AT-20-001.jpg

校註序言

  五年前,我買到了一本極好的書,叫「音樂工學」,是日文版,由日本工學博士平岡正德先生所譯,誠文堂在昭和四四年八月一日出版。

  該書原著者為Harry Fl. Olson(美)先生,一九五二年初版,十三年後的一九六六年修訂再版.在看到日文版之後,我一直在尋找這本原版書,因為這本書對我們的社會-不管是學音樂,或是從事電子音響設計、製造販賣的,還是今天所謂的「音響迷」們-太迫切需要了。下面是這本書的大致內容:

第一章 音波:討論有關聲音的物理性質,包括怎樣發生、傳播、折射、繞射等,和一般物理學在聲學一章中所討論的相仿,但有幾幅聲音的模擬照片是在別書中所看不到的。

第二章 音樂詞彙:在音樂中,有許多專用的詞彙,諸如音高、音階、強弱、拍子、調子等等,用聲學原理來解釋它,並且說明譜表的表示方法,是相當深入的基本樂理篇章。

第三章 音階:深入地討論到音階的形成,包括純調、十二平均律的音程、頻率變化、以及樂曲的構成等。

第四章 共振及發音體:從力學的、電學的角度討論發聲的原理。簧是怎樣振動的?絃又怎樣振動?錐膜如何扭曲自己發出聲音?管和號的作用,諧振的頻譜分析,以及不同音源的指向特性等,在本章中有非常詳盡的說明。

第五章 樂器:樂器的分類,各類樂器的發聲原理、結構、電學或力學分析,直到電子樂器的介紹,是本書的主要內容,真是精采淋漓。

第六章 樂器音的分析:從頻譜、指向、瞬時特性等方向來分析樂器音的特性。讀完這一章,你便可以明白小提琴為什麼是小提琴,小喇叭為什麼是小喇叭。

第七章 樂音與音樂:聲音是因物體振動而產生,樂音與音樂則為人的感受,它們間的關係如何?什麼叫做音樂?在本章中有很客觀的論述。

第八章 劇院、專業發音室及一般室內音響設計:從聲音自音源發生後怎樣充滿室內開始討論,有極詳盡的資料與敘述,甚至汽車音響也列為討論的內容。其他如電子音響的合成、壓縮、擴張及延時均為本章的內容。

第九章 音響再生設備:討論麥克風、喇叭、擴大機、錄音機、唱盤、立體聲原理、光學錄音以及聽覺、語言音域、失真影響、音色的主客觀感覺等等,是純粹沒有商業意味的Hi-Fi音響介紹。

第十章 電子音樂:音樂的電子合成、電子琴、電腦演奏機、電腦作曲等。

  像這樣的內容,我覺得它不僅可以充實我們對「音響」認識的空虛,更能拓展我們的視界,而把音響乃至音樂在我們的觀念中,重新予以定義。

  在學校裡,音樂科系需要這樣的內容,建築科系需要這樣的知識,影劇、廣播、電視乃至電子科系都需要這樣的認識。

  最近我找到了這本書的原著,特請莊建雄先生將它翻譯出來,為了忠於原著,在翻譯時力求不失真。但書中有些內容不免於有隔行隔山之感,所以除了翻譯外,我想儘個人所知所能,蒐集相關資料予以校註。校註的用意絕不在於補原書之不足,而是便於所習所事不同人士之閱讀。然個人所學有限,恐難免於疏誤。是請讀者在閱讀時,仍以原書論述為主,校註補充部份則當成輔助資料而無須深信,若能以此蠢舉有助於讀者而無誤,幸甚。

  再者,本書擬在本刊連載後,印成單行本,在連載期中,歡迎學者專家提供意見,這些意見除將在本刊披露之外,將來一併列入譯本內成為內容之ㄧ,更充實譯本內容。

  如果您對我的作法有任何意見,也請寫信給我。謝謝!

