音响空间常识100问之一

视听发烧网 03-31 3626

前言：

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音响空间常识100问之一

刘汉盛刘汉盛音响论坛

1问：听人说过，有关听觉的音响有分生理音响学（PhysiologicalAcoustics）与心理音响学（Psychological Acoustics），这二种音响学有什么不同？

答：所谓「生理音响学」指的是听觉器官接受声波、以及发声器官发出声波的一切研究。而所谓「心理音响学」指的是二耳听觉与大脑结合之后，所产生的一切认知、判断以及反应。举例而言，人耳能够接受的频率响应范围就是生理音响学的范畴；音响迷能「看到」二喇叭之间有SoundStage的存在，就是心理音响学的范畴。

当音响迷在聆听音响时，有很大的比例是受到心理音响学的制约，对不同器材、线材声音的判断、形容；层次、深度、定位、解析力的感知；以及各种调声的差异判断力，都与心理音响学息息相关。无论是生理音响学或心理音响学，都起因于我们的耳朵听到声波（SoundWave）。

2问：声波是什么？

答：物体在受到激发时，都会产生振动，而振动是来回往复周期性的，因此会推动发声体周边的空气，让空气产生疏密状的传导。而我们所谓的「声波」就是发声体以一种特定复杂的振动周期（频率）在鼓动空气，将发声体的复杂振动周期传导到耳朵，进入外耳道、耳膜、中耳、三个耳小鼓与内耳，让我们的大脑感知到声音，这就是所谓的声波。

3问：声波只能在空气中听到吗？

答：不！声波除了可以在气体（空气）中传导之外，还可以在液体与固体中传导，不过传导的速度不同。声波在空气中传导的速度大约是每秒343公尺（摄氏20度）。声波在淡水中传导的速度每秒大约1,461公尺，在海水中每秒大约1,500公尺。声波在固体中的传统速度最快，不同的金属有不同的传导速度，钢的传导速度每秒约5,000公尺，铝的传导速度每秒约5,104公尺，铜的传导速度每秒约3,560公尺。声波在木材里的传导速度比金属还慢，不同的木材也有不同的传导速度。

4问：什么是频率？

答：频率（Frequency）就是一件物体每秒振动的周期，如果每秒振动20次，此时我们就说这个频率是20Hz；如果每秒振动1,000次，我们就说这个频率是1,000Hz。通常我们都以k（小写）来代表1,000Hz，所以1,000Hz会简写为1kHz，2,000Hz就会简写为2kHz。Hz的来源是为了纪念发现电磁波的德国物理学家HeinrichHertz，所以把频率的单位（公制）称为Hz。

5问：耳朵到底是怎么接收声波的？

答：耳朵是由外耳、中耳、内耳所组成，外耳包括耳廓、耳道。中耳包括鼓膜（耳膜）、鼓室、听小骨。内耳包括耳蜗（三万多根的听觉神经纤维）、前庭、半规管。声波最终透过内耳的第八对脑神经把振动讯号传递到大脑，由大脑来解读判断。声波的传递除了经过外耳、中耳、内耳的机械作用传递之外，最后必须由大脑来做判断，所以听觉包括生理的听觉与心理的听觉。

6问：一般人能听到的频率范围大概是多少？

答：我们所能听到的频率范围跟年龄有很大的关系，年龄越大，高低二端的听觉会越迟顿，甚至听不到。以一般年轻人而言，人耳所听到的带宽大约是20Hz-20kHz，这也是为何音响器材的带宽规格大多以20Hz-20kHz为准的原因。上了中年，高频的感知能力很快衰减，能够听到16,000Hz就相当不错。有些人对于某频域的听觉感知比较弱，有些人则会比较强。例如有些人对4kHz左右的感知较不敏感，有些人则对10kHz左右的感知很敏锐。

7问：人耳能够听到的最小声与最大声的范围在哪里？

答：人耳所能听到的最小音量是0dB，也就是从0dB以上才有「声音」，事实上我们能听到的声音跟环境噪音有很大的关系，音乐厅的空间背景噪音大约在20-25dB左右，一般临大街的公寓测起来背景噪音往往高达60dB以上，很安静的公寓大约能够有35dB左右的背景噪音，这已经可以让我们感觉非常安静了。如果环境噪音太高，太小的音量会被杂音遮蔽，无法让「大脑」感知到。

