聲學-基本性質

[Bossa_Nova]

聽覺的特性：
首先，聲音就是有東西在震動，然後這種震動藉著空氣傳到我們耳朵裏，當大腦接到訊號後，會分析聽到的結果，這才是我們最後聽到的聲音。

就像有很多光我們看不到，也有很多聲音我們聽不到，如超音波或超低波，也就是說如果頻率太高，也就是這個物體每秒鐘震動的次數太多，或著太少，我們的耳朵都聽不到。通常我們可聽到的範圍公定為２０Ｈｚ到２０ｋＨｚ，也就是每秒２０次的震動到每秒兩萬次的震動。幾乎所有的音響都是以這個範圍為基準。但正常人能聽到的範圍比這個公認值小多了，通常高頻能聽到１５ｋ就算正常，而低頻幾乎沒有人能聽到５０Ｈｚ以下。但雖然聽不到，大家卻都能感受到５０Ｈｚ以下的震動，因此可以說５０Ｈｚ以下的頻率不是用聽的，而是用身體感覺的，這點非常重要，大家一定要牢記在心。

第二個重點是我們的耳朵，或著應該說我們的大腦吧，對聲音的大小聲的感覺並不是線性的。也就是說如果有一個聲音的能量是另外一個聲音的能量的兩倍時，我們聽起來卻不是響一倍。反而是能量是十倍的聽起來好像是兩倍大聲。舉例來說，一個２０瓦的擴大機開到最大，聽起來卻不是１０瓦擴大機推出聲音的兩倍大聲，必須用一個１００瓦的擴大機才能推出１０瓦擴大機音量的兩倍。這種特性剛好是數學上所謂的對數的特性。因此我們就用對數，來測量聲音的大小聲，也就是所謂的響度。因為大小聲本聲就是一個比例關係，所以響度就規定聲音的能量和我們能夠聽到最小聲音的能兩的比例，然後取對數。公式是這樣

　　　　　　　　　　　　Ｌ＝log (I/I_0)

其中Ｌ是響度，log是以十１０為底的對數，Ｉ就是聲音的輸出能量，而Ｉ_0就是我們聽覺的下限，他的大小在MKS制中是

I_0=1*10exp(-12)

也就是每秒通過一個一公尺見方的開口的能量為10的負12次方時的聲音大小。這個音量實在非常非常小，正常人通常聽不到，當然也有人號稱能聽到比這個音量還小的聲音。

響度的單位為了紀念貝爾，就叫做貝，但後來發現他的單位本生太大，使用起來總是要使用小數點，因此後來改以貝的十分之一作單位，就叫做分貝(dB)，上面的公式也就需要再乘以１０，變成

　　　　　　　　　　　　Ｌ＝10*log (I/I_0)

用上面的公式，我們聽覺的下限就是0分貝，當能量是他的十倍時，就是10分貝，一百倍時就是20dB，一千倍就是30dB，以此類推。我們平常講話的音量大約在６０到７０ｄＢ，聽音樂開的比較大聲的時候大約在９０ｄＢ，晚上睡覺時比較安靜，大約４０ｄＢ，搖滾演唱會可以到120dB，當音量高過130dB時，我們耳朵會開始痛，我們就定130dB當作聽覺的上限，但並不表示超過130dB就聽不到了，而是會受不了。長期曝露在噪音底下，我們的聽覺會很容易受傷而變的越來越不敏感，甚至有些頻率會再也聽不到。通常超過８０ｄＢ的噪音就很危險，大家練團時不要忘了保護我們的聽力，否則以後聽不到了，還玩什麼音樂？

因為街上卡車的聲音可以超過100dB，而要能夠舒適居家的音量最好部要超過40dB，因此住家環境的隔音能隔離60dB的音量就算理想，但60dB表示要使外面的音量降低為原來的10的6次方分之一，也就是一百萬分之一，換句話說，要隔掉99.9999%的音量，從這裡可以看出隔音本身就是個多麼困難的事情。普通窗戶只能隔開約２０ｄＢ的音量，也就是隔離９９％的能量，但這樣已經算很差了。

