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音響技術(shù)與聲學(xué)原理
當森林中有一棵樹(shù)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(tīng)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，因為當樹(shù)干及樹(shù)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(tīng)見(jiàn)，但這聲音對于人類(lèi)或其他動(dòng)物所聽(tīng)到的是有所不同，所以這就是聲學(xué)上所說(shuō)的心理(Psychoacoustics)。聲學(xué)原理，最主要是讓一個(gè)調音員能夠了解聲學(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，而講的聲學(xué)理論都是實(shí)際可以給在現場(chǎng)操作音響的人用得上的。1915年，有一個(gè)美國人名叫E.S. Pridham將一個(gè)當時(shí)的電話(huà)收聽(tīng)器套在一個(gè)播放唱片音響的號角上，而聲音可以給一群在舊金山市慶祝圣誕的群眾聽(tīng)時(shí)，電聲學(xué)就誕生了。
當第一次世界大戰結束之后，在美國哈定總統(Harding)就職典禮上，美國貝爾公司把電話(huà)的動(dòng)圈收聽(tīng)器連接在當時(shí)的唱片唱機的號角上，就能夠把聲音傳給觀(guān)看總統就職典禮的一大群群眾，因此就產(chǎn)生了很多專(zhuān)業(yè)的音響研究及開(kāi)發(fā)了擴聲工程這門(mén)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(lèi)不同的實(shí)驗來(lái)了解人類(lèi)對聽(tīng)覺(jué)的反應。但最高級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，及人類(lèi)對聽(tīng)覺(jué)的生理反應，他們在過(guò)去多年內直至現在都作出了很大的貢獻。早在1877年，英國的萊李爵士(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，因為它是我們的聽(tīng)覺(jué)的器官，而耳朵的決定就應該算是最后決定，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。當我們發(fā)現聲音的根基是一個(gè)物理的現象時(shí)，我們探測這個(gè)音響境界就要轉到另外一個(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(tīng)覺(jué)感應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)家都認為這個(gè)是物理的領(lǐng)域。著(zhù)名科學(xué)家英國的卡爾文勛爵常常說(shuō)：“當你度量你所述的事物，而能用數字來(lái)表達它，你對這事物已有些知識。但如果你不能用數字來(lái)表達它，那么你的知識仍然是簡(jiǎn)陋的和不完滿(mǎn)的;對任何事物而言，這可能是知識的始源，但你的意念還未達到科學(xué)的境界?！笨栁膭?1824—1907)是19世紀最出色的科學(xué)家之一，后世的科學(xué)家為了要紀念這位偉人，把絕對溫度—273.16攝氏度命名為0度卡爾文度。戴維斯夫婦(Don& Carolyn Davis)是《音響系統工程》(Sound System Engineering)這本書(shū)的作者。這書(shū)被稱(chēng)為音響圣經(jīng)，幾乎是每一個(gè)外國研究音響的人必讀之物。我引述他書(shū)內這一段：“具有數學(xué)和物理學(xué)的知識，是實(shí)質(zhì)上了解音響工程學(xué)的必要條件。對這兩種科學(xué)認識越深，越能使你跨越從感覺(jué)上所得到的意念，而達到用科學(xué)來(lái)引證事實(shí)。著(zhù)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，通常都是錯誤的’?！币陨弦隽藥孜豢茖W(xué)家及音響學(xué)家的訓言，主要是因為現在大部分做音響的人士，他們當然是對音響及音樂(lè )很有興趣，但是以為光靠他們的聽(tīng)覺(jué)就可以鑒定什么是好或不好的音響，不明白這是一門(mén)專(zhuān)業(yè)的工程學(xué)問(wèn)，是做不好音響的。遠在19世紀的萊李爵士已經(jīng)指出這是一個(gè)科學(xué)的境界，現代的音響工程學(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(kāi)數學(xué)及物理學(xué)的。
