峰点的形成——房间固有的声学响应_新闻中心

峰点的形成——房间固有的声学响应发布日期：2015-07-20 12:43:08 阅读人数:124次有了以上的声音的一些基本知识我们回头分析啸叫的形成机理，对于特定的房间，有它固有的房间声学频率响应特性，这种特性只与房间的几何结构尺寸和材料及内饰物的表面吸音和反射能力及位置相关。这种固有的频率特性是什么，又是怎样得来的呢+ J3 X( y3 \1 B- k! }7 G0 P
+ l7 L q$ n' T# B& O- E6 y
在房间里，当一个声音发出去以后，直达声呈扇面球状立体发散的传递，这些无数角度方向发出去的直达声音在遇到房间房顶、地板、四面墙壁以及内饰物、呈列物后一部分声音能量被其吸收掉，另一部分被其反射回来形成反射声；反射声经过空中传递后又进入这些物体一部分被其吸收另一部分又被其再次反射；周而复始，直到最原始的声音能量被空气和这些物体吸收怠尽为止。( h+ p0 K% I3 d; H9 s" ]2 d

+ O+ O9 M9 Y% h% ^8 s, a$ D, F 我们来具体看这个过程。很显然在声音完全消失前，房间空间的任何一点都充斥着：原始直达声＋N次反射声＝N+1次的叠加，这些无数次的反射声到达空间该点的方向、大小强弱是杂乱无章的。有的反射声到达该点与原始直达声相位相同，声音变大，声压提高；有的反射声到达该点与原始直达声相位相反，声音变小，声压降低；一般来说，越后面的反射声能量越小，对该点声压的影响越小，越可以忽略不计，通常只考虑直达声和前两三次反射声对空间某一点声压实施的影响。
, y' t$ G# ?6 M* t" l5 K
& S# n3 {' Q0 R2 l( c' G 理论和实践表明：对于特定的某个房间，只要音箱位置固定或声源的方向固定，房间空间中的任何一点都有相应固定不变的声压――频率响应曲线，该曲线表征了房间特定某一点上声音在20Hz~20000Hz不同频率点位上的直达声和反射声叠加后对该频率点声压施加的影响。
8 X0 y% A: @6 K: w- t; {% w
/ F8 ?/ z, e6 h" e可以看出20Hz~20000Hz的音频范围内，声压的大小是各不相同的（不是标准的一条直线），这是由于不同频率声音的波长不同，反射到该点路径不同，最终在该点和原始直达声的相位不同。有的频率点直达声和所有反射声相位相同，声压显著提高，我们称该频率点为峰点，声压最高的频率点叫第一峰点，声压次高的频率点叫第二峰点，依次类推；有的频率点直达声和个别反射声相位相同，声压有所提高；有的频率点直达声和个别反射声相位相反，声压显著降低我们称该频率点为谷点，声压最低的频率点叫第一谷点，声压次低的频率点叫第二谷点，依次类推；从声压－－频率曲线图还可以看出，峰点谷点往往在声音频率的中低频率段分布更多一点，10000Hz以上要少一些，这是由于材料和空气对高频的声音能量吸收快，反射少，反射声少则意味着高频声音在空间由于相位不同造成的叠加机会少，故高频段的峰谷点分布少；而中低频段的峰点分布多的重要原因是低频声音具有强绕射能力（前面讲过越是低频波长越长，20Hz时波长可达17米，明显长波在传递过程中可以很轻松地饶过障碍物，即绕射能力强）同时不易被材料和空气吸收能量，故峰点在中低频段分布多一些。- O# X1 e+ l/ |

