因为看到坛子里对器材搭配说得很多,但是对同样重要的房间声学很少讨论,而且对器材摆位和房间处理等问题的解决主要还是靠经验,所以我打算翻译一两篇讲房间声学理论的入门文章,给大家参考参考。不过既然是理论文章,自然不能用些华丽词汇来吸引人,特别是前面的几节,没有实例,枯燥是难免;而且我水平有限,翻译中自己也有不少不大明白的地方,请大家海涵。下面的部分是全文的1/2左右,如果大家感觉好的话我就继续翻译下去。原文可以在
http://202.102.29.58/temp/test1/ ... king%20Together.pdf 找到。
房间对音响系统的低频效果作用非常大,很多时候甚至大于扬声器的作用,所以了解一些房间声学的常识,对家庭听音环境的建立大有好处。
扬声器和房间
Floyd E. Toole博士
哈曼国际副总裁,声学工程师
立体声系统和多声道环绕音响系统中,扬声器和听音房间是两个关键性因素,它们一起决定了音乐回放的音色、音质、动态范围、方位感和空间感。听音者的主观感受源于到达自己双耳的声音,而不是扬声器发出的声音,所以如果环境不同导致听到的声音不同,听音感受自然不同。
解决这个问题的唯一办法是控制所有这些变数,包括扬声器特性和听音房间特性,但是在现实中,扬声器和听音房间都没有工业标准,听音房间更是不受厂商控制。本文中我们将试图说明听音环境中的所有主要变数,并且讨论衡量和控制它们的方法。
一、目标
我们努力的目标是“逼真”,但是在家庭房间里,受实际情况影响,想达到令人信服的逼真音效很难,和现场音乐会一比较就知道了。
一部分原因是因为我们用了传统的两声道系统。只有在两个音箱的对称中轴位置,你才能有立体声感觉,而且离音箱越远感觉越差。两声道系统不能完整的重现所有的现场细节,特别是方位感,这使你的现场感变差。
结果是,严格的“逼真”是达不到的。我们只能在有限的硬件条件下,尽可能逼近目标。
事实上,对大多数录音作品来说,“逼真”并不是它们的目标。例如在流行音乐的制作中,歌手在录音棚里录音,然后混音师把歌手唱声、乐器伴奏等多个音轨缩混成最终的作品,现场感是混音师制作出来的,它本来不存在。
为了带来重放音乐更好的空间感,扬声器的指向性设计除了有传统的单极式,还有偶极式、双极式和全方位型等。它们给听音者带来的是不同的直接音和反射音,而房间因素是非常重要的。可以说立体声系统不是一个单纯的系统,而是个体感受的基础。
电影工业已经有了针对扬声器和房间布置的标准(译者注:指THX认证),这使得不同影院的人能听到同样的音响效果。如今家庭THX程序也可以帮助我们理清扬声器和房间布置的关系,当然,工程师的经验在这里尤为重要。
影响扬声器音质的主要因素是线性失真(频响曲线和相位)和非线性失真(谐波和互调失真)。在房间里,还要加上声音反射和漫射。
声音最后的表现取决于扬声器素质、房间的声学特性和扬声器在房间里的位置。
其中空间感和方位感的改变源于:
(a) 具体某声像的尺寸(特别是水平尺寸)被反射声改变的幅度
(b) 具体某声像的位置被反射声改变的幅度
(c) 声音张合的感觉被反射声影响(特别是水平方向)
其中音质和音色的改变源于:
(d) 单一乐器的频响曲线被破坏(特别是共振,这取决于房间的尺寸)
(e) 在不同位置的听音者听到不同的声音
(f) 当直接音和早期产生的反射音重叠,可能导致声学冲突(梳状过滤)
(g) 房间的边角和家具可能改变反射音的频率,导致听音者最后听到错误的声音
(h) 扬声器产生的失真声音被反射放大后,导致听音者最后听到错误的声音
(i) 延迟小的反射音导致声音被放大
(j) 延迟大的反射音导致声音被减弱
总之,扬声器和房间的物理特性决定了音乐重放的表现。
二、物理变数
我们按顺序来讲解:
(1) 房间的尺寸
(2) 扬声器和听音者的位置
(3) 声音的吸收和反射
1、房间的尺寸
房间有声学共振,房间的长宽高决定了房间的共振频率。对一个理想中的长方形房间,共振点很容易计算,计算公式是:
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(图一)
