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  相位、時間延遲、同調(coherence)與擴散性一直都是過去幾年來討論揚聲器問題中的幾個重要的標題。「無指向性對方向性」的爭論在過去數年來,與擴大機中「真空管對晶體」,及「三極管或五極管」之爭執獲得同樣的重視。

  所有的這些爭論使我們自己來檢討我們聆賞音樂的知識是否正確,以及到底在錄音場地裡所產生的聲波有什麼很重要的東西,可以影響到聆賞室裡精確的重播呢?

  在這樣的探討裡,卻很少有人把兩個非常重要的因素──即:錄音場地與聆賞室──用來評鑑揚聲器設計的優劣。然而,可能是揚聲器與錄音室及聆賞室的特性之交互關係,特別是揚聲器與後者特性上之交互作用和揚聲器的聲音品質比較有關連,傳統的其他量度方法似乎較沒關係。

  人們使用許多方法來描述錄音室與聆賞室:比方說房間的容積、房間的形狀,以及建造時所用的材料;然而,音響學家所覺得重要的是形成於房間裡的聲場。這些聲場(sound field)是以房間音響學與人類聽覺的交互關係(或稱之為音響心理學)來描述的。

反射音造成延遲

  當房間裡的聲源發出聲音時,它會首先直接地從來源處移到聆聽者處。然而,聲音也會往其他方向移動,撞到牆壁,而最後反射而回到聆聽者處。從揚聲器所發出的聲音直接傳道聆賞者的耳朵所需要的時間要比經由反射來傳到聆賞者的耳朵要短一點。而再時間上的差異,則非常的小而必須以毫秒(millisecond千分之一秒)來計算。

  聲音傳播的速度約為每毫秒0.3公尺(大約為一英尺),由於我們的聽覺是在有屏障的地區裡演變進化而來,比方像山洞,濃密的森林等,因此自然而然地我們發展出某種使用感官來分辨直接音與反射音的方法。這種辨別的方法,事實上,賜於我們決定音源所來自的方向,也就是我們找出聲音所發出的地點之能力。

  而這份能力有一部分是依靠某些反射音與直接音的融合在一起而得來的。在房間內距離有幾英尺的人聲聽來要比同樣距離室外的人聲要響亮;反射使得到達人耳的聲音增加了響亮的程度。然而,人耳分辨反射音的能力是受時間的限制的,因此在幾十毫秒之後,後來到達的聲音不用與直接聲相融合,而開始被聽成回音,或者當有許多很慢的反射音時,就聽成回響。如此,音響學家把房間內的聲音分為三類:第一種是直接音;第二種為早到的反射音,第三種為後到音,或稱回響。

  家庭式的聆賞室很少會出現回響的現象。大部分的聲音都變成直接音及早到的反射音。事實上,家庭中的聆賞室還是以早到的反射音為多。另一方面,在音樂會的廳堂或大的錄音室裡,一般說來有相當多的回響,而早到的反射音則較少。這是由於需要經過比較長的距離才能到達反射表面,而後回到聆賞者處的緣故。在它回到聆賞者處之前,大部分的聲音都會變成後到音之類的。

距離是主要的關鍵

  由於牽涉到距離,因此很難使家庭的聆賞室聽來像是在音樂廳裡一樣。如果要發出像音樂廳的聲音,必須在唱片或錄音帶中錄下了某些後到的聲音才行。使用延遲線路與邏輯線路來幫助後到音,把它延遲,並從前面以外的方向把它輻射擴散到聆賞室中,可以有效地使聆賞室聽來類似音樂廳的。

  然而,這樣做的時候,必須所使用的揚聲器不會因為本身有奇異的特性而導致引起自然的聲場有了失真現象。在揚聲器的特性當中對於聆賞室裡聲音的處置與安排最為重要的莫過於指向方面的特性了。

  音響心理學方面的實驗家已經發現到當我們使用兩個聲音來源的時候,比方說立體聲的耳機,可以使聽覺機能誤以為實際的聲源來自兩個耳機筒的中間。他們發覺當訊號相同之時人們容易誤以為聲音的來源位置是在兩個相同的訊號之中間。當一個訊號變得比另一個訊號柔和之時,聲音聽來像是向著聲音較強的這邊移動,因此,如果一個聲音被延遲到比另一個聲音慢的時候,聲音似乎是向著未延遲的一方移動。

  以這樣的方式來使用耳機,僅僅一毫秒(千分之一秒)的延遲就會使有著相同振幅的聲音聽來似乎完全在頭部的某一邊。這種現象對於聲音大半是低頻的時候可說是沒什麼差錯的。然而,當聲音是在高頻的時候,強度似乎是最重要的了。值得注意的是,當使用耳機及合成的訊號來造成人為的情況時,可以產生兩個音像,一個是受強度控制的,另一個則受時間延遲所控制。