( D! Q0 c _8 o* X- n E很显然，当房间的声压――频率相应曲线越平坦，峰谷点分布越少说明该房间还音效果越好，房间混响适中；相反曲线落差越大，峰谷点分布越多说明该房间还音效果差，该房间的混响偏重。
# s+ \0 r" y# o% B4 N8 T
5 U! c. p9 V9 X, p/ m# x房间的声压――频率响应曲线可通过粉红噪声发生仪和声压计以及扫频仪来测得。测试证明，世界一流的音乐厅，其房间听众位置的任何一点的声压――频率响应曲线更完美；这是因为建筑声学和材料声学材料作用，优秀的建筑声学大师就象优秀的调味大师一样非常懂得怎样控制直达声和反射声的混合方式和混合量的；当然通过建筑和材料来实现完美声音重现其成本是非常壮观的。
6 \3 V! w0 R1 ^! p* t- Z
% p5 J1 g" `' ~明白了房间的声压――频率响应曲线关系，同时也明白了什么叫峰点、谷点后，同时明白了声音的一些基本知识后，我们来理解扩声中啸叫的形成机理就变得易如反掌。. ]+ m6 }1 l9 `: d5 q8 ?

8 h Q* J& I) Y- y, b6 C3、反馈——啸叫的形成条件
! v) V8 J+ H4 k' [) l7 d9 d
) I6 ]; F! {% [$ @( U5 r9 n专业的说法啸叫就是自激，自激形成的条件就是系统存在信号的正反馈现象。这里有必要说明一下反馈的含义：反馈就是系统设备输出的信号通过某种途径又进入了系统设备的输入端，信号通过这个途径由输出到输入的过程就叫反馈。
/ x% f# ?: Y2 a# U9 E1 ^
8 W& @7 H i/ |. j+ _9 ^. S% A, s, \反馈分正反馈和负反馈。0 q: G7 o- G0 F& y* v6 ]

" q! j0 i' P# ^3 G. c" V1 r( J在忽略反馈需要时间的情况下，正反馈信号与原输入信号相位相同结果使输入信号变大，当然输出信号一样变大，结果使同相的反馈信号又比上一轮变得更大；如此信号每反馈一次，输出信号便增加一次……周而复始，如此循环直到输出信号强度稳定地达到系统设备的满度，这便是自激振荡，扩声上叫声音啸叫了，显然啸叫破坏了系统的正常工作，我们需要的声音被啸叫音淹没了，出不来了；负反馈信号与原输入信号相位相反结果抵消了输入信号的强度，使输出信号在一定程度内不会变大。 B! A. m8 m2 l- y

! D/ P S: ~# h对语音扩声系统来说，系统的输入端就是现场的麦克风（即话筒），输出端则为现场的音箱，反馈信号的途径就是声音在空间传播后部分进入麦克风的空间路径。声音从音箱发出声后经过各种途径包括直达、绕射或反射，最终部分声音又经过了麦克风，被麦克风拾到声音。在这个反馈的过程中，由于声音在空中的传播相比信号通过导线在系统设备中的传递要慢得多（可近似用声速和光速来相比），故分析扩声系统的啸叫机理就不能忽略反馈过程所花的时间。& ~. N( o3 u/ C2 ^- [. [' \0 z
: g- `0 G; ]; Q# b, q8 y
可以计算，当反馈的声音信号到达麦克风时，前面的原始声音音头已经过去了，这时已经无所谓反馈信号是正反馈还是负反馈了（单一的反馈声音，没有比较，就完全谈不上相位的问题）。但是为什么还是会啸叫呢？不难想象只要反馈到麦克风的声音声压＞初始的原始声音声压，只要系统设备和房间环境设备不变动的话，就会一如既往的二次反馈声音声压＞一次反馈声音声压，三次反馈声音声压＞二次反馈声音声压……周而复始，如此循环直到输出信号强度稳定地达到系统设备的满度，这便构成啸叫。故啸叫建立的时间长短取决于反馈声通过反馈路径传播所需要的时间长短，一般来说，房间越小啸叫建立的时间越短。啸叫是非常有害的一种现象，不仅让设备不能正常，而且往往容易烧毁扩声器材功放音箱等，而且有伤人耳。6 S/ \" \& ?# D
T! I- C# s" _1 _$ m' Z
通俗讲：如果将话筒与音箱现场完全分开，则音箱发出的声音永远也进入不了话筒，即反馈的这一部分开路，系统就处于开环状态，无论扩声系统声音开得多大，都不会有啸叫产生。
4 k: F' \% a, m& d, w% C: r9 t0 S2 J* ~+ Y9 ^- O
通过上面的分析可以看出，啸叫是系统处于闭环状态时不可避免发生的一种特殊情况，特殊性在于什么呢？就在于闭环的扩声系统其闭环的系统增益K闭＞1。我们首先要明白什么叫增益和反馈系数？* \# y2 U$ y# G+ B4 Q$ k; n* j# g
) ~: o$ i2 q5 i/ P5 j
增益：就是指放大倍数或叫放大量，扩声系统为什么要用音响设备啊？就是因为人讲话的声音音量太小，听众听不到或听不清，音响设备可以将声音放大后再通过音箱发音让听众很舒服地听见并听清讲话人的讲话内容，这个音响设备就是放大设备，其放大的倍数就是增益，其增益是有用的开环增益，用K开表述，K开＝设备的输出量＆#247;设备的输入量。一般常说的调整音量大小，就是调整扩音系统设备的放大量即K开。; e8 V* H, N- n( D N( k

