CEDIA/CTA-RP22沉浸式音频设计推荐规范要点分析3

文_编辑部

家庭影院音频系统设计相关标准要点

当美国丹佛CEDIA 2023展会结束之后，CEDIA协会正式推出CEDIA/CTA-RP22沉浸式音频设计推荐规范，将近几年影音定制影院所关心的沉浸式音频系统构建所涉及到的方方面面，进行了非常详细的解析与重定义，并且带来了众多实际项目施工相关的建议与说明，为构建标准化、统一格式沉浸式音频系统奠定了国际性的参考标准。我们在前面两期详细介绍了CEDIA/CTA-RP22推荐规范当中，关于Performance Level selection性能等级、Seating layout座位布局关键细则。本期，我们将会继续聚焦在CEDIA/CTA-RP22推荐规范关于沉浸式音频设计中扬声器布局与扬声器性能方面。其中，在扬声器布局方面，集中讨论扬声器安装高度、增宽扬声器摆位、顶置扬声器摆位、扬声器合适安装数量、扬声器指向性、扬声器入墙或障板安装等关键技术点。而在讨论扬声器性能方面，关注的重点则在Spinorama扬声器轴向测量体系、扬声器声音指向性、极性、相位、延迟、声压级、传播损失等方面。这些部分都是我们在打造沉浸式音频系统之中的技术难点以及容易忽略的地方，值得每一位影音行业工作者、影音爱好者与发烧友参考与清楚掌握。

RP22沉浸式音频设计推荐规范要点分析3：

扬声器布局

● 扬声器位置需要考虑听众头部声学遮挡问题

● 增宽扬声器推荐摆位

● 上层扬声器推荐摆位

● 为聆听区域配置合适的扬声器数量

● 在所有格式中最大化上层扬声器的使用

● 扬声器指向性和最佳方位

● 扬声器指向参考倾听位置

● 无指向角扬声器安装指南

● 扬声器入墙或障板安装指南

扬声器性能

● ANSI/CTA-2034-A，Spinorama扬声器轴向测量体系

● 扬声器声音扩散热图

● 扬声器间极性不匹配

● 扬声器间相位不匹配

● 扬声器群间组延迟不匹配

● 扬声器最大声压级范围

RP22沉浸式音频设计推荐规范，扬声器布局

扬声器位置需要考虑听众头部声学遮挡问题

当聆听区域内并非只是设置单一座位，而是多个座位时，由于某些环绕扬声器到某一位置的声音传播路径被坐在一旁或后方的聆听者头部所遮挡，可能会产生声音遮挡问题。这可能导致声音“阴影”效应，并可能对声音的音调平衡、声源定位产生极大的负面影响。当聆听区域包含多排座位时，某些观众的视野也可能会被前排座位上观众的头部部分遮挡。在这种情况下，就需要为前后排座位构建阶梯，让前后排座位有一定的高度差，即从第二排开始，每排依次提升足够的高度，以确保每个座位都有无障碍的视野。因此，此时环绕扬声器层与听众层不再是水平的，而是向前倾斜下降。

无论多座位聆听层是否水平或者倾斜，都应该避免聆听者的头部被遮挡，以减少座位间声音的变化，并让扬声器最大限度重现播放内容的声音本质。这可以通过调整扬声器的垂直和水平位置的方法来解决。

●垂直方向的头部空间，往往需要轻微提升整个环绕扬声器平面高度，略高于听众层，以使所有听众都能够从对应的扬声器位置听到声音，高过其他人的头部。这通常需要大约30cm(12英寸)的高度提升，但具体数值可能因听众区域的大小、与墙壁的距离和天花板高度的不同而有所不同。需要注意的是，将环绕扬声器提升得太高，会使环绕声场与上层声场相合并，直接影响头顶上方声场的准确性。

●水平方向的头部空间，往往需要前后移动每个环绕扬声器的位置，以确保它们与相邻的座位行处于同一直线上，为所有聆听者清除声音传统路径上的障碍。需要注意，这应与保持环绕扬声器之间维持等间距摆放。

