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第一章 聲和聲波

  揚聲器是把電氣信號轉變成聲波的裝置,它所發出的聲音不是自然界的聲音,也不是現場所發出的聲音,換句話說,是再生的聲音(耳機是揚聲器的另一種形式)。有關聲音的問題稍後會詳述,我們只要知道聲音是空氣中的振動,我們就可輕易了解到這種空氣的振動是無法儲存的,也不能傳送到遠方或使之變大的,因此,有必要發展出一種方法來使聲音暫時的轉換成某種能儲存、傳送和變大的型態,而在需要時再回復到原來的聲音。大名鼎鼎的愛迪生和他的夥伴們做到了,這個過程的主角就是「電」,而麥克風和揚聲器則是這個過程兩端的變化裝置。

  把聲音轉換成電氣信號的裝置──換能器──是麥克風,而由電氣信號產生聲音的就是揚聲器,就所要處理的功率看來,讀者們當可了解揚聲器的工作和麥克風比起來,是如何的吃重了。

  在各種在聲裝置當中,揚聲器是最重要的一環,因為它對聲音品質的影響,較任何其他單元為大,包括放大器和唱頭在內。

  舉例來說,讓十個人來試聽兩款同級的放大器,一般說來只有2個人能辨別出其聲音的差異,如果是唱頭,大概有4個人能說出差別來,但如果是揚聲器的話,十個人都能指出聲音的不同了,因此,音質因揚聲器的不同而有可觀的變化。

  當我們知道揚聲器的任務是再生聲音後,自然會得到下述結論:能發出悅耳聲音的就是好揚聲器,發生不良的就是壞揚聲器。現在要介紹的就是什麼聲音是悅耳的,而怎樣的揚聲器才算是好的,正式介紹之前,先談一談什麼是聲音。

一、什麼是聲音

  聲音是聽覺神經所感觸到的聽覺,和視覺味覺一樣,換句話說,這是聽覺神經受空氣振動刺激後的感覺,用物理的口吻來說,聲音是空氣中傳送的縱波(濃縮和稀釋波)。然而,縱使是空氣中的振動,如果人耳聽不見,也不算是聲音,是以空氣中頻率非常高的振動是超聲波,不是聲音,頻率非常低的也不是聲音,空氣中的某一部分受到某種原因的排擠後,導致空氣中分子密度的濃縮或稀釋,於是產生聲音,這種動作以某種頻率重覆後,聲波於焉產生並傳送開來。

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  淺顯的說,讓一支無限長的管子的一端像活塞般做正弦波式的振動,氣壓就應當像圖1所示般振動,而這種振動是無止無休的,這種聲波叫做正弦式平面進行波。

  然而這種情形在現實中是不存在的,普遍可見的是球面波,就像石子丟進池水後所生波紋一樣,這種球面波會擴散開來,離聲源愈遠愈弱。

  而其減弱的程度和距聲援距離的平方成反比,距離聲源的距離加倍後,音壓變成¼,三倍就變成1/9了。

  可以這麼說,聲音通常不是平面波,而是球面波或其類似。

二、聲音的三個要素

  強度(intensity)、音調(Pitch)和音色(timbre)是聲音的三個物理要素。

1.強度

  詳細區分的話,聲音的強度和響度(loudness)意義不同,強度指的是聲音的物理量,而響度指的則是對人類聽覺的吸引量。

  聲音的壓力來自音源振動的幅度或聲波的振幅或聲波的振幅,聲音的強度叫做音量,而強度的水平則用來表示強度,再此聲音和一個標準強度來比較,據此決定這個聲音比標準大上或少了若干分貝(decibel,dB)。

  我們把標準強度定為10W¹⁶/cm²,令其為Io,則強度以dB為單位的表示如下:

I(dB)=10 log10 I/Io

此處I是聲音的強度,由於實際上很難測得聲音的強度,只好測音壓,若測得的音壓是P毫巴(microbar,μbar),則聲音的強度可以用下式求得:

I(dB)=20log P/Po (Po=0.0002ubar)