                              唐凌謹識

1聲音

1.1 前言

  音樂是什麼呢?簡單的說,音樂就是把聲音組合起來,讓人聽了以後覺得快樂並且富有含意的創作藝術。音樂的最初來源是人的聲音或者樂器的演奏,而最後也是最重要的目的是讓人的耳朵聽到,因此,音樂創作的第一步就是作曲家寫出樂譜,繼而演唱家、演奏家利用他們的聲音或樂器依著樂譜來演唱或演奏的,最後這些音樂才由我們的聽覺器官聽到的。

  由音樂家創作出的音樂,任何年紀的人都會有所喜愛的,有些音樂的發展經過了時間的考驗,在今天仍然能夠盛行,有些音樂只能風行一段時間就被人遺忘;在過去音樂的進展甚為緩慢,因為只有極少數的人才能夠欣賞到現場的演出,但是在今天由於聲音再生技術的進步,使得千千萬萬的人能夠聽到任何著名的演出,聲音的再生技術使得這時代的音樂進入一個新的紀元,也使得過去的音樂時代顯得微不足道了。

  聲音的再生技術是在某一地點拾起聲音(註一),然後在同一地點或不同地點再生,也可以在同一時間或不同的時間再生,今日的再生系統有電話、電唱機、錄音機、收音機、電影、電視等等。

  電話可算是最古老的聲音再生系統,在今天每一家庭幾乎都有一具電話,有了電話任何人在幾秒鐘內就可以互相通話了。

  電唱機及錄音機使得本來極少數的人能夠聽到的演說、演奏,變成大多數的人都可以聽到了,因為今天有電唱機及錄音機的家庭已經很多了,電唱機與錄音機能夠這樣廣大的流行,也是因為可以選擇自己喜愛的節目,並且隨時隨地可以播放。

  收音機像電唱機及錄音機一樣,是一種消費物,不但是每個家庭都有,而且一般的汽車也都裝有收音機設備。

  從無聲電影到有聲電影,聲音再生技術是最大的貢獻者,電影在今天更是人們的一大消遣。

  電視仍然是靠聲音再生技術才能如此完美的,而電視更是現代生活不可缺乏的。

  由於這些收音機、電唱機及錄音機、電影、電視的發明,使得聆聽名家的演奏與演說不再是少數人的特權,也因此在極短的時間內,在教育上、娛樂上卻有甚大的改變,這些發明在消息、藝術、文化的傳播上的功勞是很巨大的,可以說聲音再生技術就像印刷術的發明那樣重要與具有影響。

  有關音樂的科學是隨著音響學、數學、電機學、電子學、心理學、生理學的發展而進步的,在這幾門科學的許多進展,使得我們可以用更科學的方法來研究聲響及音樂,因此由這幾門科學的歸納,發展就成為聲響與音樂在科學方面的基礎,這種進步在聲音再生技術的研究上尤甚,因為如何使聲音再生是極需要音響及音樂在科學上的了解;聲響、音樂、樂器、聽覺、聲音再生技術的基本觀念建立後,音樂科學已成為依門工程學了,而我們所謂的音樂工程學是包括聲響、音樂、聽覺、音響學、電子學在應用方面的理論與實際。更詳細的說,音樂工程學是包括聲波的性質、聲波的產生、音樂術語、音階、樂器的共鳴與傳播系統、弦樂器、管樂器、敲擊樂器、電子樂器及人聲、聲波譜、輸出功率、傳播方向的類型、樂器的聲音生成及衰減及其餘響、聲響及音樂的基本理論、人的聽覺器官的機構、室內音響學、及聲音的再生系統等等。(註二)

註一:Hi-Fi音響再生系統最大的困難就是,聲音總是在一點被拾取的,而播放時,卻要求它重新建立一個完整的音場。舉一個管弦樂現場錄音的例子而言;麥克風永遠只能代表著某個位置的聽眾--甚至聽眾不可能到達的位置,舞台的上方--可是到了喇叭放音時,我們卻要求它在許多位置能聽到同樣的聲音。有關這個問題,正是:它究竟該把樂隊請回家或者把音樂廳也搬回家問題所要考慮的焦點。

