●音響講座● ──聽音室的設計與量度 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

時間:六十七年三月廿五、廿六、卅日晚間七時半

地點:忠正音響公司試聽室

主講:唐　凌

筆錄:粱中鍔

器材:

a.前級擴大器:CROWN IC-150A

b.等　化　器:CROWN EQ-2

c.後級擴大器:CROWN DC-300A

d.唱　　　盤:EMPIRE 698

e.盤式錄音座:CROWN SX724

f.訊號產生器:TRIO AG-201

g.聲　平　表:SIMPSON 886

h.揚　聲　器:JBL L-200

　　在最近幾期的音響技術裡,有許多篇論述都提到了「聆聽室的設計」,到底聽音是在整個高傳真系統中佔有多重要的地位?我們今天就利用這個場地、這些器材,來測試、了解一般聽音環境之設計與選擇所應該注意的地方。

究竟是誰吵誰?

　　聽音室的位置經常受到現有條件的限制,特別是受到外界雜音的干擾。假設聽音室內的雜音水平是45dB,而我們要播放動態範圍是50dB的音樂時,那音量就必須開到45dB+50dB那麼強,才可以聽到最細微的樂節。有人會懷疑音響迷是把音量開到震耳欲聾的程度;事實上,若不開到110dB的音量,樂音又怎能將雜音掩蓋住?

雜音哪裡來?

　　雜音是從哪裡來的?以一般住家為例,從牆壁傳來的汽車震動聲、飛機音爆聲,以及電冰箱馬達運轉聲、日光燈的交流聲......,只是因為日常生活太習慣而忽略了它們的存在;但若處於一個非常「寧靜」的場所,好比高山頂上、雜音水平在20dB以下的聽音室,就會感覺到寧靜所加付給我們的壓力是相當的重。

雜音能隔離嗎?

　　要想完全將雜音隔離,幾乎是不可能的事;在國外,比較大的音樂廳都是選擇在郊外或空曠的地方,迫不得已要在都市,那音樂廳的四周也要挖上深溝,以防止震動、雜音的干擾。

聲音能模擬嗎？

　　就現代科學技術而言,音場設計仍是相當困難的項目;大部分的科學工作都可以用模型來模擬,好比造飛機,雖不能立刻到天上飛,但可以先在風洞作試驗;如果要造水壩,也可以利用水文、水壓等原理先做模型試驗。但是「聲音」就無法做模型試驗,我們不能造一間小試驗室,然後裡面放一隻小喇叭;因為聲音有一定的速度、有一定的波長,是不能「縮小」的。

　　因此,現代音響工程設計,差不多是事先運用演算、推理等方法,最後再經實際測試後加以修正;這是現代音場設計所不可避免的過程。

難道毫無辦法?

　　有些大規模的音樂廳或廣播電台的發音室、錄音室,就設有許多可變的條件,很機動的,隨時來改變室內的發音條件;例如利用大大小小的反射板,以調整它們的高度、距離、間隔,來控制室內的迴響;或者專設有「迴響室」,利用開門的距離大小來控制聲音的迴響時間。

會產生虛的聲音?

　　雖然聲音是無可捉摸的,但是循線還是可以找出一點脈絡;在建築工程方面,處理聲音往往採用幾何作圖方法,用音線投射的方向來推算聲音將來可能的後果;這種聲音反射的幾何作圖方法差不多與光反射的作圖方法完全一樣:入射角等於反射角,和距離反射面相對而相等的地方,有一個虛的聲源。

　　但這種方法只是用來推算聲音的「聚焦」或「駐波」發生的可能性,但還無法完全確定聲音的分佈狀況。

圖上作業不可靠?

　　我們常被音線的構圖所誤會,認為聲音是以直線傳播,有些音響書籍上描繪喇叭的發音時,也是用直線表示,也有一個投射角。其實聲音的傳播是隨著頻率的不同而改變;在高頻的時候,投射角會很窄;低頻時,則投射角不但很大,還可能大到360度。所以如是僅是圖上作業,常會被構圖所誤。

聆聽室之設計基礎安在?

