需要特殊的安裝方式或帶有一定指向性的揚聲器。由于需要考慮到聲音指向性的緣故，因此并不建議采取嵌入側墻的安裝方式，除非安裝方式或揚聲器本身設計已經具備適當的指向性角度。

按中位角法，前置增寬音箱應放置在前左或前右聲揚聲器和第一對環繞聲揚聲器直線距離中點的位置

上層揚聲器推薦擺位

在上層揚聲器的擺位的建議方面，各種沉浸式音頻格式之間的差異最為明顯。不過，仔細分析各個沉浸式音效格式想要實現的效果，實際上可以得出一些特定的擺位建議。這些建議對所有格式都比較適用。

所有沉浸式音頻格式基本上都采用20-45度之間仰角的上層揚聲器擺位。例如，杜比全景聲建議30-45度，建議天花上方(頂部)的位置沿兩條直線線擺放(與前左右揚聲器垂直對齊或稍微內側)。DTS:X建議更寬的20-45度的范圍，但建議角度在更高的范圍內。Auro-3D建議25-40度，目標是30度，在與前左、前右屏幕揚聲器處于同一豎直平面上的墻面上方。

這些上層揚聲器的擺位建議，適用于單個座位情況，需要留意的是，如果是多個座位，則需要根據空間的具體情況來進行適當的調整。當聆聽者遠離參考聆聽位置時，上方聲場的聲像定位會出現問題。通過仔細調整上層揚聲器的數量和位置，以及左右兩排上層揚聲器之間的垂直角度，可以優化所有座位的上方聲場聲像定位。當然關鍵之處，取決于聽音區域位置、大小和天花實際高度。

沉浸式音頻的一個基本目標是確保聆聽區域中的所有聽眾都能獲得同樣出色的聲音體驗。當一個音效被混響到前方高處位置時，每個聽眾都應該感知到它來自高處的前方。當一個音效被混響到后方高出位置時，每個聽眾都應該感知到它來自高處的后方。如果僅根據參考聆聽位置確定揚聲器位置，而不考慮整個聆聽區域的長度與寬度，很容會導致聆聽區域內的某些位置感受不到來自上方聲場的音效變化。

不同的上層揚聲器與相鄰行座位的垂直角度

因此，在具有多排座位的家庭影院空間中，可根據以下準則，根據聆聽區域來調整所有上層揚聲器的擺位，則可以為所有座位保留基本的聲像定位。

1.所有上層前置揚聲器都應該在聆聽區域的前部。這條規則確保沒有任何聽眾會聽到上層前置揚聲器的聲音來自頭頂的后方。

2.所有上層后置揚聲器都應該在聆聽區域的后部。這條規則確保沒有任何聽眾會聽到上后置揚聲器的聲音來自頭頂的前方。

3.最好使所有上左/右揚聲器沿前后天花成一直線對齊，間距不應比聆聽區域窄，也不應比前左或前右右揚聲器寬。這條規則確保沒有任何聽眾會聽到上左揚聲器的聲音來自右方，反之亦然。然而，如果與前左或前右揚聲器相比較寬，可能會導致上左揚聲器和上右揚聲器之間的距離過大，從而影響參考聆聽位置的效果。

4.頂中揚聲器(包括中央頂置揚聲器)位于從左至右橫跨的區域，應該在參考聆聽位置的前后50cm(20英寸)范圍內。

上層（頂部/增高）揚聲器擺位推薦安裝位置大致范圍

為聆聽區域配置合適的揚聲器數量

推薦的上層揚聲器數量取決于以下主要因素。

●聽眾區域的長度。理所當然，距離更長的聽眾區域需要數量更多的上層揚聲器覆蓋。RP22推薦規范建議至少使用4個上層揚聲器。關于上層揚聲器的垂直角度要求，RP22推薦規范建議范圍是從80°(行數較少的上層揚聲器)到50°(行數較多的上層揚聲器)。

●聽眾層揚聲器到天花板的距離。對聽眾而言，天花高度越低需要越多頂置揚聲器。更多的揚聲器數量可以提供更多音效定位點，而且通過減少呈現聲像所需的跨度范圍，可以更好地為大多數觀眾保持準確的定向感和沉浸體驗。

如果使用向上發聲的揚聲器，需注意天花高度和天花的反射特性，其中聲音反射角度指向聆聽區域。

在所有格式中最大化上層揚聲器的使用

盡管不同沉浸式格式在上層揚聲器的數量和擺位上存在差異，但依然能夠做到求同存異，最大化上層揚聲器的使用率。

●杜比全景聲最多提供10個獨立的上層揚聲器通道:

o 1對前增高通道(墻面/天花)，3對頂置通道(天花)，1對后增高通道(墻面/天花板)