我們耳朵的特性除了對音量的對數性質外，還有對不同的頻率的敏感度也不一樣。普通然最敏感的頻率在３ｋ左右，越高頻越不行，而低頻更不敏感。更奇怪的是這種敏感的程度，在不同音量也不一樣，對高低頻，音量越小敏感程度就越差，因此在大音量時聽起來差不多大小聲的兩個頻率，在小音量時聽起來會覺得中頻比較大聲，因為我們對高低頻不敏感，因此在越小音量時，比起３ｋ左右的頻率的音量差異也越大。在不同音量聽起來所有頻率的大小聲都一樣時對不同頻率所需的大小聲畫圖出來就叫做等響線。等響線不只影響我們對音樂的判斷，當然也決定了隔音的效果。因為我們對不同頻率的敏感度不同，所以等響線是以1kHz的響度為準，也就是說如果在1kHz的音量是60b，在100Hz的音量可能要90dB我們聽起來才會一樣大聲，但我們仍然稱為這是60dB的等響線，這種為了配合我們耳朵的特性而採用的測量聲音大小的曲線叫做A加權，測量出來的音量苡dBA為單位，另外一種比較平的曲線叫做C加權，單位就是dBC。另外音響的輸出通常也以dB為單位，不過那並不是音量，而是訊號，所以用的基準並不一樣。有用１瓦作基準的，也有用１伏特，相對應的單位就是dBW和dBV等。



我們聽力的第三個特點是會自動的把聽到的聲音分解為基音和泛音，也就是一個樂音的最低頻率和它的整數倍的頻率。分解不出來的就不能稱為樂音。這種特性決定了很多製作樂器與音響的原則，也因為如此，不管是ｅｑ或頻率分析儀上面的頻率設定都是以倍數分佈，例如平常分析殘響使用的頻率都是以５００Ｈｚ為準，然後向上取倍數，１ｋ，２ｋ，４ｋ，向下取２５０Ｈｚ，１２５Ｈｚ。每一個倍數之間叫做一個八度，在一個八度之間多取一個頻率，就叫做１／２八度，相鄰兩頻率間的倍數剛好是根號２倍，也就是約１.４倍。在一個八度間取三個頻率就叫做１／３八度，相鄰兩頻率間的倍數就是２開三次根號倍，也就是約１.２６倍。１／３八度的ｅｑ很常見，如果從２０Ｈｚ開始算，第二個頻率就是２０的１.２６倍，也就是２５.２，第三個頻率就再乘１.２６得到３１.８，通常進位得３２，然後接下來就是４０Ｈｚ，以此類推，這種八度音的特性就是針對我們耳朵頻率分析的特性而來的。另外一個很特別的特性是，當我們聽到一組以一個基音為倍數的泛音時，就算我們聽不到那個基音，我們的大腦會自動的補上那個頻率，讓我們以為我們聽到了那基音。因此當喇叭太小無法推出很低頻率的基音時，我們卻仍然可以聽到那根本不存在的貝司低頻。所以真正判斷低頻，應該是用身體去感覺，而不是用耳朵去聽，耳朵其實很容易受騙的。

聲波的特性：
聲音必須藉著媒介傳到我們耳裏，這個媒介當然是以空氣為主，因此聲波在空氣裏的性質也很重要。首先聲音在空氣裏傳播的速度約每秒３４０公尺，而且隨著溫度增加。這意味著聲波一秒鐘大概就可以跑操場快一圈。因為波速等於頻率乘以波長，一個頻率為２０Ｈｚ的聲波，它的波長約為１７公尺，這比我們的房子都長，而一個頻率為２０ｋ的聲波，他們波長卻只有１.7公分，大概只有我們手指頭的寬度。波長越長的聲波，越容易轉彎，也必較不容易被擋住，而波長較短的聲波比較會走直線，因此較容易被擋住。而通常要吸收較長波長的聲波，也必須比較大的吸音材料，所以低音會比高音難吸收。在空氣裡面傳播的時候，高音比較容易被空氣吸收，而低音比較不會，所以在辦演唱會時，越遠的地方反而低音越清楚，高音就聽不到了。也因為如此，船的汽笛因為需要傳播很遠的距離，所以都是用很低的聲音。男性的聲音比女生低，恐怕也是在戶外比較傳的遠的關係。女生的高音，在室內比男性的低音容易聽的清楚恐怕也有關，不過這有待人類學家去探討了。

