音响技术与声学原理

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1、音响技术与声学原理 罗永超博士声学原理(1) 声学历史当森林中有一棵树倒塌下来时，发出阵轰然大响声音,但是没有人在这个原始森林中，所以就听不到 这声音。这算不算有声音发出来呢？声音是肯定发出来了，因为当树干及树枝接触地面时，它们都会产生某 些声音，但是没有人听见，但这声音对于人类或其他动物所听到的是有所不同，所以这就是声学上所说的 心理(Psychoacoustics) 我在这里讲的声学原理，最主要是让一个调音员能够了解声学的各方面，而不是进行声学研究，或是硕 士、博士的声学论文，所以我在这书内讲的声学理论都是实际可以给在现场操作音响的人用得上的。1915年，有一个美国人名叫E. S. Pri

2、dham将一个当时的电话收听器套在一个播放唱片音响的号 佑上，而声音可以给一群在IU金山市庆祝圣诞的群众听时，电声学就诞生了。当第一次世界大战结束之后, 在美国哈定总统(Harding)就职典礼上,美国贝尔公司把电话的动圈收听器连接在当时的唱片唱机的号角 上，就能够把声音传给观看总统就职典礼的一大群群众，因此就产生了很多专业的音响研究及开发了扩声 工程这门学问。音响研究人员不单纯是努力地把音响器材进行改进，也做了各类不同的实验来了解人类对 听觉的反应。但最高级的音响研究人同都明白音响学是要整体的研究，要J解音响器材的每一个环节，及 人类对听觉的生理反应，他们在过去多年内直至现在都作出了很大的贡

3、献。早在1877年，英国的莱李禺 (Lord Raleigh)就LA经做过声学的研究，他曾经说过：“所有不论宜接或间接右关音响的问题，一定要用 我们的耳朵来做决定，因为它是我们的听觉的器官，而耳朵的决定就应该算是最后决定，是不需要再接受 上诉的。但这不是等于所有的音响研究都是单靠用耳朵来进行。当我们发现声音的根基是一个物理的现象 时，我们探测这个音响境界就要转到另外一个领域范围，它就是物理学。重要的定率是可以从研究这方面 而来，而我们的听觉感应也一定要接受这些定率。”我们可以从以上一段文字看到，就算在没有电声音响学 产生的时候，老前辈科学家都认为这个是物理的领域。著名科学家英国的卡尔文勋爵常常

4、说：“当你度量你所述的事物，而能用数字来表达它，你对这事物己 有些知识。但如果你不能用数字来表达它，那么你的知识仍然是简陋的和不完满的；对任何小物而言，这 可能是知识的始源，但你的意念还未达到科学的境界。”卡尔文勋爵(18241907)是19世纪最出色的科学 家之一，后世的科学家为了要纪念这位伟人，把绝对温度273. 16摄氏度命名为0度卡尔交度。戴维斯夫妇(Don& Carolyn Davis)是音响系统工程(Sound System Engineering)这本书的作者。 这书被称为音响圣经，几乎是每一个外国研究音响的人必读之物。我引述他书内这一段：“具有数学和物理 学的知识，是实质上了解

5、音响工程学的必要条件。对这两种科学认识越深，越能使你跨越从感觉上所得到 的意念，而达到用科学来引证事实。著名音响家占士摩亚曾经说过：在音响学中，任何在表面看来很明显的事情，通常都是错误的。”我在以上引述了几位科学家及音响学家的训言，主要是因为现在大部分做音响的人士，他们当然是对音 响及音乐很有兴趣，但是以为光靠他们的听觉就可以鉴定什么是好或不好的音响，不明白这是一门专业的 工程学问，是做不好音响的。远在19世纪的莱李爵士已经指出这是一个科学的境界，现代的音响工程学也 像其它科学学术一样正在努力地发展，所以音响工程学是离不开数学及物理学的。(2) 现场音响与录音室音响的分别在这里所讲解的现场音响

6、地操作，它与录音技术是有很多不同的地方，百很多人以为音响的最高境界就 是荥音技术，这是不全面的。在荥音技术上，基本是没有碰到反馈的情况，因为在一个荥音室内进行操作 时，所有的外围因数都可以得到控制，但是在现场音响重播时,我们是不可以避免有很多现场音响的问题, 所以现场音响和录音音响是两种不同的学问。现场音响跟录音室音响的要求是不同的，所以有很多器材也是不同的。例如在荥音室内所用的调音台， 它们的每路输入都有多个参数均衡，让录音师可以把符路输入的音源尽量做最精密地微调，务求达到最好 的音源效果。一个用来做现场音响的调音台，通常在它的每路输入，均衡都是比较简单的。因为很多时候, 现场调音师根本就没

