音響技術(shù)與聲學(xué)原理

　　(1)聲學(xué)歷史
　　當(dāng)森林中有一棵樹倒塌下來(lái)時(shí)，發(fā)出一陣轟然大響聲音，但是沒(méi)有人在這個(gè)原始森林中，所以就聽不到這聲音。這算不算有聲音發(fā)出來(lái)呢?聲音是肯定發(fā)出來(lái)了，因?yàn)楫?dāng)樹干及樹枝接觸地面時(shí)，它們都會(huì)產(chǎn)生某些聲音，但是沒(méi)有人聽見，但這聲音對(duì)于人類或其他動(dòng)物所聽到的是有所不同，所以這就是聲學(xué)上所說(shuō)的心理(Psychoacoustics)。
　　我在這里講的聲學(xué)原理，最主要是讓一個(gè)調(diào)音員能夠了解聲學(xué)的各方面，而不是進(jìn)行聲學(xué)研究，或是碩士、博士的聲學(xué)論文，所以我在這書內(nèi)講的聲學(xué)理論都是實(shí)際可以給在現(xiàn)場(chǎng)操作音響的人用得上的。
　　1915年，有一個(gè)美國(guó)人名叫 E． S． Pridham將一個(gè)當(dāng)時(shí)的電話收聽器套在一個(gè)播放唱片音響的號(hào)角上，而聲音可以給一群在舊金山市慶祝圣誕的群眾聽時(shí)，電聲學(xué)就誕生了。當(dāng)?shù)谝淮问澜绱髴?zhàn)結(jié)束之后，在美國(guó)哈定總統(tǒng)(Harding)就職典禮上，美國(guó)貝爾公司把電話的動(dòng)圈收聽器連接在當(dāng)時(shí)的唱片唱機(jī)的號(hào)角上，就能夠把聲音傳給觀看總統(tǒng)就職典禮的一大群群眾，因此就產(chǎn)生了很多專業(yè)的音響研究及開發(fā)了擴(kuò)聲工程這門學(xué)問(wèn)。音響研究人員不單純是努力地把音響器材進(jìn)行改進(jìn)，也做了各類不同的實(shí)驗(yàn)來(lái)了解人類對(duì)聽覺(jué)的反應(yīng)。但最高級(jí)的音響研究人同都明白音響學(xué)是要整體的研究，要了解音響器材的每一個(gè)環(huán)節(jié)，及人類對(duì)聽覺(jué)的生理反應(yīng)，他們?cè)谶^(guò)去多年內(nèi)直至現(xiàn)在都作出了很大的貢獻(xiàn)。早在1877年，英國(guó)的萊李爵士(Lord Raleigh)就已經(jīng)做過(guò)聲學(xué)的研究，他曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“所有不論直接或間接有關(guān)音響的問(wèn)題，一定要用我們的耳朵來(lái)做決定，因?yàn)樗�是我們的聽覺(jué)的器官，而耳朵的決定就應(yīng)該算是最后決定，是不需要再接受上訴的。但這不是等于所有的音響研究都是單靠用耳朵來(lái)進(jìn)行。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)聲音的根基是一個(gè)物理的現(xiàn)象時(shí)，我們探測(cè)這個(gè)音響境界就要轉(zhuǎn)到另外一個(gè)領(lǐng)域范圍，它就是物理學(xué)。重要的定率是可以從研究這方面而來(lái)，而我們的聽覺(jué)感應(yīng)也一定要接受這些定率�！蔽覀兛梢詮囊陨弦欢挝淖挚吹�，就算在沒(méi)有電聲音響學(xué)產(chǎn)生的時(shí)候，老前輩科學(xué)家都認(rèn)為這個(gè)是物理的領(lǐng)域。
