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小空间声学问题之一

作者:上海声华声学工程有限公司     上传时间:2016-06-01    浏览次数:


究竟要使房间中的低音表现良好该如何着手,了解清楚房间中声音的工作机制很重要。     这里有一篇在国外音响网站上,介绍音箱摆位时被频频提到的文章。此文发表于1991年,至今已有十多年,但似乎已成为发烧友的经典。作者葛伦·惠特(Glenn D.White)是一位声音、声学和振动方面的专家,到那时他已致力于这三方面仪器的研究有30多年了。他在华盛顿大学讲授录音技术、声学和仪器的课程,著有专著“声学辞典”,被一再载版。看完全文,你会发现葛伦并没有对音箱的摆放有太多的具体指导,但他对房间的声学特性给出了深入浅出的介绍,这正是文章生命力之所在。这是每一位试图研究和实践音箱摆位的音响爱好者者务必了解的。笔者尽量按原意编绎出来,好在文中没有太深奥的东西,概念也都是最基本的,表述也非常能俗化。    告诉你在小听音室中感觉到的声音品质和大礼堂中的感觉有很大的不同,一定不会有所惊讶。但要给出以物理特性或精确的描述说明这里的差别是什么,却并不容易。一旦这些不同能得到完全地了解,那么这些知识又能让严肃的录音音乐听众如何去优化他的听音环境?一些问题涌上心头:能使一个小听音室的声音表现得象在音乐厅一样呢?听音室应该是“活跃”的,还是“死寂”的?能不能把听音室的声学特性改进成原始录音时的声学特性?音箱应该放在哪里?听众应该坐在哪里?电子均衡器会给声音系统带来好处吗?如果会,又该如何用这些均衡器调出最佳的效果来?    在试图回答这些问题之前,我们首先要研究一下声音在实际房间中的行为,并找出反射、混响、驻波、谐振及所有这些混合在一起是怎样的结果。我们将深入观察声场的这些客观特性是怎样转变我们熟悉的主观印象。然后,我们可以考察房间的结构和材料产生的客观效果,再后是主观声学。下一步,我们再考虑录音音乐的介质和调查不同风格录音和音乐的哲学上的不同。最后,我们会合理地使用这些信息去帮助设计或改进用于收听录音音乐的环境
声波声压声功率
声压和声功率声压和声功率声压和声功率声压和声功率     存在于一个点的声音可以定义为这个点上的气压的变化。一个声源,例如一个小的被空气包置的震动球,在空气中向所有方向发射能量,这种声场就被定义为具有自由场条件。声源S以称为声功率的物理量发射声音能量,单位为声瓦特。声功率与任何一种功率一样,是单位时间里的能量值。声源S引起在某点P的大气压力振动,以这段距离作为一个单位距离。这个压力变动就是此点的声压。所有位于同一距离的假想的球面上的所有点都有相同的声压。从点声源出来的声音能量以一定的速度扩散到膨胀的球上,速度约每秒钟340米。一会儿,声音就达达另一点,假设距离为2个单位。此时,能量就均匀地扩散在二倍距离的球面上。这时大球的面积是小球的4倍,所以,它的力量,或密度,就是原来的1/4。换言之,某点到声源的距离每翻一倍,压力就下降到1/4。这是一个几何空间的结论,称之为平方反比率,与光和无线电波的发射一样。     因为声音的速度不是无限的,每个压力变化的频率都会对应一个波长。如果声音的速度是S,声音的频率是F,波长为W,那么他们的关系符合下式: S=FW   这样,频率高,波长就短,反过来也一样。表1是可听声音的波长和近似频率。注意,低频的波长相当长,在很多情况下,我们需要听到的声音波长比听音室空间距离更长。同样要注意,最高的频率的波长非常短。我们很快就会看到这些数值是非常重要的。波长波长波长波长((((英尺英尺英尺英尺)))) 100 30 10 3 1 0.3 0.1 频率频率频率频率(Hz)(Hz)(Hz)(Hz) 10 30 100 300 1000 3000 10K                       波长与频率对应关系封闭空间中的声音行为封闭空间中的声音行为封闭空间中的声音行为封闭空间中的声音行为    我们先把波长和频率忘掉,以房间中能量流动的观点来考虑声音。    房间中的声源产生一个声场,它在房间的不同地方有不同的特性,很容易用不同的名称来描述这些声场。位于靠近声源的地方称为此声源的近场。在近场中,声音全部有声源本身决定。离声源稍远一些,声场开始出现介质和环境的影响。超出近场的声场称为远场。同样,远场也很容易被分为自由场和混响场二部份。