其中:f是共振频率;nx,ny,nz是整数,取值分别是0到4;lx,ly,lz是长宽高的尺寸;c是声音的速度。不同的nx,ny,nz的搭配有(5的3次方-1)种。可见共振频率点有很多个,不过事实上我们只需要计算低频率的共振频率,n>4后的影响可以忽略不计了。
对我们影响最大的共振频率是当三个n中有两个n为0而另一个n为1的情况,这时候计算公式可以简化为:f=c/2/L。其中L为长宽高的尺寸。这样可以算出3个主要的共振频率。
1.1 理想的房间
多年来,根据以上的计算方法,声学工程师推荐了几种特定的房间长宽高比例,它们是有效的,但是当真正实现的时候还是存在问题,比如说:
(a) 计算公式假定房间是理想的长方形,绝对平直的表面。事实上很难做到,而且,房间里是有家具的。这使得理论计算出现偏差
(b) 不是所有的共振频率都同样重要。通常只有扬声器轴向方向的最关键,所以计算的时候要加权考虑各个共振频率
(c) 在现实环境中,扬声器和听音者的位置确定后,听到的声音并不能完全用理论计算出来,个体差异是无法预估的
所以说,在实际环境中,理论预测是有帮助的,但是并不够完美。只有实测才能知道结果。
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(图二)
实验中我们把扬声器放在一个角落,麦克风放在相对的另一个角落,我们用麦克风测到的频响曲线如下:
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(图三)
频响曲线是计算实际房间的共振影响的唯一有效方法,可以看出这里的频响曲线和理论计算出的频响曲线不完全一致。同时请注意在引起共振的频率上,声音得到充实。
当然,在现实中这样的测量是没有用的,移动扬声器或者移动麦克风都会导致频响曲线改变。不过如果房间是相对标准的长方形,这种方法可以用来找出房间的共振点,或用来检验理论计算是否有误差。
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(图四)
图四举了两个房间比例的例子,第一个有共振方面的问题,第二个好得多。请注意,在“坏”房间里,不但频响曲线不平坦,共振频率的叠加更明显。
有人因此认为,一个不规整的房间具有更好的声学条件,因为这样的话,声音的反射将失去规律,从而达到漫射声音的目的。而事实上这样做会带来更大的麻烦,共振频率不再是原来的几个,而是变成很多很多个;回声没有消失,而是变得更加没有规律、难以把握了。在这种不规整的房间里,声学参数也变得难以计算,我们也就很难对它作针对性的处理。在下一节中你们会看到一些例子,说明不规整房间的不足之处。
不过在某些时候,不规整房间是有优势的,例如声学研究中用到的回响实验室,
不规则的回响频率给人带来更多的舒适感觉。值得注意的是,这种不规整房间不需要设计得太怪,只要一条边有倾斜就可以了。
2、扬声器和听音者的位置
在研究扬声器和听音者的位置对声音(特别是低频)的影响的时候,有两个因素是很重要的:
1) 和邻近边界的互动关系
2) 和房间尺寸的互动关系
人们通常考虑得更多的是扬声器的摆放位置,但是同样重要的是听音者的位置。这两个问题看上去独立,而事实上它们密切相关。让我们从最简单的方式着手讨论这些问题,先看看直接音和从邻近边界回来的第一次反射音之间的关系。
2.1 和邻近边界的互动关系
这个问题曾经有人做过试验,最后发现主要的影响是在低频段,它的表现也很有戏剧性。
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(图五)
如图五所示,图中最下面的实线是扬声器在开阔地段(没有反射边界,比如说是在消音室或者野外空地的极高处)的频率响应图,这种情况下声音就像从一个球的中心四射出来,四周都没有阻挡,我们把它标注为4pi STERADIANS。把扬声器放在地板上会让它的声音辐射角度减半,这时测出低频的声压上升了6dB,如果把扬声器放在地板上,同时旁边摆一堵墙,声音的辐射角度再度减半,我们把它标注为pi STERADIANS,这时测出低频的声压上升了12dB。如果我们把扬声器放到一个墙角,这时声音的辐射角度又再度减半,我们把它标注为pi/2 STERADIANS,这时低频的声压比最初的时候上升了18dB!
