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声学原理

时间:2013-05-13 10:47点击:

(1)声学历史

     当森林中有一棵树倒塌下来时,发出一阵轰然大响声音,但是没有人在这个原始森林中,所以就听不到这声音。这算不算有声音发出来呢?声音是肯定发出来了,因为当树干及树枝接触地面时,它们都会产生某些声音,但是没有人听见,但这声音对于人类或其他动物所听到的是有所不同,所以这就是声学上所说的心理(Psychoacoustics)。

     在这里讲的声学原理,最主要是让一个调音员能够了解声学的各方面,而不是进行声学研究,或是硕士、博士的声学论文,所以在这讲的声学理论都是实际可以给在现场操作音响的人用得上的。

     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。音响研究人员不单纯是努力地把音响器材进行改进,也做了各类不同的实验来了解人类对听觉的反应。但最高级的音响研究人同都明白音响学是要整体的研究,要了解音响器材的每一个环节,及人类对听觉的生理反应,他们在过去多年内直至现在都作出了很大的贡献。早在1877年,英国的莱李爵士(Lord Raleigh)就已经做过声学的研究,他曾经说过:“所有不论直接或间接有关音响的问题,一定要用我们的耳朵来做决定,因为它是我们的听觉的器官,而耳朵的决定就应该算是最后决定,是不需要再接受上诉的。但这不是等于所有的音响研究都是单靠用耳朵来进行。当我们发现声音的根基是一个物理的现象时,我们探测这个音响境界就要转到另外一个领域范围,它就是物理学。重要的定率是可以从研究这方面而来,而我们的听觉感应也一定要接受这些定率。”我们可以从以上一段文字看到,就算在没有电声音响学产生的时候,老前辈科学家都认为这个是物理的领域。

     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。”卡尔文勋爵(1824—1907)是19世纪最出色的科学家之一,后世的科学家为了要纪念这位伟人,把绝对温度—273.16摄氏度命名为0度卡尔文度。

     戴维斯夫妇(Don& Carolyn Davis)是《音响系统工程》(Sound System Engineering)这本书的作者。这书被称为音响圣经,几乎是每一个外国研究音响的人必读之物。我引述他书内这一段:“具有数学和物理学的知识,是实质上了解音响工程学的必要条件。对这两种科学认识越深,越能使你跨越从感觉上所得到的意念,而达到用科学来引证事实。著名音响家占士摩亚曾经说过:‘在音响学中,任何在表面看来很明显的事情,通常都是错误的’。”

     在以上引述了几位科学家及音响学家的训言,主要是因为现在大部分做音响的人士,他们当然是对音响及音乐很有兴趣,但是以为光靠他们的听觉就可以鉴定什么是好或不好的音响,不明白这是一门专业的工程学问,是做不好音响的。远在19世纪的莱李爵士已经指出这是一个科学的境界,现代的音响工程学也像其它科学学术一样正在努力地发展,所以音响工程学是离不开数学及物理学的。

( 2)现场音晌与录音室音晌的分别

     在这里所讲解的现场音响地操作,它与录音技术是有很多不同的地方,有很多人以为音响的最高境界就是录音技术,这是不全面的。在录音技术上,基本是没有碰到反馈的情况,因为在一个录音室内进行操作时,所有的外围因数都可以得到控制,但是在现场音响重播时,我们是不可以避免有很多现场音响的问题,所以现场音响和录音音响是两种不同的学问。

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。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的,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,不需要高灵敏度,作用跟现场音响音箱是完全不同的。

( 3)音频与波长的关系

      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,而我接触国内的调音师,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34.4 cm,而一个20kHz的音频波长为1.7cm。

 


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