　　著名科學(xué)家英國(guó)的卡爾文勛爵常常說(shuō)：“當(dāng)你度量你所述的事物，而能用數(shù)字來(lái)表達(dá)它，你對(duì)這事物已有些知識(shí)。但如果你不能用數(shù)字來(lái)表達(dá)它，那么你的知識(shí)仍然是簡(jiǎn)陋的和不完滿的；對(duì)任何事物而言，這可能是知識(shí)的始源，但你的意念還未達(dá)到科學(xué)的境界。”卡爾文勛爵(1824—1907)是19世紀(jì)最出色的科學(xué)家之一，后世的科學(xué)家為了要紀(jì)念這位偉人，把絕對(duì)溫度—273．16攝氏度命名為0度卡爾文度。
　　戴維斯夫婦(Don＆ Carolyn Davis)是《音響系統(tǒng)工程》(Sound System Engineering)這本書的作者。這書被稱為音響圣經(jīng)，幾乎是每一個(gè)外國(guó)研究音響的人必讀之物。我引述他書內(nèi)這一段：“具有數(shù)學(xué)和物理學(xué)的知識(shí)，是實(shí)質(zhì)上了解音響工程學(xué)的必要條件。對(duì)這兩種科學(xué)認(rèn)識(shí)越深，越能使你跨越從感覺(jué)上所得到的意念，而達(dá)到用科學(xué)來(lái)引證事實(shí)。著名音響家占士摩亞曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：‘在音響學(xué)中，任何在表面看來(lái)很明顯的事情，通常都是錯(cuò)誤的’�！�
　　我在以上引述了幾位科學(xué)家及音響學(xué)家的訓(xùn)言，主要是因?yàn)楝F(xiàn)在大部分做音響的人士，他們當(dāng)然是對(duì)音響及音樂(lè)很有興趣，但是以為光靠他們的聽覺(jué)就可以鑒定什么是好或不好的音響，不明白這是一門專業(yè)的工程學(xué)問(wèn)，是做不好音響的。遠(yuǎn)在19世紀(jì)的萊李爵士已經(jīng)指出這是一個(gè)科學(xué)的境界，現(xiàn)代的音響工程學(xué)也像其它科學(xué)學(xué)術(shù)一樣正在努力地發(fā)展，所以音響工程學(xué)是離不開數(shù)學(xué)及物理學(xué)的。
　　(2)現(xiàn)場(chǎng)音晌與錄音室音晌的分別
　　在這里所講解的現(xiàn)場(chǎng)音響地操作，它與錄音技術(shù)是有很多不同的地方，有很多人以為音響的最高境界就是錄音技術(shù)，這是不全面的。在錄音技術(shù)上，基本是沒(méi)有碰到反饋的情況，因?yàn)樵谝粋�(gè)錄音室內(nèi)進(jìn)行操作時(shí)，所有的外圍因數(shù)都可以得到控制，但是在現(xiàn)場(chǎng)音響重播時(shí)，我們是不可以避免有很多現(xiàn)場(chǎng)音響的問(wèn)題，所以現(xiàn)場(chǎng)音響和錄音音響是兩種不同的學(xué)問(wèn)�，F(xiàn)場(chǎng)音響跟錄音室音響的要求是不同的，所以有很多器材也是不同的。例如在錄音室內(nèi)所用的調(diào)音臺(tái)，它們的每路輸入都有多個(gè)參數(shù)均衡，讓錄音師可以把每路輸入的音源盡量做最精密地微調(diào)，務(wù)求達(dá)到最好的音源效果。一個(gè)用來(lái)做現(xiàn)場(chǎng)音響的調(diào)音臺(tái)，通常在它的每路輸入，均衡都是比較簡(jiǎn)單的。因?yàn)楹芏鄷r(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)音師根本就沒(méi)有很多時(shí)間把每路的音源做很仔細(xì)地微調(diào)，而在現(xiàn)場(chǎng)音響的調(diào)音臺(tái)每路的音量控制推桿，它們除了可以把音量做衰減外，也可以增益10—14 dB。