声学原理及音响技术大全

(1)声学历史

  1915年，有一个美国人名叫 E.S.Pridham将一个当时的电话收听器套在一个播放唱片音响的号角上，而声音可以给一群在旧金山市庆祝圣诞的群众听时，电声学就诞生了。

      当第一次世界大战结束之后，在美国哈定总统(Harding)就职典礼上，美国贝尔公司把电话的动圈收听器连接在当时的唱片唱机的号角上，就能够把声音传给观看总统就职典礼的一大群群众，因此就产生了很多专业的音响研究及开发了扩声工程这门学问。
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   著名科学家英国的卡尔文勋爵常常说：“当你度量你所述的事物，而能用数字来表达它，你对这事物已有些知识。但如果你不能用数字来表达它，那么你的知识仍然是简陋的和不完满的;对任何事物而言，这可能是知识的始源，但你的意念还未达到科学的境界。”
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5 q9 A! Y7 `; `, x  \   (2)录音室音响与现场音响的区别

& F& g- `+ l( y5 C9 f8 J    现场音响跟录音室音响的要求是不同的，所以有很多器材也是不同的。


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) ]( J0 _' P7 [6 X/ P) ?! o    例如在录音室内所用的调音台，它们的每路输入都有多个参数均衡，让录音师可以把每路输入的音源尽量做最精密地微调，务求达到最好的音源效果。一个用来做现场音响的调音台，通常在它的每路输入，均衡都是比较简单的。因为很多时候，现场调音师根本就没有很多时间把每路的音源做很仔细地微调，而在现场音响的调音台每路的音量控制推杆，它们除了可以把音量做衰减外，也可以增益10—14 dB。如果做录音室用的调音台，这推杆很多时候是不需要做增益的，所以这推杆的英文名称就是fader，意思就是衰减器。用在现场音响的大功率功放，它们都会有风扇作为散热用途，因为现场音响的功放是常常在最大功率输出的情况下工作，并且有很多时候是在户外做现场音响时，周围的温度可能相当高。如果在录音室内，通常都一定会有空调，温度当然不会太高，而录音室内的功放，主要是用来推监听音箱用的，当然不需要输出很大的功率，所以功放只需要用普通的散热器，就可以把很小的热量散走。如果功放装有风扇的话，风扇发出来的声音反而造成噪音，所以在录音室内的功放基本上是不需要风扇的。

   现场音响所用的音箱，为着要把很大的声压传播绘在远距离的观众，所以它们是需要很高效率扩声，但在录音室内所用的监听音箱，是录音师用来监听声源或录音的最后结果，录音师是坐在距监听音箱很近的地方来监听，所以监听音箱是一种近音场的音箱，需要高灵敏度，跟现场音响音箱是完全不同的。
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' c7 j/ w% b1 k; R4 r  (3)音频与波长的关系
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/ {: Z" T5 @" U$ y- |   很多现场调音师都没有理会到音频与波长的关系，其实这是很重要的：音频及波长与声音的速度是有直接的关系。在海拔空气压力下，21摄氏温度时，声音速度为344m/s，而国内的调音师，他们常用的声音速度是34Om/s，这个是在15摄氏度的温度时声音的速度，但大家最主要记得就是声音的速度会随着空气温度及空气压力而改变的，温度越低，空气里的分子密度就会增高，所以声音的速度就会下降，而如果在高海拔的地方做现场音响，因为空气压力减少，空气内的分子变得稀少，声音速度就会增加。音频及波长与声音的关系是：波长=声音速度/频率; λ=v/f，如果假定音速是344 m/s时，100Hz的音频的波长就是3.44 m，1000hz(即lkHz)的波长就是34.4cm，而一个20kHz的音频波长为1.7cm。


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3 L. D5 d( P  l   (4)音箱的高、中、低频率

         我们怎样计算这音箱的高、中、低频率呢?
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, ~+ M& Q' A* V" b; D* a         首先我们要计算这音箱面板的对角长度，是2的方根=1.414m，任何频率的l/4波长是超过1.414m时，对这音箱来说它就是低频;如果一个频率的 l/4波长是1.414m时，波长就是4×1.414m=5.656m，这频率=344m/s÷5.656m=60.8/s=60.8Hz，所以任何音频低于60.8Hz时，对这音箱来说就是它的低频率。当60.8Hz或更低的频率从这音箱传播出来时，它们的扩散形象是球型的，等于如果我们把这音箱悬挂在一个房间中间时，这些频率的音量在音箱的前后左右及上下所发出来的声压都是差不多的，放出来的声音变成没有方向性。当某频率的l/4波长是小于音箱面板的对角长度，但这波长又大于扬声器的半径时，这段频率就是这音箱的中频率。例如我们现在是用一个18寸单元，这单元的半径为9寸，就是22.86cm=0.2286m,这个音频为

% ?7 F! [2 k4 ~4 m344m/s÷0.2286m=1505Hz,从60.8Hz-1505HZ频就是这音箱的中频率。中频率从这音箱所扩散出来的形状是半球形的，即如果我们把这段频率从刚才悬挂在房间中心的音箱放出来时，声音从音箱面板扩散出来的形状是半球形。在音箱后面是听不到这段频率的声音。
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         1505Hz及更高的频率，对这音箱来说就是它的高频率。高频率从音箱扩散出来的声音形状是锥形的，频率越高，锥的形状越窄。通常如果频率超过开始高音频的4倍时，声音扩散出来的形状会慢慢变成一条直线而不扩散，如果不是坐在对正单元的位置，就听不到这些高频率。所以很多高频率单元如果是纸盆型的话，这纸盆的直径是很小的，把这音箱的高频下限尽量提高，希望能够使高频扩散的宽度增加。