　　音響工程的設計,尤其是音樂聆聽方面,不論音樂廳或試聽室,其設計的主要關鍵是:

一、避免駐波:

　　「波」通常是向前進會移動的,而駐波(Standing Wave)是固定在一個地方不走動的。以現有試聽室為例,聲音發出後,它會在室內兩牆壁間來回的反射,在反射中若兩面牆的距離正好等於波長、或波長的整倍數時,波的波峯或波谷始終在一個地方相遇,互相加強或互相衰減,這就產生了來回振動,能量無法向外投射的的振動現象,就是所謂的駐波。

　　聽音室內如果有駐波,情況會很嚴重,它會使某個頻率或三個到五個頻率出現相當高的高峯,而正好是在波幅的位置(若在波節的位置,則聽不到聲音);所以駐波會造成室內音響分佈非常不均勻的現象。

二、避免聚焦:

　　如前所述,聲音的投射和光投射是相近的,入射角等於反射角;若反射面形成一拋物線面,當聲音發出發出碰到拋物線面,正好也可能反射回去,回到發出聲音的地方,就形成了聲音的聚焦,在聚焦點上聲音是最強的。

　　小的聆聽室內,聚焦問題很難發生;大舞台在需要大音量及長距離傳送時,就常利用聲音聚焦的平行投送來設計(台北市新公園露天音樂台亦是採用聲音聚焦原理來設計,舞台的背面是拋物線面)。

三、交混迴響

　　欲了解交混迴響,必須先知道「反射」。反射是單純的物理現象,當能量碰到一個對於「能」阻抗變化很大之介質,而能量無法被完全吸收或傳開時,就會造成反射。

　　聲音的反射通常有幾種不同的情況:a 直接反射,亦稱單反射;在距離小的聽音環境裡,很難分出直接生和反射聲的差距有多少。反射是導源於介質面的介質性質有很大的出入,因此聲音碰到軟的物體會反射,不碰到物體亦會反射:在隧道內開車,吾人按一聲喇叭,會聽到反射回來的聲音,這是因為隧道內的阻抗特性與洞口外的自由空間完全不能匹配,致使能量無法完全傳送出去而造成反射。

　　b 複反射:在四面八方都被封閉的環境裡,聲音的反射就是複反射;如果做音線圖,則至少有上、下、前、後、左、右六根線(事實上不只六根線)。

　　複反射的情況比較複雜,完全不能用作圖或模型來顯示,只能求出一個很單純的數字,這個數字就是「交混迴響時間」。它的定義是:聲音從穩定狀態一直低落到一百萬倍以下(-60dB)所需要的時間。

　　舉實例來說:當按下風琴的琴鍵,而腳踏風管的速度是一樣時,按理說聽到的聲音始終是一直線的;實際上由於迴響的關係,使得開始的聲音有點弱,漸漸加上重疊由四周反射回來的聲音,於是慢慢增強而趨於穩定。

　　當手指離開琴鍵,由於室內還存有迴響,故聲音是慢慢衰減;當然衰減所需的時間是非常的短,而這段時間就是交混迴響時間。

交混迴響有啥用?

　　交混迴響(reverberation)對於音樂演奏或音響重播都很重要。在一個交混迴響很恰當的房間裡,無論說話、唱歌或演奏樂器,都會感覺到聲音豐富而且比較省力。反之,在交混迴響不恰當,或吸音太重的房間裡說話、唱歌或演奏樂器,非但覺得聲音很單薄、脆弱,而且也很吃力。

迴響時間應該多長?