在這里所講解的現場(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，因為在一個(gè)錄音室內進(jìn)行操作時(shí)，所有的外圍因數都可以得到控制，但是在現場(chǎng)音響重播時(shí)，我們是不可以避免有很多現場(chǎng)音響的問(wèn)題，所以現場(chǎng)音響和錄音音響是兩種不同的學(xué)問(wèn)?，F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。例如在錄音室內所用的調音臺，它們的每路輸入都有多個(gè)參數均衡，讓錄音師可以把每路輸入的音源盡量做最精密地微調，務(wù)求達到最好的音源效果。一個(gè)用來(lái)做現場(chǎng)音響的調音臺，通常在它的每路輸入，均衡都是比較簡(jiǎn)單的。因為很多時(shí)候，現場(chǎng)調音師根本就沒(méi)有很多時(shí)間把每路的音源做很仔細地微調，而在現場(chǎng)音響的調音臺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—14dB。如果做錄音室用的調音臺，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(chēng)就是fader，意思就是衰減器。用在現場(chǎng)音響的大功率功放，它們都會(huì )有風(fēng)扇作為散熱用途，因為現場(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(hù)外做現場(chǎng)音響時(shí)，周?chē)臏囟瓤赡芟喈敻?。如果在錄音室內，通常都一定?huì )有空調，溫度當然不會(huì )太高，而錄音室內的功放，主要是用來(lái)推監聽(tīng)音箱用的，當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(huà)，風(fēng)扇發(fā)出來(lái)的聲音反而造成噪音，所以在錄音室內的功放基本上是不需要風(fēng)扇的?，F場(chǎng)音響所用的音箱，為著(zhù)要把很大的聲壓傳播繪在遠距離的觀(guān)眾，所以它們是需要很高效率的，但在錄音室內所用的監聽(tīng)音箱，是錄音師用來(lái)監聽(tīng)聲源或錄音的最后結果，錄音師是坐在距監聽(tīng)音箱很近的地方來(lái)監聽(tīng)，所以監聽(tīng)音箱是一種近音場(chǎng)的音箱，不需要高靈敏度，作用跟現場(chǎng)音響音箱是完全不同的。
很多現場(chǎng)調音師都沒(méi)有理會(huì )到音頻與波長(cháng)的關(guān)系，其實(shí)這是很重要的：音頻及波長(cháng)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，而我接觸國內的調音師，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(zhù)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場(chǎng)音響,因為空氣壓力減少,空氣內的分子變得稀少，聲音速度就會(huì )增加。音頻及波長(cháng)與聲音的關(guān)系是：波長(cháng)=聲音速度/頻率; λ=v/f，如果假定音速是344m/s時(shí)，100Hz的音頻的波長(cháng)就是3.44cm，1000hz(即lkHz)的波長(cháng)就是34.4cm，而一個(gè)20kHz的音頻波長(cháng)為1.7cm。例如我們現在有一個(gè)18時(shí)的紙盆揚聲器單元，裝置在一個(gè)用木材造的音箱內，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。我們怎樣計算這音箱的高、中、低頻率呢?首先我們要計算這音箱面板的對角長(cháng)度，是2的方根=1.414m，任何頻率的l/4波長(cháng)是超過(guò)1.414m時(shí)，對這音箱來(lái)說(shuō)它就是低頻;如果一個(gè)頻率的l/4波長(cháng)是1.414m時(shí)，波長(cháng)就是4×1.414m= 5.656m，=344m/s÷5.656m=60.8/s=60.8Hz，所以任何音頻低于60.8Hz時(shí)，對這音箱來(lái)說(shuō)就是它的低頻率。當60.8Hz或更低的頻率從這音箱傳播出來(lái)時(shí)，它們的擴散形象是球型的，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。當某頻率的 l/4波長(cháng)是小于音箱面板的對角長(cháng)度，但這波長(cháng)又大于揚聲器的半徑時(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)，聲音從音箱面板擴散出來(lái)的形狀是半球形。在音箱后面是聽(tīng)不到這段頻率的聲音。1505Hz及更高的頻率，對這音箱來(lái)說(shuō)就是它的高頻率。高頻率從音箱擴散出來(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(kāi)始高音頻的4倍時(shí)，聲音擴散出來(lái)的形狀會(huì )慢慢變成一條直線(xiàn)而不擴散，如果不是坐在對正單元的位置，就聽(tīng)不到這些高頻率。所以很多高頻率單元如果是紙盆型的話(huà)，這紙盆的直徑是很小的，把這音箱的高頻下限盡量提高，希望能夠使高頻擴散的寬度增加。我們常常見(jiàn)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(zhuān)業(yè)現場(chǎng)音響的高音單元，因為要發(fā)出很大的高頻聲壓，所以說(shuō)一定是采用號角處理的。