聪明的听音者可以用这种方法来提升低频的效果,但是提升低频的同时,声音的解像力会下降。想兼顾两者是几乎不可能的。只有使用独立的低音炮可以解决这个问题(这是低音炮存在的最大理由?!)。
为了解决这些问题,一些厂商在设计扬声器的时候综合考虑了地板和后墙的影响。这种扬声器对房间和摆位比较挑剔,但它不容易出现因错误摆位而导致音质的大幅下降。
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(图六)
图六是一个表现房间声波现象的一个简图。图的上半部分画的是声波直接和经过一次反射到达人耳。图的下半部分指出驻波现象,实线的驻波有一个最低波谷,虚线的驻波有两个最低波谷。
在前面的段落里可以看到,长波(低频)的声音因反射有显著的增强,这是因为低频声波只需要少数几步就走到了听音者的耳朵。经过墙面反射后,声波可能叠加在原来的声波上,也可能将原来的声波抵消,这取决于波长(声音频率)和距离。这里,我们将介绍一种常见现象,称为“梳状滤波”。
(图七)
如图七所示,
当两个同频率的声音,例如直接声和反射声,先后出现在同一点,它们将被有规律的叠加或者抵消,先到的声波还将削弱后到的声波,最终产生的是象梳子一样的空间声场。对中高频的声音,人耳听不出这种现象但是仪器可以测出;而对持续的中低频声波,人耳也能清楚地听出这种现象来。
从图六展示的驻波中,我们可以看出,房间的宽度正好等于声波波长(虚线)或者一半(实线)。注意第一个波谷是在靠墙1/4波长的地方,也请注意在第一个波谷之后的这半个波形的极性是相反的,这就意味着,在波谷前的声音对原声是进行叠加的而在之后的则进行抵消,理解这一点是非常重要的。
2.2 和房间尺寸的互动关系
通常房间是长方形的,不过细节总有不同,例如门窗的位置,家具的摆放等,各不相同。每个房间都有自己特有的声学特性,也有自己特有的问题。我们对低频是比较容易计算和分析的,例如下面的例子。
(图八)
图八表示了一个房间里16Hz声波的声压,注意,听音者听到的这一频率的声音主要是反相的。听音者如果贴近后墙,可以听到这一频率最响的声音,而如果在房间的中央,他将听不到这个频率的声音,因为这里是波谷所在。
但是如果这里用的是偶极式(dipole)扬声器,情况就不一样了。偶极式扬声器的前后声波是正好反相的,所以在房间的中央,偶极式扬声器会产生最强的声压,这正好和传统的扬声器相反。所以讨好偶极式扬声器的房间,对传统扬声器通常是不欢迎的。
(图九)
从图就可以看出,听音者正好处于32Hz的波谷,所以他听不到这个频率的声音。很显然,如果听音者在听管风琴的低音(例如R. Strauss的Also Sprach Zarathustra: 2001开头的一段),他将非常失望。
不过很好办,把你的椅子向前或者向后移一点就可以解决这个问题了。
所以你在摆放自己的听音位置的时候,最好根据房间尺寸计算一下前几个共振频率的盲点,然后尽量去避开它。
(图十)
在图十中,我们可以同时看到存在的问题及其解决方法。听音者的位置是在28Hz的低谷(还有28Hz的倍数,例如84Hz、140Hz等)。这个问题怎么解决的呢?因为人有两只耳朵,每只耳朵听到每边低音喇叭发出的声音,它们各自是正相的。双声道里左右声道的低音通常是相同的。在LP里是绝对相同的,不然LP的拾音针头会被甩出录音槽。对于使用低音炮的人,如图十的听音环境将导致不好的体验,因为两耳听到了同相的低音,而它们希望听到反相的声音。
(图十一)
图十一给我们带来了一个不舒适的感受。听音者在高声压的位置,而且两个低音喇叭对两耳来说是同相的,这样你听到了超强的56Hz低音。解决方法是把两只音箱移近,这样可以改变相位,不过副作用是减少了立体声的场宽。更好的方法是使用低音炮,这和上一种情况正好相反。
(图十二)
房间的高度也是很重要的,图十二告诉我们,
不要把听音位置放在离天花板一半距离的地方。
(图十三)
图十三告诉我们,
在房间的边界做一定的低频散射(例如圆弧的墙角)能显著改善房间的声学条件。在家庭影院中这尤其有用,因为听音者可能是很多人,他们不可能都坐在“皇帝位”上。
在房间的边界做一定的吸音处理是很重要的,虽然它会浪费放大器的部分功率,但是它改善了房间的声学环境,限制低频的反射,让梳状滤波得到抑制。毕竟,“波谷”是谁都不喜欢的。
待续……