延遲造成音像的改變

  好在當我們把兩支揚聲器以通常播放的位置置於聆賞室裡來做立體聲的重播時,此時兩隻耳朵以非常小的時間差異來接受來自兩支揚聲器的訊號。雖然如此,振幅的不同還是不斷地出現。10分貝的振幅差異似乎足以把聲音完全地轉向聲音較強的揚聲器那邊(十分貝代表所感覺到的「響度」(loundness)的雙倍)。也就是說少於10分貝的振幅差異傾向於使人們感覺到聲音是來自兩個揚聲器之間的。當然,這就是立體聲音像的基礎。當我們把揚聲器安置在房間裡,比方說像住宅用的客廳裡,從房間的牆壁所獲得的反射音與直接從揚聲器來的聲音其振幅差異則不到10分貝。那麼,是不是這樣子就可以獲得立體的音像呢?

 

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  一個明顯的回答是,每個反射音,事實上其行為就像是另外一支揚聲器一樣,而每一支的反射揚聲器與原先揚聲器的關係,就像是每支新的反射揚聲器與任何其他揚聲器的關係一樣。為了把事情說得清楚一點,讓我們看一張圖,圖中我們可以看到有一個聲音直接向著聆賞者移動,而另外的一個聲音則經由牆壁的反射而到達聆賞者之耳朵。聆賞者認為音源是在揚聲器與反射之間,其原因不過是揚聲器應該是比較大聲,而且更靠近另一支揚聲器。

 

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  每個繼起的反射會自己再度的在一個方向或另一個方向改變音像,而最後則在最終之位置中和起來。如果揚聲器從牆壁及其邊緣發出了許多的回音,很可能所感知的方向是接近牆壁的,而不是靠近揚聲器的。因此,一對揚聲器是有可能產生實際上寬於揚聲器與揚聲器之間距離的音像。

  不過,事情並不如想像的那麼簡單。我們所一直描述的假設對揚聲器也可能以同樣的效率向牆壁的方向以及聆賞者的方向發出聲音。實際上,大部分的揚聲器的輸出在方向上都各有不同。

頻率與方向性亦有關連

  您或許會爭論說如果揚聲器把它大部分的聲音投射到聆賞者,很少的部分投向牆壁,應該會得到更好的立體音像才對。如果在物理學上能夠製造一支揚聲器,它在所有的頻率都有相同方向的型式,那麼或許您說得對。而方向的型式則因頻率而不同,我們可以發現一件樂器的基音似乎來自某一個方向,而它的泛音則似乎來自另一個方向。

  兩個喇叭單體的輻射型式解釋了會有如此現象的原音。如果您把小石頭丟入水池之中,水波會順利地從衝擊的那一頭向所有的方向輻射出去。然而,如果您丟下了兩塊小石頭,兩組的水波會互相起作用。在某些方向,水波會加附到另一水波之上面,在其他方向,則一個石頭所引起的水波會傾向於把另一石頭所引起的水波加以抵消。抵消與加附所實際發生的地點在於兩個浪峯的距離而決定的。

  對於空氣中的聲波來說,波峯之距離決定了聲音之頻率。因此,一個樂器所產生的泛音聲波由於頻率較高比起基音的聲波來有不同的抵消型式。

  一位聆賞者可能發現自己坐在某一個位置上,在基音方面,從揚聲器出來而直接到達他那裡的聲波在加強,而投向牆壁或向著反射表面的聲波則在抵消,於是基音聽來就像是直接來自揚聲器似的。在另一方面,在發出第一次的泛音時,由於把泛音向著可反射的表面的方向移了過去,因此情況很容易地變為相反,結果則產生朦朧而不清晰的聲音,這是一般揚聲器常見的現象。有時則誤稱此現象為暫態響應不良,雖然以空間音響學(spatical acoustics)的觀點來說是對的,可是以純粹電學的意義來說卻不正確。總而言之,您把揚聲器放在無響室裡用猝音(tone burst)來測量就知道這根本就沒有問題。

方向性的影響

  耳朵把聲音來源以及反射的方向加以折衷的特性只有在直接音發出後的前10毫秒才會發揮作用。再者,一般住家所使用的聆賞室,大部分的反射音都是比原來聲音電平要低10分貝的,它是發生於最初的10毫秒鐘左右的。當耳朵不再能夠融合反射,而開始把反射聽成回音與回響時的正確時間則因為許多因素而有所不同,然而,一般則認為它所發生的時間為大於20毫秒而短於100毫秒。

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  也就是說發生於家庭聆賞室中因為揚聲器的方向性而引起的問題,可能不會發生於大廳堂裡,這是由於大地方在直接音到達聆賞者耳朵以後的那一段時間,很少有反射音馬上就到達聆賞者的耳朵的緣故。相反地,在大廳堂裡的大多數的反射則被聽成回音與回響。這就是再大廳裡聽來非常優異的揚聲器,在小房間裡則變成幾乎不能聽(或者在小房間聽來很好,在大廳堂裡則聽來很不理想)的緣故。

  再者,在任何關於揚聲器的方向性對無指向性的功過之討論可能開始之前,我們必須考慮所用的揚聲器到底是真的方向性的或是純粹無指向性的?我們已經舉例出投兩塊石子於水池中的例子而看出水波的干擾!

