科普 | 音響基礎知識（二）：聲波輻射特性與聲源定位

對於影音行業的從業人員來說，需要為消費者提供專業、系統的視聽解決方案，這就要求我們除了需要懂得音律以及聲音的基礎知識、各種樂器的聲學原理、聲樂和語音的基礎知識之外。在實際音響工程中還要掌握更多的技能，如雜訊的評價和基本控制方法、室內聲學的基本原理、基本的主觀音質評價術語和科學的主觀音質評價方法等等。

同時，不少影音愛好者及發燒友也同樣希望能夠了解此類內容。因此，「影音新生活」開設特別專題，綜合全面地介紹音響學基礎知識，幫助大家更方便地了解聲學及音響技術。

▌ 聲波輻射特性

聲波由聲源向四周傳播，稱為聲輻射。在我們的印象中，習慣地認為，聲音傳播時前後左右上下的音強度（音量）是相等的。其實不然。因為物體振動時通常不是整體均衡振動，而是局部振動，物體充分振動的一面亦即振幅最大的一面，它所輻射的聲波也最強。因此，在一個普通的聲場環境中，有些位置我們聽到的聲音就響些，有些位置聽起來聲音就弱些。

點聲源的球面波輻射

這就是說，同一個聲源，在同樣距離的不同方位上，聲輻射時存在著音量強度的差別。簡言之，聲輻射具有方向性。聲波在輻射過程中，能量隨傳播距離而減弱，對於一個合成波來說，隨著傳播距離的增大，音色亦會發生變化。這是因為各個諧波的頻率不同、振幅不同，在傳播介質中受到的阻力不同，衰減的係數不同，一些頻率高振幅小的諧波在輻射過程中消失了，構成音色的泛音成分發生變化。

因此，聲音傳得越遠，光澤就越小。雷電就是一個例子：近處的雷聲響而脆，遠方的雷聲悶而沉。如前所述，20kHz以上的頻率稱為超聲。由於超聲波的波長很短，形成其福射的直線傳播有方向性、遇障礙反射等物理屬性。實際上超聲波的這些屬性並不限於20kHz以上的頻率，聲頻中從5kHz開始逐漸形成超聲屬性。

也就是說，超聲波的直線傳播、有方向性、遇障礙反射等特性在人耳的聽覺範圍之內也是經常遇到的。例如，鋼琴上的C2音基頻為493.88Hz，其上方第十三泛音為6914.32Hz，十五泛音為7902Hz，這些音的轄射都具有超聲特性。由此可見，凡複合波的基頻倘若超過500Hz，其高次諧波均帶有超聲屬性。聲場中，由聲源直抵人耳的聲輻射（直達聲），是聽覺器官感受聲音的強弱、音高、音色和方位的主要信號依據。

（一）衍射

聲波在傳播時，如果被一個近於或小于波長的物體阻擋，就繞過這個物體繼續前進；如果通過一個近於或小于波長的孔，則以孔為中心，形成環形波向前傳播，這種現象叫衍射，又稱繞射。

雙縫衍射示意圖

通過障礙和孔洞傳播的衍射聲，造成能量的損失，所以衍射聲比直達聲音量要弱，同時因為諧波響度的減弱，造成音色變化。所以通過門縫聽人講話，往往聽不清楚講話內容，而且不容易辨認出講話人是誰。衍射聲還影響聽覺器官對原聲源的方位感覺，造成了 「匙孔效應」。但就雙耳效應來說，衍射又幫助人耳去辨認聲源方位。

（二）匙孔效應

所謂匙孔效應，是指聲波通過孔洞之後形成的衍射聲音響效果。因為衍射過程中，聲波失去了原先的輔射方向，聽音者無法辨認原聲場點聲源或陣聲源的具體方位，而將孔洞視為聲源。因此，無論原先聲場陣聲源布局如何複雜，匙孔效果仍給聽音者以點聲源的感覺。匙孔效應是單聲道平面音像的理論依據。

