物理声学解析

风云雪雨松 · 发表于 2015-10-11 00:03:58

在开始之前，这里先引一个也许大家都熟悉的例子。在一个周末的聚会上，客人很多，很嘈杂，这时你和一位多年不见的朋友交谈，虽然聚会上人多而且喧闹，你们一样聊的很开心。但如果这时，用一个录音设备放在周围，把你朋友的话语录下来，等你回家回放的时候，你会发现，完全听不清你友人的言语，这又是为什么呢？其实又是一个老生常谈的问题，客观的声音世界与主观心理接受的区别和联系。客观声音是怎样形成和传播的，那又是怎样在人脑中重现的呢？今后的几期中，我们就为你做深入浅出的解密。这也是制作影视声音的基础。

声音的传播

大家可能都见过一块石子落入池塘里时，激起的一圈圈向外扩散的水波。其实声音传播的过程也和这个类似，只不过声音是声波在空气中传播。比如音叉的振动，当音叉被敲击的时候，音叉的齿反复震动，挤压空气就行成如图1的声波。当音叉的两个齿从音叉的中央位置向外运动时，它们对音叉外围的空气分子造成挤压；而当两个齿向内运动时，周围的空气就会变得非常稀疏。如此反复形成相对稳定的状态，这就呈现了音调。

在水塘中，离波动中心越远那么小石子引起的水波的波动的幅度就会越小。在声音的传播过程中也是一样的，当声音像水波一样在空间中逐渐传播开时，距离声源越远声音的能量就越小。这样的规律被称为"平方反比定律"。而我们在这里提到的声源其实被称做"点声源"（指的是无穷小，向四面八方传播没有方向性的声源），只是想把它做为一个小的模型，真实世界的情况要复杂的多。

当然声音的传播是要一个介质的，就象水波要在水中传播一样。相关的物理实验证明在外太空的真实环境里不存在传播的介质（这就是现在很多科幻题材的电影在涉及到茫茫宇宙的场景镜头时，总是寂静无声的）。在现实生活中，我们接触最多的当然是声音在空气以及固体中的传播。

声音的速度

声音的速度是常温下340米每秒，这是个大家都熟悉的定理。但是其在不同介质中传播速度是不同的，在密度大的介质里传播的就更快。因此声音在水中的传播速度就比在空气中要快，而在钢铁中就比在水中又快一些。这就是为什么很多人爬在铁轨上去听是否有火车邻近的原因。当然光的速度是要比声音快很多倍，这样以来，实际生活中的声音其实是和画面不同步的。但是在电影的世界里，我们已经习惯了一种定势，那就是声音与画面保持准确的同步，除非故事中有情节的特别需要。

这就是为什么电影院的观众席和屏幕之间有严格的距离要求，更甚至印制影片标准拷贝时所有拷贝的声音都被提前了一格，这样才可能保证在影院重放时观众观影的声画同步。

振幅、波长和频率

我们来看图，波峰到虚线之间的距离，也就是空气被挤压的压力，被称为振幅，也叫音量、响度、或者声强。当然在专业的声音录音制作领域，我们常叫它电平，这个词在以后的文章中我们还要多次接触。那么声音在大气压力作用下的相对变化就被称为声压，虽然由声压的挤压和释放引起的变化微不足道，但它很容易被传声器也就是麦克风所捕捉到。如下图所示：