當喇叭產生聲音時，因為偶合（coupling)的問題，也就是如何把紙盆的震動傳給空氣，低音需要較大的喇叭來推動，而高音可以用較小的。所謂偶合可以看作丟球，如果球太輕，我們無法把我們的力氣完全使出，變成球的能量，這樣丟這個球的效率就很差，大部分的能量消耗在我們自己的身體裏，而如果球太重，費盡力氣也丟不遠，這樣也無法輸出我們的能量，所以一定有一個球的重量剛好，我們可以給他最大的能量，對不同的力氣有不同適用的球重，這就是偶而的問題。不只在喇叭，在任何電路輸出，輸入的部分，偶合都很重要，否則不是效率差，容易發熱，就是雜訊太重，訊號太弱。因此要產生越低的聲音，喇叭就要越大的尺寸。或著利用其他增加負荷的裝置來增加低音喇叭的效率。如共振箱，導管，開口，等等。

用大喇叭來推低音時又碰到另外一個問題。當喇叭越大時，所推出的聲音就越容易集中在前方，目前的理論是說當聲音的波長短於喇叭的周長時，就會集中在喇叭前方，我們說有指向性，而波長較長的聲音就沒有指向性。這樣造成如果用很小的喇叭推高音，雖然效率高，但卻只有在正前方才聽的到，或著用較大的喇叭推低音，但卻浪費很多能量讓聲音發散到喇叭後方沒有聽眾的地方，這對喇叭的設計影響很大，尤其是必須推出大功率的ｐａ喇叭尤其重要。像吉他大多使用１２吋的喇叭，主要是為了它的音質，但如此約在１ｋ以上的頻率都集中在正前方，如果你站在音箱的旁邊，聽到的大多是中音而已。

另外因為樂音有著八度音的特性，所以在低音的八度裡面的頻率會比較少，例如２０到４０為一個八度，之間只有２０個頻率（如果１Ｈｚ算作一’個’的話）。可是在高音的八度部份會有較多的頻率，例如１ｋ到２ｋ也是一個八度的間隔，可是裡面有２０００個頻率。因此如果每一個頻率的輸出能量都一樣的話，高音會聽起來大聲多了，因此必須按照八度的部分音比例降低能量的輸出，也因此，低音會遠比高音需要較多的輸出能量。

環境的影響
要讓聲音完全不受環境的影響，除非把喇叭放在周圍空無一物的地方，最好連地板也不要，所以在半空中最好。這樣顯然不切實際，但這是唯一能聽到喇叭真正聲音的方法，在實驗室裡有所謂的無響室（anechoic chamber)，可以吸掉所有的回音，但不管是在我們家中或錄音室，總是沒辦法去掉環境，也就是房間造成的影響，而且完全去掉也不一定好聽，所以玩音樂的不可不知房間對聲音的影響。

房間對聲音的影響就是殘響與駐波，兩個都是因為房間的反射而造成的。所以也可以說這兩個效應其實是同一種。無論如何，先討論殘響吧。

殘響是從音源（就說喇叭吧）發出的聲音，經周圍的牆壁或地板，天花板等反射後在達到我們耳朵的效果。想想聲波的速率每秒可以跑三百多公尺，因此在普通長寬不到五公尺的房間在一秒鐘之內可以反射６０次，每次的能量加在一起，就是所謂的殘響，因為這些反射的聲音在音源關掉了以後還可以維持一段時間，所以叫殘響。大家規定當殘響的強度掉到原來強度的６０ｄＢ以下所需要的時間就稱為殘響時間，又稱ＲＴ６０．這個時間代表著某個房間反射的程度，是個非常重要的指標。

因為在任何房間都很難完全去掉殘響，所以設計喇叭時如何將殘響的效果考慮進去也是一門學問，但如果我們聽的位置比較靠近喇叭，這時從喇叭直接出來的聲音比殘響的聲音要大，此時殘響就比較不重要，為這種目的設計的喇叭就叫作近場喇叭，錄音室的監聽喇叭就是這種。而如果離的太遠，殘響的聲音比直接音大很多，就叫做遠場，而在中間的位置直接音和殘響同樣重要，這就是我們多數聽音響喇叭的位置。

從音源發出聲音中經過最短的反射路徑會第一個到達我們耳朵，接著第二聲再傳到，然後第三聲，第四聲，直到反射回來重複的越來越多，我們已經無法分辨，才叫做殘響，剛開始可以分辨的聲音叫做迴聲（echo)。可能很多人對迴音的定義並不一樣，有人把殘響當作迴音，但這是美國聲學委員會作的定義。這種可以分辨的迴音又叫做早期反射，對聽音響的人要儘量避免，因為很不自然，而連續的殘響沒有方向性，只能增強聲音，所以只要能夠好好控制，反而可以讓音樂聽起來更好聽。要避免產生早期反射，大多數音響玩家會建議在直接反射的牆面上貼吸音物質如泡綿，或著擴散板。擴散板就是能讓反射音朝多方面反射回去的裝置，有所謂的擴散箱，或上面凹凸不平的板子，也有所謂的二次餘數擴散板，它是由很多深淺不一的柱子所構成的板子。因為聲音擴散開了，直接反射到我們耳朵的音量也就少了很多。聽起來也會平均很多。