总的来说，需要确保从每个座位都能清晰与完整地看到每一个环绕扬声器。

为了避免出现头部聆听被遮挡的问题，需要对环绕扬声器进行轻微的摆位调整

增宽扬声器推荐摆位

在完成屏幕扬声器的摆位之后，如果发现屏幕扬声器最外侧的左右扬声器与最前排的环绕扬声器之间，存在一个较大的声场空隙，这个时候我们就可以使用前置增宽扬声器来填补这个空隙。具体有以下两种方法可以实现。

1.中位角法。从前左或前右扬声器到对应的第一对环绕扬声器的距离中点，与参考聆听位置所形成的角度。例如，如果前左扬声器(FL)到环左扬声器(SL)的距离为3米，则前置增宽扬声器应该放置在1.5米的位置。中位角则是相对于参考聆听位置所形成的角度。

图4显示了IVY数据库中符合模型条件的72组图像的VC(D,wα,c)+f(D,wα)与对比度的关系，横坐标表示对比度，纵坐标表示舒适度评分与包含D+W变量的函数的和，从中可以看出两者间存在相关关系.在Matlab中使用最小二乘法做曲线拟合得到式(13)，将f(D,wα)右移整理得舒适度模型为式(14).在本文中，(9)～(14)中D的取值范围均为0.50≤D≤2.00.

2.二等分角法。前左或前右扬声器到参考聆听位置的角度和对应的第一对环绕声扬声器角度的半角。例如，如果前左扬声器相对于中置扬声器的角度是30度，环左扬声器的角度是90度，则二等分角是(90度-30度)/2=30度，即是前左扬声器外30度，或者与中置扬声器60度的位置。这也表示两个增宽扬声器之间的夹角为120度。

相比二等分角法，中位角法让增宽扬声器更接近屏幕，这更接近于电影院中的情况。值得注意的是，杜比和DTS都推荐将前置增宽扬声器放置在听众层中，相隔120度(相对于中置扬声器的角度为±60度)。

前置增宽扬声器应与前左或前右声道扬声器放置在同一水平面上，并指向聆听位置。这可能需要特殊的安装方式或带有一定指向性的扬声器。由于需要考虑到声音指向性的缘故，因此并不建议采取嵌入侧墙的安装方式，除非安装方式或扬声器本身设计已经具备适当的指向性角度。

按中位角法，前置增宽音箱应放置在前左或前右声扬声器和第一对环绕声扬声器直线距离中点的位置

上层扬声器推荐摆位

在上层扬声器的摆位的建议方面，各种沉浸式音频格式之间的差异最为明显。不过，仔细分析各个沉浸式音效格式想要实现的效果，实际上可以得出一些特定的摆位建议。这些建议对所有格式都比较适用。

所有沉浸式音频格式基本上都采用20-45度之间仰角的上层扬声器摆位。例如，杜比全景声建议30-45度，建议天花上方(顶部)的位置沿两条直线线摆放(与前左右扬声器垂直对齐或稍微内侧)。DTS:X建议更宽的20-45度的范围，但建议角度在更高的范围内。Auro-3D建议25-40度，目标是30度，在与前左、前右屏幕扬声器处于同一竖直平面上的墙面上方。

这些上层扬声器的摆位建议，适用于单个座位情况，需要留意的是，如果是多个座位，则需要根据空间的具体情况来进行适当的调整。当聆听者远离参考聆听位置时，上方声场的声像定位会出现问题。通过仔细调整上层扬声器的数量和位置，以及左右两排上层扬声器之间的垂直角度，可以优化所有座位的上方声场声像定位。当然关键之处，取决于听音区域位置、大小和天花实际高度。

