空間大作戰【二】

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空間大作戰【二】


文：陳湘允  



寫了幾篇有關空間的文章後，在網路上得到很多回應，謝謝熱心讀者的支援，一些表示看不明白的讀者也要在這裏說聲抱歉。聲學包含的範圍很廣，牽涉的技術也很多，由於篇幅的限制，實在很難說得清楚。國外雖然有不少專門的論述，對一般人來說又過於艱深，而我們希望用比較淺顯的方式，讓發燒友認識“聲音”是什?東西，要如何控制並處理聲音，最終能讓音響系統發出你想要的效果。由於很多內容都無前例可尋，公佈的一些參數也都是經過複雜的計算才得到，因此我們只能說，暫時看不懂也沒關係，只要繼續保持興趣，並勇於進行嘗試實驗，很快就能有成績出來的。

立體聲的相位(Stereo Imaging)


假設一個這樣的情況：當聆聽者在兩個相同的音箱系統前，位於一 個不受干擾的無限空間 (請參考圖1)，如果只有一個音箱在播放聲音，那麼音波到達聽眾的一隻耳朵會比另一隻耳朵有更遠的距離。由於高頻的音波長小於我們的頭部，因此當高頻音波在我們的頭部的左右耳朵繞射時產生不同的接收訊號。當音源發射訊號到我們的耳朵時，大腦可以感應出訊號音源的音壓和時間差異，並分辨出訊號的位置。左聲道和右聲道的時間差是相當重要的，特別是在低頻段，因為人對低頻的辨別能力是比較不敏感的。



(圖一)



當兩個音箱系統同時發出聲音時，耳朵分別收到兩個不同音箱的音波訊號，左耳朵除了聽到左音箱的直接音，還有右音箱時間稍遲的訊號，右耳朵也是一樣，所以總共能分辨出4個音源點。因此只要有兩個音箱同時播放聲音，大腦就能感應到不同的方向，分辨出音樂中樂器的位置。但如果有2對相同音箱在同一個室內的水平位置上，只讓其中一對音箱播放聲音，大腦有時分辨不出是哪一對音箱在發聲。原因是音波發出後經過牆面反射，會和直接音波會合，大腦感覺到的是混合、方向不明確的效果。同樣的道理，音源的相位和反射相位形成一個有效的音場移動，左右音箱在連續 不斷地發出音波，便會造成有寬度和深度的音場，也就是我們所說的形成一個身歷聲音效。


一對音箱被用來重播身歷聲錄音時，我們必須要考慮到聆聽空間、聆聽位置以及音箱擺位元的交互關係。為什麼二個喇叭中間沒有東西，但耳朵卻能分辨出歌唱者站在中間？簡單地說就是聲音在空間中直射與反射的混合，到達聆聽位置時經過大腦的計算，就產生了立體的聲像。

理想的聽音空間尺寸


在專業上，鑒聽與製作測試用途所需的空間，例如大部分的錄音控制室等，都得經過特殊的設計，連尺寸大小也要計算過。一般發燒友當然不容易量身打造像錄音室一樣的空間，不過我們還是提供一些理想聽音環境的尺寸比例和空間因素給讀者作為參考。


理論上，室內聽音環境的容量在50至110立方米之間為佳，80立方米是很不錯的標準。地板到天花板的高度最好是在2.5-3米之間，我們以2.8米的高度為計算基礎，建議的空間比例是2.8: 4.2: 6.7 。這樣的空間尺寸會提供一個回音與低頻反射比較均勻，並且減低音色渲染的音響效果。上次我們已經談過RT60的概念，簡單的說也就是空間中殘響的時間，殘響時間的長短會影響聲音的清晰度與豐潤感。一個理想的聽音空間，250 Hz至4000 Hz的廣大頻響範圍內，建議平均RT60是0.5秒（偏差不能超過+/-25%），250 Hz 的RT60則應保持0.85秒 (m/s) 。


如果是在一般的居家空間中呢？我們舉個例來說明。在音箱擺設的後牆和聆聽者後面的牆都作了吸音處理，天花板沒有經過任何處理，地板接近音箱的地方不放地毯。由於一般讀者家中都沒有測試儀器，所以我乾脆替大家計算從125Hz-4kHz的RT60殘響時間（請參考表一），我們可以看到空間越大，殘響時間就越長。



(表一)


根據這個IEC所提供的音響環境標準，聽音時理想溫度應保持在20攝氏度（+/-2攝氏度），濕度為65%（+/-5%），氣壓為800~1000毫巴(Mill bars)之間。在這樣的條件下，可以使音響設備的能量輸出發揮到最大，並促進改善牆面的理想反射。一般發燒友恐怕很難達到這個標準，但它至少為我們提供一個參考，在天氣太熱、太冷，或者濕度過高的情況下，聲音會打折扣的，而這並不全是器材的關係。

RT60殘響時間


從表1看到不同尺寸大小的空間，會產生不一樣聲壓與RT60變化。當身歷聲的音波訊號產生反射幅度變化太強或過於混亂時，會使音質產生劣化，必須要做一個合理的控制，否則會使音波相位影響到交叉點和混合點產生不均勻的駐波。尤其是低頻段的駐波如果沒有適當控制，會產生臃腫或模糊的現象，這時就要儘量減低音波的反射幅度。