註二:而這些內容又大多被涵蓋在音響工程學之中,因此這些知識不僅學習音樂的人需要了解,凡所有與聲音有關的各行各業似乎都該關切這些問題。當然我們並不希望一個樂團指揮一定要深究音色的形應,也不必要求電子音響工程師們一定能熟讀五線譜,但最起碼的,能夠應用的知識是必須的。

1.2 聲音

  所謂的聲音就是一種壓力或者質點位移或者質點速度的交替變化,而這種交替變化在彈性介質中傳播出去,當然我們也可以說;聲音是許許多多的這種交替變化組合而成的。

  如果以另一個角度來說,它只有這些壓力、質點位移、質點速度的交替變化不能就說是聲音了,必須這些交替變化能讓我們的耳朵有所感覺,我們才能說這就是真正的聲音。

  從以上的定義可以知道;只要是使空氣或是其他的介質運動,就能夠發生聲音來,比如說讓物體振動就會發出聲音,鋼琴的響板、小提琴的共鳴箱、揚聲器的振膜都是這樣發出聲音的。從狹小的氣管間歇的讓空氣流過,也可以發出聲音,例如號笛、人聲、喇叭、唇管等樂器。可燃性氣體的爆炸或爆破的氣球、從空氣噴出的壓縮空氣也會產生聲音。向著某些物體吹氣也會使得穩定的氣流產生脈動而發出聲音。

1.3 聲波的性質

  充滿壓縮空氣的氣球的爆破情形,可以作為一個很簡單的例子來說明聲波的性質。如圖1.1A充滿壓縮空氣的汽球置在靜止空氣中,圖1.1B氣球爆破後,高壓的空氣向各方向擴散,因為空氣是均勻的,所以在一處密集的空氣必尾隨著一處稀疏的空氣,在稀疏的地方,脈波的壓力比大氣壓力(常壓)還小,在密集的地方,脈波的壓力則比常壓大,如圖1.1C、1.1D、1.1E所示;從聲音的定義可知由於爆破的汽球使空氣運動就可以發出聲音,聲波以每秒1100呎/秒的速度向各方向傳播,稀疏度與密集度的大小是與聲源距離成反比,圖1.1是最簡單的一個例子,這例子只有一個稀疏與密集的波,更多的稀疏與密集的波可由振動體或氣流經過狹小的氣管的例子中見到。

  以上討論到氣球爆破的聲波,叫做為球面波,球面的波前,即波的最前端,形成一連續的球面而且都是同相(註三),所謂的相就是對某一特定的時間,波所經過週期數的分數值,例如A波經過5 1/3個週期,B波經過3 1/3個週期,則A、B兩波是相同的,因為1/3等於1/3;如果在距離聲源甚遠的地方取一極小段的球面波來看,就可以發現好像是平面波,所謂的平面波就是波前形成一連續的平面而且同向,圖1.1與圖1.2所示的都是平面波;圖1.2示出每段相同時間內聲波的壓力(阻壓)和空氣質點速度(質速)的變化情形,聲壓P由圖中的小壓力計示出,空氣分子流動的方向及大小即質速,由u下面的箭號指示出,從圖中可以明顯的看到每一時間的聲壓和質速是成比例的。

AT-20-002.jpg

  圖A充滿壓縮空氣的汽球置於靜止空氣當中,黑色的地方表示氣球,灰色的地方表示周圍靜止的空氣, 下面的曲線是表示壓力的變化程度;

  圖B,氣球爆破,壓縮的空氣開始向各方向擴散;

  圖C,0.01秒後,聲壓的波動傳了11呎,此圖可以看出在一處密集的空氣會尾隨一處稀疏的空氣,密集處以黑色表示,稀疏處以淺灰色表示;

  圖D,0.02秒後,聲波傳了22呎,注意圖上的壓力最大值與最小值之差比圖C還小,這是由於聲壓的振幅與聲源的距離成反之故;