风云雪雨松 · 发表于 2015-10-11 00:05:09

从一个波峰经过一个波谷之后再到另一个波峰的长度被称为波长(也就是图一中那条波浪线在经过一个峰和一个谷的长度)。它与振幅是互不相扰的。但是它与频率有很重要的联系。

声音的频率在声音制作领域是非常重要的一个定义，指的是每秒钟声波发生的次数。其单位是赫兹简写Hz。声音的频率和波长成反比关系，也就是频率=声速/波长。也就是说频率越高，那么声音的波长就越短，频率越低，那么波长就越长。从人耳的接收范围来看，主要的可听范围是20Hz-20KHz，这也是一个很有名的理论。当今的音频数字化也是借助了它，比如mp3就是利用这个范围来压缩节省数据空间。还有很多设备上也会标有响应频率的范围也是和这个有关，比如高档的监听耳机，就会标到20Hz-20KHz或者如15KHz-25KHz这样更大的范围（这会在以后的设备和心理声学方面的文章详细介绍），我们经常用的家用耳塞或者耳机也一般是在这个频率范围内，所以有的便宜的耳机声音就相对要狭窄的多，就是这个原因。而且，主要频率范围内的声音具有很强的感染力。低于20Hz的低频声音就是次声频率，一般在12Hz的频率加上非常高的振幅时，就会产生人们的恶心呕吐。但不用担心，这个是不可能在电影或者音乐中出现的。电影制作中的5.1声道中的.1就是低音通道，为了加重低音效果，比如地震时的声音，这些声音往往都会很低接近20Hz。

对称的来看，高于20KHz的声音就叫做超声波，其实有些年轻人可以听到高于20KHz的声音，但是普遍来说20KHz为一个人耳接受的上限。

声音辐射的模式以及声音在空气中的被吸收

一个发声物体，比如讲话或者乐器，它的声音不会只向一个方向集中发散。这就涉及到它向不同方向发散的指向性。从理论角度来讲，真正的"高保真"音乐的录制应该是这样：比如录小提琴，我们用很多个话筒对准它的所有可能指向的方向，然后用多轨的设备将它的声音录下来，最后，再用这么多个音箱放在不同方向去重放，如此能得到最接近原始声音的效果，但是这样以来，整个乐团有该怎么去录呢？自然，理论的方法是无法行的通的，所以有经验的录音工程师就会找到乐器或者演员的发声的主要指向性（指主要人耳感觉频率段的传播方向，以后的文章会讲到）然后用一只或者两只话筒去拾取声音，比如讲话者头部上方与水平线成45度角的位置上就是个很不错的拾音点，很多时候剧组的录音师都会选择这个位置（在不入镜头的情况下）。但当有时话筒朝向演员的嘴以下时，由于比较接近胸部，所以录下来的声音会多一些"隆隆"声和胸腔的共振，也就是低频相对突出了。

声音在空气中的传播不是持续不变的，空气还要吸收一部分的声音能量，所以声音发出之后随着距离的改变，会变的不一样。空气对声音的吸收主要集中在高频，这个大家都会有生活中的体会，夏天的雷雨天气，从远处传来的雷电声总是"浑浊"和"厚重"的，但越靠近雷电发生的地区，声音就会更多一些高音。这就是因为远处传来的雷电声的高频被空气吸收了。这点在制作影片的声音时，经常被用到，以模拟现实生活中的情况。比如电影《兄弟连》中，经常会有一段美国大兵的对白，伴随着从远处传来的低沉的轰隆隆的炮火声。做到这点也并不难，其实就是在后期制作的时候将炮火声音的素材在数字音频软件或者工作站中，切去了部分的高频。

到这里，我们已经讲解了声音的传播和声音频率波长等多方面的基础问题，希望大家能有所熟悉，看完文章后能对日常生活中的声音多一层了解，多一点分析。在下一篇文章中，我们将继续讲解声音的原理，包括声音的反射和衍射（关系到话筒的使用还有为立体声的音箱正确的摆放等原理）以及室内的声音传播，比如混响的具体解析（在学习之后会对混响有深入了解方便以后自己动手运用设备或者软件制作你心目中的声场环境效果）以及吸声设计的录音棚（现代影视和音乐录音中大量使用）等的具体原理。

如何在一个镜头出现的时候安排适合这个场景的声音环境，如何为一段音乐的演奏选择合适的空间。这些都是在制作声音的过程中要遇到的基本问题。那么如何去制作它们呢？经过这一篇讲解之后，大家将会从理论上理解这些问题，并掌握在制作过程中所需要的客观声音原理。

声音的反射

当一道光线从某个角度发射到平面镜上后会按照一定的规律反射出去，声音也是同样如此。如图一，当声音传播到一个光滑墙体表面时，发生了反射，入射角等于反射角，那么站在另一头的听音者就能听到反射来的声音。好象是从墙里有个发声体发出声音。如下图所示：

