聲場邊界條件對揚聲器聲音傳播的影響

文/［美］帕特·布倫達·布朗 編譯/龍宏亮（.湖南經濟電視臺，湖南 長沙 40003）

安裝揚聲器時，邊界（如墻面）會對揚聲器系統產生重要影響，可能導致揚聲器系統的頻響曲線不平坦、覆蓋面不均勻、清晰度下降、甚至系統均衡過度補償等，會引起一系列導致系統音質惡化的問題。

在室內安裝揚聲器系統時，幾乎都得把它們安裝在房間邊界（靠墻面）的位置。這勢必會引出一系列邏輯問題：

這樣做會影響頻響嗎？這樣做聲音效果變得更好還是變得更差？能利用邊界（墻面等）作為一種有利的工具嗎？這樣安裝的擴聲系統有利于聲音處理嗎？房間的邊界是否可以成為一種“有用的專業工具”（即影響聲音傳播的工具）？

空間載荷

揚聲器空間載荷是指各種點聲源球狀輻射的空間受一個邊界或者多個邊界的限制。

圖2顯示的是點聲源輻射受邊界影響的一些常見情況，通常用球空間的分數式來表示，輻射本身是受該分數式限制的。這些分數式的正確表達應該是“1/n-空間”，但是普遍的描述方式是把“1/”省略了，直接用“n-空間”。

經典理論闡明：相對于自由場而言，輻射受邊界限制的場所，每增加一個邊界非相干波，疊加產生的有效聲壓增益為+3 dB，一只揚聲器通過邊界“角荷載”（房間的一角，即1/8空間），其增益可達到+9 dB。

聲學中的測試結果總是不理想的，所以，要做的是確定測試結果發生了什么變化。我們當然希望邊界與聲源之間的相互作用具有頻率相關性，而事實也是這樣的。 這使得針對邊界引起的問題的答案通常是“它是根據不同邊界因素決定的”。

測試概況

測試環境為一個大的開放空間，三個墻面（界面）有著非常嚴格的邊界。筆者將一只音箱和其他設備排列成一行連接起來——分別是一只書架音箱，一只低音音箱，以及一只中音號角（見圖3）。另外，還增加了一支傳聲器和一只十二面體揚聲器。

首先，每個揚聲器系統是放在圖4中12英尺的Genie升降架上測試，測試傳聲器是在遠場（1/1-空間，即自由空間）。

其次，將揚聲器系統放在地板上（1/2-空間），測試傳聲器架空、然后再把揚聲器放在地板與墻面之間的交界處產生2個邊界環境（1/4-空間）、最后把揚聲器放在地板與兩面墻之間交界產生3個邊界（1/8-空間）。

每種擺放方式測試傳聲器到揚聲器系統的距離保持不變。

測試結果

測量總的結論就是：如果測量方法正確，將音箱放在接近邊界（墻面）的任何一個位置都會帶來麻煩，這樣放置的音箱在還音時就會有略微的聲染色，但是采用號角驅動器或將音箱嵌墻安裝后結果卻有驚人的不同。

筆者經常聽到有人指責號角發出的聲音“不和諧”或者“刺耳”，但是只有這些號角才能放在邊界旁邊而不受到邊界效應的影響。而“悅耳的音質”怎么會產生于受梳狀濾波嚴重影響的低指向揚聲器系統呢？

研究得出的另一結論是：通常，均衡器是無法解決邊界干擾問題的。當音箱系統的頻響很差時，可以將音箱吊掛安裝在自由空間里，這樣做會使頻響得到改善。

當然有很多應用場合可以接受聲染色，但那些不能接受的場合就可以考慮將音箱置于自由空間或嵌入墻內，或通過號角負載來實現。

邊界經常被說成可以用來增強低音，在非常低的低頻段的確能看到一些顯著的增益提升，但要想利用邊界取得良好的效果，邊界往往還是不夠大且不夠堅硬。

大多數場所中，房間的結構模式也會影響低音的頻響。所以，給低音增加邊界能帶來怎樣的好處，具體還要靠人的耳朵去聽，去分辨。

對低音的邊界效應測試中有一個情況值得注意，當低音放在Genie升降架上，而測試傳聲器放在地板上（測試傳聲器和揚聲器系統的間距保持不變），當低音音箱向地板逐步降落時，地板上的測試傳聲器電平并沒增加。