●Auro-3D最多提供6個獨立的上層揚聲器通道:

o 前左/中/右增高通道(墻面)，1對后增高通道(墻面)，單個中央頂置通道(“上帝之聲)

●DTS:X提供4個獨立的上層揚聲器通道:

o 1對前增高/頂置通道，1對后增高/頂置通道

●DTS:X Pro和MPEG-H最多各提供13個獨立的上層揚聲器通道:

o 前左/中/右增高通道，3對頂置通道(天花)，后左/中/右增高通道，單個頂置中央通道

關于上層揚聲器的性能等級分類，包括使用使用向上發聲揚聲器，上層揚聲器的垂直角度要求、上層揚聲器之間的聲壓級差

揚聲器指向性與最佳朝向

除了揚聲器的實際擺位，揚聲器指向性的不同方式對于聆聽區域獲得空間均勻性高的聲場起著很大的影響，不管是聲像定位的準確性還是不同座位的聲壓級均勻性。

考慮到大多數揚聲器都屬于點聲源的類型。根據項目需求和預算，存在多種不同的揚聲器指向性與朝向方式。最常見的三種如下。

1.指向參考傾聽位置。

2.不帶角度表面或嵌入式安裝。

3.入墻式或障板安裝。

揚聲器指向參考傾聽位置

為了真正實現Hi-End沉浸式音效再現，RP22推薦規范建議，在可能的情況下，所有揚聲器都應該指向參考傾聽位置(RSP)，正如專業影院和專業沉浸式音頻錄音室所規定的。

帶指向性的揚聲器可以構建更寬的聆聽區域、更準確的聲源定位和更統一的音調平衡，使得各種音效在空間中自由移動。如果很難實現完全精確的聲像定位，也可以合理地使用帶有預設角度障板的墻面或天花內揚聲器，使其盡可能地指向參考聆聽位置。這種揚聲器指向參考聆聽位置的安裝方式，減少了房間聲學的因素，聲音投射到的聆聽區域之外的能量被最小化。

無指向角度的揚聲器可能會使聲音成像偏向最近的揚聲器

無指向角揚聲器安裝指南

除了前面所建議的整個揚聲器系統采用指向參考聆聽位置的安裝方式之外，如果對音效的要求不算太高，也可以選擇直接在天花與墻面上安裝無指向性的揚聲器(有時稱為“淋浴式”安裝)。但是，這里需要強調的一點是，所采用的揚聲器需要有寬廣的聲音擴散特性。

對于距離參考傾聽位置較遠的聽眾，這種安裝方式會使得其所獲得的聲像定位和沉浸感降低。主要的原因在于容易受到離其最近的揚聲器所影響，相鄰兩個揚聲器之間所形成的幻象聲像也隨之偏移。

此外，使用無指向性的揚聲器也會更容易受到房間聲學的影響，畢竟大部分的揚聲器聲音能量被反射到相鄰和相對的墻面上，產生更強的聲反射和混響。不過，這種安裝方式便于施工，客戶的接受度高，畢竟可以獲得更好的室內美學效果。

這里需要強調的一點，應該始終避免前增寬音響采用無指向性的嵌入式安裝方式。在這種情況下，它們相對于聆聽區域的屬于過度離軸聲音擴散的狀態(30°至50°)，聲壓級和頻響都容易出現問題。

關于揚聲器布局的其他性能參考標準，包括在推薦位置外允許采用的環繞、增寬與上層揚聲器的數量，座位間頻響的差異性

入墻或障板安裝指南

采用入墻或障板的安裝方式，可以有效改善低頻響應的平滑性，并在300Hz以下獲得更好的聲音細節與層次。

專為入墻式安裝而設計的揚聲器(包括入墻式低音炮)應齊平安裝在墻壁上(可能帶有一定的指向角度)，同時應該盡量減少其周圍的障礙物與空腔。傳統落地揚聲器最好安裝在障板內或者距離墻面1米以上的距離。不適合采用這種安裝方式的揚聲器，需要使用均衡處理來減少由于障板或入墻安裝所產生的過多低音。

揚聲器，尤其是低音炮，不應與能夠產生聲音輻射能量的表面相接觸(機械耦合)，這可能會產生不必要的聲音干擾，例如額外的共振、聲音相消以及非線性失真，包括震動聲。這適用于房間墻面和屏幕聲障墻的安裝。