如果做錄音室用的調(diào)音臺(tái)，這推桿很多時(shí)候是不需要做增益的，所以這推桿的英文名稱就是 fader，意思就是衰減器。用在現(xiàn)場(chǎng)音響的大功率功放，它們都會(huì)有風(fēng)扇作為散熱用途，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)音響的功放是常常在最大功率輸出的情況下工作，并且有很多時(shí)候是在戶外做現(xiàn)場(chǎng)音響時(shí)，周圍的溫度可能相當(dāng)高。如果在錄音室內(nèi)，通常都一定會(huì)有空調(diào)，溫度當(dāng)然不會(huì)太高，而錄音室內(nèi)的功放，主要是用來(lái)推監(jiān)聽音箱用的，當(dāng)然不需要輸出很大的功率，所以功放只需要用普通的散熱器，就可以把很小的熱量散走。如果功放裝有風(fēng)扇的話，風(fēng)扇發(fā)出來(lái)的聲音反而造成噪音，所以在錄音室內(nèi)的功放基本上是不需要風(fēng)扇的。
　　現(xiàn)場(chǎng)音響所用的音箱，為著要把很大的聲壓傳播繪在遠(yuǎn)距離的觀眾，所以它們是需要很高效率的，但在錄音室內(nèi)所用的監(jiān)聽音箱，是錄音師用來(lái)監(jiān)聽聲源或錄音的最后結(jié)果，錄音師是坐在距監(jiān)聽音箱很近的地方來(lái)監(jiān)聽，所以監(jiān)聽音箱是一種近音場(chǎng)的音箱，不需要高靈敏度，作用跟現(xiàn)場(chǎng)音響音箱是完全不同的。
　　(3)音頻與波長(zhǎng)的關(guān)系
　　很多現(xiàn)場(chǎng)調(diào)音師都沒(méi)有理會(huì)到音頻與波長(zhǎng)的關(guān)系，其實(shí)這是很重要的：音頻及波長(zhǎng)與聲音的速度是有直接的關(guān)系。在海拔空氣壓力下，21攝氏溫度時(shí)，聲音速度為344m／s，而我接觸國(guó)內(nèi)的調(diào)音師，他們常用的聲音速度是34Om／s，這個(gè)是在15攝氏度的溫度時(shí)聲音的速度，但大家最主要記得就是聲音的速度會(huì)隨著空氣溫度及空氣壓力而改變的，溫度越低，空氣里的分子密度就會(huì)增高，所以聲音的速度就會(huì)下降，而如果在高海拔的地方做現(xiàn)場(chǎng)音響，因?yàn)榭諝鈮毫�減少，空氣內(nèi)的分子變得稀少，聲音速度就會(huì)增加。音頻及波長(zhǎng)與聲音的關(guān)系是：波長(zhǎng)=聲音速度／頻率； λ=v／f，如果假定音速是344 m／s時(shí)，100Hz的音頻的波長(zhǎng)就是3．44 m，1000hz(即lkHz)的波長(zhǎng)就是34．4 cm，而一個(gè)20kHz的音頻波長(zhǎng)為1．7cm。
　　(4)音箱的高、中、低頻率
　　例如我們現(xiàn)在有一個(gè)18時(shí)的紙盆揚(yáng)聲器單元，裝置在一個(gè)用木材造的音箱內(nèi)，而這音箱的面板面積是 l平方米，即這面板的高度及寬度均是 l米。我們?cè)鯓佑?jì)算這音箱的高、中、低頻率呢?首先我們要計(jì)算這音箱面板的對(duì)角長(zhǎng)度，是2的方根=1．414m，任何頻率的 l／4波長(zhǎng)是超過(guò)1．414m時(shí)，對(duì)這音箱來(lái)說(shuō)它就是低頻；如果一個(gè)頻率的 l／4波長(zhǎng)是1．414m時(shí)，波長(zhǎng)就是4×1．414m= 5．