因為聽者在禮堂中的位置是接近地板的，如果低音是“地面放置”而不是懸掛安裝，那么電平也就不會增強。

最后，從揚聲器特性參數來看，揚聲器的靈敏度通常是在自由場中測量，當靈敏度增加6 dB時，此時將其指定為“半自由場的靈敏度”。

測試數據顯示：這樣做容易出錯，且會產生誤導。不過，通過一張靈敏度的顯示圖就可以將它們的利和弊表現得一清二楚。

測試傳聲器

選用一支DPA4007作為測試傳聲器，一只6英寸的同軸揚聲器作為聲源。測試傳聲器放在高頻軸心線上，在遠場測試。

把在自由場里測量的結果作為參考值（圖5中的0 dB這條直線），其他三條顯示的依次是1B、2B、3B，測量表明受不同邊界影響產生的結果都不同。超過8 kHz時，因傳聲器本身的屏蔽/反射引起 “C”和“D”的干涉（參看圖2）。產生這種干涉的原因是將測試傳聲器振膜置于邊界交叉點處，測試傳聲器外殼處于振膜和聲源之間。要是使用一個很小的傳聲器，此類干涉則完全可以消除。

“圖2 B”的布置方式是為了調整揚聲器系統頻響均衡，那些揚聲器系統懸掛在寬闊而平整的平面之上（類似體育場/館地面之上）。由于聲場里的相干疊加作用，每個邊界增益為+6 dB。相干意味著直達聲和反射聲在所有的頻率點上都是同相的疊加。

利用邊界技術時采用直徑較小的傳聲器更有利。

測試音箱

超低音音箱

選用博士MB4音箱作為超低音的測試音箱。每種測量都在沒有時間窗口的試驗室中進行。該條件對于低頻時能夠達到足夠的清晰度很有必要。

同樣，測量的數據（見圖6）表明：房間模式不同，測試的結果也明顯不一樣。

1/1倍頻程的平滑度有利于觀察邊界的增益情況。在一個較大的空間里測試則可以避免干涉或相互影響，不過，在真正的自由場里測量時低音音箱尺寸需要很大。

封閉的空間（房間）對超低音的頻響影響很大，正如低音靠近邊界放置時所受到的影響一樣。

低音波長的長度相對于超低音箱的尺寸來說顯得非常長，當低音波長接近房間邊界尺寸（約40 Hz～50 Hz的波長）時，相干疊加就會產生18 dB的理想增益。

在低音（100 Hz～125 Hz）波段的區域約能達到10 dB。

給低音音箱載入邊界的同時，應該考慮邊界是否對覆蓋面和聲像問題也都有利。

十二面體聲源

測試時選用一只十二面體揚聲器。為便于室內測量，這些面通常是全向的。由于頻響極其不穩定，筆者給每種放置留了9個點的格網（2平方英尺），然后將測算結果平均。1/1倍頻程的平滑度測得的結果作為定稿原圖以供對比參考。

這樣做是必要的，由于多次能量轉換，十二面體在高頻段時存在著大量的梳狀濾波信號，而且邊界增加時梳狀濾波信號甚至會更多。

十二面體音箱由空間載荷的非相干疊加而引起的高頻部分增益增加，成了“標準”范例（見圖7）。

將自由場響應作為參考值（0 dB），每附加一個邊界，其定向指數增加了3 dB，DI = 9 dB表征的是揚聲器放在角落位置時測得的值。

在自由場里可以測量出：大量的干涉往往是由于將低指向性的揚聲器靠近邊界放置的結果。而在小房間里，聲干涉是可接受的，甚至是需要聲干涉，因為聲干涉能減少聲源局部化現象，預防分布不均勻。

這種技術應用在空間較大、現場演出或者混響較長的地方時同樣會因聲干涉問題導致語言清晰度下降。

書架音箱

測試中選用的書架音箱是Bag End M6錄音棚同軸監聽音箱。每次都在高頻軸心上進行測量。1B是揚聲器背對著墻進行測量的結果（見圖8）。

“C”和“D”（見圖2）是揚聲器跟邊界角度成45°的情況下測量的結果，比如揚聲器可能安裝在墻與屋頂之間的交點上。要注意到3 kHz以上幾乎沒有邊界干擾，因為，此時揚聲器指向性非常強，以至于高頻能量完全能忽略邊界的影響。