沉浸式音频的一个基本目标是确保聆听区域中的所有听众都能获得同样出色的声音体验。当一个音效被混响到前方高处位置时，每个听众都应该感知到它来自高处的前方。当一个音效被混响到后方高出位置时，每个听众都应该感知到它来自高处的后方。如果仅根据参考聆听位置确定扬声器位置，而不考虑整个聆听区域的长度与宽度，很容会导致聆听区域内的某些位置感受不到来自上方声场的音效变化。

不同的上层扬声器与相邻行座位的垂直角度

因此，在具有多排座位的家庭影院空间中，可根据以下准则，根据聆听区域来调整所有上层扬声器的摆位，则可以为所有座位保留基本的声像定位。

1.所有上层前置扬声器都应该在聆听区域的前部。这条规则确保没有任何听众会听到上层前置扬声器的声音来自头顶的后方。

2.所有上层后置扬声器都应该在聆听区域的后部。这条规则确保没有任何听众会听到上后置扬声器的声音来自头顶的前方。

3.最好使所有上左/右扬声器沿前后天花成一直线对齐，间距不应比聆听区域窄，也不应比前左或前右右扬声器宽。这条规则确保没有任何听众会听到上左扬声器的声音来自右方，反之亦然。然而，如果与前左或前右扬声器相比较宽，可能会导致上左扬声器和上右扬声器之间的距离过大，从而影响参考聆听位置的效果。

4.顶中扬声器(包括中央顶置扬声器)位于从左至右横跨的区域，应该在参考聆听位置的前后50cm(20英寸)范围内。

上层（顶部/增高）扬声器摆位推荐安装位置大致范围

为聆听区域配置合适的扬声器数量

推荐的上层扬声器数量取决于以下主要因素。

●听众区域的长度。理所当然，距离更长的听众区域需要数量更多的上层扬声器覆盖。RP22推荐规范建议至少使用4个上层扬声器。关于上层扬声器的垂直角度要求，RP22推荐规范建议范围是从80°(行数较少的上层扬声器)到50°(行数较多的上层扬声器)。

●听众层扬声器到天花板的距离。对听众而言，天花高度越低需要越多顶置扬声器。更多的扬声器数量可以提供更多音效定位点，而且通过减少呈现声像所需的跨度范围，可以更好地为大多数观众保持准确的定向感和沉浸体验。

如果使用向上发声的扬声器，需注意天花高度和天花的反射特性，其中声音反射角度指向聆听区域。

在所有格式中最大化上层扬声器的使用

尽管不同沉浸式格式在上层扬声器的数量和摆位上存在差异，但依然能够做到求同存异，最大化上层扬声器的使用率。

●杜比全景声最多提供10个独立的上层扬声器通道:

o 1对前增高通道(墙面/天花)，3对顶置通道(天花)，1对后增高通道(墙面/天花板)

●Auro-3D最多提供6个独立的上层扬声器通道:

o 前左/中/右增高通道(墙面)，1对后增高通道(墙面)，单个中央顶置通道(“上帝之声)

●DTS:X提供4个独立的上层扬声器通道:

o 1对前增高/顶置通道，1对后增高/顶置通道

●DTS:X Pro和MPEG-H最多各提供13个独立的上层扬声器通道:

o 前左/中/右增高通道，3对顶置通道(天花)，后左/中/右增高通道，单个顶置中央通道

关于上层扬声器的性能等级分类，包括使用使用向上发声扬声器，上层扬声器的垂直角度要求、上层扬声器之间的声压级差

扬声器指向性与最佳朝向

除了扬声器的实际摆位，扬声器指向性的不同方式对于聆听区域获得空间均匀性高的声场起着很大的影响，不管是声像定位的准确性还是不同座位的声压级均匀性。

考虑到大多数扬声器都属于点声源的类型。根据项目需求和预算，存在多种不同的扬声器指向性与朝向方式。最常见的三种如下。

1.指向参考倾听位置。

2.不带角度表面或嵌入式安装。

3.入墙式或障板安装。

扬声器指向参考倾听位置

为了真正实现Hi-End沉浸式音效再现，RP22推荐规范建议，在可能的情况下，所有扬声器都应该指向参考倾听位置(RSP)，正如专业影院和专业沉浸式音频录音室所规定的。

