回聲共鳴迴響及其電子模擬 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　實作只是一個媒介,音響技術希望您透過每一個實作而獵取相關的知識。回聲(Echo)和迴響(Reverberation)是兩種完全不同的環境效應,希望您將在本文所得到的心得告訴您的朋友。　──編者。

　　聲音自物體發出之後,碰到堅硬的物體,便會反射。但是聲音的反射有許多情況,而且,能夠使聲音造成反射的,也未必只有堅硬的物體。

　　先說什麼樣的情況會造成聲音的反射。當你面對著一大片牆,高喊一聲,牆壁當然會反射聲音;可是,當你走進隧道裡的時候,在隧道中,大喊一聲,聲音到了洞口之後,是出去了呢？還是反射回來？答案是一小部分離開洞口跑到外面去了,而大部分則在洞口反射回來。

　　為什麼隧道口是開著的,還會反射聲音呢？原來是聲音在均勻的物質中,可以一直前進,一遇到密度變化極大或者機械阻抗(請參閱本期聲音的藝術與科學一文)極端不相配時,聲能無法完全傳遞過去,才發生了反射,如果牆裡面的聲音(當然只是一種振動),那麼牆裡面的聲音在碰到空氣時也會反射。正如同光碰到了玻璃面時會反射,而一旦光進入了玻璃內,要離開玻璃時,也有反射。

　　隧道裡的空氣,是一個「氣柱」有一定的機械阻抗,聲音在裡面傳遞,也形成了固定阻抗的聲波,但一出了洞口,海闊天空,屬於「自由空間」情況,阻抗大異,「能量」不能完全傳出去,所以會反射回來。

　　這是聲音之所以被反射的道理。其次,我們想看看聲音反射的情況。假如我們面對著一棟樓房高聲呼喊,聲音只反射一次,就跑到身後(空曠的)去,永不再回來了。但是,我們如果站在兩棟樓房的中間(不只是巷道,巷道會有隧道的情況發生,所以兩樓之間至少有點距離),對著一棟樓叫,結果聲音碰到了面的那棟樓後,第一次被反射,接著到背後的那棟樓又反射,再回到面對的樓,產生第三次反射,如此來回反射,直到聲能耗散完畢為止。

　　相對的兩個反射面,如果中間有相當的距離,則每次反射之聲音經過聽者的位置時,均清晰可分,例如在山谷中叫一聲「喂！」結果可以聽到「喂！喂！喂......」一聲比一聲弱。這種聲音,我們通常稱之為回音(Echo)。

　　相對的兩個反射面,如果中間的距離很短,短到一或二個波長時(例如男低音在220Hz時,波長大概只有1.5公尺左右),這時在中間說話或唱歌,就會有某一個音特別響。由於這個音特別響,所以會使聲音變得有點「色彩」,此亦為男生在浴室裡唱歌,總比女生要自得其樂的原因。在浴室裡唱男低音,而產生共鳴的情形,稱為「駐波」現象。那是由於聲音由這牆反射到那牆,波腹始終在同一地方相遇,所以聲音好像就不走了一般的情況。

　　「駐波」雖亦因聲波之反射而引起,情況卻大異於回音的趣味,一般人只稱之為「共鳴」。

　　最後,穿好衣服,請您走到大廳中,最好是學校的大禮堂,四面都是硬梆梆的牆。這時,如果你是繼續唱你的歌,就會發現又是另外一種味道,可能相當嘈雜,也可能是餘音繞樑。聲音在大廳中的反射情況是：因為至少有六個反射面(前後左右上下),歌手離此六面的距離又不用等(地板最近,天花板次之而後左右牆......),反射聲是陸續到達的,所以造成了「非常熱鬧」的情況。

　　所謂「非常熱鬧」也有許多分不清的程度,牆上有吸音,是小熱鬧,地面磨石地,為中熱鬧,四面都是洋灰牆,可就大大地熱鬧了。同時,同樣是洋灰牆,如某是平面的,就會熱鬧得響亮而刺耳,如果是曲面(像電影院的牆,總是彎彎曲曲一樣),則比較溫和而有餘韻。這種複雜的情況,不同於回聲,也不同於共鳴,我們特稱之為交混迴響(Reverberatuon)或簡稱迴響(日本人叫殘響)。

　　由於迴響的情況,發生得相當複雜,很難做面面俱到的分析運用,所以實用上,我們只取一個參數──迴響時間(Reverberatuon time)以供設計之用。迴響時間的定義是：當聲源停止發聲之後,室內聲音強度逐漸衰減,一直衰減到原來強度的百萬分之一(-60dB)所需要的時間。

