關(guān)于半空間的討論

文 / [美] 戴維·岡尼斯 編譯/何青青

當(dāng)揚(yáng)聲器置于半空間里時(shí)，影響其頻響的因素是什么？筆者注意到人們普遍對(duì)這種基本的聲學(xué)現(xiàn)象理解不當(dāng)，甚至有些行業(yè)專(zhuān)家也對(duì)此有誤解。而產(chǎn)生混淆的人并不是因?yàn)樗麄儜杏趯W(xué)知識(shí)或者由于傳遞信息錯(cuò)誤，只是由于術(shù)語(yǔ)不足。問(wèn)題是：不是所有的半空間都是均等的。當(dāng)然，人們可以爭(zhēng)論認(rèn)為有些半空間結(jié)構(gòu)比另一些更均等。

理解半空間載荷最清晰的途徑主要是虛擬圖像。同樣，混合效率、指向性以及聲壓疊加也會(huì)導(dǎo)致混淆。事實(shí)上，指向性和效率的改變很大程度上都是由于疊加導(dǎo)致的，而不是因?yàn)槠渌蛩亍?duì)空間載荷的直觀理解需要鏡像分析。

舉例說(shuō)明

讓我們從最簡(jiǎn)單的例子開(kāi)始：一個(gè)點(diǎn)聲源位于一個(gè)邊界的表面。圖1中的聲音向下傳播而不是向上反射，聲源擴(kuò)展部分跟鏡像擴(kuò)展部分完全相干，因?yàn)樗麄兲幱谕晃恢?。結(jié)果聲壓加倍，整個(gè)平面上的每一點(diǎn)都增加了6 dB。

為了讓該例子更復(fù)雜些，我們將點(diǎn)聲源往上稍微移動(dòng)一下，使其略微高于平面。緊接著會(huì)看到疊加部分就顯得不那么相干了。然而，點(diǎn)A處仍是相干疊加，其頻響比其他頻率高6 dB。而B(niǎo)點(diǎn)，頻響是隨著頻率的變化而變化——存在典型的梳狀濾波效應(yīng)，如圖3曲線。有趣且重要的是，改變聲源和傳聲器的位置后，產(chǎn)生的頻響仍保持一致。例如，不管是點(diǎn)聲源還是傳聲器放在界面上（或者兩者都有），結(jié)果是所有頻率的聲壓響應(yīng)都將會(huì)增加6 dB。這是聲學(xué)中對(duì)偶原理的一個(gè)例子。

從分析來(lái)看，上面這些例子非常有意思，但是多數(shù)揚(yáng)聲器并非點(diǎn)聲源。通常聲源的頻率與指向性相關(guān)時(shí)傳播特性將變得非常復(fù)雜，這一現(xiàn)象變得明顯時(shí)，聲源本身就是“半空間”。因此，不會(huì)載荷過(guò)多的聲波到環(huán)境邊界。

讓我們看一下指向性揚(yáng)聲器的鏡像示意圖。低頻輻射用黑色表示，高頻輻射用紅色表示。如果指向揚(yáng)聲器位于邊界上，平行輻射，那么，由于存在邊界，低頻和高頻在任何點(diǎn)上的聲壓都會(huì)增加一倍。

當(dāng)然，如果我們將揚(yáng)聲器指向遠(yuǎn)離邊界的一面進(jìn)行輻射，那么，高頻要么產(chǎn)生鏡像，要么反射，聲波輻射不到邊界“真實(shí)”的一邊。低頻聲壓加倍，而高頻聲壓因存在邊界而沒(méi)有改變。顯然，若界面跟聲波不接觸，那么，該邊界對(duì)聲音就不會(huì)產(chǎn)生影響。

邊界會(huì)影響頻響曲線的形狀，低頻電平增加，高頻卻保持不變。圖6的頻響曲線圖分別表示的是實(shí)際經(jīng)過(guò)測(cè)量的揚(yáng)聲器系統(tǒng)（15英寸，兩分頻，帶號(hào)角的揚(yáng)聲器），以及其鏡像圖。實(shí)際揚(yáng)聲器的頻響曲線用紅色表示，鏡像或者虛擬的頻響曲線用藍(lán)色表示，二者疊加則用綠色表示。

這個(gè)例子很有用，因?yàn)樗砻髁水?dāng)揚(yáng)聲器嵌入式安裝時(shí)“低頻會(huì)增加”。半空間載荷最普遍的方式是采用書(shū)架音箱或者墻壁安裝。這種情況下，向后傳播的低頻仍會(huì)向前反射回來(lái)，且與正面輻射相合成。然而，真實(shí)聲源和虛擬聲源不再處于同一位置。鏡像聲源的聲音經(jīng)延時(shí)后與實(shí)際聲源相應(yīng)，結(jié)果產(chǎn)生如圖7所示的梳妝濾波效應(yīng)。在這個(gè)例子中，該聲源位于離邊界38 cm（15英寸）遠(yuǎn)的位置，代表一只小音箱背朝墻輻射。正如看到的那樣，該揚(yáng)聲器跟墻壁的“耦合”出現(xiàn)一些復(fù)雜的分叉線，但僅僅只在低頻。