656m，這頻率=344m／s÷5．656m=60．8／s=60．8Hz，所以任何音頻低于60．8Hz時(shí)，對(duì)這音箱來(lái)說(shuō)就是它的低頻率。當(dāng)60．8Hz或更低的頻率從這音箱傳播出來(lái)時(shí)，它們的擴(kuò)散形象是球型的，等于如果我們把這音箱懸掛在一個(gè)房間中間時(shí)，這些頻率的音量在音箱的前后左右及上下所發(fā)出來(lái)的聲壓都是差不多的，放出來(lái)的聲音變成沒(méi)有方向性。當(dāng)某頻率的 l／4波長(zhǎng)是小于音箱面板的對(duì)角長(zhǎng)度，但這波長(zhǎng)又大于揚(yáng)聲器的半徑時(shí)，這段頻率就是這音箱的中頻率。例如我們現(xiàn)在是用一個(gè)18時(shí)單元，這單元的半徑為9寸，就是22.86cm=0.2286m,這個(gè)音頻為344m/s÷0．2286m=1505Hz,從60.8Hz-1505HZ頻就是這音箱的中頻率。中頻率從這音箱所擴(kuò)散出來(lái)的形狀是半球形的，即如果我們把這段頻率從剛才懸掛在房間中心的音箱放出來(lái)時(shí)，聲音從音箱面板擴(kuò)散出來(lái)的形狀是半球形。在音箱后面是聽不到這段頻率的聲音。1505Hz及更高的頻率，對(duì)這音箱來(lái)說(shuō)就是它的高頻率。高頻率從音箱擴(kuò)散出來(lái)的聲音形狀是錐形的，頻率越高，錐的形狀越窄。通常如果頻率超過(guò)開始高音頻的4倍時(shí)，聲音擴(kuò)散出來(lái)的形狀會(huì)慢慢變成一條直線而不擴(kuò)散，如果不是坐在對(duì)正單元的位置，就聽不到這些高頻率。所以很多高頻率單元如果是紙盆型的話，這紙盆的直徑是很小的，把這音箱的高頻下限盡量提高，希望能夠使高頻擴(kuò)散的寬度增加。我們常常見到家庭音響音箱中的高音單元，通常會(huì)用 l—2時(shí)的紙盆單元，或半球狀的單元，理由就是這個(gè)原因。而專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)音響的高音單元，因?yàn)橐�發(fā)出很大的高頻聲壓，所以說(shuō)一定是采用號(hào)角處理的。
　　(5)各類不同的音場(chǎng)
　　當(dāng)一個(gè)紙盆揚(yáng)聲器接受了從功放傳過(guò)來(lái)的信號(hào)后，紙盆就會(huì)作出前后的搖動(dòng)，當(dāng)紙盆向前推進(jìn)時(shí)，紙盆撞擊到它前面的空氣分子，在紙盆前面的空氣就會(huì)增加壓力，這些分子就會(huì)繼續(xù)向前推進(jìn)，碰撞它們前面的空氣分子，造成輕微的高氣壓。當(dāng)紙盆向后退時(shí)，紙盆前面的空氣分子就會(huì)產(chǎn)生輕微的真空，然后這些分子會(huì)跟著紙盆的后退，造成這里的空氣有輕微的壓力減少。但我們不要忘記，空氣是有彈力的，但在紙盆前面的空氣是剛剛被紙盆的動(dòng)作搖動(dòng)，不能達(dá)到空氣本身的彈力，這時(shí)我們便要看這頻率的波長(zhǎng)，聲音是要直到離開紙盆的距離有2．5倍波長(zhǎng)時(shí)，這些空氣才發(fā)揮出造成聲音的彈力。例如一個(gè)100Hz的頻率，它的波長(zhǎng)是3．44米，所以聲音要離開紙盆2．5×3．44米=8．6米之外，才是真正的這個(gè)100Hz的聲音。如果用10OHz來(lái)算，離開紙盆的距離還沒(méi)達(dá)到8．6米就為 lOOHz的近音場(chǎng)，而超過(guò)8．6米才是100Hz的遠(yuǎn)音場(chǎng)。為什么我們要了解遠(yuǎn)近音場(chǎng)呢?