沉浸式汽车音响技术发展现状及应用( 上)
在汽车产业蓬勃发展的今天,用户对于汽车的消费体验已不再仅仅局限于汽车的基础功能使用上,针对汽车的娱乐功能体验因素越来越多地决定着大众的消费趋向。而汽车音响在音响技术不断进步的潮流当中,也在紧随着大环境,不断跟进自身的发展步伐。旨在通过对当下中高档车型中的沉浸式汽车音响技术进行研究,以了解国内外的汽车 3D 环绕声的现状。通过浅析代表性汽车音响设计品牌的核心技术以及汽车音响设计案例,将汽车环绕声技术理论与现实车型的音响设置相结合,进一步探究沉浸式汽车音响技术的发展现状和应用。
关键词:汽车音响; 3D 音响; 沉浸式音响; 环绕声技术; Bang & Olufsen( B&O)
作者:叶思成,何梦凡
中国传媒大学 艺术学部 音乐与录音艺术学院,北京
01背景介绍
汽车音响发展简述
伴随着工业文明的发展,汽车的出现使人类拥有了更加便利的出行方式。随着科技的不断进步和人们需求的提升,汽车仅仅作为代步工具的本质属性已不再能满足需要。汽车制造者将日益显著的大众文化需求与汽车科技相结合,最终提出并实践了“汽车音响”这个概念。
音响系统之所以可以称为音响,最基本的条件就是———有回放声音的功能。汽车音响系统与任何其他的音响系统同样,主要包括主机、功放、扬声器三部分。较为初级的音响系统仅仅具有收听广播的功能,而二十世纪七八十年代,立体声音响开始出现在高档轿车中。随后,汽车的娱乐系统开始了飞速的发展,直至现如今汽车音响环绕声技术的出现及盛行。
眼下的汽车音响技术又进入了一个新的里程,向大功率多路输出、多扬声器环回音响的“3D 环绕声”方向发展。世界音响制造商也将轿车音响辟为一个专门的工业部门,针对轿车的特殊环境,充分考虑车厢的音响效果,采用高新技术制造轿车音响设备,其播送的音响效果完全能与“家庭影院”相媲美。目前常见的汽车音响品牌主要来自欧美和日本两个地域,欧美品牌的音响以功率放大中的真实还原和低间震撼见长,注重真实还原音乐的本色,较为注重低音; 而日本品牌的音响则以对音质的读取和修饰见长,音质纯正细腻。不同类型的汽车音响品牌凭借各自的声音特色取悦于消费者,满足大众的消费需求。
环绕声技术的出现及在汽车领域的应用
环绕声技术,旨在将重放原信号中的各声源的方向再现,使欣赏者有一种被来自不同方向的声音包围的感觉。与普通的双声道立体声不同,环绕声至少要有三个声道,并且听众必须处于各声道的发声点包围之中。这种方式所产生的重放声场,除了保留着原信号的声源方向感外,还伴随产生围绕感和扩展感( 声音离开听者扩散或有混响的感觉) 的音响效果。在聆听环绕立体声时,聆听者能够区分出来自前后左右的声音,即环绕立体声可使空间声源由线扩展到整个水平面乃至垂直面,因此可以逼真地再现演出厅的空间混响过程,具有更为动人的临场感。常见的平面环绕声格式有 Dolby Digital( 也称 AC-3) 、DTS 等,基本都是在左右声道的基础上增加中置声道、左环绕声道、右环绕声道以及超低音效果声道,构成了大家通常所说的“5. 1 环绕声”[1]。而近年来逐步发展成熟的 3D 立体环绕声,则是在平面环绕声的基础上,在垂直方向上增加了顶向扬声器和侧向扬声器,例如常用在影院重放系统中的杜比全景声( Dolby Atoms,如图 1 所示) 、Auro 3D等重放格式,从声道设置上看,可以达到 11. 1,12. 1或 16 声道。
图1 杜比全景声影院音箱摆位示意图
3D 环绕声技术在影院系统中的广泛应用,为汽车音响制造者提供了创新的思路。各大汽车音响品牌纷纷投身于汽车 3D 环绕声系统的设计制造中,尤其在中高端汽车市场中投入实践。将 3D 环绕声技术与汽车音响系统相结合,必须考虑汽车的运行环境,包括振动、高温、噪声、电磁波等都会干扰车内电子设备的正常工作,因此轿车专用的音响设备不论从设计和工艺制造方面的要求都要比家用音响严格,从这个意义上讲,高性能的轿车音响实际上是当今音响世界中的极品[2]。
02汽车音响中的 3D 环绕声技术
B&O 旗下汽车环绕声系统
Bang & Olufsen 成立于 1925 年,由两位年轻的工程师 Peter Bang 和 Svend Olufsen 在丹麦的西北小镇斯特鲁尔携手创建。经过近百年的发展,Bang &Olufsen 以其与众不同的高质量电视、音乐系统和高性能扬声器产品而享誉世界,产品主要通过遍及 100多个国家和地区的广泛、独立零售网络销售。Bang &Olufsen 以极佳的设计语言展现卓越技术和感染力,成为国际设计标志和卓越音频质量的代表品牌[3]。