7、有很多时间把每路的音源做很仔细地微调，血在现场音响的调音台每路的音量控制推 杆，它们除了可以把音量做衰减外，也可以增益1014 dBo如果做荥音室用的调音台，这推杆很多时候 是不需要做增益的，所以这推杆的英文名称就是fader,意思就是衰减器。用在现场音响的大功率功放， 它们都会有风扇作为散热用途，因为现场音响的功放是常常在最大功率输出的情况下工作，并目有很多时 候是在户外做现场音响时,周围的温度可能相当高。如果在荥音室内，通常都定会有空调，温度当然不 会太高，而荥音室内的功放，主要是用来推监听音箱用的，当然不需要输出很大的功率，所以功放只需要 用普通的散热器，就可以把很小的热量散走。如果功放

8、装有风扇的话，风扇发出来的声音反而造成噪音， 所以在录音室内的功放基本上是不需要风扇的。现场音响所用的音箱，为着要把很大的声压传播绘在远距离的观众，所以它们是需要很高效率的，(H 在录音室内所用的监听音箱，是荥音师用来监听声源或京:音的最后结果，荥音师是坐在距监听音箱很近的 地方来监听，所以监听音箱是一种近音场的音箱，不需要高灵敏度，作用跟现场音响音箱是完全不同的。(3) 音频与波长的关系很多现场调音师都没有理会到音频与波长的关系，其实这是很重要的：音频及波长与声音的速度是有 直接的关系。在海拔空气压力下，21摄氏温度时，声音速度为344m/s,而我接触国内的调音师，他们常 用的声音速度是34

9、0m/s,这个是在15摄氏度的温度时声音的速度，但大家最主要记得就是声音的速度 会随若空气温度及空气压力讪改变的,温度越低，空气里的分掰度就会增高，所以声音的速度就会下降, 而如果在高海拔的地方做现场音响，因为空气压力减少，空气内的分子变得稀少，声音速度就会增加。音 频及波长与声音的关系是：波长=声音速度/频率:A=v / f,如果假定音速是344 m/s时，100Hz的音 频的波长就是3. 44 m, 1000hz(即IkHz)的波长就是34. 4 cm,而一个20kHz的音频波长为1. 7cm。(4) 音箱的高、中、低频率例如我们现在有一个18时的纸盆扬声器单元，装置在一个用木材造的音箱内

10、，而这音箱的面板面积是 I平方米，即这面板的高度及宽度均是I米。我们怎样计算这音箱的高、中、低频率呢？首先我们要计算这 音箱面板的对角长度，是2的方根=1. 414m,任何频率的I/4波长是超过1. 414m时，对这音箱来说 它就是低频：如果一个频率的I/4波长是1. 414m时，波长就是4x1. 414m= 5. 656m,这频率二344 m/s+5. 656m=60. 8 / s=60. 8Hz,所以任何音频低于60. 8Hz时,对这音箱来说就是它的低频率。当 60. 8Hz或更低的频率从这音箱传播出来时，它们的扩散形象是球型的，等于如果我们把这音箱悬挂在一 个房间中间时，这些频率的音量在

11、音箱的前后左右及上下所发出来的声压都是差不多的，放出来的声音变 成没有方向性。当某频率的I/4波长是小于音箱面板的对角长度，但这波长又大于扬声器的半径时，这段 频率就是这音箱的中频率。例如我们现在是用一个18时单元，这单元的半径为9寸,就是22.86cm=0.22 86m,这个音频为344m/s-0. 2286m=1505Hz,从60.8Hz1505HZ频就是这音箱的中频率。中频率从这音 箱所扩散出来的形状是半球形的，即如果我们把这段频率从刚才悬挂在房间中心的音箱放出来时,声音从 音箱面板扩散出来的形状是半球形。在音箱后面是听不到这段频率的声音。1505Hz及更高的频率，对这 音箱来说就是它的