　　「交混迴響恰當」意指「交混迴響時間恰當」,至於究竟應該多長?這與房間大小有關係,大音樂廳,如美國的林肯紀念堂,迴響時間就可能允許到0.7或0.8秒;比較小的聽音室,如各音響公司的試聽室,所能允許的迴響時間就只有0.1或0.15秒。

　　與節目內容亦有關係,一般電台播報新聞時,其所要求的迴響時間就非常短(甚至不需要迴響);而播放音樂時,就允許有較長的迴響時間。

　　總之,迴響時間愈恰當,聲音就愈豐富、華麗;因此,在整個Hi-Fi體系中,聽音環境所佔的因素要比器材(擴大機、揚聲器)所佔的因素,來得重要。

音場要如何測試?

　　既然是「聽音室的設計與量度」到底應如何「量度」?

第一步:先了解音場的雜音水平:

　　這可以從Simpson電平表上直接讀出來。Simpson表上有三個Weighting標準,是根據人耳響應補償標準而來。因人耳對高、低頻的響應較不靈敏,因此根據響應補償,在高、低頻時的雜音容許量就比較大。

第二步:了解聲音分佈的狀況:

　　我們可以用訊號產生器發出一個固定的頻率,然後手持Sumpson表在室內來回走動,以了解聲音在房間內分佈的強弱狀況。在中、高頻時,分佈尚均勻;低頻時,因其波長正好與房間的高低、大小長度相接近,故頻率會變的非常的不規則。

　　除了定點頻率外,為求精確,應從低頻至高頻一直掃上去,每一頻率都做有紀錄;如此,對於音場的分佈,才有較詳盡的了解。

第三步:以建築音響的原理,設法改善聲音的分佈:

　　其方法例如改善反射面呈不規則的曲面,或安置壁架、家具等打散聲音,迴響時間太長時,則設法增加吸音物質。於此必須特別說明的乃是類如窗帘、地氈等平面之吸音物,厚度通常不大,因此只能吸收聲音中的高頻,吸音過度時,則可能造成沉悶而缺乏光彩的感覺。良好的吸音,應該是指全音域狀態下的均勻吸音。

第四步:以電子系統謀求最後補救:

　　一座良好的發音室其音響效果,自然是以建築的方法來獲得為基本。然而事實上,往往由於聽室容積、造型以及經費等等的限制,很難令人獲得一間令人滿意的發音室。這時候,唯賴電子系統來謀求補救了。其補救之道是:

　　一、選擇不同輻射及響應特性的揚聲系統,並試做不同位置的擺佈。在過去,我們已建立了揚聲系統的『系統概念』,換句話說,大家已經知道喇叭與喇叭箱應該是一體的。而在此,你該明白,事實上,喇叭和整個房間都應該是屬於一體的。

　　二、利用整個音響再生系統中可以調整的部分,調整使其適應房間的要求。這些可調的部分例如喇叭的中高音水平控制,電子分音或擴大機之音質控制等等,唯是這些可調的部分,往往只分高、中、低音三個部分,而每一頻段至少涵蓋了可聽頻域中的三個八度音程,因此如果有聲音聚焦或駐波等情況出現時,很難獲得適度的補救。此時唯有使用分頻較密的所謂圖示型等化器來做精密的等化補償了。

　　關於圖示型等化器,雖然現在差不多各種牌子,均採用十段分頻法,亦即由20Hz到20KHz分成十個控制階段,每階段的間隔是一個八度音程。但這僅是一個面板上所見的數字,實際上1.000Hz這個控制桿所控制的是否為正確的1.000Hz?而當控制桿往上推到頂時,是否正是+15分貝?而此時其鄰近頻率所受到的影響如何?且當兩個鄰近的控制桿一起往上推時,所形成的曲線又是如何?等等都是必須考慮以及值得懷疑的事情。這也許就是今天市售的圖示型等化器售價差異懸殊的原因了。精確的等化器不僅控制極為圓滑,不致造成響應的奇變,也有較高的傳真度(不會介入THD、TID等失真),而品質較差的等化器,則當兩個相鄰的控制桿,同時往上推時,就可能在這兩個頻率中間造成陷落或突起。換句話說,一個真正夠精確的等化器,當所有控制桿均放在同一直線上時,不管全部是+15分貝,+5分貝或-14分貝,其響應曲線均應保持平直才是,而事實上,一台不夠水準的等化器,很可能當全部控制桿往上推到一定位置時,即引起了扭曲的鋸齒狀的響應。