  圖2所示是毫巴和分貝的關係,由圖可之1毫巴等於74分貝。

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2.響度

  由於聲音的響度指的是人耳聽覺所接收到的聲量,故而響度和耳朵的特性有關。

  雖然說差異存在於個人之間,人耳對空氣中振動的感覺能力一般說來從15Hz到20.000Hz,但是由於這種能力對頻率和振而言是非線性的,所以問題並不如此簡單。

  聲音的響度由下述得來,把某個聲音和1000Hz的純音比較時,會在某個數值的響度時感覺到和純音的強度水平相當,這數值以風(phon)為單位,就是聲音的響度。

  就這樣,把每一個頻率下的每一個水平的聲音藉聽覺和1000Hz把純音比較,並把聽覺數量相同的點記下來,把這些點連成的線就是等風(isophonic)線,有時候叫做Fretcher-Manson曲線或Charcher-King曲線。

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  據說人耳的可聞聲音範圍從零到130風。

  而所謂的純音是正弦波形只有單獨一個頻率的聲音,這在自然界不存在的,要用人工做成。

3.音調

  鋼琴的鍵盤,由左至右音調漸升。換句話說,2個聲音產生要素的振動數愈大,音調愈高,由於音調由振動頻率決定,也可以叫做聲音的頻率。

  在音樂裡,相對音調很重要,而這些音調的比率就是音程(interval),當兩個基本音符的頻率比2:1時,這兩個音之間是一個八度音程,在傳統鍵盤樂器上,一個八度音程平均的分為12個半音(half tone)而所謂的均律音階(Well-temppered scale)也就形成了,是以均律音階的音程式1/12個八度音程,頻率比為2 1/12。

  均律音階的自然音階中,每一個樂音間的頻率比是一個單純的比值,因此樂音和音是自然而悅耳的,表1是這兩種音階。

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  同時,圖4所示是鋼琴的鍵盤和頻率,以A4=440Hz做標準。

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4.音色

  某些樂音縱使音調和強度相同,耳朵聽起來卻是不一樣。例如說,鋼琴和風琴同樣是鍵盤樂器,但是鋼琴的A4=440Hz樂音,聽起來就是和風琴的不一樣,其間差異可以說成是音色的不同。

  有人說音色是因為聲音的基音以及響度變化的較高次諧波結合而形成的。

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  圖5則是一些樂器的基音以及再生時所需頻率,在圖中可以看出來,大多數樂器的基音都在4.000Hz以上,但是如果把諧波也列入考慮的話,頻帶當要大上3或4倍才行。

  如果諧波較基音為響,人耳就有能力聽出最低音(基音)者,由此一系列的頻率得以組合,有時候,就算基音部份完全不存在了,人耳還是能夠聽出來。

  聲音的響度或音調可以用數值表示出來,但是音色只能用文字來形容,如果是直接用鋼琴或小提琴來表示音色,我們自然可以了解,但是橫笛或鋼琴的聲音如何能用文字來解說,以期正確的表達給人們,是值得懷疑的。

  既然音色要用文字完全表示出來,我們只好用一些表情豐富的華麗詞藻來表示「鋼琴那美麗、光澤、豐富、有力而又根深蒂固的聲音」,真難想像這種聲音是怎麼一副德性?!

  而批評某一次橫笛演奏的音色「朦朧、缺乏光澤、枯燥、無力而又有金屬似的聲音」,也很難想像演奏者奏出什麼樣子的音樂來了。

  而這種批評是否充滿了偏見和任性?而其論斷又是否公平和準確呢?這種批評也可以在揚聲器和唱頭的音質上看到,而事實上,這種音質要依個人耳朵來評估和判決才算合理的。

三、聲音的反射和吸收

  聲音既以波的形式進行,則一旦碰到物體後就該會有反射和吸收現象發生。

  聲音有頻率就有波長,如果障礙物比波長小,聲音就可以輕易到達障礙物的彼方,如果波長較小,聲音就會反射;一般氣溫時,聲音的速度是340m/sec,因而其波長在100Hz時是3.4m,1000Hz時 34cm,10.000Hz時 3.4cm。

