場館聲學基礎
佚名 于 2005.09.15 10:32:53 | 源自:未明 | 版權:轉載 | 平均/總評分:10.00/10

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要健身和開展各項體育活動,就需要建造體育場館。近年所建造的體育館通常超越了體育活動和競賽場地原有的功能使之有很大的擴展。在體育館內不僅進行各種會議、報告,而且開展大型文娛活動,包括綜藝晚會、大型演唱會、雜技、馬戲、時裝表演,甚至演奏交響樂。這些活動對于體育場館來說已經不是偶然或額外的業務,已成為它提高社會效益和經濟效益的經常性手段。因此,目前的體育館實質上是道地的多功能大廳,所以在聲學設計上有較高的要求。由于體育館的容量大,混響時間長,平均自由程遠遠超出一般會堂而容易引起各種音質缺陷,而可以用作吸聲處理的部位和面積極為有限,從而增加了聲學設計的難度。
在體育館內采用自然聲演出,僅限于在小型體育館內進行交響樂和鋼管樂演奏,機會甚少,因此在聲學設計中僅考慮用擴聲系統的演出方式。但優質的擴聲效果必須通過合理的建聲設計才能得以實現,兩者是相輔相成的。只有相互密切配合,才有可能用最低的投資獲得良好的音質和藝術效果。
對于單項運動的體育館(或稱專用館),如游泳館、跳水館、溜冰館(人工和自然冰)、網球館、田徑館和室內射擊場等,多功能使用的可能性極少,音質要求不高,主要是控制噪聲和音質缺陷,使其具有必要的語言清晰度即可。
體育館的聲學設計與其類別、規模(容量、容積)和使用功能有關。因此,在聲學設計的初步階段就應確定其功能,根據設計規范和建設要求選擇合理的聲學設計指標,然后展開工作。
隨著文化事業的蓬勃發展和人們文娛生活的內容日益豐富,聲頻工程的數量迅猛增加,質量大幅度提高,從事聲頻工程的人員也越來越多。但是在聲頻工程設計領域內,一些人仍然對聲學概念認識不清、界線模糊。這種現象對提高聲頻工程質量極為不利。本文想通過簡單的描述,指出其中的問題,澄清一些概念,拋磚引玉,希望能引起大家的重視,進而作更深入的討論,以利于提高聲頻工程設計的整體水準,提高工程設計的質量。

一、功率放大器的儲備功率與揚聲器標稱功率之間的關系

在聲頻工程中功率放大器的主要功能是放大訊號并提供負載(揚聲器系統)足夠的功率。功率放大器對音質的影響主要取決于輸入訊號能否在不失真的狀態下得到放大與傳輸,給負載以足夠大的功率。功率放大器放大和傳輸的節目訊號不同于簡諧訊號,是一個瞬時變化的復雜訊號。它具有很多尖峰,它們的能量不大,但是峰很尖、很高。這些尖峰對響度的貢獻很小,但對音質的影響卻很大。如果發生削波,則放大的聲音聽起來讓人感到發燥、發硬。如果只注意能量的傳輸(對應的量為響度),而不注意傳輸過程中波形的變化,那么,我們有可能聽到的聲音很響,但是不好聽。
根據多種樂器和不同劇種節目訊號的調查結果[1],大部分節目訊號的最大均方根功率(即節目訊號的峰——峰值在負載上的功率)與平均均方根功率(即節目訊號在負載上的平均功率)之比為3∼10,最高達12.7。如果功率放大器的額定功率對應于節目訊號的平均均方根功率,那么功率放大器的最大輸出功率應為其3∼10倍方能保證輸出訊號不出現削波。這就是為什么我們選用功率放大器的功率要比放大節目訊號的平均均方根功率大得多的緣由,這也是我們通常說的功率儲備。
我們在一些介紹聲頻工程設計的文章中常看到這樣的一些說法:“為了保證功放所配接的揚聲器系統的安全,要求功放的額定輸出功率與所配接的揚聲器系統的標稱功率相當”,“為了保證足夠的功率儲備,通常選用揚聲器功率的1.2∼2倍的功率放大器”等。這樣的提法是否表明該系統已經考慮了功率儲備或功率儲備已足夠了,不會出現削波現象了?事實上,功率放大器的功率與揚聲器的功率不是同一概念。
功率放大器的輸出功率一般是指一定失真限制條件上的正弦輸出功率。例如,廠家規定的總諧波失真為0.1%,當功放在額定負載上的輸出訊號達到該失真時的輸出電壓稱為最大輸出電壓,用這電壓來計算功率放大器的輸出功率,就是功率放大器標稱的輸出功率,這也可以理解為該功放的最大輸出功率。而揚聲器的標稱功率,廠家經常提供的是粉噪功率,它是指在揚聲器額定頻率范圍內,饋給以規定的模擬節目訊號,連續工作100小時而不產生熱和機械損壞的功率。顯然,這兩個功率是從完全不同的角度作出的規定和測試的,兩者是不可比的。如果廠家能提供揚聲器的正弦功率(指用正弦訊號作為測試訊號時饋給的功率),則兩者有可比性,然而,廠家一般不提供這一數據。那么,對揚聲器而言,揚聲器的粉噪功率與正弦功率是否有一定的對應關系呢?正確的答案是——沒有!揚聲器的粉噪功率和正弦功率對于不同結構、不同材料和不同規格的揚聲器完全不同,后者還與頻率有關。因此,我們可以說在聲頻工程中用功率放大器的功率與揚聲器標稱功率作比較以表征其功率儲備的方法是不可取的
在擴聲系統中聲場的不均勻度是一個很受關注的指標。現代聲系統中的揚聲器系統的幅頻響應和相頻響應已經能做到很高的水準,特別是有源喇叭在實驗室里經過精心的調試已相當完美。但是,一放到廳堂中聲場依然起伏,其主要的原因是聲波的干涉。廳堂中聲干涉主要有兩類:不同聲源之間的干涉和同一聲源的直達聲與反射聲之間的干涉。本文將從基本原理出發,介紹和分析聲波的干涉現象。希望能對了解和改善聲場的起伏有所幫助。