人耳能够忍受的最大音量大约是130dB，此时耳朵会开始感到疼痛，再大声甚至会导致耳朵受损。

8问：每个人耳朵所听到的频率响应曲线都相同吗？

答：每个人对声音的频率响应感知会有所不同，事实上人耳对不同的频率也有不同的敏感度差异，频率越低敏感度越差，频率越高敏感度也越低。而在2,000Hz-5,000Hz这段频域人耳的敏感度比较高，尤其3,000Hz-4,000Hz这段频域最敏感（这是因为耳道共鸣所致）。这也是为何一般人都觉得大音量下2,000Hz-4,000Hz之间的频域「比较吵」的原因，处理聆听空间时这段频域要着重吸音。市面上办公室或公共空间广泛使用在天花板上的矿纤板就是用来吸收这段频域的材料。

9问：什么是基音？什么是泛音？

答：当自然界物体振动时，会发出不同的特定振动频率，而在物体的振动频率中包含基音（FundamentalFrequency）与泛音(Overtone)，基音就是某一特定音高的频率（例如1,000Hz），泛音就是该特定频率的倍频，包括二倍(2kHz)、三倍（3kHz）、四倍（4kHz）、五倍（5kHz）、六倍（6kHz）……以上「整数倍数」的共振频率产生。我们耳朵所听到的「声音」其实就是特定频率与其他所有倍数频率的混合。在乐器上，我们会说那个特定振动频率是「基音」，其他共振所产生的更高频率是「泛音」，也就是音响中所称的「谐波」。

10问：自然界中，有没有只有发出基音的物体？

答：没有，所有自然界中的物体所发出的声音都是基音与泛音的混合，没有单独存在基音的物体。单独的基音只有存在于实验室中，是人工制造出来的，如仪器所用的测试频率，通常我们称为「纯音」。

11问：为何钢琴会有钢琴的独特声音？小提琴会有小提琴的独特声音？

答：当小提琴演奏中央A音440Hz时，与钢琴所演奏的中央A音440Hz，虽然音高相同，但声音听起来完全不同，人耳能够清楚辨别钢琴与小提琴声，这是因为二件乐器泛音结构的不同所致。当小提琴与钢琴演奏440Hz音阶时，都会发出更高的很多倍频泛音，但二者这些倍频泛音的强弱会不同，称为泛音结构分布，造成小提琴与钢琴二种不同的声音。换句话说，基音决定了乐器音阶（音高），而复杂的泛音则决定了乐器的不同音色，让我们能够分辨不同的乐器，或者相同乐器之间不同的音色。

12问：如果相同的乐器会因为不同的泛音结构而听起来有所不同？音响器材会不会也这样呢？

答：是的，音响器材中有一个失真名为谐波失真（HarmonicDistortion），另有一个名词为互调失真（Intermodulation Distortion）都是造成我们听起来声音不同的主要原因之一。由于谐波失真不会只有一个，而是多个合成，所以通常称为总谐波失真（TotalHarmonic Distortion THD）。在音响器材中，相同规格的组件（例如电容器），我们听起来也会有不同的音色，这些都是不同泛音结构所致。这也是为什么音响器材从规格数字上看起来差不多，但听起来声音却不一样的原因之一。

13问：为何我们身处一个空无一物的房间时，会觉得声音很吵？定位感不清楚？

答：这是因为太多的杂乱反射音与直接音相互干扰所致。通常，直接音与「第一次反射音」到达耳朵的时间越接近，反射音越少，我们会觉得声音越清晰，发声的位置很清楚，声音与身体也感觉很接近、很亲密的感觉。反之，如果直接音与第一次反射音到达人耳的时间差距越大，或反射音越多，我们就会觉得声音越吵杂，发声的位置无法清楚定位，声音与身体也会觉得距离比较远，没有现场亲近的感觉。有些设计得当的音乐厅，即使坐在后排位置，也能感受到舞台上演奏的音乐跟聆听者很接近，这就是直接音与第一次反射音到达耳朵的时间控制得当的关系。反之，设计不当的音乐厅，往往会让人觉得舞台演奏的声音距离很远，甚至模糊不清。