  如果障礙物不是堅硬的物體,聲音撞擊過來時就會振動甚或吸收掉,這樣聲音反射就降低了。

  物質的吸音性是以百分比表示的,所以敞開的窗戶是100%,而完全反射是0%大多數物質的吸音性隨頻率而變,聲音的頻率增加時吸音性也增加。

  一般的吸音材料是纖維質的,所以揚聲器的音箱裡通常都塞有玻璃棉。

四、現場和揚聲器的聲音

1.指向性(Directivity)

  自然界的聲音發自無數個音源,故應當看做一個有開闊空間和深度的三度空間的音場。而人耳界分辨出音量和不同聲音到達時間的差異來判定音源的方向和性質,我們的兩耳由於位於同一平面上,所以能精確的辨別左右,但卻不能精確的辨別縱深方向的差異。

  因此,如果把經由距離適當平面配置的麥克風,而用兩個系統錄製的信號,在適當安排的揚聲器再生時,就能形成和原始現場相似的音場,而能再生出和音樂廳現場原音類似的聲音。

  揚聲器播出的聲音和原音之間最大的差異在於指向性,實際音源在每一個方向都有指向性,但揚聲器只能在其前方產生聲音,這是因為要再生各種聲音的喇叭振膜其形狀固定,又只能在一個方向移動,自然揚聲器的指向性只能沿著振膜的方向了。

  而如果振膜的形狀是圓的,在無窮障板(baffle)上做活塞的移動,則聲音的頻率增加時指向性增加,同時如果振膜的直徑增加,就算頻率一樣,指向性也會增加。

  如果再以振膜為圓心的圓周上測一個聲音,正前方的聲音最強,而在和正前方直線所成的角度增加時漸漸變弱,而正前方直線和音壓為其一半時的圓周上一點所成角度叫做方向角(directional angle),圖6所示是方向角以及方向角和振膜半徑的關係。

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2.失真

  原音和再生音之間的差異就是失真,失真由各種裝置產生,揚聲器裡也有機會導致失真的單元。

  揚聲器裡的振膜多少有點質量,並由能輕易移動的彈性物質支撐,而當聲音突然開始或突然停止時候,振膜並不能立刻開始移動或瞬間停止,振膜緩慢的開始和停止移動導致其無法避免的諧振,所以振膜的阻尼不良和聲音的混濁有關。

  同時,有時候揚聲器要同時再生各種聲音,在這種情形下,小振幅的信號被大振幅的信號弄成失真,即高頻信號被低頻信號調變,這種現象就是互調失真。

  隨著各種技術的改進,例如頻率特性的改進等,有幾種失真已消除了,但是失真的問題仍然是有待研究的主題。

3.好揚聲器、好的聲音

  一旦瞭解了聲音的特性後,就可以看一看哪一種揚聲器才是好揚聲器了。

  談到聲音是人耳聽覺神經受到刺激後的一種感覺,可以想像未來會有一種揚聲器直接用電氣信號去刺激聽覺神經,然而目前我們還是討論那種我們熟悉的揚聲器好了。

  談到哪一種揚聲器才是好的這種問題,迄今還沒有從電聲的角度弄清楚過,如果揚聲器能有平直的頻率特性,線性的振幅特性以及良好的相位特性自是毫無問題,但是事實上卻有揚聲器有極為優秀的上述特性,卻發出相當糟糕的聲音,另一方面,也有揚聲器特性不均衡卻能發出良好的聲響,除非親耳聽過,否則無法判斷一個揚聲器的好壞。

  同時,有的揚聲器能和某種放大器和唱頭搭配,有的卻不能,因此,可以說選擇好揚聲器最重要的一點,就是要有好耳朵,這樣好揚聲器才能發出悅耳之音並能直逼原音。

  我們可以這麼說,擁有最新設備和測試器材,卻沒有具有良好音感的技師,生產廠家絕對無法製造出能再生真正好聲音的揚聲器。

轉載音響技術第52期APR. 1980 Hi-Fi 揚聲系統概說 上篇 第一章 聲和聲波/蘇天豪 翻譯/梁中鍔 編輯

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