當一個(gè)紙盆揚聲器接受了從功放傳過(guò)來(lái)的信號后，紙盆就會(huì )作出前后的搖動(dòng)，當紙盆向前推進(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(zhù)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)，不能達到空氣本身的彈力，這時(shí)我們便要看這頻率的波長(cháng)，聲音是要直到離開(kāi)紙盆的距離有2.5倍波長(cháng)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(cháng)是3.44米，所以聲音要離開(kāi)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(kāi)紙盆的距離還沒(méi)達到8.6米就為 lOOHz的近音場(chǎng)，而超過(guò)8.6米才是100Hz的遠音場(chǎng)。為什么我們要了解遠近音場(chǎng)呢?很多時(shí)候在一隊樂(lè )隊中的電貝司手，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(xiě)著(zhù)貝司(Bass)，正是這樂(lè )手的稱(chēng)號。電貝司手通常會(huì )站在離開(kāi)電貝司音箱不遠的地方做演奏，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的均衡旋鈕盡量調大，但聽(tīng)眾在他們的位置就會(huì )聽(tīng)得到很強烈的低音，很多時(shí)候造成不好的效果。這些強烈的低音也會(huì )跑進(jìn)歌手的話(huà)筒，如果調音師因為覺(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，調音就遇上了困難。電貝司的最低E弦是41Hz，但因為拾音器是放在弦的末段，所以41hz第一個(gè)諧音82Hz才是主要的電貝司低頻率，82Hz的波長(cháng)是 4.2米(344m/s 除以82/s=4.195m)，所以差不多要離開(kāi)電貝司音箱 10米左右才是這82Hz的遠音場(chǎng)，而因為電貝司手不會(huì )站到離開(kāi)他的音箱這么遠的距離時(shí)，他聽(tīng)到的聲音只是近音場(chǎng)，而不是聽(tīng)眾所聽(tīng)得到的聲音。所以我們當說(shuō)到揚聲器的遠近音場(chǎng)時(shí)，最主要是注意到頻率及它的波長(cháng)，而不是單純看離開(kāi)音箱多遠就是等于遠或近音場(chǎng)，最主要就是記得我們當欣賞音樂(lè )時(shí)，是要在遠音場(chǎng)的位置，而不是在近音場(chǎng)的位置。
當揚聲器在一個(gè)房間內發(fā)出聲音，聽(tīng)眾可以聽(tīng)到直接從揚聲器傳過(guò)來(lái)的聲音，這就是直接音場(chǎng)(indirectfield)，但也可以聽(tīng)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(tīng)眾聽(tīng)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，因為直接音場(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(tīng)眾就會(huì )感覺(jué)到好一點(diǎn)的音響效果，而坐在后面的聽(tīng)眾很可能是他們聽(tīng)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)候一隊樂(lè )隊在臺上演出時(shí)，因為他們沒(méi)有監聽(tīng)音箱，而兩旁的主音箱是放在靠近臺口的位置，樂(lè )隊及歌手所聽(tīng)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)，聲音效果當然不會(huì )好，這也會(huì )影響到樂(lè )隊的表演水平，令觀(guān)眾聽(tīng)到不太好的演出聲音。
當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。例如放在臺口兩旁的主音箱，它們的低音紙盆離開(kāi)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(cháng)的音頻就會(huì )受到這兩個(gè)界面的干擾。一個(gè)4米波長(cháng)的頻率是86Hz(344m/s ÷ 4m= 86Hz)，當86HZ的聲音從音箱放出來(lái)時(shí)，大的空氣壓力在1/4周內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，就應該把音箱向臺后退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，如果是因為不了解界面干擾而擺錯了音箱放置的位置，實(shí)在是很不值得的。