带指向性的扬声器可以构建更宽的聆听区域、更准确的声源定位和更统一的音调平衡，使得各种音效在空间中自由移动。如果很难实现完全精确的声像定位，也可以合理地使用带有预设角度障板的墙面或天花内扬声器，使其尽可能地指向参考聆听位置。这种扬声器指向参考聆听位置的安装方式，减少了房间声学的因素，声音投射到的聆听区域之外的能量被最小化。

无指向角度的扬声器可能会使声音成像偏向最近的扬声器

无指向角扬声器安装指南

除了前面所建议的整个扬声器系统采用指向参考聆听位置的安装方式之外，如果对音效的要求不算太高，也可以选择直接在天花与墙面上安装无指向性的扬声器(有时称为“淋浴式”安装)。但是，这里需要强调的一点是，所采用的扬声器需要有宽广的声音扩散特性。

对于距离参考倾听位置较远的听众，这种安装方式会使得其所获得的声像定位和沉浸感降低。主要的原因在于容易受到离其最近的扬声器所影响，相邻两个扬声器之间所形成的幻象声像也随之偏移。

此外，使用无指向性的扬声器也会更容易受到房间声学的影响，毕竟大部分的扬声器声音能量被反射到相邻和相对的墙面上，产生更强的声反射和混响。不过，这种安装方式便于施工，客户的接受度高，毕竟可以获得更好的室内美学效果。

这里需要强调的一点，应该始终避免前增宽音响采用无指向性的嵌入式安装方式。在这种情况下，它们相对于聆听区域的属于过度离轴声音扩散的状态(30°至50°)，声压级和频响都容易出现问题。

关于扬声器布局的其他性能参考标准，包括在推荐位置外允许采用的环绕、增宽与上层扬声器的数量，座位间频响的差异性

入墙或障板安装指南

采用入墙或障板的安装方式，可以有效改善低频响应的平滑性，并在300Hz以下获得更好的声音细节与层次。

专为入墙式安装而设计的扬声器(包括入墙式低音炮)应齐平安装在墙壁上(可能带有一定的指向角度)，同时应该尽量减少其周围的障碍物与空腔。传统落地扬声器最好安装在障板内或者距离墙面1米以上的距离。不适合采用这种安装方式的扬声器，需要使用均衡处理来减少由于障板或入墙安装所产生的过多低音。

扬声器，尤其是低音炮，不应与能够产生声音辐射能量的表面相接触(机械耦合)，这可能会产生不必要的声音干扰，例如额外的共振、声音相消以及非线性失真，包括震动声。这适用于房间墙面和屏幕声障墙的安装。

如果采用入墙或障板安装，需要注意以下几点。

●障板材料应该非常惰性且有很好的阻尼，能够吸收或消除振动能量。它通常是具有加强内部结构的坚固且沉重的材料。

●扬声器不应与挡板直接接触。它们应该放在隔振垫上，应该用封闭泡沫彻底密封，切口位置应该大于扬声器。

如果无法正确地实现障板安装，最好避免使用它，只需要在屏幕扬声器周围简单使用吸声材料即可。

RP22沉浸式音频设计推荐规范，扬声器选择

扬声器性能

在RP22推荐规范关于“音频性能目标和等级”的章节之中，指出大多数的音频系统性能表现都会受到扬声器，包括低音炮的选择所影响。因此，在选择扬声器时，应该考虑下列的性能参数。

●扬声器频率响应

●扬声器指向指数

●扬声器声功率

●扬声器声扩散

●扬声器聆听覆盖范围

●扬声器之间的音色、频谱和相位精度

●扬声器和低音炮输出声压级能力

考虑到系统整体性能要求，还需要了解和使用以下的数据：

●ANSI/CTA-2034-A(Spinorama扬声器轴向测量体系)