如果同樣的揚(yáng)聲器朝著與邊界平行的方向輻射（見(jiàn)圖4），或者放置在一只型號(hào)相同、輻射方向相同的揚(yáng)聲器旁，那么，所有頻率點(diǎn)軸向頻響將會(huì)增加6 dB。圖8的紅色與綠色曲線表明了這一點(diǎn)。當(dāng)然，軸以外的頻響出現(xiàn)梳狀濾波效應(yīng)（見(jiàn)圖3）。圖8中藍(lán)色曲線代表單只揚(yáng)聲器的頻響，偏移軸線90°；而紫色曲線是一對(duì)音箱的組合頻響，或者是一只揚(yáng)聲器加上它的反射聲。

低音擺放

半空間載荷話題往往出現(xiàn)在低音位置擺放的文章里。當(dāng)一只水平輻射的音箱安裝在一個(gè)水平界面上，所有頻率以及所有方向的反射聲都能與直達(dá)聲相干疊加（見(jiàn)圖3和圖8）。不管聽(tīng)音者站在哪個(gè)位置聽(tīng)，他聽(tīng)到的聲音信號(hào)會(huì)比無(wú)地板情況下聽(tīng)到的高6 dB。同樣，若聽(tīng)音者站在界面上，他聽(tīng)到的直達(dá)聲會(huì)比沒(méi)有地板的情況下聽(tīng)到的高6 dB——無(wú)論低音音箱安裝在哪里（見(jiàn)圖2，聽(tīng)音者站在“A”點(diǎn)位置）。

也就是說(shuō)，只要聽(tīng)音者站在地板上，不管低音放在地上還是懸掛安裝，在指定的距離內(nèi)聲壓是一樣的。這似乎跟大家熟知的事實(shí)相矛盾，那就是將低音放置在地上效能會(huì)增加3 dB。實(shí)際上，這并不矛盾。再看看圖2，無(wú)論聲源距離邊界多遠(yuǎn)，“A”處聲壓都是增加了6 dB；垂直于邊界的聲壓增加在+ 6 dB ～∞ dB之間變化。平均來(lái)說(shuō)（聲能），聲壓增加了3 dB。如果聲源處于邊界上，那么，各處的聲壓都將增加6 dB。所以，當(dāng)一個(gè)聲源離界面很近時(shí)，輻射功率凈增3 dB。

值得注意的是，將地上的揚(yáng)聲器提升起來(lái)，使其遠(yuǎn)離地板，這樣，就會(huì)產(chǎn)生額外功率。聽(tīng)音者的位置不會(huì)增加直達(dá)聲壓（假設(shè)他站在同一地板上），但是有更多的聲能會(huì)進(jìn)入房頂，最終與混響聲場(chǎng)結(jié)合在一起。故傳說(shuō)中的“耦合地板”實(shí)際上就是“使混響聲場(chǎng)不易產(chǎn)生”。

音箱在地面堆放的真正好處要與實(shí)際相結(jié)合，因?yàn)槁?tīng)音者的耳朵不是長(zhǎng)在地板上，而是距離地板四五英尺高。若將音箱提升至離聽(tīng)音者水平線45°的位置，地面反射產(chǎn)生第一個(gè)梳狀濾波陷波點(diǎn)大概在80 Hz的位置。如果提升角度為30°，那么，第一個(gè)梳狀濾波點(diǎn)就會(huì)移到113 Hz。如果低音放在地面上，輻射聲的傳播方向跟地面平行，而且不會(huì)產(chǎn)生地面反射。因此，就不會(huì)出現(xiàn)梳狀濾波效應(yīng)。

效率/載荷

另一個(gè)聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)就是認(rèn)為互耦會(huì)改變聲源的基本特性，這點(diǎn)似乎與上面的分析相矛盾。存在界面或者一個(gè)同型號(hào)揚(yáng)聲器都會(huì)改變質(zhì)量載荷（紙盆前的空氣有效質(zhì)量），以及聲阻（紙盆運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空氣阻力）。效能增加意味著聲阻增加。

有些情況下，改變聲學(xué)負(fù)載會(huì)不會(huì)改變聲源的強(qiáng)度和頻響曲線的形狀（因?yàn)楣舱顸c(diǎn)會(huì)漂移）？那就意味著疊加不充分，或者要考慮由于互耦的原因改變了系統(tǒng)。

