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小房间声学
破解小房间声学之谜
编译者多余的话:
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(GlennD.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(英尺)
100
30
10
3
1
0.3
0.1
频率(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
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-outfield)。
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SPL(dB)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6个dB,翻四倍,声压增加12dB。
1dB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6个dB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SPL6dB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1)
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6个dB。
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。
驻波和房间谐振
当一个房间有二个面对面的平行反射面,声源位于当中时,就会产生驻波。
对于一些特定频率的声音,反射回来附加在原来的波形上就会引起固下的声压加强和减低模式,见图2。
对于良好的反射表面,最小值是零声压或负无穷大dBSPL,但普通墙不会引起全部吸收,最小值一般为下降10~30dB。
注意这时有一系列驻波,这些频率的半波长是房间空间尺寸的整数倍。
这些平行墙的行为就象一个风琴管中发生的行为一样。
这些驻波被认为是房间的谐振。
一个强驻波的熟悉的好例子是铺磁砖的淋浴室。
如果高度为7英尺,被天花板和地面加强的最低频率为80Hz,这正好在大多数男士的人声基波范围内。
附近的边墙保持声音能量在室内加强,使得声音变大,人头的位置靠近天花板意味着由于驻波引起的声压的增强可以被听见。
这种低音域人声的大大增强是某些人喜欢在浴室中高歌的诱因。
注意,图2中所有驻波模式都在房间的边上为最大。
如果一个听众在最小值位置上,特殊的驻波就听不到,或听听到一个很低的电平。
在房间中的驻波是房间谐振的一种形式,他们的位置和频率是由房间的尺寸精确决定的,而不是声源。
他们的“加强”或放大是依赖于房间边界对声音的吸收特性。
如果边界吸收能力好,驻波就非常弱,大多不会被注意到。
另一方面,如果边界反射好,如混凝土或光滑的塑料,驻波就会非常明显。
大多数普通音乐听音室的表面有强大吸音,特别在高频处。
由于这个原因,高频的驻波即使有问题也很少。
然而,在低音,有两件事使驻波成为音乐吸音室的困扰。
其一是波长非常长。
例如,在100Hz,波长大约3米,驻波的最大值点大约各自分开约1.5米。
对比10kHz,这些波长只有约2.5cm,驻波的最大值点间隔只有约1.3cm。
宽空间当中的低频驻波的最大值点和最小值点的分散是小型不良房间的声音不均匀的原因。
现在我们可以开始定义大房间和小房间之间的不同了。
在大房间中(最小尺寸是15米),驻波会发生在很低频率的倍数。
两个墙面各分开15米,最低谐振频率约11Hz,驻波会存在于这些频率的倍数上,因他们的频率靠得很近,挤在可听域中,尽管他们数量巨大,但作用为单纯地混合在一起,听感相当平滑。
这就是大房间总比小房间显得声音平滑和均匀的原因。
当然,大房间也有他自己的问题。
例如,平行表面引起的另一个声学问题是“拍翅回音”现象。
如果表面间的空间相当大,通常7米或更多,在他们之间产生一个尖锐的瞬态声音,从一面反射离开,而在另一面会给出一串渐渐变小直至消失的回音。
这也会引起困扰,通常是大房间中最糟糕的。
除了驻波,房间中还有另一些声学问题。
例如,两个墙面与地板或天花板的角落(几何上称为“正三面角”),会把任何频率的声音直接反射回原来的方向。