很多時(shí)候在一隊(duì)樂(lè)隊(duì)中的電貝司手，他往往都不了解近音場(chǎng)的效果，而在他的電貝司音箱上，有一個(gè)均衡旋鈕就是寫著貝司（Bass) ，正是這樂(lè)手的稱號(hào)。電貝司手通常會(huì)站在離開電貝司音箱不遠(yuǎn)的地方做演奏，如果他站在近音場(chǎng)時(shí)，有時(shí)會(huì)覺(jué)得低音不足，就會(huì)把這Bass的均衡旋鈕盡量調(diào)大，但聽眾在他們的位置就會(huì)聽得到很強(qiáng)烈的低音，很多時(shí)候造成不好的效果。這些強(qiáng)烈的低音也會(huì)跑進(jìn)歌手的話筒，如果調(diào)音師因?yàn)橛X(jué)得歌手的聲音不足夠時(shí)，就會(huì)把歌手這一路的聲音提高，但也同時(shí)把電貝司的低音量也提高了，調(diào)音就遇上了困難。電貝司的最低E弦是41Hz，但因?yàn)槭耙羝魇欠旁谙业哪┒�，所�?1hz第一個(gè)諧音82Hz才是主要的電貝司低頻率，82Hz的波長(zhǎng)是 4．2米（344m／s 除以82／s=4.195m），所以差不多要離開電貝司音箱 10米左右才是這82Hz的遠(yuǎn)音場(chǎng)，而因?yàn)殡娯愃臼植粫?huì)站到離開他的音箱這么遠(yuǎn)的距離時(shí)，他聽到的聲音只是近音場(chǎng)，而不是聽眾所聽得到的聲音。所以我們當(dāng)說(shuō)到揚(yáng)聲器的遠(yuǎn)近音場(chǎng)時(shí)，最主要是注意到頻率及它的波長(zhǎng)，而不是單純看離開音箱多遠(yuǎn)就是等于遠(yuǎn)或近音場(chǎng)，最主要就是記得我們當(dāng)欣賞音樂(lè)時(shí)，是要在遠(yuǎn)音場(chǎng)的位置，而不是在近音場(chǎng)的位置。
　　（6）直接音場(chǎng)、反射音場(chǎng)、不直接音場(chǎng)
　　當(dāng)揚(yáng)聲器在一個(gè)房間內(nèi)發(fā)出聲音，聽眾可以聽到直接從揚(yáng)聲器傳過(guò)來(lái)的聲音，這就是直接音場(chǎng)（indirectfield），但也可以聽到從墻、天花板及地板所反射過(guò)來(lái)的聲音，這就叫做反射音場(chǎng)（reverberant field)。聽眾聽到越多的直接音場(chǎng)的聲音，反射音場(chǎng)的聲音就越小時(shí)，這聲音就越好，因?yàn)橹苯右魣?chǎng)的聲音是可以控制的，但反射音場(chǎng)的聲音是不能控制的，只會(huì)把直接育場(chǎng)發(fā)出來(lái)的聲音加上喧染，把原本聲音的清晰度底減低，所以坐得離音箱比較近的聽眾就會(huì)感覺(jué)到好一點(diǎn)的音響效果，而坐在后面的聽眾很可能是他們聽到的反射音場(chǎng)聲音比直接音場(chǎng)聲音更大，音響效果便會(huì)比較差及清晰度降低。有時(shí)候一隊(duì)樂(lè)隊(duì)在臺(tái)上演出時(shí)，因?yàn)樗麄儧](méi)有監(jiān)聽音箱，而兩旁的主音箱是放在靠近臺(tái)口的位置，樂(lè)隊(duì)及歌手所聽到的聲音完全沒(méi)有從直接音場(chǎng)放過(guò)來(lái)的，他們站立的位置就叫做不直接音場(chǎng)，聲音效果當(dāng)然不會(huì)好，這也會(huì)影響到樂(lè)隊(duì)的表演水平，令觀眾聽到不太好的演出聲音。
　�。�7）界面干擾