●扬声器声扩散热图

●扬声器短期和长期最大声压等级范围

Spinorama扬声器轴向测量体系

Spinorama扬声器轴向测量系统

目前关于家用扬声器频率响应、极性辐射、指向性和最大输出声压级方面的相关标准有很多，其中一种近年来越来越受到关注与重视的标准是ANSI/CTA-2034-A，简称为“Spinorama” 扬声器轴向测量体系。ANSI/CTA-2034-A标准是基于Floyd E.Toole博士早年所进行的研究成果，被广泛认为是一种准确的测试方法，用于预测扬声器在典型家用房间环境下的整体性能表现。

“Spinorama” 扬声器轴向测量体系是在垂直和水平方向，以10°增量的位置在扬声器周围设置70个麦克风，并以1/20倍频程精度的方式测量扬声器。需要注意的是，测量出来的原始数据将会转换成多个不同的曲线来揭示在家用聆听环境下，聆听位置所接收到的直达声与反射声的本质。

在对测量数据进行收集和汇总后，Spinorama测量数据具体以下列6个指标图形化曲线表示扬声器性能，具体如下。

1.轴向频率响应。使用1/20倍频程精度测量扬声器在人耳聆听频率范围内的幅度响应。这部分主要反映关于坐在轴向方位聆听者所听到的最先到达人耳的直达声。

Spinorama测量数据示例

2.倾听窗口。这里主要是关于9个幅度响应的声场空间均匀度的数据，麦克风在扬声器垂直±10°和水平±30°角之间测量。这个曲线反映的是多个座位聆听者所接收到的平均直达声。它可以像是在消声室中所测量出来的单一轴向曲线，消除某些能够听得到的的声学干扰。

3.早期反射声。这个数据反映的是在典型房间中到达参考倾听位置的所有一次反射声的估量值。这些通常是到达聆听位置第二响的声音(直接声最响)。因此对这条曲线做出贡献的非轴向声就非常重要了，是声音品质预测的重要组成部分。早期反射声曲线在500Hz以上是稳态房间曲线的良好预测指标，尽管仅凭这条曲线本身并不一定是可靠的声音品质指标。

4.声功率。这个数据是以频率响应方式呈现，指的是扬声器辐射的声音总功率，包括从各个不同方向达到聆听者位置的声音，是使用70个麦克风测量值所计算出来的。每个麦克风测量值都进行加权估计，扬声器球形范围内的不同区域的声音能量。声功率是“空间均衡”的最终表达方式。因此，声功率是识别扬声器中可能存在共振的一个重要因素。如果Spinorama频率响应曲线中存在明显的峰值，则表示异常。

5.声功率指向指数(SPDI)。倾听窗口和声功率曲线之间的差值。SPDI值越高，扬声器的指向性越强。

6.早期声反射指向指数(ERDI)。倾听窗口和早期反射曲线之间的差值。小房间声学的特性和声反射之间的相互关系，对判断声音品质有很大影响。ERDI曲线的平滑度是衡量扬声器声音品质的一个重要指标。

扬声器声音扩散热图

关于扬声器的扩散性和指向性测试图形，也就是俗称的热图，有时也被称为“指向性坐标图”或“指向性地图”。之所以称为热图，是因为它的颜色类似于温度测试图。其中较暖的颜色表示较高的振幅。这对于预测扬声器的听众覆盖范围以及所有座位位置的频率响应的一致性(±3db, ±6db等)非常有用。

热图也可以用于确定是否需要将扬声器指向聆听区域。这主要是针对无法进行指向性安装的扬声器，其中以平面安装的增宽扬声器和增高扬声器就是例子。

需要注意，试图通过应用电子均衡处理的方式，来补偿离轴辐射的扬声器所减少声压级，可能会对音质产生不良影响。

某扬声器关于水平与垂直指向性热图

扬声器间极性不匹配

由极性引起的扬声器间的极性不匹配，即扬声器接线出现问题，正极连接到放大器负极接口，负极连接到正极接口，会导致该扬声器完全失去与任何其他正确连接的扬声器所形成声像的能力。