如果采用入墻或障板安裝，需要注意以下幾點。

●障板材料應該非常惰性且有很好的阻尼，能夠吸收或消除振動能量。它通常是具有加強內部結構的堅固且沉重的材料。

●揚聲器不應與擋板直接接觸。它們應該放在隔振墊上，應該用封閉泡沫徹底密封，切口位置應該大于揚聲器。

如果無法正確地實現障板安裝，最好避免使用它，只需要在屏幕揚聲器周圍簡單使用吸聲材料即可。

RP22沉浸式音頻設計推薦規范，揚聲器選擇

揚聲器性能

在RP22推薦規范關于“音頻性能目標和等級”的章節之中，指出大多數的音頻系統性能表現都會受到揚聲器，包括低音炮的選擇所影響。因此，在選擇揚聲器時，應該考慮下列的性能參數。

●揚聲器頻率響應

●揚聲器指向指數

●揚聲器聲功率

●揚聲器聲擴散

●揚聲器聆聽覆蓋范圍

●揚聲器之間的音色、頻譜和相位精度

●揚聲器和低音炮輸出聲壓級能力

考慮到系統整體性能要求，還需要了解和使用以下的數據：

●ANSI/CTA-2034-A(Spinorama揚聲器軸向測量體系)

●揚聲器聲擴散熱圖

●揚聲器短期和長期最大聲壓等級范圍

Spinorama揚聲器軸向測量體系

Spinorama揚聲器軸向測量系統

目前關于家用揚聲器頻率響應、極性輻射、指向性和最大輸出聲壓級方面的相關標準有很多，其中一種近年來越來越受到關注與重視的標準是ANSI/CTA-2034-A，簡稱為“Spinorama” 揚聲器軸向測量體系。ANSI/CTA-2034-A標準是基于Floyd E.Toole博士早年所進行的研究成果，被廣泛認為是一種準確的測試方法，用于預測揚聲器在典型家用房間環境下的整體性能表現。

“Spinorama” 揚聲器軸向測量體系是在垂直和水平方向，以10°增量的位置在揚聲器周圍設置70個麥克風，并以1/20倍頻程精度的方式測量揚聲器。需要注意的是，測量出來的原始數據將會轉換成多個不同的曲線來揭示在家用聆聽環境下，聆聽位置所接收到的直達聲與反射聲的本質。

在對測量數據進行收集和匯總后，Spinorama測量數據具體以下列6個指標圖形化曲線表示揚聲器性能，具體如下。

1.軸向頻率響應。使用1/20倍頻程精度測量揚聲器在人耳聆聽頻率范圍內的幅度響應。這部分主要反映關于坐在軸向方位聆聽者所聽到的最先到達人耳的直達聲。

Spinorama測量數據示例

2.傾聽窗口。這里主要是關于9個幅度響應的聲場空間均勻度的數據，麥克風在揚聲器垂直±10°和水平±30°角之間測量。這個曲線反映的是多個座位聆聽者所接收到的平均直達聲。它可以像是在消聲室中所測量出來的單一軸向曲線，消除某些能夠聽得到的的聲學干擾。

3.早期反射聲。這個數據反映的是在典型房間中到達參考傾聽位置的所有一次反射聲的估量值。這些通常是到達聆聽位置第二響的聲音(直接聲最響)。因此對這條曲線做出貢獻的非軸向聲就非常重要了，是聲音品質預測的重要組成部分。早期反射聲曲線在500Hz以上是穩態房間曲線的良好預測指標，盡管僅憑這條曲線本身并不一定是可靠的聲音品質指標。

4.聲功率。這個數據是以頻率響應方式呈現，指的是揚聲器輻射的聲音總功率，包括從各個不同方向達到聆聽者位置的聲音，是使用70個麥克風測量值所計算出來的。每個麥克風測量值都進行加權估計，揚聲器球形范圍內的不同區域的聲音能量。聲功率是“空間均衡”的最終表達方式。因此，聲功率是識別揚聲器中可能存在共振的一個重要因素。如果Spinorama頻率響應曲線中存在明顯的峰值，則表示異常。

5.聲功率指向指數(SPDI)。傾聽窗口和聲功率曲線之間的差值。SPDI值越高，揚聲器的指向性越強。

6.早期聲反射指向指數(ERDI)。傾聽窗口和早期反射曲線之間的差值。小房間聲學的特性和聲反射之間的相互關系，對判斷聲音品質有很大影響。ERDI曲線的平滑度是衡量揚聲器聲音品質的一個重要指標。

揚聲器聲音擴散熱圖

關于揚聲器的擴散性和指向性測試圖形，也就是俗稱的熱圖，有時也被稱為“指向性坐標圖”或“指向性地圖”。之所以稱為熱圖，是因為它的顏色類似于溫度測試圖。其中較暖的顏色表示較高的振幅。這對于預測揚聲器的聽眾覆蓋范圍以及所有座位位置的頻率響應的一致性(±3db, ±6db等)非常有用。