  圖E,0.1秒後,聲波已傳了110呎,此時聲壓的振幅更小。

AT-20-003.jpg

  一週期為360°,每一圖片間隔45°,壓力計指出空氣流過壓力計時的壓力,當指針朝上時壓力為常壓,當指針順時針方向偏轉時則壓力大於常壓,當指針逆時針方向偏轉時則壓力小於常壓; u 下面的箭號表示質速的方向及大小,箭號的方向表示質速的方向,箭號的長短表示質速的大小;曲線則表示聲壓或質速的變化;在圖中黑色表示壓力大於常壓的地區,灰色表示未受干擾之空氣,其壓力等於常壓,淺灰色表示壓力小於常壓的地區。

註三:如何製造一個理想的二次聲源,一向是揚聲系統科學家們研究的重點。在理論上,一次聲源(樂器或人聲等原始聲源)和二次聲源,在發音的要求特性上是完全不同的。一次聲源可以允許失真,二次聲源卻要力求避免失真。但是除去球體的漲縮可以形成完整的沒有前後相差的聲音外,任何形狀物體的振動,都有前後之分,那麼在臨界面上,便會產生錯亂失真。有關這個問題,美國麻省理工學院的Amar G Bose教授在1956到1960年間即曾全力實驗研究一種理想的波動球體。可是到後來這個理念卻被事實所迫而放棄,轉向Bose 901系統的研究(和波動球體理論完全不同)。究竟為什麼會那樣呢?主要的還是,實際上我們所要求的並非二次聲源,因為大多數人都把喇叭看成是樂器的一種,希望它發出美好的聲音。

AT-20-004.jpg

1.4 聲音的產生

  前面已提到,在空氣中振動物體就可以發出聲音,最簡單的是活塞的振動,如圖1.3所示,活塞由曲柄和連桿推動而前進後退;在圖1.3A中示出整個活塞及靜止空氣的發音系統;圖1.3B,活塞向前壓縮空氣,為了簡單起見,活塞後部的情形沒有示出;圖1.3C,壓力波動了半個週期,活塞處的壓力等於常壓;圖1.4D,活塞處的壓力已降低至比常壓還小;圖1.3E,已進行了一個週期,活塞處的壓力又恢復常壓,此時已有比常壓高與低的二最大點出現;圖1.3F,已完成三個週期;1.3G,已完成6個週期。如同此類型的聲音產生裝置,有鋼琴的響板、豎琴的響板、提琴的琴身、鼓、鈸、揚聲器的振膜等。

AT-20-005.jpg

  另外一種很平常的聲音產生裝置,就是使空氣經過一狹小的閥口而使穩定的氣流產生脈波而發聲的,如圖1.4所示,圖中包括一個由馬達帶動的偏心輪盤的閥;圖1.4A示出整個系統;圖1.4B,閥口部分打開,高壓的空氣擴散出而形成脈波;圖1.4C,閥口全部關閉,而閥口處的壓力又回復到常壓,這樣就已經完成一個週期了;圖1.4F,已完成四個週期;這種類型的聲音產生裝置,有人的聲音、喇叭、唇管樂器、豎笛、薩克斯風、低音號、風琴和其他的管樂器、號笛等等。

1.5 聲波的進行速度

  波速度與質點的速度並不相同,舉例說水波的波紋擴大的快慢視波的速度,而水分子上下振動的快慢是質點的速度。聲波的進行速度,就是聲波的速度,稱為聲速,在定溫下聲波的速度是一定的,聲速以式子來表示為

AT-20-017.jpg

在定溫下壓力的增加,密度也會隨著增加,因此在在定溫下的壓力變化並不能改變聲速度,所以我們將聲速度表為溫度的函數。(註四)

AT-20-018.jpg

註四:聲波在空氣中的速度,雖然受溫度或壓力的影響,而在較大的聽聲環境中,氣壓或溫度也可能影響音響效果,可是在實用上,我們卻無法以調節溫度或增加壓力的方法來調度室內聲波的速度,以改變駐波情況。換句話說,把溫度加得很大,聲波傳播速度的改變仍然有限。