(这原理用在雷达反射和红光反射寻找自行车和汽车上。
)一个房间中的两个正三面角,特别是对角线上的那一对,会象平行表面一样产生驻波。
同样,在大房间,正三面角会给出回音,而且不管声源的位置。
如果在墙角不是直角,这种三面角就不会把声音反射回同一个方向,因此,在音乐房间中,不管大不,结构上总是被告诫要避免正三面角。
同样,在大房间中,因为有大量的可能驻波形式,比起在小房间中,他们倾向于在混响场中有更大程度的扩散,而小房间驻波形式较少且驻波频率分布更加分散。
这种扩散导致了在声场中的一种“包围”感,同样提供了音乐的平滑和均匀感。
要达到这一点小房间几乎是不可能的,因为如果表面的吸收足够使驻波不存在,混响时间就会短得使房间听起来很“死寂”,活跃的音乐就得不到,特别是由音乐家产生的。
为了在混响中得到一些声音的扩散,小房间不该有平行表面和正三面角,这可以在特别设计的音乐室中获得。
很明显住宅的生活房间通常是另一回事了。
录音种类
在我们关注小房间中再生的音乐效果之前,还要考虑不同类型录音的特性。
大交响乐的录音。
典型的录音是在大录音棚中进行,这是产生最好音乐的假定。
这样一个房间会有很多混响,至少这些混响中的不少是随着交响乐的直达声一起录下的。
多少“房间的声音”能被录下当然决定于录音师,但任何情况下混响都很明显。
这些录音的目的是提供给听众以交响乐在大房间中的图解。
它不是为了在听众的生活用房中再生的交响乐。
对于这类录音,是否需要在死寂房间中播放还有争议,对于正确录下的声音环境声,不应该混入听音室的环境声,因为我们看到的听音室的声学特性总不是合意的。
在另一方面,一个非常小的录音,或在极端的软独奏器乐曲,如西班牙吉它,不需要有大厅录音的环境声。
为了保护吉它音乐中的亲密的内涵需要把话筒相对地靠近乐器,必需减少录音室的自然环境量。
(然而,把这样的录音在小房间中进行,尽管话筒靠得很近也是极大的错误。
一般而言,录音房间越大越好。
)这种录音,如果在小的死寂的房间中重放,声音也缺乏活力,听音室中的某些反射声音是需要的。
大概可以说对于听大交响乐和小编组音乐没有一个房间是理想的;人们必须在一个方面或另一些方面作出妥协。
在上面叙述中,必须指出通过加上混响和加上从辅助音箱来的边墙反射适合大房间的复杂声音系统需要无混响听音室。
但凡听众听到的总是他的听音房间和声音系统提供的声场环境气氛的总和。
没有办法使任何声音系统消除听音室的声学特性。
说了这些,我们必须重点指出通过观察声音系统、减小不需要的房间特性的激活来优化房间的听音条件是可能的。
频率响应
声音系统的频响有几种方式加以定义。
例如,一个包括放大器和连上音箱的系统放在一个无混响室中,如果SPL产生在音箱前的1米处,当把一个变动的正弦波输入放大器,所有频率都很均匀,可以说系统有一个平坦的频率响应。
有时这被称为音箱的自由场响应,很多工厂就是用这样的方式来测量他们的音箱的。
另一个测量频响的方式是把音箱放在混响室内,把测量话筒放在扩散或混响场中。
这个曲线叫音箱的功率曲线,有些音箱厂也用这种方式测量。
一个带平坦功率响应的音箱没有必要有平坦的自由场响应,因为功率响应为所有能量乘上音箱所有方向的集合,而自由场响应测量的是向正前方发射的声音。
如果音箱在所有频率上是完全的全指向性,功率和自由场响应该是一样的。
(这可以也可以不需要,因为一个全指向性喇叭会激活全部驻波和房间谐振,而指向性喇叭理论上只激活那些发生在声音对准方向上的那些谐振。
事实上,如果没有可能精确控制在宽频范围内音箱系统的指向,这一点是困难的。
所有系统在很低频率时倾向于全指向性,因此比起含有的波长来说,它们都较小,而在高频有相当的指向性,因为比较起较小的波长,它们已很大。
见图3,指向性音箱可以是号角高音或平板音箱,例如静电音箱。
无指向性音箱可以是一个球顶高音,但也是几乎所有低音喇叭在低频时的情况。
因此,通过用指向性喇叭来控制不良房间声学特性是困难的,因为,在房间中,大多数谐振问题都发生在低频上。
)(见图3)
人们可以想到听众会找到一个理想的平坦自由场,如果听众只离开音箱1米,这也许在大多数房间中是真的。
当听众远离音箱时,靠近房间的混响场,感觉到的频率响应就变了,而且总是变坏。
按照音箱的位置,它会在房间中激活不同的驻波。
如果它在房间的角落里,它就会激活全部驻波。
如果放得离开墙一段距离、且不靠近墙角,它就会有选择地激活最近音箱的那些驻波。
(位于最小驻波处的一个声源不会激活很多实际谐振。
如果最小不存在,它就一点也不会激活。