(还有另一部份声场,非常靠近边界,有时被称为远出场(far-out field)。     在我们关注一个房间中各种声场的不同时,我们需要定义一个被称为声压级,SPL的量。要说清这名称,还必须引入分贝,dB的概念。这个概念比其它参数更容易引起混乱。下面的叙述是简短而不全面的,但应该已能提供用dB来测量SPL的工作知识。当然,分贝还以很多其它形式在声学中被运用。    如我们所见,声压是以声音存在而引起大气压力变动来定义的。声压级的定义是20微巴以上的用分贝数值测量的声音压力。DB本身定义为两个声音声压比值对数的20倍。声压级SPLdB)是一个声音对20微巴声压比值对数的20倍。压力的基本单位为巴斯卡,微巴为10-6巴斯卡,20微巴是1000Hz的声音正常人耳刚能听到的平均最小声压。    简单说,以实际声压按对数比例定坐标刻度,就是声压比例的dB数表示。例如,声压值为二倍就是增长了6dB,翻四倍,声压增加12dB1dB大约有12%的声压变化,这几乎是人能听出的最小变化。这些是必须记住的非常有助于你的规则。因为我们的听觉机构非常复杂和非线性,电平的6dB增加并不会引起声音响一倍。几乎要增长10dB,声音才有响一倍的感觉。顺便说一句,SPL是所有标准声压表的示值。    这样,我们可以把平方反比律简单地说成:声源辐射到自由场中,没有附近声音的反射,每离声源的距离翻一翻,就会引起SPL 6dB的下降。    回到房间的声场中,见图,所谓近场是指声场中最靠近声源的部份,这部份声场声音不是以球面波的形式发散的。它的范围一般为声源尺寸中的最大惊讶,也与声源的几何形状有关。对于低频也许会小于这值。近场的范围与频率有关,但方式很复杂。在近场中,一般不可能得到有意义的SPL值,除非特殊的情况,例如,被设计成模拟点声源的某些音箱。((((见图见图见图见图1111))))
自由场存在于远离声源处,这里符合平方反比率,至少是在可接受的误差范围内。在自由场中,距离离声源增加一倍,SPL就下降6dB。这里,从墙壁反射加来的声音还没有显著地影响到测量出的SPL上,这里可以进行有意义并能重复的SPL测量。在这个区域里,几乎所有音箱的频率响应都可以测量出来。自由场的范围一般依赖于较高的频率,经常是高频更远。自由场是通过音箱听音乐时,放置听音席的最好地方。    认清一个环绕着很大程度上依赖于指向性音箱的自由场是很重要的。一个高指向性喇叭,例如高频号角单元,会有比近似于全向性喇叭如球顶高音或小低音喇叭有着更大的自由场。     当我们进一步远离自由场后,就进入混响场,这里的声音比之特别有方向性的声音更中扩散和均匀。混响场的SPL,尽管测量点与声源的距离有变化,但都是一样的。在完全的混响场内,纯能量的流动在任何一点都为零,即能量从任何方向都达到了随机和均匀,没有任何声源定位的线索。在实践中,一个完美的扩散声场是不可能达到的,因为有固定的特性或驻波等描述因素存在。     自由场和混响场的交界处称为“临界距离”,这与频率和喇叭的指向性有关。在这点上,从喇叭来的直达声与混响声相等。     在某些房间中,可能一点也没有自由场。混响场一直逼近到近场。这种房间被称为混响室,有特别的测试用途——但永远不会用来听音乐。建设一个基本上没有混响场的房间也是可能的,自由场一直扩散到房间的边界。这被称为“无混响室”,也是用于测试,而不是听音乐。     如果房间的墙壁有良好的反射,靠近边界地方的声压就会增加。因为,原来的声压上还会加上反射回来的声压,如果是全反射壁,表面的压力就会是自由场的一倍。换句话说,SPL在全反射壁表面会增加6dB。这种从墙面扩展出来的压力增加几乎是半个波长,所以这种效应也与频率有关。声场的这一部份有时被称为远出场,对于SPL测量也无用。     在任何房间中,混响时间会影响自由场和混响场的定位。混响时间定义为从声源切断以后,声音衰减60dB的时间。这个声音表面上是一个简单的测量,但它会变得高度复杂。只有混响行为可以预测,混响场是完全扩散的,方向几乎完全是随机的。实际房间由于存在驻波和“房间谐振”而缺少扩散。这些附加的振
荡使得混响电平相对于时间的理想曲线形状产生失真,而在别的情况下是一条平滑衰减的直线。正是这些振荡使得艺术和科学地音箱放置和等效变得复杂了。

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