答案是：兩者都有可能。當(dāng)?shù)诙€(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)介入時(shí)，疊加的信號(hào)曲線就能預(yù)測(cè)出系統(tǒng)會(huì)怎樣變化。只驅(qū)動(dòng)一只聲源時(shí)，測(cè)量出其頻響。驅(qū)動(dòng)第二只聲源時(shí)，測(cè)量出其頻響。兩只聲源同時(shí)驅(qū)動(dòng)，再測(cè)量出其頻響。結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)兩只聲源同時(shí)驅(qū)動(dòng)測(cè)出的頻響跟兩只聲源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)疊加起來(lái)的頻響完全相同——只要三種情況下兩個(gè)聲源都存在。如果測(cè)量第一個(gè)聲源時(shí)第二個(gè)聲源不是實(shí)際存在，那么就違背了疊加條件，因?yàn)橄到y(tǒng)被改變了，而不僅僅只是驅(qū)動(dòng)信號(hào)。第一個(gè)聲源經(jīng)歷了兩種不同的聲學(xué)環(huán)境。

當(dāng)?shù)诙€(gè)聲源介入環(huán)境后，疊加并不會(huì)預(yù)測(cè)出整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)如何改變。第二個(gè)聲源在驅(qū)動(dòng)的情況下可能會(huì)影響第一個(gè)聲源的頻響：通過(guò)被動(dòng)吸收能量可能會(huì)降低聲壓（尤其在共振頻率點(diǎn)），或者將它重新置于靜止且不可壓縮的空氣中來(lái)增加聲壓（所謂的“節(jié)流”）。

實(shí)際上，這個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)很容易確定耦合是否能改變一個(gè)聲源的基本特征，只要加入第二個(gè)相同的聲源，但不打開(kāi)其電源。若第一個(gè)聲源與第二個(gè)聲源耦合后其基本特征改變了，那么，測(cè)量出的頻響會(huì)有明顯的改變。這種技術(shù)可以從聲源合成中分別評(píng)價(jià)聲載荷。

直接輻射式揚(yáng)聲器的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量普遍比較大，這與空氣產(chǎn)生的有效質(zhì)量有關(guān)。因此，存在一個(gè)邊界或者其他音箱時(shí)，對(duì)紙盆振動(dòng)的影響微乎其微。而對(duì)于大多數(shù)場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，只需考慮疊加，可以忽略聲負(fù)載。

當(dāng)?shù)皖l號(hào)角音箱的號(hào)角出口口徑尺寸很小時(shí)，其超低頻部分沒(méi)有什么聲負(fù)載，因?yàn)闀?huì)有很強(qiáng)的氣流反射從號(hào)角開(kāi)口返回。增加低音音箱或者將它們放在一個(gè)或者多個(gè)邊界旁邊會(huì)增加號(hào)角產(chǎn)生的聲載荷，減少反射聲的能量。因此，多個(gè)低音單元同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)，低頻時(shí)頻響曲線變化非常明顯。

結(jié)論

半空間邊界對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)頻響的影響取決于它是否與輻射主軸平行（像地板或側(cè)墻）或者垂直于輻射主軸（像書(shū)架揚(yáng)聲器系統(tǒng)后面的墻）。跟軸平衡的邊界在所有頻率點(diǎn)都會(huì)增加6 dB的軸向響應(yīng)，而垂直邊界則會(huì)增加6 dB的超低頻響應(yīng)，但高頻頻響一點(diǎn)也不增加。這兩種情況中，遠(yuǎn)離邊界都會(huì)導(dǎo)致頻響在垂直于邊界的方向出現(xiàn)梳狀濾波現(xiàn)象。

當(dāng)半空間里低頻驅(qū)動(dòng)器的頻響被確定時(shí)，你可以假設(shè)存在一個(gè)與軸線平行的界面（地面），該邊界的頻響曲線與消聲室中無(wú)回聲環(huán)境下測(cè)得的頻響幾乎一致，只是聲級(jí)高了6 dB。若直接輻射式低音音箱置于自由場(chǎng)中而并非靠近邊界，那么，其頻響曲線就不會(huì)有明顯的改變——除非設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)于載荷條件非常敏感。

若錄音棚監(jiān)聽(tīng)音箱有一個(gè)“半空間載荷”功能的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)采用的是一個(gè)低頻濾波器，那么，可以斷定每當(dāng)揚(yáng)聲器靠近垂直于邊界的軸線時(shí)，這個(gè)開(kāi)關(guān)都應(yīng)該打開(kāi)。

（本文編譯自Fulcrum Acoustic公司網(wǎng)站《Comments On Half Space 》一文編譯）