二、聲波的表達

為了形象地說明波的產生,我們用繩子中傳播的波作為例子。假如有一根很長的一端固定并被拉直的繩子,在x=0處有一振動源上下抖動,由于繩子的彈性和質點運動的慣性,使得這振動在平直的繩子中產生擾動,這擾動在繩子中的傳播就產生了波。如圖1所示。很顯然,這擾動在繩子中傳播需要時間,設這傳播的速度為v。如果x=0處振動為y=Acost,則在x軸上任一點r處的擾動,應該比x=0處的擾動滯后,滯后時間為t’=r/v。所以在r處的振動大小應為(忽略初始相位).....

  • 三、擴聲、混響與音質的關系

    混響是指室內的聲源發聲停止后,在室內的聲音經過多次反射或散射而延續的現象。它反映了室內聲能的衰變,這衰變與室內的吸聲,反射和散射等有關。100多年前,美國物理學教授W.C.賽賓首先提出了用聲能衰減60dB所需時間,即混響時間來衡量廳堂的音質,并提供了計算室內混響的經驗公式。經過后來的科學家研究,從擴散聲場中聲能密度隨時間的衰減出發,在理論上推導出混響時間的表達式,發現賽賓提出的公式正是平均吸聲系數?<0.2時理論公式的近似。從而,使我們對賽賓公式有了進一步的認識。盡管100多年來,科學工作者提出了很多影響廳堂音質的聲學參量,但是,至今混響時間仍然是廳堂聲學設計中惟一能定量計算的參量,也是一個公認的最成熟的廳堂音質的評價量。它是建筑聲學的一個重要的物理量,它反映了室內聲能隨時間的衰減,以及不同頻率的聲能的衰減特性。盡管一個廳堂內不同位置測得的混響時間可能有差異,可是世界著名的音樂廳內的混響時間的空間標準偏差都很小,幾乎不大于0.1s。在不同位置的混響時間幾乎差不多,說明廳堂內的聲場很均勻。所以混響時間是一個很好的廳堂聲學設計的評價量,它應該與測量用的聲源無關,這在有關標準中有明確的規定。然而,隨著時代的發展、廳堂的擴大、觀眾人數的增多和電子技術的進步,廳堂內不可避免的需要用擴聲系統。擴聲與混響有什么關系呢?它對音質有沒有影響?這正是我們要討論的問題。
    首先,擴聲系統主要的功能是放大從聲訊號轉變來的電訊號或重放已錄制的節目訊號,把電訊號通過揚聲器轉變成聲訊號輻射出去,所以它沒有混響時間,但是,并不是說它與混響無關。我們都有這樣的經驗,在一個混響時間很長的房間內交談,如果兩人的距離較遠,大聲講話反而聽不清楚,兩人靠近,講話輕一點就可能聽懂,這是因為兩人靠近,直達聲加強了,盡管房間的混響沒有變。這說明在混響很長的地方可以通過增加直達聲來提高語言的可懂度。有一個例子,在西歐的教堂中莊嚴、肅穆,牧師講經聲音洪亮,往往由于教堂內吸聲不足,而混響時間很長,在大教堂的后座聽不清楚。電聲工作者在教堂內柱子的側面安裝了由小揚聲器組成的聲柱,朝向聽眾,起到了很好的效果(筆者曾親身聆聽過)。從聲學角度看,采用小聲柱增加了揚聲器系統的指向性,改善了覆蓋區域,增強了直達聲。從傳輸頻率范圍看,采用小揚聲器輻射的頻率范圍比較窄,沒有低頻輻射,不會激發低頻混響,但是對于語言傳輸已經滿足了要求。從輻射功率來看,小揚聲器的輻射功率比較小,很快衰減不足以激發室內的混響。揚長避短,克服了長混響對語言的干擾。
    在廳堂內增加直達聲的強度可以減小廳內混響的影響。從聲源發出的聲音到達聽眾席的聲能由兩部分組成,一部分是直達聲能,一部分是混響聲能,它們的衰減特性(見圖1)。