)作为一个频率的函数,音箱会把多少能量送入房间,使得音箱在房间中的摆位就有很多事情可做。
在实际上,接近反射表面会很大影响低频辐射效率。
放在角落能提供大多数低频能量,放在边墙则提供得稍少些,离开所有墙就最少。
有些音箱是设计成放在墙角和对着墙时是平坦的,而另一些则要放置得远离各个表面。
然而要记住,任何房间的驻波只决定于房间尺寸,并不会因为音箱移动而改变。
音箱位置只能影响激活的各种谐振的相对度。
同样,对于任何给定的音箱位置,感觉到的频率响应很大程度依赖于听众位置。
如果一个人坐在某驻波最大点附近,那个频率就会更加明显。
如果音箱在一个角落,听音席在对角,两者都是处于全部驻波的最大点,大多数能够感觉到的低频响应都会获得。
然而,这样的听音位置会有另外一些缺点。
接触问题
看起来,任何听音室都能简单地通过在声音系统中加上选好的电子均衡器校正出理想频响。
然而,这过于简单了。
一个声音系统感觉到的频率应很强地依赖于音箱位置和听音席。
对于听音席和音箱位置,均衡能给稳态信号提供平坦响应。
这里的“稳态”很重要。
记住驻波是由于平行表面间的来回反射形成的。
所以,要建立起这些驻波,需要一点点时间。
然而,一个声音系统中的听众,在任何反射到来之前,首先听到了音箱的直达声。
这个直达声并没有混入驻波,而且如果音箱有平坦的自由场响应,到达听众的第一个声音响应就是均匀的。
只有后来的声音才是受房间本身特性校正后的全响应,这才需要均衡。
而耳朵对第一个听到的声音特别灵敏,有以直达声的均匀来判断声音全部质量的倾向。
因此,尽管强有力的均衡可以把从驻波来的很强的最大值和最小值校正好,但这种校正会加到直达声上,这可是不需要的,声音的音色会引起失真。
由于这个原因,均衡必须很小心,必须以听感来校正,而不是严格地依赖仪器,如用声级计来决定“平坦”响应。
改进均衡
也许最需要首先做的优化声音系统听音条件的事是尽可能地减少驻波和谐振。
在房间中的驻波会使混响曲线自然形状失真,如图4。
试着除去大的平行表面。
带不规则表面的大件家俱,如书架,可以通过扩散反射声来减小驻波。
在某些情况,用上声音吸收材料或结构,低音吸收必须大。
柔顺墙面,如分散在钢柱上的石片吸收低音非常好,特别是如果再以由制振材料如卷状羊毛隔离作后背。
织物,如果是稠密材料对中音和高音是有效的,但对很低的低音不是好的吸音材料。
毛毯和有填充的家俱可以防止地面和天花板谐振。
当然,尖顶和拉花的天花板是有效的,但并非总能实现。
要避免听音席靠近硬质反射面。
然后,一面在房间的很多位置试听,一面试验音箱的位置,试着找到能提供最均匀低频响应的音箱位置,包括内部的协调。
听音席很少只有一个精确的位置。
试着发现音箱和听音席的结合,使得声音变化较少。
(见图4)
这么做以后,电子均衡就会变得很有效了。
会找到一个工作得很好的适度的图示均衡。
在大多数带驻波问题的房间中,可以发现低频有时是最可怕的。
在较高的频率,可以发现谐振会混合在一起成为较光滑的整体倾响。
由于这个理由,采用的均衡器应该在最低频率端是窄带的(即1/3或1/2倍频程),而在中高频端,就不需要这么窄。
在中高频端,带宽愈宽或可以用来的调节愈平和,均衡器产生的结果会愈好。
响应会更加均匀。
完成均衡的一个好方法是采用带1/3倍程频粉红噪声的CD或录音声源。
如果在系统中有一个1/3倍频程均衡器就会特别方便。
用声级计检测电平。
然后,在听音席上用带声级计的话筒调整均衡器达到均匀的频响,应该采用能获得均衡的最小值。
图示均衡器的拨键应尽可能地靠近“0”线,以避免整个响应曲线的起伏,如图5。
设计较好的均衡器,这种波动较少。
在中高频有非常平滑的均衡,不带任何突然的峰或谷是重要的。
在低频带,相当引人注意的峰和谷也能用,不会对直达声有令人注意的失真。
不用对太接近最小点而听感无声担心,因为他们对音乐听感比峰的可听性小得多,峰会使直达声显得很强壮。
高频不应该提升到在听音席上能获得平坦响应,这会使系统声音特别亮。
听音席上理想的系统响应曲线依赖于听音房间的大小,但典型的应该在15kHz上有6dB的下降。
以你的耳朵为向导——他们是比任何仪器更加老练的测量工具!
(见图5)
总而言之,用电子均衡校正设计和运用,可使得房间的声音更好。
他可以使得一个好房间的声音变得优秀,但不会使得坏房间伟大。
信息来源:
现代音响技术GLENND.WHITE原著钱志远编译
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