  但是在喇叭系統的設計上,卻可以利用這個原理以增大音箱之實效容積,比方在反射式孔道中加填吸音抑質,除能改變諧振Q值之外,也有控制音速改變波長的效果。

1.6 聲波的頻率

  在1.4節可以見到一列相似的聲波,每一個相似的聲波形成一個週期,這些相似的聲波以相同的聲速來進行,每秒鐘經過某一定點的聲波數或週期數,稱為聲波的頻率,或稱為聲頻。

1.7 聲波的波長

  聲波的波長,就是一個完整的聲波長度,又聲頻是每秒鐘通過某一點的聲波數,因此聲波長與聲頻的乘積就是聲速了,以式子示之為

AT-20-019.jpg

1.8 聲波的壓力

  聲波是由於高於常壓及低於常壓的壓力波動形成的,參照1.3節及1.4節。

  某一點的瞬時聲波的壓力,定義為該點的瞬時空氣壓力減去常壓的值,瞬時聲波的壓力稱為瞬時聲壓。

  有效聲波的壓力,即為有效聲壓,定義為瞬時聲壓的RMS值,單位為達因/厘米²,一般所謂的聲壓是指有效聲壓。

1.9 聲波的質點位移與質點速度

  當聲波經過時,質點從未受干擾時的位置開始運動而產生位移,一般的聲響及音樂的聲波的質點位移,大都在千分之ㄧ米左右,比如說在距離一個說話者10呎的地方,質點的振幅大小也只有百萬分之一吋而已。質點的運動週期與聲波的週期相同,而且質點速度;就是質速,與聲速必存在著一個關係,以式子示之如下

AT-20-020.jpg

1.10 聲波的強度或功率(註五)

  從以上的討論,可以知道聲波進行的過程當中必有能量的傳遞,聲波傳遞能量的大小叫做聲波的強度,亦稱為聲強。

  對某一點某一方向的聲波強度,就是聲波每秒傳遞經過垂直這一方向,且過這一點的平面單位面積的能量,單位為爾格/秒、厘米²

  平面波的聲強為

AT-20-021.jpg

註五:聲和電一樣,當其能量被傳遞時亦有阻抗現象,因為聲壓高不一定代表聲功率強,聲功率也未必一定質速快。尤其是聲強、聲壓、質速都不能表示聲音大不大。

  號筒式喇叭的設計,主要就是利用聲阻匹配的原理,使一質速高,聲壓低的聲音,轉換為聲壓高、質速低的能量結構而傳遞到自由空間。它和使用變壓器的情況極為相似。

1.11 分貝

  在音響學中的聲強、聲壓、質速等值,常常甚大,因此必須用縮小的單位來描述較為方便,分貝就是一種縮小的單位,一般寫為 decibel 或 dB 。

  分貝的定義就是二個功率比值的對數值的十分之ㄧ,例如有P1 P2 二功率值,則分倍數為

AT-20-022.jpg

  但是當功率比值為電流比值或電壓比值或其他類似量比值的平方時,分貝數則變為

AT-20-023.jpg

電流、電壓、功率的比值和分貝的關係如表1.1所示。

AT-20-006.jpg

1.12 聲波的都卜勒效應

  由於聲源和聽者間距離的改變率,使得聲頻改變的現象,叫做都卜勒效應,最常見的例子是汽車或火車經過時的喇叭聲或汽笛聲。

  當聲源與聽者互相接近時,頻率會升高,當聲源與聽者遠離時頻率會降低,聽者所聽到的頻率以下式表示

AT-20-024.jpg

  在式(1.10)中,風的影響並沒有考慮到,若考慮到風速時,U 必須改為U+W, W是在聲速的方向的速度,將此代入式(1.10)得

AT-20-025.jpg

  注意由式(1.11)可知,若聲源與聽者間沒有相對運動的話,風的影響並不能使頻率改變的。(註七)

  1.13 聲波的折射

  由聲波在介質中速度的不同而使得傳播方向改變的現象,叫做聲波的折射;因為波前速度的不同就會產生折射的;在大氣中的聲波可能折射向上或折射向下,完全是聲波在不同氣層中的速度而定的,而氣層的不同是由於溫差的關係而來。