* w2 y6 D4 c, q反馈系数：我们知道从音箱发出的声音只有一小部分反入到麦克风，并且经过数次反射和传播损耗，故到达麦克风时音量已经比原始音箱发出的声音减小了许多，减少的程度用反馈系数表述，反馈系数用F反表示，F反＝反馈到麦克风时的音量＆#247;音箱发出时的音量。可以看出在现场的扩声系统中，反馈系数F反取决于现场音箱和话筒的位置，以及房间的几何结构和固定反射面，F反几乎是不可变更的。
6 { x6 U2 B" |- G) g+ a' N" e$ J+ Y+ W+ ]! T) n4 N% }1 W- Y
显然在现场扩声系统信号的传递路径（设备内的电信号+设备外的声音信号+电声/声电转换）是一个完全封闭的环路，是闭环的。包括现场会议、语音教室、现场节目表演等，啸叫是现场扩声永远不可回避的问题，所以啸叫问题必须在闭环状态考虑才有实际意义, z+ g3 D$ s' F9 X
& p2 M* C2 M8 @( Q/ E8 n1 M
闭环增益K闭＝K开＆#215;F反，根据前面分析啸叫形成的过程可以看出当反馈声音量＞初始声音量，形成啸叫，可以计算这时K闭＞1。所以：闭环增益K闭＞1是现场扩声系统啸叫的本质原闭；闭环增益K闭＜1是现场扩声系统稳定工作的秘密。如果想办法将闭环增益K闭减小，使得K闭＜1则系统是没有啸叫的；K闭＝1是一种临界状态，系统处在啸叫的边缘，也应当避免。0 d5 A! q" r0 F

! w" C! n# O+ d7 L由式闭环增益K闭＝K开＆#215;F反可以看出，减小K开或F反都可以降低系统的闭环增益。反馈系数F反在采取硬手段（即尽可能让音箱和话筒的距离变大，并且各自的指向相背，且选用近距离拾音话筒以求到达话筒等）后是几乎在不能减小了，变得几不可调的；事实上，调整系统开环增益K开是避免啸叫让系统闭环增益K闭＜1的根本办法，即发生啸叫是要迅速降低扩声设备的系统音量，保证让系统设备在闭环增益K闭＜1的情况下工作。; l7 z6 U) {" q) w; U$ W

+ z) u9 ^2 I" V4 v8 w% k) H这里又引发出了另一个问题：在实际扩声系统调试中，已经做到了F反的最小化了，慢慢调整系统音量电平时，有效听众位置的声音音量并没有变大起来，根本还没有满足量感的需要（即语音要求声压达到88dB~92dB）而系统就啸叫了，设备无法用了，这是怎么回事？难道K闭＜1是这么的苛刻，这么的不尽人情，还是那里出问题了？- p# x1 ]5 k2 ]# Z& i5 Y. o4 z