风云雪雨松 · 发表于 2015-10-11 00:06:00

这样，这种抛物面形的反射物将入射的声束沿着抛物线轴汇聚到其焦点上，这种抛物反射原理，已被应用在一类专业话筒上，这类话筒的功能就是能够拾取某一方向上的声音。当话筒的拾音部分被放在抛物面的焦点位置时，所有传入抛物面的声波都会聚集到话筒上，这样自然就加强了对某个方向声音的拾取，而且对高频很有效果。如下图所示：

在电影电视的录制中经常要用到这类话筒，例如电影《鸟迁徙》，这部电影以它优美的画面而闻名于众，但是它的声音制作也非常出色，那些翱翔在空中的白鹭还有它们停靠在树梢上发出的啼声，这一切的录音都要得益于这类话筒。另外还比如球赛转播，NBA的球赛转播是很优秀的，这其中运用了最主要的技术就是包括这类话筒，球员在场中的拍球声，双方球员的喊话身和急促的脚步声，都是用这类话筒进行收音的，而且由于高频突出会让人感觉到距离比较近，然后再结合其他话筒在场地中的拾取例如观众席的声音等，最后混合起来呈现出如灵其境的感觉。在这里，抛物面话筒提供的是近距离动作的声音效果，而其它话筒提供的则是环境背景声音。应该注意到，这种效果利用了"高频声音使观众感觉物体距离更近"的原理，这点是结合了上一篇中介绍的声音随着距离增大，高频被吸收掉的原理。

还有一个不得不提的概念就是声音的漫反射，就好比一面凹凸不平的毛玻璃，不可能反射出光线或者物象一样，表面凹凸不平构造的墙体也似的声波扩散开来，这点是很重要的声学结构，很多电影院，录音棚都采用这样的墙体表面设计，来减轻室内声音的反射，让观众更容易分辨出从扩声器方向传来的声音。

声音的衍射

生活中总是会有这样的现象，听到从角落里传来的声音，却看不到角落里被障碍物所挡住的物体。这就是因为声音的衍射。声波在房间的屋角流动时，类似于水平流动的水波遇到有缺口的挡水板时的情形。在缺口的另一边，声波又从缺口处发散开来。如图三。发生了衍射的区域，被称为"声学阴影区"，这个区域中的声音不像一般直接的、没有经过衍射的声音那样清晰可辨，但它却还是人耳听得到的。如下图所示：

风云雪雨松 · 发表于 2015-10-11 00:06:20

声音的衍射，特别是我们日常生活中的经验，对影视后期制作起了很大影响。电影中很多场景中，发生的事情只是用一段声音来表现，这也是最简单的画外音形式。这样以来，使得镜头的表现不那么死板，也让镜头背后的叙事更显高明。我们的视觉世界永远都只是眼前的一片天地，而耳朵却能为我们带来四面八方的信息，这个信息通过声音在人脑中形成空间的再塑造，也因此，环绕声系统诞生了。这样放送的声音将观众包围在里面。这也是基于衍射过程中视觉和听觉的差异而产生的。

多普勒效应

这种现象是1842年奥地利物理学家多普勒发现并论证的，他提出当发声体接近一个观测点时，人们会发现声波被发声体自身的速度"挤压"在了一起，当发声体向远处后退时，声波就会发散开来。当声波被"挤压"时，就会出现高频音被提升的现象，反过来声音发散时，就会有声音变低沉的感觉。为了客观证明这个论点，当年人们在一个火车站做了实验。让15个小号手站在火车上持续的吹一个相同的长音，当火车经过火车站时，站上的人们听到的音调比这个长音要高，而当火车驶离车站时，人们又听到了比真实声音低的音调。这个理论在当今的影视后期声音制作中被大量的运用，电影中古代武士射出的飞箭一瞬间从耳边穿梭而过，还有惊险题材影片中疾驰而过的汽车划过镜头给人巨大冲击力的效果都是利用了多普勒效应。而经过以后的相关软件学习之后，大家在家中的电脑上也能通过软件完成这一效果。比如制作以上提到的汽车疾驰而过的效果，就可以将一段汽车平稳行驶时的声音，经过软件音频工作站中的频率修改工具（后文将详细讲解，一般有滤波器和均衡器）进行不同时间对高频和低频的提升就可完成，而且能够制作出很多种汽车驶过的效果声音。