  圖1.5就是聲波在地表折射的例子;圖1.5A示聲音折射向上,較不易被聽見,這情形大多在早晨;圖1.5B是聲音折射向下,較容易被聽見,這情形大多在晚間;由此可以知道,因介質密度的不均,會產生折射而來得聲音損失的。

AT-20-007.jpg

  S表示聲源;圖A示出靠近地表的空氣溫度較高,上空的溫度則較低,聲速在高溫時比低溫為快,因此聲波必折射彎向上空;圖B則示出相反的情形,靠近地表的空氣溫度較低,上空的溫度則較高,因此聲波折射彎向地表;像這樣聲波傳遞的方向,因在介質中速度的不同而改變的稱為聲波的折射。

1.14 聲波的繞射

  當聲波經過障礙物或狹縫而改變方向的現象稱為聲波的繞射,聲音可以轉過建築物的牆角、可以越過圍牆、可以經過打開的窗戶而傳遞,這就是聲波的繞射現象,聲波波長愈大於障礙物則繞愈厲害,由於聲波波長大於大部分的障礙物或狹縫,因此我們聽到聲音並不困難,一般而言聲音愈低愈容易繞射,繞射現象的基本性質可以用下向的四個例子來說明。

  如圖1.6示出聲音傳向一帶有狹縫的牆,而聲波波長大於狹縫的寬度,從圖中可以見到經過狹縫的波向各處傳播,因為只有一小部份的聲波通過狹縫,而大部分的聲波都反射回來,所以傳遞的能量極小。

AT-20-008.jpg

  聲波由波源S傳向強悍狹縫,狹縫的寬度小於聲波波長,大部分的聲波由牆反射回來,指一小部份聲波通過狹縫,通過狹縫的波向各方向傳播好像狹縫是一個聲源,像這樣聲波通過狹縫而傳播的現象叫做繞射。

  如圖1.7示出狹縫比聲波波長大時的情形,雖然通過狹縫的能量較多,但是因為繞射較小,所以傳播的方向也較小了。

AT-20-009.jpg

  聲波。由波源S轉向牆和狹縫,而狹縫比聲波波長還大,在這情形下,通過狹縫的能量較大,但傳播的方向卻又受狹縫的限制而較小了。

  如圖1.8示出當聲音經過一個障礙物,而此障礙物比聲波波長還小,從圖中可以看出聲波向障礙物後方彎曲,而幾乎沒有陰影,又因聲波波長比障礙物大之故,反射的波可以忽略。

AT-20-010.jpg

  聲波由波源傳向障礙物,此障礙物比聲波波長還小,在這情形下,聲波向障礙物後彎曲而幾乎沒有陰影,像這樣聲波向障礙物後彎曲的現象亦叫做繞射,因為波長大於障礙物所以反射的情形可以忽略。

1.15 聲波的反射

  如果聲波在空氣中碰到巨大、厚重、堅硬的牆時,聲波會反射回來,反射波好像是從聲源的像產生的,如圖1.9所示就是;像聲源的強度與原來聲源的強度一樣,聲波如果遇到厚重、堅硬的物體,而此物體比聲波長大的話,反射波就幾乎可以忽略了,如圖1.8所示就是。

  入射波與垂直反射面的法線呈一個角度時的反射情形如圖1.10所示,由於反射面大於聲波波長,故所有的入射波皆會反射回去,入射波方向與垂直反射面的法線的夾角稱為入射角,反射波方向垂直反射面的法線的夾角稱為反射角,由圖1.10可知入射角等於反射角的,圖1.10之反射波仍然可視為由聲源S之像產生的。