14问：一般人家里的聆听空间是否也有直接音与第一次反射音相互干扰的问题？

答：一般家里的聆听空间由于不像音乐厅那么大，所以直接音与第一次反射音到达耳朵的时间不会差距太大，不过第一次反射音的量如果太强，会干扰到直接音，此时就会觉得定位感不佳。为了获得最好的定位感，可以在左右二侧墙第一次反射音反射的点施加吸音物质，减少第一次反射音的量，如此就可以提升地位感的清晰度。

15问：在家里聆听室听音乐时，经常会发现Bass的声音有时强有时弱，音粒时大时小，甚至轰轰然，低频把许多细节都掩盖过去。这是为什么？

答：这是因为聆听空间的长宽高尺寸所产生的共振频率使然，这种共振频率会使得聆听空间的声音染上特定色彩，我们称之为Room Mode。事实上这些轰轰然的低频也包含我们以下会提到的驻波，驻波跟Room Mode是一体的二面。空间中的长、宽、高尺寸都会跟乐器一般，产生一个最低的共振频率，以及二倍、三倍、四倍、五倍、六倍、七倍……..的倍频共振频率，假若长、宽、高所产生的共振频率不会相互重迭，那就不会产生让耳朵轰轰然的过多中低频与低频。反之，如果房间的长宽高尺寸所产生的共振频率有太多重迭处，就会产生好几个低频峰值，让音乐听起来失去平衡，也会把音乐中的许多细节掩盖。

16问：到底要怎么知道长宽高的共振频率是多少Hz？

答：很简单，有一个共振频率的公式可以使用，那就是：最低共振频率＝音速（343公尺）除以（房间的长、宽、高X2）。例如一个聆听空间的长度是9公尺，那么长度的最低共振频率就是343公尺除以（9公尺X2）＝约19Hz。除了最低频率处是最强烈的共振频率之外，还有2、3、4、5、6、7、8 ……倍频的共振，不过倍数越高，共振的强度就越小。

长度如此计算，宽度与高度也是如此计算。假若房间的宽度是6公尺，最低共振频率就是343公尺除以（6公尺x2）＝28.5Hz。同样的，宽度也有2、3、4、5、6、7、8 ……倍频的共振。

假若房间的高度是3公尺，那么最低共振频率就是343公尺除以（3公尺X2），约57Hz。

17问：聆听空间中长宽高所产生的相关共振频率是怎么重迭的呢？

答：让我们把上述长宽高的最低共振频率与倍频共振频率都列出来看：

长度：19Hz、38Hz、57Hz、76Hz、95Hz、114Hz、133Hz、152Hz。

宽度：28.5Hz、57Hz、85.5Hz、114Hz、142.5Hz、171Hz。

高度：57Hz、114Hz、171Hz、228Hz、285Hz。

通常，会让我们耳朵觉得轰轰然有压力的频率大多在200Hz以下，现在我们来检视上述长宽高尺寸有几个重迭的频率。结果可以看出57Hz有三个重迭，114Hz有三个重迭，171Hz有二个重迭，这三个频率就是会让我们听起来觉得中低频、低频轰轰然的元凶。

18问：难道每个房间都会有低频驻波相互重迭的问题吗？

答：只要是矩形空间，就一定会有这个问题，因为声波的行进有一个特性，那就是「入射角等于反射角」。由于有这种特性，所以只要是二个平行墙面之间就会产生在相同位置不断反复、不会行进的声波，我们称这种不会行进的声波为「驻波」（StandingWave）。

19问：既然驻波形成的要件是「二个平行的墙面」，如果我们让墙面不要相互平行，是否就可以解决驻波的问题？同时也解决低频共振相互重迭的问题？

答：理论上只要聆听空间内没有二二相互平行的墙面，驻波就无从产生。但是长宽高的相关共振频率还是存在，只是因为驻波消失了，共振频率的强度也大幅降低，同时也无法产生重迭的共振频率，所以理论上可以同时解决驻波与共振频率的问题。这也是为何音乐厅内部大部分都采用不规格造型的原因。