  在揚聲器系統中,兩塊石頭的類比可運用於揚聲器的分頻區,以及揚聲器系統中,後者有不只一個聲源發出同一頻率。

  可是,縱然只有一個喇叭單元發射出同一個頻率,類似的干擾還是會發生;我們可以把一根直的棒子丟到相同的水池中而獲得證明。縱使棒子丟到水池中是與水面平行的,一邊的浪峯還是傾向干擾到另一邊的浪峯。

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  事實上,如果我們想獲得柔順而圓形的「無指向的」漣漪,則只要使用一個小圓石就夠了,這個現象更能適合於聲波上。只要我們可以使用無限小的音源,或者至少比起我們所希望產生的最小的聲波來說是非常小的,這時候我們就可以獲得完美的無指向型態。

  然而,石塊越小它所產生的水波也就越小,聲波的產生也是這樣子的。如果我們想要讓一塊小圓石產生一致的反應時,我們就需要更大的木棒來產生足夠的聲音力量;揚聲器設計的任務在於解決這種進退兩難的情況。在聆賞室裡把揚聲器到處亂放並不能產生真正的無方向性,就像是在一個範圍之內丟下小石塊一樣,水波的干擾依然存在,而且更強。

  把棒子垂直地丟入水中,這樣的方法可能就把難題解決了,我們可以使棒子周圍的水波均勻地擴散出去。事實上如果有「垂直的水」在的話,依然還是會有水波的干擾。雖然如此,使用輻射式號角的設計──也就是在一個範圍開口的號角──以及某些靜電式全圓錐體的形狀,可以獲得相當一致的無指向的型式,這也是在水平面上幾近完美的一種型式。

無指向性優點多多

  在像住家聆賞室同樣大小的房間裡,如果能夠從一個有方向性的揚聲器或無方向性的揚聲器中獲得一致的方向性的話,那麼情況就會有所不同的了。無方向性的揚聲器說來應該是較為有效率的,因為它是向著所有的表面擴散出去的,也就是說,在某些表面上,它可能比起有方向性的揚聲器還要易於被「吸收」。但是,以目前來講,是不可能製造出有一致的頻率型式的有方向性的揚聲器的。

  反射音的行為就像撞球檯的球從桌墊上反彈一樣。如果撞球桌墊是有彈性的話那麼球再每次撞到桌面的時候,只會失去一點點的能量。可是,一旦桌墊變舊了的時候,就再每次球撞擊桌面的當時,從球這兒吸收了許多的能量。在房間裡,堅硬的灰泥牆吸收的少,而地氈、窗簾、椅墊、音響磁磚以及人則吸收更多。然而吸收量則因頻率而有所變化,並加重了不均勻的揚聲器的方向性的效果。

  不均勻的吸收再使用很有方向性的揚聲器時會產生問題,因為它的有些聲音輸出會產生反射音,然後再最後才到達聆賞者的耳朵,由於具有方向性的揚聲器只有眷顧它前面的表面,而不是房間所有變化多端的表面,因此它無法把房間情況差異上的截長補短做得如無指向的揚聲器那麼好。對照起來,當人在聆賞室到處走動之時,一個真正無方向性的揚聲器的聲音是幾乎沒有什麼變化的。

  再者,無方向揚聲器把房間內的差異加以均勻調和的能力,使得您在使用等化器能有效地把揚聲器與房間配合而成的響應變得柔順。因此,最理想的應該是只有把聲音導向聆賞者位置的揚聲器,配合一間把所有的頻率從所有的方向相等地加以反射的房間,如此的搭配應該能夠有最逼真理想的聲音。可惜的是,這樣的揚聲器在技術上是無法做得到的,而且這樣的房間就必須不可放傢俱、裝飾以及不可有人在裡面,就以方向性的觀點來看,我們還是以選擇無方向性的揚聲器為佳。

(譯自Audio Sep. 1979原作者為Dan Queen)

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  我們都知道,一部擴大機,接上四歐姆喇叭的時候,擴大機的輸出功率會比接上八歐姆喇叭時大多了。可是卻很少人想到,房間也有房間的阻抗,所謂房間阻抗是對聲波輻射狀況而言。相同的,我們應當想到,如果自己家裡的客廳,在60Hz時的聲阻抗,較音響店的試聽室大一些或小一些的話,那麼嚴重的後果將要發生了。

轉載音響技術第48期DEC. 1979 揚聲系統方向性的重要/陳榮安 譯

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