  所謂的回聲,就是當反射波返回時有足夠的強度,且較直接傳播的聲波為慢而產生的,較多的不同反射波可以得到較複雜的回聲。

  如圖1.9示出障礙物比聲波波長還大,則在障礙物後有一大片陰影,而且碰到障礙物的聲波都反射回來。

註六:聲音的量度使用分具尺度,除了變量大之外,最主要的還是利用了同感增量的原理。換句話說,任何一分貝的增量都代表了倍的增加。這樣不會使你產生一種錯覺,認為瓦的音量已快使你受不了,如果用到瓦,必然會「爆炸」或使聽覺受損害。

註七:揚聲系統之需要分音,其原因之一乃是都卜勒效應,會使得重置在低音振幅上的高音會產生調頻失真。也就是低音在正相位時,高音頻會與低音頻相加,而低音在負相位時,高音卻與低音產生相減的效果。

AT-20-011.jpg

  聲波由聲源S傳向障礙物,而障礙物比聲波波長還大,在此情形下,障礙物後有一大片大陰影,因為障礙物大於聲波波長,故大部分聲波反射回來,反射波好像是從障礙物後一點產生的,而此點距離障礙物與聲源距離障礙物的距離相等,好像是聲源S之像。

1.16 吸音

  當聲能經過介質或碰到物質表面而消失的現象稱為吸音,一般而言聲能消失時則轉變為熱能;多孔性的物質可以做吸音材,其原理為空氣分子經過小孔時,最外層的分子與孔壁磨擦,速度就減慢了,緊接著內層也因為磨擦速度也變慢了,由於這些磨擦就把聲能變為熱能了,例如地毯、窗帘、沙發都是極佳的吸音材料,因為他們都是多孔性的物質,吸音材料的吸音效果可以由設計小孔之長度來決定,吸音材料雖然將聲能變為熱能,但只是部分的波而已,有些波會被反射或通過吸音材料的。(註八)

註八:雖然吸音的原因是由於聲音鑽到多孔性物質裡去後,由於亂射而制轉換為熱能,但是在做低吸音處理以計量吸音抑制的吸音能力,卻與完全開放的面積來計算的。比方某一面積的牆再敷以三寸厚的玻璃棉後,其吸音程度可能等於公尺平方的窗口一樣。

  另外,吸音既是由於亂射所形成,所謂多孔性物質其孔徑的大小,就會影響對不同頻率聲波的吸收量,例如一般的窗帘、地氈,差不多只能吸收高音,而對中低音毫無影響,如果要吸收中低音,可以把牆上做成無數的聲結構,所謂無響室就是用這個原理設計出來的。

AT-20-012.jpg

  聲源由S處傳至反射面,反射面比聲波波長還大,在這樣的情形下,大部分聲波皆被反射回來,入射波方向與垂直反射面的法線夾角為XJ,反射波方向與垂直反射面的法線夾角為XR,由圖知XJ與XR是相等的,注意例中反射面後為一完全的陰影。

1.17 聲波的傳遞

  聲波須在適當的介質、系統中才能傳遞的。

  事實上說來,任何的反射、吸音物質都會有反射、吸音、傳遞的作用,只不過程度不同而已,如圖1.11就是一個同時有反射、吸音、傳遞作用的例子。傳遞損失是指從一點至另一點的傳遞過程中,功率的損失,一般用分貝數表示之。

AT-20-014.jpg

1.18 駐波(註九)

  當二相同的波反方向相遇時,有一些點、線或面的振幅為零,這種現象叫做駐波,這些振幅為零的點、線或面稱為節,而有極大振幅的點、線或面稱為反節,振幅可以為壓力或質速,如圖1.12所示就是駐波的例子;圖1.13示出駐波的稀疏和密集的關係,從圖中可以發現稀疏和密集的位置總是在二個節當中的,又圖中亦可看出壓力和質速是不同相的,其相差為90°,但在1.3節、圖1.2中的波;壓力和質速是同相的。

  以上所講的只是些較簡單的駐波,這類型的駐波可以由平面被同一垂直反射面傳播而形成,較複雜的波可以由一個室內牆壁具有反射或部分反射作用的房間產生。

AT-20-015.jpg

(註九) 駐波(Standing Wave)在所有類型的波動(光波、磁波、電波、聲波、水波)中均會發生,用專門的術語或理論來解釋它時,常不易使人明白駐波的實際現象。