扬声器间相位不匹配

两个同相扬声器所发出的相同声波会合成为一个特定的振幅，但如果在任何给定频率下，扬声器间存在相位不匹配,则会导致两个峰值之间的振幅损失。振幅损失量与相位偏移的程度相对应，45°≈1.4dB损失，60°≈2.5dB损失，90°≈6dB损失。90°相位移位时，开始出现聆听方面问题，随着相位接近180°，问题将愈发严重。

在有限的频率范围内，所产生的扬声器间相位不匹配，可能在整个房间内都是可以听到的。在参考聆听位置，它可能会带来明显的不适感。当采用不同结构与特点扬声器组建系统时，在某些频段可能会发生这种相位不匹配。例如:

●混合使用3路分频扬声器和2路分频扬声器

●外形相近但采用不同分频电路的扬声器

●同一制造商但不同型号的扬声器

●垂直朝向的扬声器与建议水平放置使用的扬声器

●相同型号但性能一致性较差的扬声器

扬声器群间组延迟不匹配

扬声器群组延迟是衡量不同频率下声相的变化速度以及这些频率下声波延迟的测量。影响因素包括驱动器类型、高通和低通滤波器。虽然群组延迟作为扬声器特性是一般认为主要影响低频部分，但具有不同群组延迟特征的扬声器会导致基于时间频段的偏移。这成为群组延迟不匹配，它会导致声像模糊并且产生音色方面的变化。例如屏幕扬声器采用的高音单元扩散结构与环绕扬声器的并不相同，而导致高音方面的两者不匹配。

扬声器间相位不匹配与群组延迟不匹配相关联。例如，200Hz处的0.1ms延迟对应7°的偏移。当不同的扬声器在一起使用时，扬声器间相位不匹配总是存在。

扬声器最大声压级范围

扬声器和放大器的规格可用于粗略预测安装后系统的短期和长期声压级容量，误差在±3 dB目标水平内。通过相关的评估，就可以了解系统的声压级容量能否满足电影大动态范围音效的长时间播放要求。

SMPTE(美国电影电视工程师协会)关于商业电影标准中，规定了放映厅长度方向2/3处获得85dB经校准的测量声压级，而屏幕扬声器峰值声压级需要达到105dBC，其余所有扬声器的最大声压级需要达到102dBC。LFE通道的最大声压级需要达到115dBC，相比屏幕扬声器高出10dB。

扬声器声源类型和传播损失

聆听区域中任何位置的座位都会受到扬声器声源特性，以及随着不同声音传播距离变化而产生声音的传播损失。在实际音频系统设计环节，往往都会采用平方反比定律来预测传播损耗，假设扬声器处于自由声场的空间之中。

扬声器可以概括为两种声源类型:

●线声源——产生圆柱波扩散，在自由声场中每增加1倍距离仅衰减3dB。但是，在实践应用之中，这类扬声器在体积大小与硬件功能上可能会令声波传播产生变化，具有一定的垂直扩散特性，这会导致距离加倍时，损失在3dB和6dB之间。线源扬声器通常仅适用于听众层。

●点声源——在自由场中产生球面波扩散，每增加1倍距离衰减6dB。实际上，声音传播的方向性通常随频率的增加而增加。但是，扬声器制造商可以通过使用特定的驱动器(或可能是多个驱动器)、波导和分频器来调整声音传播方向性特性。点源扬声器适用于沉浸式音频系统的听众层和上层。

在一个实际的视听室房间之中，由于墙面与天花反射声的作用，测量出来的稳态最大声压级可能会更高。对于扬声器传播损失的预估，可以通过麦克风测量聆听位置的直达声，以及扬声器到聆听位置的直线距离来获得相应的数据。