  • 在混響聲能為主的區域,當聲源停止發聲,則聲能按照曲線AB衰減,衰減60dB所需的時間即為廳堂內的混響時間。在直達聲為主的區域,當聲源停止發聲時,直達聲能迅速降低,然后,以剩下的混響聲能按同樣的衰變率下降,如曲線CD。根據入耳的積分效應,在直達聲為主的區域,感覺到的混響效果應滿足△OEM和△ODC面積相等的條件。假設OB為衰減60dB所需的時間T60,則OE稱為有效混響時間。顯然,OE < OB,直達聲為主的區域內的有效混響時間一般比廳堂內的T60要短。但是,主觀感覺上的差異還是有一定條件的,我們可以從理論上推導出:
    Teff=T60·(1- lg )(1)式中,
    R為聲能比,
    R=混響聲能密度/直達聲能密度;
    T60為廳堂內的混響時間;
    Teff為主觀感覺的有效混響時間。

  • 圖2為TTeff/T60與聲能比R的關系曲線。聽眾感到的有效混響時間僅在R<1的區域才與T60有比較明顯的差別,當R>1時有效混響時間的變化只有10%,實踐證明人耳是不能覺察到的。要求降低R值,必須增加直達聲能和降低混響聲能,前者可以通過加強揚聲器系統的指向性Q值來達到,后者則必須通過增加廳堂內的吸聲處理方能減小混響聲能的密度。
    廳堂內直達聲的覆蓋直接影響到聲源的有效作用距離。在室內,靠近聲源的區域以直達聲為主,隨著離開聲源的距離增加,直達聲能減小,混響聲能增加,當混響聲能等于直達聲能處離開聲源的距離稱為臨界距離。它與廳堂聲學參量,以及揚聲器的指向性的關系如下:
    式中,V為室內容積;Q為聲源的指向性因子;T60廳室內混響時間。

    在室內為了保證語言傳輸的清晰度,一般選擇揚聲器系統的最大作用距離rmax=(2∼3)Dc作為聲源的有效作用距離。從(2)式中可以看出在混響時間和容積一定的廳堂內,增強揚聲器系統的Q值,有利于擴大直達聲的覆蓋區和增加臨界距離,提高聲源的有效作用范圍。
    如果廳堂的混響時間比較短,例如,多功能廳的聲學設計,為了適應廳內各種活動的需要,一般將混響時間設計得都比較短。在這種情況,我們可以通過訊號處理的方法,增加被傳輸訊號的混響時間來改善音質,避免因廳堂的混響時間太短而引起的聲音發干和單薄的感覺。
    當擴聲系統重放節目訊號時,聽音人感受到的混響由二部分構成:一是因為錄制的環境或節目需要加進去的混響(假設混響時間為T1),由節目制作者選擇和調節的獲得最佳效果;另一部分是重放空間的混響時間(假設為T2)。聽音人感受到的混響時間為[4]:
    T60=(T13+T233)
    因此,只有T2比較短,以T1為主方可體現出節目本身的混響特色。所以,節目審聽室的混響時間一般都設計得比較短,以保證放音效果。
    最后要說明的是擴聲系統無法補償廳堂聲學設計中出現的聲缺陷。例如,廳堂內有相互平行的大棜情A如果在廳內發一脈沖聲,則在兩棜惜孜◎|明顯地聽到多次顫動回聲,如果廳內有凹形反射面,則在某一區域會形成聲聚焦,導致該區域聲音聽不清楚。這些聲學上的缺陷無法用擴聲系統來消除,只有用聲學的方法去補救。例如,在平面棜掉W加吸聲或掛大的畫面,破壞來回反射的條件或增加擴散體等。
    總之,在音樂廳和大劇院一類的廳堂中必須以建筑聲學設計為主,通過建筑設計保證在場內有合理的自然混響,良好的擴散、均勻的傳輸特性,是決定音質的先天條件,再加上高質量的電聲系統以彌補自然聲的不足,擴聲與混響兩者相輔相成,以自然聲為主,方能保證觀眾席有優良的音質。

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