音响基础知识（二）：声波辐射特性与声源定位

谷兴建 · 发表于 2010-3-21 21:35:43

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对于影音行业的从业人员来说，需要为消费者提供专业、系统的视听解决方案，这就要求我们除了需要懂得音律以及声音的基础知识、各种乐器的声学原理、声乐和语音的基础知识之外，在实际音响工程中还要掌握更多的技能，如噪声的评价和基本控制方法、室内声学的基本原理、基本的主观音质评价术语和科学的主观音质评价方法等等。

同时，不少影音爱好者及发烧友也同样希望能够了解此类内容。因此，“影音新生活”开设特别专题，综合全面地介绍音响学基础知识，帮助大家更方便地了解声学及音响技术。

▌ 声波辐射特性
声波由声源向四周传播，称为声辐射。在我们的印象中，习惯地认为，声音传播时前后左右上下的音强度（音量）是相等的。其实不然。因为物体振动时通常不是整体均衡振动，而是局部振动，物体充分振动的一面亦即振幅最大的一面，它所辐射的声波也最强。因此，在一个普通的声场环境中，有些位置我们听到的声音就响些，有些位置听起来声音就弱些。

点声源的球面波辐射

这就是说，同一个声源，在同样距离的不同方位上，声辐射时存在着音量强度的差别。简言之，声辐射具有方向性。声波在辐射过程中，能量随传播距离而减弱，对于一个合成波来说，随着传播距离的增大，音色亦会发生变化。这是因为各个谐波的频率不同、振幅不同，在传播介质中受到的阻力不同，衰减的系数不同，一些频率高振幅小的谐波在辐射过程中消失了，构成音色的泛音成分发生变化。

因此，声音传得越远，光泽就越小。雷电就是一个例子：近处的雷声响而脆，远方的雷声闷而沉。如前所述，20kHz以上的频率称为超声。由于超声波的波长很短，形成其福射的直线传播有方向性、遇障碍反射等物理属性。实际上超声波的这些属性并不限于20kHz以上的频率，声频中从5kHz开始逐渐形成超声属性。
也就是说，超声波的直线传播、有方向性、遇障碍反射等特性在人耳的听觉范围之内也是经常遇到的。例如，钢琴上的C2音基频为493.88Hz，其上方第十三泛音为6914.32Hz，十五泛音为7902Hz，这些音的辖射都具有超声特性。由此可见，凡复合波的基频倘若超过500Hz，其高次谐波均带有超声属性。声场中，由声源直抵人耳的声辐射（直达声），是听觉器官感受声音的强弱、音高、音色和方位的主要信号依据。

（一）衍射
声波在传播时，如果被一个近于或小于波长的物体阻挡，就绕过这个物体继续前进；如果通过一个近于或小于波长的孔，则以孔为中心，形成环形波向前传播，这种现象叫衍射，又称绕射。

双缝衍射示意图

通过障碍和孔洞传播的衍射声，造成能量的损失，所以衍射声比直达声音量要弱，同时因为谐波响度的减弱，造成音色变化。所以通过门缝听人讲话，往往听不清楚讲话内容，而且不容易辨认出讲话人是谁。衍射声还影响听觉器官对原声源的方位感觉，造成了 “匙孔效应”。但就双耳效应来说，衍射又帮助人耳去辨认声源方位。

（二）匙孔效应
所谓匙孔效应，是指声波通过孔洞之后形成的衍射声音响效果。因为衍射过程中，声波失去了原先的辅射方向，听音者无法辨认原声场点声源或阵声源的具体方位，而将孔洞视为声源。因此，无论原先声场阵声源布局如何复杂，匙孔效果仍给听音者以点声源的感觉。匙孔效应是单声道平面音像的理论依据。

（三）反射声、回声、混响
声波在传播过程中遇到障碍物时折返的现象称为反射。反射声的能量损失多少要视障碍物的结构情况来定。总的说，障碍材料越是吸音，反射声的能量损失就越大。当反射声同直达声（原发声）传到人耳的时间差超过1/20秒时，人耳就明显地产生回声感。