　　迴響時間和室內的大小與吸音狀況有關而與聲源音量大小無關,一般較小容積的室內只能允許較短的迴響時間,音樂演奏比語言需要更長的迴響時間。

　　迴響、回聲和共鳴都是發聲環境的一種描寫,當一個人走進黑漆漆的山洞中時,擊掌、吼叫,並傾聽回聽的狀況,可大致明暸洞裡的狀況。由此可知,在音樂廳裡,人們所期望聽到的,並不只是樂團演奏的真實聲音,而更需要一種聲音對環境的描寫。古人說餘音「繞樑」而不說「繞耳」正是此理。

　　既然同樣是聲音的反射,由於環境的不同,有回聲、共鳴和回響等顯然不同的效果發生。因此,當我們以電子系統來做環境模擬的時候,即須分別作不同的處理,而不可一律以回聲(Echo)名之。

回聲試驗：

　　在音響系統中,想到獲得單純的回音效果,作法極為簡單,主要的器材是一部消/錄/放三頭式錄音機、一個二音源的混音器。

　　三音頭錄音機的工作情況是錄音帶先經過消音頭消音,然後到錄音頭錄音,再到放音頭放音。所以在錄音進行之中,立刻就可以聽到已錄進磁帶的訊號是否正常。

　　如果你的三頭錄音機,已與備有鑑聽鈕(Monitor)的擴大機相連接,可先做一次簡單的試驗;放一張唱片或接收調頻台的廣播,並進行錄音,在錄音機上,可能有一個鈕,也叫Monitor,上有Source及Tape兩檔,暫時將它放到Tape位置上,此時鑑聽信號是來自放音頭的。接著按下擴大機上的Monitor到Tape位置,喇叭便放出了放音頭放音的聲音。

　　操作到此,你可以隨時去按動擴大機或錄音機上的Monitor,使其反覆在Tape及Source之間變換,結果你會發現Source的聲音總是早一些,而Tape的聲音則要遲一些,這是由於由錄音頭道放音頭之間需要一點時間之故。如果你把帶速放得愈慢,則延遲的時間會愈久。

　　有了一個稍慢的聲音,我們就可以拿來做回音之用了,方法是把錄音機接到擴大機的Play那條線拔去,插到一個二訊源(立體聲為四頻道)混音器的第一輸入點上,再把擴大機的Preout接到混音器的第二輸入點上,擴大機的Monitor放在Source位置,錄音機則在Tape位置,混音器的輸出接到功率擴大機。擴大機可以廣播或唱片為訊源,此時,只要適當調整混音器的混合比,便可聽到主音之後立即跟隨著有回聲,而此回升只有一次,而且錄音帶上並沒有回聲。如果需要把這種一次回聲的效果錄下,則需要用到另外一部錄音機。

　　稍稍改變一下擴大機、錄音機和混音器之間的接法,可以獲得連續性的回聲效果。接法是：擴大機的Rec訊號及錄音機的Play訊號分別接到混音器的第一二輸入點,混音器的輸出則接到錄音機的輸入,然後要在錄音機的Play上(用分支接頭)再引一線到擴大機的Play上。

　　現在,開動錄音機,如果訊源仍是唱片,則你可以聽到一串串的回聲,回聲的強弱以及延續的次數(時間)可在Mixer上控制。如果在Mixer上調到一比一時,你甚至只要對麥克風較易生「喂！」便可聽到連續不斷的「喂！喂！喂！......」到數分鐘之久,起初比較清楚,愈來愈是模糊(最好用耳機聽)。甚是有趣。

　　這就是回聲的電子模擬的原理。過去Meazzi廠曾出過一種叫做Golden Sound的回聲器,一共安裝了一個消音頭、一個錄音頭、五個放音頭,及一圈永遠在那裡轉的磁帶,由於有了五個放音頭,所以在同樣的帶速之下,可以產生五種不同延時的回音,因此回音可以個別地或任擇其數種或全部而混入主訊號中,並由面板上的控制鈕,獲得各種不同的回音或迴響效果。

　　Binson也有一種回聲器A605 TR Echorec,不用錄音帶(要經常更換)而用一種旋轉的鋼絲盤來錄音和放音。其工作情況和磁帶環回音器相似。

迴響簧的裝置：

　　對於業餘者而言,除了利用三頭式錄音機做單回音或迴盪式回音之效果處理之外,想獲得專業的環帶式(Tape loop)回音器實在不容易也不必要。

　　一般比較簡單的作法,是利用一種迴響簧,以模擬大廳中交混迴響的效果。在實用上,迴響簧雖不能像帶環式回音機那樣有清晰的回音效果,但其造成的回響卻頗與大廳迴響情況接近,而裝置卻非常簡單。