12、高频率。高频率从音箱扩散出来的声音形状是锥形的，频率越高,锥的形状越窄。通常 如果频率超过开始高音频的4倍时，声音扩散出来的形状会慢慢变成一条台线而不扩散，如果不是坐在对 正单兀的位置，就听不到这些高频率。所以很多高频率单兀如果是纸盆型的话，这纸盆的直径是很小的， 把这音箱的高频下限尽录提高，希望能够使高频扩散的宽度增加。我们常常见到家庭音响音箱中的高音单 元，通常会用I-2时的纸盆单元,或半球状的单元，理由就是这个原因。而专业现场音响的高音单元，因 为要发出很大的高频声压，所以说一定是采用号角处理的。(5) 各类不同的音场当一个纸盆扬声器接受了从功放传过来的信号后，纸盆就会作出前后的摇动，当

13、纸盆向前推进时，纸 盆撞击到它前面的空气分子，在纸盆前面的空气就会增加压力，这些分子就会继续向前推进，碰撞它们前 面的空气分子，造成轻微的高气造。当纸盆向后退时，纸盆前面的空气分子就会产生轻微的真空，然后这 共分了会跟着纸盆的后退，造成这里的空气有轻微的压力减少。但我们不要忘记，空气是有弹力的，但在 纸盆前面的空气是刚刚被纸盆的动作摇动，不能达到空气本身的弹力，这时我们便要看这频率的波长，声 音是要直到离开纸盆的距离有2. 5倍波氏时，这些空气才发挥出造成声音的弹力。例如一个10OHz的频 率，它的波长是3. 44米，所以声音要离开纸盆2. 5x3. 44米=8. 6米之外，才是真正的这个1O

14、OHz的 声音。如果用100Hz来算,离开纸盆的距离还没达到8. 6米就为lOOHz的近音场,而超过8. 6米才是 100Hz的远音场。为什么我们要了解远近音场呢？很多时候在一队乐队中的电贝司手，他往往都不了解近 音场的效果，而在他的电贝司音箱上，有一个均衡旋钮就是写着贝司(Bass)，正是这乐手的称号。电贝 司手通常会站在离开电贝司音箱不远的地方做演奏，如果他站在近音场时，有时会觉得低音不足，就会把 这Bass的均衡旋钮尽晶调大，但听众在他们的位省就会听得到很强烈的低音，很多时候造成不好的效果。 这些强烈的低音也会跑进歌手的话筒，如果调音师因为觉得歌手的声音不足够时，就会把歌手这一路的声 音

15、提高，但也同时把电贝司的低音量也提高了，调音就遇上了困难。电贝司的最低E弦是41Hz,但因为 拾音器是放在弦的末段,所以41hz第一个谐音82Hz才是主要的电贝司低频率,82Hz的波长是4. 2米(344m / s除以82 / s=4.195m),所以差不多要离开电贝司音箱10米左右才是这82Hz的远音场，而 因为电贝司手不会站到离开他的音箱这么远的距离时，他听到的声音只是近音场，而不是听众所听得到的 声音。所以我们当说到扬声器的远近音场时，最主要是注意到频率及它的波长，而不是单纯看离开音箱多 远就是等于远或近音场，最主要就是记得我们当欣赏音乐时，是要在远音场的位置，而不是在近音场的位 置。(

16、6) 直接音场、反射音场、不直接音场当扬声器在一个房间内发出声音，听众可-以听到直接从扬声器传过来的声音，这就是直接音场(indire ctfield)，但也可以听到从墙、天花板及地板所反射过来的声音,这就叫做反射音场(reverberant field)o 听众听到越多的直接音场的声音，反射音场的声音就越小时，这声音就越好，因为直接音场的声音是可以 控制的，但反射音场的声音是不能控制的，只会把直接育场发出来的声音加上喧染，把原本声音的清晰度 底减低，所以坐得离音箱比较近的听众就会感觉到好一点的音响效果，而坐在后面的听众很可能是他们听 到的反射音场声音比直接音场声音更大，音响效果便会比较差及清晰度降低。再时候一队乐队在台上演出 时，因为他们没有监听音箱，而两旁的主音箱是放在靠近台口的位骨，乐队及歌手所听到的声音完全没有 从直接音场放过来的，他们站立的位置就叫做不直接音场，声音效果当然不会好，这也会影响到乐队的表 演水平，令观众听到不太好的演出声音。(7)