除了家用娱乐产品之外,Bang & Olufsen 还运用其出色的音响技能和设计能力为高端汽车行业制造高性能音响系统,包括与著名汽车品牌 Audi、BMW、奔驰等的合作。2005 年,B&O 与 Audi A8 车系合作,标志着 B&O 品牌在汽车音响行业的正式打响。
在汽车音响研制与开发中,B&O 创新多项声音技术,包括声透镜技术、扬声器集成技术、ICEpower、TrueImage 等,为其建立卓越的汽车 3D 环绕声音响提供了有力技术支持[4]。
此外,受到传统的扬声器设计要求听众必须坐在最佳听音位置,以获得最充足的听觉体验的启发,由B&O 研发的 Acoustic Lens Technology 声透镜技术( 见图 2) ———利用可以水平升起的扬声器,使声音分散在水平 180°的角度,最大化前扬声器的“甜点”所在区域,改进的空间感和现实感。所以无论乘客在车内置身何处,都会得到音乐厅前排的听感体验。
图 2 Bang & Olufsen 基于声学透镜技术( Lens) 研发的
水平升起的车内前端扬声器
Speaker Integration 扬声器集成技术———B&O的汽车音响系统的所有扬声器为了车辆特别定制的。必要时,工程师们还会将扬声器稳固地安装在塑封模型中。这确保了每个扬声器都能在均匀和稳定的条件下工作。除此之外,这项举措还能够减少音响的“漏声”现象,最大程度地保护车辆隐私。
ICEpower 技术( 见图3) ———允许 B&O 设计出更加紧凑的放大器。在热环境中,极少的能量流失使得更多的能量用于驱动扬声器。传统的放大器传递给扬声器的平均能量在 30% 左右,而 ICEpower 的扩增技术则使这个比例上升到 90% 以上,从而使输出能够达到 1 000 W,提供更加原汁原味的声音再现。
图3 ICEpower 内部构造
TureImage 技术———乘客或是声源通常不会一直置身于最佳位置,这时,TrueImage 算法作为 B&O数字信号处理技术的核心,发挥出巨大的作用。对于汽车音响来说,音频放大的目的不仅仅是为了声音的纯洁、清新和干净,在 TrueImage 技术的帮助下,声音被更加智能地分发到每个扬声器,从而确保了更加优越的听觉享受。
案例一: Audi Q7——3DAdvanced SoundSystem
B&O 公司著名的 3D 环绕声汽车音响系统在奥迪 Q7 系列上所展现。他们与音频编解码器和多媒体技术的开发者和供应商 Fraunhofer IIS 合作,在Q7 系列车型中实践了著名的 3D Advanced SoundSystem[5]。
3D Advanced Sound System 完善了水平尺寸上的平面环绕声设置,此外还添加了高度维度上的扬声器设置。系统由 B&O 公司旗下的 BeoCore D 类放大器提供超过 1 900 W 的有效功率。系统拥有23 只扬声器,每个放大器通道都负责自身对应的扬声器,包括准确定位在车内上半部分空间的内置扬声器。该系统的专利“声透镜”技术为声波提供了在平面 180°分散的可能性,并纳入了重新设计的3D 高音扬声器( 如图 4 所示) 。这种设计提升了车内音响的声波扩散性能,带给听众令人惊叹的声音立体感。
图4 Audi Q7 系列车型 3D Advanced Sound System 扬声器位置示意图
另外,如表 1 所示,在 3D Advanced Sound Sys-tem 中,车辆噪声补偿( Vehicle Noise Compensation,VNC) 技术利用板载传声器不断地测量系统的外部和内部噪声,从而进行弥补和调整。可扩展 DSP、TrueImage 矩 阵 处 理、DTCP ( Digital TransmissionContent Protection,数字传输内容保护功能) 以及5. 1多声道支持技术,大大提升了声音的重放效果。目前,3D Advanced Sound System 拥有几项不同的声音可选设置,分别是“Front( 前方) ”、“Rear( 后方) ”、“All( 综合) ”以及“Movie( 电影) ”。在此基础上,乘客可以在三个强度设置之间进行选择,感受不同的3D 音响效果。
表1 3D Advanced Sound System———Audi Q7 规格