　　在談到音響效果的電子補償時,我所以對等化器做以上的說明主要是因為這是音響效果處理所有的對策中的最後一個對策了。假如這個對策不能好好地加以掌握,再也無法用其他方法能夠補救了。再者用電子系統來控制音響效果,對使用者而言,完全是舉手之勞的事,就像汽車飛機的方向盤或槍砲的板機一樣,要造成一個不同的事實或現象是如此的容易,所以在事前必須對這些個控制桿可能造成的後果,有所了解。

　　今天,我們在此選用的Amcron的EQ-2,就目前市售的等化器而言,是信賴度比較高的,同時每一個控制桿的中心頻率都是可變的,當然售價也高了一些。

　　以下,我們想就現有的器材,做一些簡單的實驗與測試,始大家可以更進一步對以上所說的『理論』有更進一步的了解級證明:

實驗一:一般聆音室雜音水平測試:

　　方法:直接以Simpson 886聲平表量度(需依照說明書上所指示的方法操作)。

　　結果:在現場測試結果,在一個感覺上相當寧靜的地下室試聽室,噪音水平的平均值也在50dB以上。在台北市新社區中一般公寓房子內,白天約為55dB~60dB,夜間約為50dB。換句話說,如果想在這些地方聽音響,音響大約要開到90~100dB左右,聽來才有『味道』。

實驗二:基準電平之建立,與信號產生器、聲平表等之校正

　　方法:(1)播放1.000Hz 75dB音量。並核准各項器材為0dB標準。(2)校準信號產生器(略)。(3)Simpson 886隨機響應之修正說明。

　　結果: 任何高價精密的器材,也不一定絕對可靠,因此使用前可用比較法予以校正,無法校正者,先了解其差異,事後再做補正,最主要的目的在避免差之毫釐失之千里的失誤。

實驗三:人類可聽頻率的測驗

　　方法:(1)以信號產生器,由20~20KHz逐次以75dB音壓水平播放正弦及方波信號,請聽眾仔細鑑聽。(2)利用Amcron EQ-2所附白噪音測試唱片,由20~20KHz逐次播放頻寬為1/3 oct的白噪音,音壓仍維持75dB。(3)以75dB音壓播放20~20KHz全頻寬白噪音。(4)重覆播放60Hz及120Hz之正弦純音及鋸齒波諧音。

　　結果:(1)接近20Hz及10.000Hz的聲音在75dB時不易聽到,而增加音壓後,可以感覺出是波動壓力,但若無經驗提示時,不易辨認出那就是聲音。(2)20~20KHz的1/3 oct大家都能聽到,而且接近20KHz -1/3 oct時,還有比1.000Hz更『響』的趨勢──說明了20KHz的純音雖聽不到,混合音卻能聽到。(3)全頻域白噪音聽來遠比純音要悅耳。(4)一般所聽到的Hum(哼聲)雖為60Hz或120Hz,但多非純音,而為含有高次諧波的聲音(詳見音響技術17期)。

實驗四:高低頻率在室內分佈狀況:

　　方法:分別播放50、100、250、500、1.000、2.000、4.000及8.000幾個正弦純音並(1)用Simpson 886在發音室各不同位置觀察音壓變化狀況。在500Hz時請聽眾前後左右將身體移動約150公分左右,聽聽音量有無變化。(2)在1.000Hz以上時,請聽眾偏轉頭部仔細辨認『音色』的變化。

　　結果:(1)音壓不一定在正對喇叭時最高,而且每一個頻率的音壓分佈狀況都不一樣。(2)在100Hz時,聆聽位置大約移動一公尺時即可感覺音量有懸殊變化,在某些位置幾乎聽不到聲音,某些位置聲音特別強。(3)在接近1.000Hz以上,聲音,只要人的頭部稍一偏,整個音色即有顯著的改變。