（三）反射聲、回聲、混響

聲波在傳播過程中遇到障礙物時折返的現象稱為反射。反射聲的能量損失多少要視障礙物的結構情況來定。總的說，障礙材料越是吸音，反射聲的能量損失就越大。當反射聲同直達聲（原發聲）傳到人耳的時間差超過1/20秒時，人耳就明顯地產生回聲感。

回聲是人耳辨認聲場寬度和深度的重要依據。但是回聲又會妨礙聽音，成為劇院和大廳建築需要注意的問題。當反射聲同直達聲的時間差小於1/20秒時，稱為有用反射聲。有用反射聲不僅不影響聽音，而旦會豐滿和加強直達聲。原發聲同許多個不同方向不同時差的有用反射聲交混在一起時，形成混響。

混響聲由最大值衰減至低於60dB所需的時間，稱作混響時間。各個頻段的混響時間是劇場與音樂廳的重要聲學參數。

▌ 聲源定位

聲源方位是聲音的重要屬性。對於人的聽覺器官來說，聲源方位是產生立體聲像的主要依據。

廣義地說，一個有聲音存在的地方，就是一個立體聲場。因為人耳只要聽到聲音，就必然注意到聲音的來源，就必然產生具體的聲源方位感。從這點說，聲源方位屬於生理和心理概念。然而人耳的聲源方位感的依據是客觀的物理定量。它主要表現為振動體所處的聲場位置和聽者正前方中軸線之間的關係。

（一）點聲源、陣聲源和移動聲源

在聲場中，只有一件物體在發聲（如一把小提琴在演奏、一個人在講話、一個揚聲器在放聲等），這種情況，稱為點聲源。

在聲場中，如果有多個點聲源同時發聲（如一個樂隊在演奏，許多個人在不同位置上講話等），這種情況，稱為陣聲源。

聲場中，物體在移動中發聲（如行馳著的汽車、飛機、火車等），這種情況，稱為移動聲源。

（二）廣場聲學屬性

廣場聲學屬性是指點聲源、陣聲源或移動聲源處於廣闊的、無阻攔的聲場環境。這時，聲波向四面八方福射，一般地極少產生衍射、反射或混響。因此，聲音處於原始階段，音色、音量未被加工，而且聲輻射按常規衰減參數進行。在這樣的聲場環境中，人耳主要憑籍平面的直達聲來產生聲源方位感。因為缺少從上方和後方來的反射聲和混響聲，所以在通常情況下，聲像不能形成環繞聲效應。

（三）音樂廳聲學屬性

當點聲源、陣聲源在一個大廳中發聲時，因大廳的空間結構及吸音材料等因素，使聲音信號構成一組相當複雜的傳播系列。這個傳播系列稱為音樂廳聲學屬性。

樂隊在音樂廳演奏，到達聽眾席的聲音由下列信號組成：

（1）直達聲，這是各樂器直達聽眾席的原發聲。隨著舞台與聽眾席的距離不同，聲波滯後時間（即由發聲體傳輸到聽眾席的時間）亦不同，這個延時平均在40?50ms左右。直達聲是聲場中最主要的聲信號。

（2）近次反射聲，是指由舞台前斜頂和舞台兩側牆反射到聽眾席的聲音。由於聲音經過反射才到達聽眾席，其延時量（比直達聲遲到）約在20?50ms之間，故稱近次反射聲，。它對直達聲起加重加寬作用。所以又稱有用反射聲。

（3）混響聲，由聲場牆壁、斜頂、頂棚等對聲波形成多次反射及共振形成。理想的音樂廳浪響時值為1.8s——2.2s之間。混響聲對直達聲起潤色作用，使直達聲的能量損耗得到一定補償，對聽音的真實感也起一定作用。然而當混響聲超過2.2s的時候，直達聲的清晰程度將受影響，聲音變成混淆一片。

各用途廳堂的最佳混響時間

音樂廳聲學屬性是建立在生理學，美學和心理學基礎上的聲學原則，是立體聲技術的主要依據。

未完待續……

小結：掌握聲音聲波輻射特性與聲源定位，能夠更好地幫助我們去了解音響產品、室內建築的聲學特性，有利於打造優秀的視聽環境。

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