　　當(dāng)我們選擇放置音箱的位置時(shí)，很重要的一環(huán)是要注意到音箱所發(fā)出來(lái)的聲音是會(huì)受到它旁邊的界面影響而造成干擾。例如放在臺(tái)口兩旁的主音箱，它們的低音紙盆離開地面及旁邊的墻壁如果是大約在1米的時(shí)候，一個(gè)4米波長(zhǎng)的音頻就會(huì)受到這兩個(gè)界面的干擾。一個(gè)4米波長(zhǎng)的頻率是 86Hz（344m／s ÷ 4m＝ 86Hz），當(dāng) 86HZ的聲音從音箱放出來(lái)時(shí)，大的空氣壓力在1／4周內(nèi)剛巧碰到地面及墻壁，再過(guò)l／4周就反射回到音箱的紙盆面前，但這個(gè)時(shí)候剛巧紙盆要后退，原來(lái)從地面及墻壁反射過(guò)來(lái)的大空氣壓力就會(huì)被紙盆后退的動(dòng)作抵消很多，造成失去了很重要的低音。如果遇到這個(gè)情況，就應(yīng)該把音箱向臺(tái)后退0．5－1米，讓音箱所發(fā)出來(lái)的聲音不能直接射到地面上，而如果可以把音箱移到靠近兩邊的墻壁時(shí)，更可利用墻壁的反射制做出更大的音量。80-100Hz 這段頻率是很重要的，它是我們肺部空間的共鳴點(diǎn)，也是低音鼓的共鳴頻率，如果是因?yàn)椴涣私饨缑娓蓴_而擺錯(cuò)了音箱放置的位置，實(shí)在是很不值得的。
　�。�8）高、低音效果
　　我們很難指定某一頻率以上為高音或某頻率以下為低音，我們常常說(shuō)人的聽覺(jué)是從20Hh－20KHz，但20kHz的頻率是很少人能夠聽到的，通常只有20歲以下的青年人，他們的耳朵沒(méi)有受到任何的損壞時(shí)才可以聽得到。如果做聽覺(jué)測(cè)驗(yàn)，最高的測(cè)聽頻率只是8 kHz。當(dāng)聲音傳出去時(shí)，高頻率是比低頻率衰減快得多，如果用1kHz跟10kHz做比較時(shí)，當(dāng)聲音跑了100米后，10kHz的‘頻率比起IkHz的音量會(huì)衰減30－35dB的。（請(qǐng)參看圖①）比起低頻率，高頻率聲音是比較有方向性的。高頻率的聲音從單元跑了出來(lái)后，如果受到物體的阻擋，高音就不能再傳過(guò)去，這個(gè)是跟低頻率有很大的不同，因?yàn)楦哳l率的波長(zhǎng)是比較短，受到物體阻擋之后不會(huì)轉(zhuǎn)彎，但低頻率的波長(zhǎng)是比較長(zhǎng)，所以很多時(shí)候就算有物體在前面阻擋，低頻率也可以轉(zhuǎn)彎過(guò)去。例如有些專業(yè)音箱的設(shè)計(jì)是把一個(gè)高音號(hào)角放在它的低音單元前面，但對(duì)這個(gè)低音單元所發(fā)出來(lái)的低頻率，它根本就看不到前面是有什么東西阻擋聲音似的，所以低頻率可以照樣傳過(guò)去。 從我們的聽覺(jué)上來(lái)說(shuō)，我們是需要聽到高頻率的聲音來(lái)辨別各類不同的聲音，但如果單純是講人的談話聲時(shí)，我們只需要聽到4kHz及以下的頻率，就能馬上辨別是什么人在說(shuō)話。例如電話的聲音傳送，高頻只達(dá)到4kHz，所以有時(shí)候當(dāng)一個(gè)很久都沒(méi)有和你談話的人，當(dāng)他打電話給你時(shí)，只要說(shuō)：“喂！”，你就馬上便可以鑒別他是你很久都沒(méi)有談過(guò)話的朋友的聲音。我們聽高頻也有方向性，即是我們能夠辨別高頻聲音來(lái)源的方向。因?yàn)楦哳l的聲音傳到我們兩個(gè)耳朵時(shí)，已經(jīng)有了很細(xì)微的時(shí)間差，所以它們來(lái)到耳朵的時(shí)候有不同的相位改變，我們就借著這改變了的相位可以鑒定 ?

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