室内声学

这部分内容也是客观声音特性的最后一部分内容，当然也是应用最广泛的原理之一。

室内声学对于声音制作至关重要，前期录音的材料有时候要进行修改，甚至要后期补录，环境方面的信息就全靠这室内声学做为理论基础来实现。

大至的来说，室外开阔的地方被称为自由声场，因为在这样的场地中，发出的声音，就向远处传播而不会被什么障碍物反射回来，声音是自由传播开的。而在室内就远远不同了，墙壁对声音是有发射的，那么声音就会在一间房子里四面碰壁，所以在房间中听到的声音就和室外有本质的区别。下面我们就来详细介绍一下室内声学以及混响。

很多朋友也许都留意到了，日常生活中，每一类的房间都有它特定的环境信息，比如小的房间里听到的声音和在大教堂里听到的声音是不同的，它们各自有自己的身学特点。用专业词来说就是声场不同，混响类别不同。那么声音是怎样在室外传播的呢？

声音在房间内的传播可分为三部分：

1、直达声

2、前期发射声

3、混响声

在一个房间中，发声物发出声音，如果一个听音者在临界距离之内（解释见后文），最先听到的声音就是直达声，这是发声物发出的声音直接通过空气传播而来的。随后而来的声音就是前期发射声，前期发射声就是声音经过房间墙壁的反射然后传播到了听音者的耳朵里，这也是人耳对房间大小判断的重要信息。如果房间小，前期发射声就会紧跟着直达声使得声音会有一定的增强，如果房间大，那么前期发射声就会来的很迟，时间长了就会很明显，好象发声物体第二次发出同样的声音，就形成了回声，这就证明房间非常的空旷非常的大。注意分析的话，大家都能从生活中找到类似的经验。在这个发射的过程之后，房间内声场就会达到一种声能上的平衡。这就提出了临界距离的概念，当听音人离开发声物体一定距离，超过了这个临界线，那么传来的直达声就会很晚，而这时候，听音者主要听到的就是均匀的混响声，这个声音大家应该不陌生，做在音乐厅或者大礼堂的后排的观众听到的那种浑浊不清的声音就是混响声，因为在这个区域声音能量平衡了，听音者根本就分不清声音传来的方向。当发声体突然停止发声时，听音者这里的声音也经过一段时间才能停止，那么这个时间就是混响时间，经常听古典音乐cd的朋友对这个声音应该很熟悉，当乐队突然切分，停止演奏时，就会有一段时间混响声才能停下来，这也是对房间环境声场定义的一个重要信息。

在影视声音的后期制作中，混响器是被大量使用的，混响器中的主要参数也不外乎以上这三大类，通过这些参数的调节我们就能再造一个声音环境，而这一切都是通过以上理论重新虚拟出来的。这一点在以后的制作讲解中也会非常重要。最后要强调的一点是，混响声和回声是完全不同的两个声音。如果一个旅游者在大峡谷中呼喊，就会有"喂。。。。。。。。。。。。。。喂。。。。。。。。。。。。。。。。喂。。。。。。。。。。。。。"的一声声的回荡在山谷之间的声音，这就是回声，这个在后期制作中可以通过延迟器加工出来。而在大的厅堂中，发声者大喊一声，听到的则是个均匀的混响声这个声音是和回声很不同的。很多朋友都不能正确的分辨这两个定义。在这次的介绍之后希望能够有所了解。

写到这里，可以说主要的客观声音理论就已经介绍完了，这又为我们在后期中得心应手的制作声音奠定了坚实的基础。不过有句中国的古老名言"仁者心动"，在这里可是大有作为，人对声音的接受是大有主观因素在里面的。我们以上所介绍的只不过是客观世界中物理的声音特性。但是最终把声音录制合成后听众来听的，让观众把它当作真实的声音去接受就要考虑到人的主观心理因素。

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