認識了RT60的意義，進而對殘響時間進行控制，可以幫助音響系統發出清晰的音場與明確的定位效果，並使頻率回應更加穩定，還原高傳真的錄音效果才成為可能。


在歐洲一般家庭的音響室，天花板和四面牆的材料通常是一樣的，灰泥牆上塗漆或貼牆紙，地板則放上地毯。這種典型的裝修是家庭音響空間所建議的標準之一，另外，一些重的懸掛物（如窗簾）被安裝在聆聽者後面的牆，可以用來防止中、高頻的強烈反射。至於兩邊的牆，可以多放點傢俱或懸掛一些厚重相框裝飾的畫，用來減低反射或增加擴散，吸音與擴散用的擺飾可以做得很漂亮很有品味，都能幫助立體音像的建立。


通常音箱系統是擺在室內兩邊的角落，而聽眾座位在音箱的對面，所以喇叭擺位以及二邊牆面的處理必須要對稱，讓直立波中的交叉點與混合點均勻的融合，這對身歷聲像產生平衡點是很重要的。

吸音的處理 (Sound Absorption)

我們知道視聽室是以播放音響為目的，要得到理想的殘響特性和時間控制，有時必須在室內空間作一些吸音處理，吸音材料可以被放置在邊界線牆上或地板上。這些吸音材料有很多種形式，有興趣的讀者可以參考專業吸音材料生產商的詳細資料。在這裏介紹最簡單的吸音材料方法，我們簡稱為吸音板。這個吸音板其實也是市售其他吸音材料的縮影，其基本的構造如圖二。可靈活調整的吸音板，其質量M=Kg/m可以裝置在牆壁的表面，其板條空隙的密封深度為D在板後。利用板的質量和堅硬密封空間的容量形成一個吸音回響系統，其可吸收的頻率，用基本算式算出：


Fo = (C/2 x 3.14)(P/MD) x 10000


C是空氣中聲音的速度343.3m/s，P是空間的密度 (1.187Kg/m3)，M是材料的重量，D是吸音板的深度尺寸。 當聲音以這個頻率在室內播放時，吸音板會接收到回響反應，一部分聲音的能量進入密封的吸音板，與吸音材料互相作用轉換為其他能量而消失。吸音板內的吸音材料通常使用玻璃纖維（如圖2），但要用多少玻璃纖維呢？如果玻璃纖維放得太少，音波在吸音板內無法全部被吸收會產生雜音；用得太多絲毫沒有空隙讓音波活動又會降低吸音效果。我們設計的吸音板對低頻的吸音係數是0.5，主要吸收頻率在50Hz-350Hz之間。一個6mm厚的夾板與適量玻璃纖維（M：3Kg/m2），做成50mm深度的框架，可以吸音160 Hz?主的頻率。當然吸音板也可以吸收50Hz以下的低頻，但需要更重更大的吸音板，板內空間的深度也需要加大。



(圖二)


另一個方法是仿效專業錄音室的做法，在原有的房間之內再建造第二個房間，使用木材作為材料。這個結構的低頻截止點是20Hz左右，由於木材的特性，低頻能有效的穿透過內殼，然向堅硬的外殼反射出去，這也能達到吸音的效果。


圖三是三個不同的回響反應，直立波經過不同程度的吸音處理後表現出來的反射幅度、距離都不同。最上面一個圖是吸音率30%的結果， 中圖是吸音率50%的結果，下圖是吸音率70%的結果。當邊界線（牆面）作更大程度的吸音處理時，也就是對直立音波的交叉點和混合點作更大程度的處理時，交叉點和混合點就會在聽覺上有比較不明顯的音波曲線幅度。通常利用測試儀器能清楚顯示出吸音不同所帶來的音波曲線差異，在儀器中可看到中低頻(80~450Hz)在空間中產生的反射會有比較大的幅度，因此造成不穩定的駐波幅度反應，只有經過吸音處理才能把駐波幅度的變化減少。



(圖三)



空間比例


上一期我們說過多位聲學博士和國際上著名的聲學組織提出不同的空間尺寸建議，也就是所謂的最佳空間比例。表二是世界公認、推薦的一些理想環境空間的比例。發燒友打造一間音響室時，如果能參照這些比例尺寸規劃，空間處理將事半功倍。



(表二)




其實空間的比例概念對居住環境的設計也是很重要的，但大部分的建築工程師往往忽略了這一點，這個概念不只可用于建立理想的音響環境，還關係到生活中種種與聲音有關的事務。例如，室內的電視機發出的聲效和人講話的聲音、噪音控制等。當我們進入一個空間時，一邊拍手掌一邊環繞著周圍走動，打擊的聲音會產生回音混亂的反射，其實這就是最簡單的RT60概念。一間完全未處理的空曠房間，跟另一間有大量吸音的房間，對音響重播而言都不是很理想的，所以我們必須進行處理，殘響時間的控制和吸音的處理則是首要之務。


在前幾期中，已描述了很多關於聲學的基礎和計算方式，在下一期中我會與大家分享如何運用空間比例的概念，對各種聆聽空間或不對稱的空間，以RT60的計算處理進行全面的分析，讓您快樂的悠遊在立體聲世界中。