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   (5)各类不同的音场

        当一个纸盆扬声器接受了从功放传过来的信号后，纸盆就会作出前后的摇动，当纸盆向前推进时，纸盆撞击到它前面的空气分子，在纸盆前面的空气就会增加压力，这些分子就会继续向前推进，碰撞它们前面的空气分子，造成轻微的高气压。当纸盆向后退时，纸盆前面的空气分子就会产生轻微的真空，然后这些分子会跟着纸盆的后退，造成这里的空气有轻微的压力减少。
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$ X" b& P6 H& B7 S3 i         　但在纸盆前面的空气是刚刚被纸盆的动作摇动，不能达到空气本身的弹力，这时我们便要看这频率的波长，声音是要直到离开纸盆的距离有2.5倍波长时，这些空气才发挥出造成声音的弹力。例如一个100Hz的频率，它的波长是3.44米，所以声音要离开纸盆2.5×3.44米=8.6米之外，才是真正的这个100Hz的声音。如果用100Hz来算，离开纸盆的距离还没达到8.6米就为100Hz的近音场，而超过8.6米才是100Hz的远音场。当说到扬声器的远近音场时，最主要是注意到频率及它的波长，而不是单纯看离开音箱多远就是等于远或近音场，最主要就是记得我们当欣赏音乐时，是要在远音场的位置，而不是在近音场的位置。
4 c, v: f* I& [+ \- X           (6)直接音场、反射音场、不直接音场
. Z* F  p; n7 I( A, V. ~* g# I           当扬声器在一个房间内发出声音，听众可以听到直接从扬声器传过来的声音，这就是直接音场，但也可以听到从墙、天花板及地板所反射过来的声音，这就叫做反射音场。听众听到越多的直接音场的声音，反射音场的声音就越小时，这声音就越好，因为直接音场的声音是可以控制的，但反射音场的声音是不能控制的，只会把直接音场发出来的声音加上渲染，把原本声音的清晰度底减低，所以坐得离音箱比较近的听众就会感觉到好一点的音响效果，而坐在后面的听众很可能是他们听到的反射音场声音比直接音场声音更大，音响效果便会比较差及清晰度降低。

   (7)界面干扰
/ r7 |- s7 R. |7 W- o# V        当我们选择放置音箱的位置时，很重要的一环是要注意到音箱所发出来的声音是会受到它旁边的界面影响而造成干扰。例如放在台口两旁的主音箱，它们的低音纸盆离开地面及旁边的墙壁如果是大约在1米的时候，一个4米波长的音频就会受到这两个界面的干扰。一个4米波长的频率是
86Hz(344m/s ÷ 4m= 86Hz)，当86HZ的声音从音箱放出来时，大的空气压力在1/4周内刚巧碰到地面及墙壁，再过l/4周就反射回到音箱的纸盆面前，但这个时候刚巧纸盆要后退，原来从地面及墙壁反射过来的大空气压力就会被纸盆后退的动作抵消很多，造成失去了很重要的低音。如果遇到这个情况，就应该把音箱向台后退0.5-1米，让音箱所发出来的声音不能直接射到地面上，而如果可以把音箱移到靠近两边的墙壁时，更可利用墙壁的反射制做出更大的音量。80-100Hz这段频率是很重要的，它是我们肺部空间的共鸣点，也是低音鼓的共鸣频率，如果是因为不了解界面干扰而摆错了音箱放置的位置，实在是很不值得的。
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(8)高、低音效果

  我们很难指定某一频率以上为高音或某频率以下为低音，我们常常说人的听觉是从20Hh-20KHz，但20kHz的频率是很少人能够听到的，通常只有20岁以下的青年人，他们的耳朵没有受到任何的损坏时才可以听得到。如果做听觉测验，最高的测听频率只是8 kHz。当声音传出去时，高频率是比低频率衰减快得多，如果用1kHz跟10kHz做比较时，当声音跑了100米后，10kHz的『频率比起IkHz的音量会衰减30-35dB的。比起低频率，高频率声音是比较有方向性的。高频率的声音从单元跑了出来后，如果受到物体的阻挡，高音就不能再传过去，这个是跟低频率有很大的不同，因为高频率的波长是比较短，受到物体阻挡之后不会转弯，但低频率的波长是比较长，所以很多时候就算有物体在前面阻挡，低频率也可以转弯过去。例如有些专业音箱的设计是把一个高音号角放在它的低音单元前面，但对这个低音单元所发出来的低频率，它根本就看不到前面是有什么东西阻挡声音似的，所以低频率可以照样传过去。

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从我们的听觉上来说，我们是需要听到高频率的声音来辨别各类不同的声音，但如果单纯是讲人的谈话声时，我们只需要听到4kHz及以下的频率，就能马上辨别是什么人在说话。例如电话的声音传送，高频只达到4kHz，所以有时候当一个很久都没有和你谈话的人，当他打电话给你时，只要说：【喂】，你就马上便可以鉴别他是你很久都没有谈过话的朋友的声音。我们听高频也有方向性，即是我们能够辨别高频声音来源的方向。因为高频的声音传到我们两个耳朵时，已经有了很细微的时间差，所以它们来到耳朵的时候有不同的相位改变，我们就借着这改变了的相位可以鉴定声音的相位。