在低頻段聲音是邊界和直達聲相互作用的總和，包括“下滑”部分和明顯隆起的曲線包絡部分。均衡器有時用來拉平頻響的隆起，或者補償200 Hz以下的低頻。

因為書架式音箱在小房間用得最為普遍，而且，它們基本上都是貼著房間的邊界安裝的，所以難免會出現一些難題。如果還音需要很精確，那么系統設計師將會面臨挑戰。

中音號角

測試中的中音號角選用的是美國community M200中程驅動單元，覆蓋角度為60°×40°。其尺寸很大，對500 Hz完全可以提供角度模式控制。它可用以單獨使用，也可以全頻使用，全頻使用時增加一個高頻單元和一個低頻單元即可。

中音號角對于專業擴聲系統非常有利，以下詳細解釋一下測試內容及其優點（見圖9）。號角提供的角度模式控制系統能防止聲能撞擊邊界。不論邊界條件如何改變，頻響幾乎不變。如果揚聲器出廠時頻率響應量已經拉平了，那么安裝后其頻響還是平坦的，不需要再加額外均衡器。直達聲區域的頻響只需要用兩通道的參量濾波器拉平。

號角和空間載荷結合在一起能提高擴聲系統的效率，號角充當聲學傳播器增加動力傳送給空氣。此時的電平比單獨的空間載荷產生的電平還要高。

頻率相關

載入號角的好處是可以擴展可控頻譜的頻寬，包括中頻以上的頻率以及中頻以下更低的頻率，由號角尺寸大小決定控制頻寬。

尺寸小一點的號角用于高頻模式控制，大一點的則用于中低頻模式控制。對于號角來說，尺寸大小是最關鍵的因素（即號角越大，其可控頻率越低）。

一種情況，兩種方案

典型的設計方案就是在屋頂和墻的交界處（1/4-空間）安裝一只全頻音箱。首選的音箱是那種前面裝有多個號角的典型音箱（即中高音同位的多重號角組合箱體），最好是聲音“悅耳”且尺寸緊湊的那種。

測試數據表明邊界與邊界之間的交界處可以產生大量的聲干涉。均衡器和任何處理方式都不能恢復揚聲器在自由場中的那種平直相應。

只要揚聲器貼近邊界安裝，不管是普通的線陣列還是備受推崇的線陣列都會產生大量的聲干涉。所以另一個方案是嵌入邊界里，這樣就可以做到產生的邊界干涉很少。

下面描述這兩種邊界干涉方案。大尺寸號角用于擴展控制中低頻的下限，使之降到250 Hz。號角尺寸較大，所以，必要的話可以嵌入到邊界里。

同軸揚聲器、同位號角、一體化全頻號角等可以用來擴展受限制的高頻頻響，如果低音也放在同一位置，要注意不同頻率的空間載荷具有尺寸相關性，從而造成在某一部分頻段增益明顯提升。

采用全頻帶是解決這個問題的正確方案，而且也說明均衡設計始于工程項目的繪圖階段。

如果想要得到平坦的頻響，還得使用者自己設計。要是沒考慮到揚聲器與邊界干擾這一因素，那么就會導致頻響不平坦，覆蓋不均勻，清晰度較差以及音響系統均衡過多等一系列問題。

那么底線是什么？號角可以不受邊界效應的影響，而對高質量擴聲系統來說邊界的影響又是最大的損害因素。

邊界干涉的解決方案

還是正視事實吧。因為實際中很多場所的揚聲器是必須靠近邊界安裝。所以要嘗試去控制邊界之間的相互影響。

筆者選用書架式揚聲器進行測量，因為它適用于小型系統中。圖11顯示的是自由場，四分之一空間的頻響以及處理過的頻響三者之間的對比。據說這種處理過的方式會使結果產生變化，但筆者寧愿不去修補任何參數。

另外，實際音響系統中完全可以使用積極的處理方式，通常可采用1英寸厚的吸音棉來“消除”邊界干涉問題。

筆者認為，不進一步采取嵌入式安裝的方法去測量非常可惜。測音室的其中一面墻有一個方形的洞用于測試吸頂揚聲器。筆者從MDF（中密度纖維板）上切開一塊板便于嵌入音箱，然后將書架音箱安裝在切好的部位（見圖12）。

大家會發現這種方法是錄音室和其他重要聽音環境的最愛。高頻時沒有邊界干涉，而且隨著邊界效應生效，低頻也增加了。

利用均衡器可以校正增加的頻響，可以將揚聲器的頻響恢復到原先在自由場里測量好的那樣。筆者還打算給邊界做些吸聲棉，不過效果不會很明顯。

還有一個方案就是將揚聲器系統安裝在遠離邊界的位置。錄音棚里通常使用“近場”監聽，也就是監聽音箱擺放在聽音者的附近。

只有來自調音臺控制的反射聲會干擾直達聲區域。