回声是人耳辨认声场宽度和深度的重要依据。但是回声又会妨碍听音，成为剧院和大厅建筑需要注意的问题。当反射声同直达声的时间差小于1/20秒时，称为有用反射声。有用反射声不仅不影响听音，而旦会丰满和加强直达声。原发声同许多个不同方向不同时差的有用反射声交混在一起时，形成混响。

混响声由最大值衰减至低于60dB所需的时间，称作混响时间。各个频段的混响时间是剧场与音乐厅的重要声学参数。

▌ 声源定位
声源方位是声音的重要属性。对于人的听觉器官来说，声源方位是产生立体声像的主要依据。
广义地说，一个有声音存在的地方，就是一个立体声场。因为人耳只要听到声音，就必然注意到声音的来源，就必然产生具体的声源方位感。从这点说，声源方位属于生理和心理概念。然而人耳的声源方位感的依据是客观的物理定量。它主要表现为振动体所处的声场位置和听者正前方中轴线之间的关系。

（一）点声源、阵声源和移动声源
在声场中，只有一件物体在发声（如一把小提琴在演奏、一个人在讲话、一个扬声器在放声等），这种情况，称为点声源。
在声场中，如果有多个点声源同时发声（如一个乐队在演奏，许多个人在不同位置上讲话等），这种情况，称为阵声源。
声场中，物体在移动中发声（如行驰着的汽车、飞机、火车等），这种情况，称为移动声源。

（二）广场声学属性
广场声学属性是指点声源、阵声源或移动声源处于广阔的、无阻拦的声场环境。这时，声波向四面八方福射，一般地极少产生衍射、反射或混响。因此，声音处于原始阶段，音色、音量未被加工，而且声辐射按常规衰减参数进行。在这样的声场环境中，人耳主要凭籍平面的直达声来产生声源方位感。因为缺少从上方和后方来的反射声和混响声，所以在通常情况下，声像不能形成环绕声效应。

（三）音乐厅声学属性
当点声源、阵声源在一个大厅中发声时，因大厅的空间结构及吸音材料等因素，使声音信号构成一组相当复杂的传播系列。这个传播系列称为音乐厅声学属性。

乐队在音乐厅演奏，到达听众席的声音由下列信号组成：
（1）直达声，这是各乐器直达听众席的原发声。随着舞台与听众席的距离不同，声波滞后时间（即由发声体传输到听众席的时间）亦不同，这个延时平均在40〜50ms左右。直达声是声场中最主要的声信号。

（2）近次反射声，是指由舞台前斜顶和舞台两侧墙反射到听众席的声音。由于声音经过反射才到达听众席，其延时量（比直达声迟到）约在20〜50ms之间，故称近次反射声，。它对直达声起加重加宽作用。所以又称有用反射声。

（3）混响声，由声场墙壁、斜顶、顶棚等对声波形成多次反射及共振形成。理想的音乐厅浪响时值为1.8s——2.2s之间。混响声对直达声起润色作用，使直达声的能量损耗得到一定补偿，对听音的真实感也起一定作用。然而当混响声超过2.2s的时候，直达声的清晰程度将受影响，声音变成混淆一片。

各用途厅堂的最佳混响时间

音乐厅声学属性是建立在生理学，美学和心理学基础上的声学原则，是立体声技术的主要依据。

未完待续……

小结：掌握声音声波辐射特性与声源定位，能够更好地帮助我们去了解音响产品、室内建筑的声学特性，有利于打造优秀的视听环境。
随后，“影音新生活”还将继续为大家介绍更多有关声学设计的知识内容，敬请期待！

whjfc · 发表于 2010-3-22 10:43:04

欣赏了，谢谢楼主发布啊，我收藏了啊！

yinxiangxsw · 发表于 2010-3-23 11:48:32

再学习支持

echo回声 · 发表于 2010-3-23 19:52:09

欣赏！支持！

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