案例二: Beosound———Aston Martin
B&O 公司与 Aston Martin 的合作,主要以 Beo-Sound 汽车3D 环绕声音响系列为主。以 Aston Mar-tin 旗下著名的 Vanquish 车系为例,与 Vanquish 在其同系 列 车 型 中 的 佼 佼 者 地 位 相 对 应,Bang &Olufsen 的音频工程师为 BeoSound 设计了更加强劲而轻巧的放大器,这使得 BeoSound 的声音体验更加优越。Vanquish 视觉上的铝质感元素和 Aston Mar-tin 的汽车动态线条配合相得益彰,同样,BeoSound的声音设计也经过了精密计算,与车内空间大小比例准确配合。确保听音者能够被声场更好地包围笼罩,从而毫不费力地领略到 BeoSound 环绕声优越的平衡处理,其设备规格见表 2[6]。在环绕声听感的营造过程中,Bang & Olufsen的专利技术 ICEpower 同样在 BeoSound 中发挥了重要作用,大功率输出与高保真音质得以紧凑巧妙地结合。声透镜技术( ALT) 提升了高频率在 180°水平范围的扩散程度,有效避免了高频的流失,增强了声音的空间感、层次感以及真实感。这使得乘客即使没有坐在最佳听音位置,也可以与原先相比获得更好的环绕感体验。
表2 Beosound———Vanquish 规格
如果没有使用先进的高级数字信号处理技术( DSP) ,无论多么优秀的扬声器和放大器都会流露出一种与汽车不相匹配的尴尬之感,音响的效果自然差强人意。通过先进的数字信号处理技术对声音进行有效处理,经历数百小时的人耳校对,再加上 13 只扬声器的配合,工程师们使 BeoSound 拥有了音乐厅般的现场立体环绕声效果。专门定制的密封固定式扬声器减少了漏声的情况,确保可以在多种客观环境条件下稳固工作。除此之外,BeoSound还可以随着环境噪声的改变自动进行动态调整,帮助驾驶者和听众更专注于驾驶和聆听过程。
案例三: BMW X6———High-End Surround Sound System
B&O 公司与 BMW 公司的经典而富有挑战性的合作,体现在 BMW X6 系列轿车当中。“Bang &Olufsen High-end Surround Sound System( 高端环绕声系统) ”为宝马 X6 车型提供了优越的聆听体验。与宝马 X6 有力而动感的驾驶体验相配合,宝马 X6高端环绕声系统拥有 16 只扬声器( 如图 5 所示) ,超过 1 200 W 的功率驱动,使得经过精密调谐的音乐充满了车厢内部的每一角落,其规格见表 3[7]。这套系 统 中,B&O 同样使用了声透镜技术( ALT) ,独立升起的前端扬声器将声音扩散在 180°水平范围,搭配以车内高低设置的其他高频或低频扬声器,乘客能够更加真实地体验 5. 1 环绕声,尤其是环绕声的纵深感与立体感。同时,系统较强的自动适应性能可以保证其在长时间工作中始终提供最佳的声音。车载音响系统中的 DySop 技术可以实施监视并弥补车厢内的噪声。所有音响部分的共同配合营造出了 BM X6 车系卓越的环绕声听感体验。
图5 BMW X6 扬声器位置俯视示意图
表3 High-End Surround Sound System———BMW X6 规格
案 例 四: AMG——BeoSoundAMG High-EndSurroundSound System
Bang & Olufsen 为奔驰公司设计的“BeoSoundAMG High-End Surround Sound System”汽车音响结合了之前的多种车载音响系列特点。在视觉设计上,AMG 的车载音响外观与奔驰内环境的流畅线条完美结合,独特的铝制格栅使得音响与车内环境融为一体,如图 6 所示。以 CLS 63 车系为例,14 只扬声器构成了环绕声扬声器部分,ICEpower 驱动系统为扬声器提供了超过 1 200 W 的功率,保证扬声器得以高效无忧的工作。同时,车辆噪声补偿技术( VNC) 通过车厢内设置的传声器不断收集数据,基于外部噪声环境而不断进行调整,所以无论是雨天、疾驰或是变速的各种驾驶环境,乘客的良好听感都得以较好的保持。为了进一步提高乘客的声音体验,该系统具有“前方”、“后方”和“车辆整体”的多种声音模式以及“TureImage”选单,允许乘客选择类似录音棚抑或现场演唱会一般的声音环境[8]。