熱圖也可以用于確定是否需要將揚聲器指向聆聽區域。這主要是針對無法進行指向性安裝的揚聲器，其中以平面安裝的增寬揚聲器和增高揚聲器就是例子。

需要注意，試圖通過應用電子均衡處理的方式，來補償離軸輻射的揚聲器所減少聲壓級，可能會對音質產生不良影響。

某揚聲器關于水平與垂直指向性熱圖

揚聲器間極性不匹配

由極性引起的揚聲器間的極性不匹配，即揚聲器接線出現問題，正極連接到放大器負極接口，負極連接到正極接口，會導致該揚聲器完全失去與任何其他正確連接的揚聲器所形成聲像的能力。

揚聲器間相位不匹配

兩個同相揚聲器所發出的相同聲波會合成為一個特定的振幅，但如果在任何給定頻率下，揚聲器間存在相位不匹配,則會導致兩個峰值之間的振幅損失。振幅損失量與相位偏移的程度相對應，45°≈1.4dB損失，60°≈2.5dB損失，90°≈6dB損失。90°相位移位時，開始出現聆聽方面問題，隨著相位接近180°，問題將愈發嚴重。

在有限的頻率范圍內，所產生的揚聲器間相位不匹配，可能在整個房間內都是可以聽到的。在參考聆聽位置，它可能會帶來明顯的不適感。當采用不同結構與特點揚聲器組建系統時，在某些頻段可能會發生這種相位不匹配。例如:

●混合使用3路分頻揚聲器和2路分頻揚聲器

●外形相近但采用不同分頻電路的揚聲器

●同一制造商但不同型號的揚聲器

●垂直朝向的揚聲器與建議水平放置使用的揚聲器

●相同型號但性能一致性較差的揚聲器

揚聲器群間組延遲不匹配

揚聲器群組延遲是衡量不同頻率下聲相的變化速度以及這些頻率下聲波延遲的測量。影響因素包括驅動器類型、高通和低通濾波器。雖然群組延遲作為揚聲器特性是一般認為主要影響低頻部分，但具有不同群組延遲特征的揚聲器會導致基于時間頻段的偏移。這成為群組延遲不匹配，它會導致聲像模糊并且產生音色方面的變化。例如屏幕揚聲器采用的高音單元擴散結構與環繞揚聲器的并不相同，而導致高音方面的兩者不匹配。

揚聲器間相位不匹配與群組延遲不匹配相關聯。例如，200Hz處的0.1ms延遲對應7°的偏移。當不同的揚聲器在一起使用時，揚聲器間相位不匹配總是存在。

揚聲器最大聲壓級范圍

揚聲器和放大器的規格可用于粗略預測安裝后系統的短期和長期聲壓級容量，誤差在±3 dB目標水平內。通過相關的評估，就可以了解系統的聲壓級容量能否滿足電影大動態范圍音效的長時間播放要求。

SMPTE(美國電影電視工程師協會)關于商業電影標準中，規定了放映廳長度方向2/3處獲得85dB經校準的測量聲壓級，而屏幕揚聲器峰值聲壓級需要達到105dBC，其余所有揚聲器的最大聲壓級需要達到102dBC。LFE通道的最大聲壓級需要達到115dBC，相比屏幕揚聲器高出10dB。

揚聲器聲源類型和傳播損失

聆聽區域中任何位置的座位都會受到揚聲器聲源特性，以及隨著不同聲音傳播距離變化而產生聲音的傳播損失。在實際音頻系統設計環節，往往都會采用平方反比定律來預測傳播損耗，假設揚聲器處于自由聲場的空間之中。

揚聲器可以概括為兩種聲源類型:

●線聲源——產生圓柱波擴散，在自由聲場中每增加1倍距離僅衰減3dB。但是，在實踐應用之中，這類揚聲器在體積大小與硬件功能上可能會令聲波傳播產生變化，具有一定的垂直擴散特性，這會導致距離加倍時，損失在3dB和6dB之間。線源揚聲器通常僅適用于聽眾層。

●點聲源——在自由場中產生球面波擴散，每增加1倍距離衰減6dB。實際上，聲音傳播的方向性通常隨頻率的增加而增加。但是，揚聲器制造商可以通過使用特定的驅動器(或可能是多個驅動器)、波導和分頻器來調整聲音傳播方向性特性。點源揚聲器適用于沉浸式音頻系統的聽眾層和上層。

在一個實際的視聽室房間之中，由于墻面與天花反射聲的作用，測量出來的穩態最大聲壓級可能會更高。對于揚聲器傳播損失的預估，可以通過麥克風測量聆聽位置的直達聲，以及揚聲器到聆聽位置的直線距離來獲得相應的數據。