　　迴響簧的基本原理,是利用一個值量重,彈性硬度適中的彈簧所具有的高值機械感抗,延遲聲音(振動)的傳遞,彈簧的兩端都是支點,支點前方套入一小型棒狀磁鐵,再將兩端的磁鐵置於輸出線圈磁場之中。輸入線圈通常圈數較少,且鐵心呈開口形式,以免磁飽和。當聲頻訊號通過線圈時,即造成一交變的磁場,使彈簧上的磁鐵「扭動」起來,而此扭動則傳至彈簧,依次往前傳遞直到若干時間之後傳到輸出線圈這邊的磁鐵上,遂使輸出線圈也感應出聲頻信號。輸出線圈的圈數通常較多,而且鐵心也成閉路狀態。

　　從迴響簧的結構與作用來看,其性能,決定在機械結構上,彈簧愈長,或其等效感量愈大,則延遲的時間愈長。但機械感量大時,難免使諧振情況增加。所以市售的迴響簧,因品質之差異,價格相差至鉅。

　　簧可以是一根,也可以是兩根;可以兩根一樣,也可以兩根不一樣,每種不一樣都有不同的效果,讀者可自行選購之。

驅動放大器：

　　迴響簧要有一套獨立的放大系統才能工作,這套放大器包括輸入驅動放大器和輸出前置放大器兩部份,如果將迴響簧設計成為一插入式接合器,則另外需要一個緩衝級。

　　輸入放大器主要為驅動一組線圈,這組線圈之阻抗總在數百歐姆到數K歐姆之間,(有的雖標稱4或8歐姆,實際則並未如此低),且無須做完全匹配,因此可以一簡單的射極隨耦電路來擔任,外加一級電壓放大備於調整最佳輸入電平之用。 (圖十一)

　　裝置時可調整Q1基極1M電阻,務使Q1射極電壓約在1/2 Vcc左右即可。在輸入電壓足夠的情況之下(例如是串入前級輸出到後級輸入之間),甚至只要一級射極隨耦器即可： (圖十二)

輸出前置放大器：

　　迴響簧的輸出信號微弱,要略加放大,才能與主訊號配合混入。此放大器要求不嚴,可只做成一單晶體放大器,如圖十三：

　　或以二級直接交連放大器來擔任亦可,如圖十四：

　　在製作以上兩電路時,均須調整相關電阻,使輸出電音以前那點的電壓略等於1/2 Vcc才能有最佳的工作狀態,這也是裝置一切聲頻電路的要訣。

　　至於晶體的選擇,只要一般小信耗用雜音較低,β值約在200左右即可。

系統接合：

　　一個獨立的迴響簧電路,大致如圖十五：

　　也就是在迴響簧的前、後各有一放大器。信號自in輸入後經過迴響簧延時後由out輸出。此時若將in接到Preout而out則接到Main in,便可以聽到帶有金屬音而又有點含混的所謂回響聲,這個聲音必須被混入主訊號,並且可以調整混入的強弱,才能真正造成迴音的效果。其混入的條件是,主信號由in到out之經路之間,至少要有一級緩衝級,以避免延時信號由out直接回授到in要產生振盪,亦即：圖十六

　　如果迴響器被設計成一獨立的插入器,由於主信號也須經過此插入器,必須獨設一緩衝放大級,此緩衝放大器,以簡單的射極隨耦器來擔任即可：圖十七

　　一射極隨耦器之設計要領為,依據後級輸入阻抗之要求,決定射極電阻,而基極之二枚分壓電組為等值,期並聯阻值不成為前級輸出之加載即可。此隨耦器,實際上增益略小或等於1。

　　如果迴響器是裝入機箱之內的,緩衝放大器可借用音質控制之補償放大器擔任而無須特別設計。圖十八便是一個包含有音質控制及迴響器的完整電路,有關零件的數值僅是概略值,實作時,因晶體之不同,可按上述要領調整使每一工作及之輸出點電壓為1/2 Vcc。

　　在設計迴響簧式迴響裝置時,由於迴響簧內部極易受機械振動及電磁干擾,所以宜力求提高工作電平,設法使它有最大不失真輸入為宜。換句話說,將迴響電路插入到整個擴大機線路的前級輸出以前為佳。否則工作電平太低,輸出訊號勉強予以放大,則極易感應哼聲,且機器稍有振動,即「哇！哇！」響個不停。

迴響器的運用：

　　一具彈簧式的迴響器,雖不能獲得如錄放音式那樣較寬範圍的運用,不過在模擬上述有關回音、共鳴、和交混迴響則有極佳的效果,在原裝的機器中,山水、百音均有業餘性的迴響器成品,TEAC所製專供錄音是使用的迴響器亦為彈簧式。另外如AKG所出BX20E Reverberation Unit售價更高達台幣250.000元以上。由於它採用特別材料製成的彈簧和低失真的線圈,隔離亦非常良好,延時甚至長達45秒(指Reverberation Time而非回音間隔)。