声透镜技术( ALT) 同样在 BeoSound AMG High-End Surround Sound System 中发挥了重要作用。180°水平范围扩散的声音提升了乘客听感的层次感、纵深感,进一步增强了车内环绕声的听感体验。通过对声透镜的上隅角进行合理的计算切割,透过声透镜而传播的声音得以更均匀地在车厢中部扩散。这种设计不仅仅为听觉服务,更是在视觉与感官上满足乘客的需求,其规格见表 4[9-12]。
图 6 AMG CLS 63 中的 ALT 高频扬声器与铝制格栅扬声器设计
表 4 BeoSound AMG High-End SurroundSound System
———CLS 63 规格
03结语
本文通过对沉浸式汽车音响技术进行简要分析,结合代表性汽车音响设计品牌 Bang & Olufsen( B&O) 的核心技术以及设计案例,简要了解国内外的汽车 3D 环绕声的现状,从而进一步探究沉浸式汽车音响技术的发展现状和应用。本文将在《下》篇当中,继续针对另外一家国内主流汽车音响———Dynaudio 进行具体分析,希望笔者的分析见解能给读者提供一些思考,对本文不足之处也期待相关领域的专家学者给予批评指正。
【参考文献】
[1]The Speed of Sound /A Sound Experience That Moves You /The Sound Features/Sound Tuning /Design That Inspires/Award Winning Formula[EB/OL]. [时间不详]. http: / /www. bang-olufsen. com/zh / car-audio /
[2] Q7———Bang & Olufsen 3D Advanced Sound System[
EB/OL]. [时间不详]. http: / /www. bang-olufsen. com/zh /car-audio / car-models/ audi /new_Q7
[3] VANQUISH COUPé———Bang & Olufsen BeoSound Van-
quish System[EB/OL]. [时间不详]. http: / /www. bang-
olufsen. com /zh / car-audio / car-models/ aston-martin /Vanquish
[4] X6———Bang & Olufsen High-end Surround Sound system[EB/OL]. [时 间 不 详]. http: / /www. bang - olufsen.com/zh / car-audio / car-models/bmw/bmw_x6
[5] Embrace the Sound of Quality /How Perfect Sound ShouldBe /Music to Your Eyes/On Everyone'S Lips-And In Eve-ryone's Heart[EB/OL]. [时间不详]. http: / /www. bang-olufsen. com/zh / car-audio / car-models/mercedes-amg
[6] Dolby. 杜比 7. 1 环绕声( Dolby Surround 7. 1) : 适用于影院的技术信息[EB/OL],2010
[7] 王鑫、唐书岩编著. 数字声频多声道环绕声技术[M].北京: 人民邮电出版社,2008
[8] 林达悃编著. 影视录音声学基础———当代影视声音系列丛书[M]. 北京: 中国广播电视出版社,2005
[9] 杜功焕,朱哲敏,龚秀芬. 声学基础[M]. 南京: 南京大学出版社,2001
[10] 管 善 群. 电 声 技 术 基 础[M]. 北 京: 人 民 邮 电 出 版
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[11] 叶思成. 浅述虚拟环绕声技术在汽车音响系统中的应用———以 Pro LogicII 与 Logic7 系统为例[J]. 电声技术,2015,39( 6) : 86-88.
[12] 叶思成. 浅谈汽车音响的定位与空间塑造及发展构想[J]
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