  實際上,所謂駐波乃是相對於「進行波」而言的。在我們所接觸到的波動類型中,大多有移動的特性,例如聲音會由此點傳到彼點,電波更能自天線向四面八方迅速傳播。

  事實上,此種含有移動特性的波,不過是波動形式的一種而已。除了會移動的波之外,還有一種波是不移動的,它只是在原來的位置反覆地振動,這就是駐波。

  駐波的例子,例如扳動一片簧片或一條弦,於是簧片或弦開始振動,這個振動就成為「聲源」它和一般所稱「聲音」不同的地方乃是;聲音對某一位置或質點來說,只是振動一次後就復歸寧靜,除非後面不斷地有波傳來。這種現象可以參考圖1.1的說明:一個氣球爆破,於是一個形成球面的聲浪向四面傳開,於是不管你在任何一個位置聆聽,都只能聽到一次的振動。而簧片或弦的振動卻不一樣,其振動能量因為機械上的原因,無法迅速傳開,於是便產生往覆不停的振動,直到能量逐漸消失為止。

  波之會傳播,主要需要有類於自由空間的傳播介質。對於聲波來說,一片極為空曠的空間,就是具有自由空間特性的傳播環境。在此環境中,聲波永遠是向遠離聲源的方向前進的。可是與此相反,假如把聲源置於一個有限的空間中,四面被介質特性相差極大的物體所包圍,那麼聲波碰到了四面的牆必然會反彈回來,到了另一面牆又再次反射,如果從單反射的現象來看這些反射的波,當然還是進行的,但是假如第一次反射和第二次反射的波,固定在某一點上相遇時,這一點上的聲能量永遠最高,於是聲音好像就停下來不走了一樣,這就是所謂的駐波。

  駐波的考慮在式內音響設計中是一個極為重要的事情。尤其是在我們一般的居住環境之中,大小總是相去不遠,以波速換算頻率,便很容易在之間產生室內駐波,形成空間共鳴現象,使得在室內的某一位置有低音特別強的情形。其避免的方法就是儘可能地製造不規則的反射面,而一般劇院歌廳的牆面或天花板總是做成不規則的曲面,就是這個道理。

AT-20-016.jpg

圖1.13 在一週期的平面柱波的壓力和質速關係。實線表示壓力的振幅;虛線則表示質速的振幅,黑色表示空氣密集的地區,灰色表示未受擾動的空氣,淺灰色表示空氣稀疏的地區,箭號指出質速的方向;在時間為0°,180°,360°,時質速與未受擾動時一樣,在90°,270°,壓力與未受擾動時一樣。

1.19 聲波的散射

  將複雜的聲波分成一些成分的波,稱為音響散射,其原理是利用不同頻率的波在介質中有不同的速度,而有不同的折射角而散射的,利用與光學稜鏡類似的音響稜鏡就可以使聲產生散射現象。

1.20 聲波的方程式

A平面聲波

  簡諧平面聲波朝正X軸方向傳播時,其壓力的方程式為

AT-20-026.jpg

  比較式(1.12)及式(1.13)知壓力與質速在平面波時是同相的,壓力與質速的比值稱為

AT-20-027.jpg

pc 介質的音響阻抗。

B.球面聲波

  點聲源發生的球面波,其壓力方程式為

AT-20-028.jpg

其他值定義於式(1.12)

由方程式(1.15)可知壓力與聲源之距離成反比

  質速的方程式為

AT-20-029.jpg

由方程式(1.16)知u與r和r²成反比,除了r極大時球面波變為平面波時,壓力與質速是不同相的。

C.駐立聲波(駐波):

  駐立的平面聲波的壓力方程式為

AT-20-030.jpg

從方程式(1.17)與方程式(1.18)知壓力與質速的相差為90°

轉載 音響技術第20期AUG 1977 音樂工程學/聲音的藝術與科學/1 聲音/莊建雄 譯述 唐凌 校註

    全站熱搜

    蘇桑 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()