錄音的時候，殘響是最重要的效果器，尤其歌聲中絕少不加的，大家可以聽聽慢的國語歌曲中，歌手的尾音中是否有著一種嘶嘶的聲音，那就是殘響。因為殘響時間可以代表一個房間的反射程度，因此要測試一個房間的乾，濕程度只要看不同頻率的殘響時間就好了，如果房間的反射強，當然殘響時間就長，否則就短，這個關係早在聲學之父Wallace Sabine時就建立了。一個房間是否適合聽音樂，除了要看殘響時間不可太長或太短，通常錄音室約為0.5秒，而音控室約為0.4秒，一般家庭很少需要超過一秒的，大型演奏聽就可能到１．５秒，但還要看是不是對不同頻率是不是平均。可以以５００Ｈｚ為中心，每個三分之一八度作殘響時間測試，如果不行就得增加吸音材料或增加反射材料。

駐波是個惱人的問題，當聲波在牆壁間反射時，彼此重疊，使的在某些位置的聲音加強，而在某些位置減弱，因為形成的波形最後看起來好像在原地振動，所以叫做駐波。如果駐波只是使某些地方聲音變大那倒還好辦，我們只要坐在特定的地方聽音樂就好了，麻煩的是只有特定波長的聲波才會產生駐波，也就是那些所走路徑是波長整數倍，或是半整數倍的聲波。根據他們所走的路徑，又可以分為主軸式（axial)，也就是在兩面牆之間的反射，也有切線式(tangential)，也就是在四面牆間繞一圈，還有橢球，包含了六面牆等等。錄音室為了消除駐波，會儘量避免平行的牆和天花板。當然，善用擴散板和吸音綿也是方法之一。這種駐波對低音特別明顯，當我們聽音樂時，碰到哪個音突然會變很大聲，就是這個原因。當頻率越來越高時，會加強或減弱的頻率之間的間隔越來越小，我們就分辨不出來那些頻率是加強的，這樣就不成問題了。一個房間形成的駐波不能分辨頻率，聽起來好像是連續的最低頻率叫做這個房間的截止頻率(cut-off frequency)，它和房間的體積有關係。所以房間越小，任何玩音響的都知道就要用越小的喇叭，小房間裡用大喇叭，會使的駐波的問題更嚴重。這點所有貝司手一定要注意，我看過太多的貝司手在小練團室裏將低音開到最大，卻在抱怨聽不清楚貝司聲，然後開的更大，讓整個團的聲音都糊成一團，再來怪設備器材不夠好。

另外還有一個環境的因素就是喇叭的位置。前面說過波長越長的聲波，越容易轉彎，所以低音從喇叭出來時可以繞到喇叭的周圍，甚至喇叭的後方。這樣喇叭輸出的能量大部分都浪費了。可是對高音卻沒有這個問題，幾乎所有的聲音都在正前方。當我們把喇叭靠牆放時，這些本來會繞到喇叭後面的低音這下被牆擋住，所以喇叭發出的能量只能集中在前方，這時低音聽起來會比沒有牆的時候多一倍的能量，也就是３ｄＢ，如果我們把喇叭放在牆和地面相接的地方，這時低音能走的範圍又小了一半，因此能量也增加了一倍，變成了６ｄＢ，如果我們把喇叭放在牆腳，也就是兩面牆和地板相接的地方，這時低音能走的範圍又少了一半，因此總能量又增加了３ｄＢ，變成了９ｄＢ。所以喇叭的位置和所能聽到的低音息息相關，但高音就沒有這個問題。設計喇叭時最適當的位置是哪裏，對每個喇叭都不一樣，這點玩音響的人都知道，玩音樂的人當然不可不知。有些錄音室的監聽喇叭針對這個問題，在喇叭後面有可以配合喇叭擺放位置來調整低音的裝置，分別消減３ｄＢ或６ｄＢ不等。沒有這種裝置的喇叭就必須嘗試放在不同位置來聽，看哪個位置比較好聽。