# o, Y( Q/ u9 `/ A; W2 U! a这个问题算是问到了核心上了，这便是我们推出系列防啸叫设备的真实原因了，这些设备既能继续扩大音量，同时又能有效避免K闭＞1，满足语言扩声系统稳定工作的苛刻条件K闭＜1。
9 h- j% b& U2 A/ v Z5 t7 o8 E$ T: R5 J; Z+ s3 {- U3 P- a
4、房间啸叫的形成机理
: H4 D! n; H8 v0 p2 P6 S# Q8 }+ }' T# L& I, C5 S& a
那上述问题究竟是怎么一回事呢？让我们继续分析啸叫的机理。# a7 L) {0 _7 Q% @
- p+ s( ]- n3 n6 @ J' z7 I2 h
当我们在具体的某个房间设定好音箱和话筒位置后，接下来便正确地联接好扩声系统设备，确保系统设备完好、系统联接正确后于是给系统通电使其预热，然后慢慢调大系统音量（一定是慢慢调大音量）使其开始工作。这时会发现在音量开到了某个位置（临界位置）时会明显感到啸叫要发生了，再往上开音量肯定立马啸叫，（不管啸叫是在低音还是中高音），于是只好将音量往下回调一点，可听众席位置的声音还太小，音量根本不够用。于是扩声设备就成了摆设无法用了。
# |/ O i9 T8 l* L8 Q4 i9 W' x( @" P; o' U- d/ D, @; n
需要必须明白的是，人耳感觉声音大或声音小这是声音能量（即空气振动的能量）累积作用于人耳后人主观生理上的感受。远处飞机轰鸣而过虽声压不大，但我们感到声音低沉、能量充沛，声音很大；近处一个气球暴裂或塑料纸的摩擦声响虽声压很高，但我们感觉不到有多大的声音能量，故也感觉不到声音有多大。
0 p% r; J3 V4 h6 o9 m+ Q- _) x- p
. V$ B) i8 D- P% k8 t( F3 P) ~0 R- Z话题回到前面，我们感觉听众席位置的声音不够，是由于在啸叫前音箱发出的声音累积到人耳的能量不够，而这种能量的声音组成是在200Hz~4000Hz范围内共同作用于人耳的。简单地说：语言范围内的声音平均能量并没有起来，人就会感觉声音小；相反，当人耳感觉声音大小合适是由于语言范围内声音的平均能量起来了；再用前面讲到的平均声压在88dB~92dB人耳感觉声音大小最合适，其意思是语言频率范围（即200Hz~4000Hz频率范围）的大多数频率点的平均声压都能达到88dB~92dB，通俗地说语言范围内的声音都出得来
8 {3 G& y3 ^( R! @7 a: {
4 q4 e- s2 Z+ X2 Y% X- {我们知道啸叫是由于反馈声再次被话筒拾到音后引起的，而话筒这种内似“人耳拾音”的东西其拾音的方式与“人耳”确是大不相同。话筒对声音能量的累积反应（即声音转化为电的过程）要比人耳反应迅速，特别在对突发的相对单一频率成分的声音反应能力上比人耳快的优势明显，往往人耳还未感觉到有什么特别的声音成分在扩声现场，由于话筒的作用系统已经进入了临界状态并要开始啸叫了。9 S w% ~# J- G+ c! Z/ M

. b: l- U, U, l8 R这个特别的频率成分便是前面所讲到的室内扩声现场在话筒参考点位置固有的声压——频率曲线上的峰点对应的频率成分。一目了然，本不平坦的声压——频率曲线上存在的所有峰点便是形成系统啸叫的真正罪魁祸首，而啸叫产生或刺耳、或轰鸣的声音所对应的频率点就是曲线上峰点所对应的频率，故峰点首先啸叫。/ k0 S# N4 N3 j% k& ^5 O

4 y. \! L+ `8 U3 l% z根据啸叫必须在闭环增益K闭＞1时才会产生的这一理论，不难理解，当系统音量增大过程中，峰点频率附近的声压很高，虽然频带窄，但由话筒有比人耳反应更迅速的能力可知，峰点附近的声音已被话筒强烈地吸收到了，闭环系统在该点足以满足K闭＞1的条件，虽对人有用的大多数语言频率成分的音量还低，还处在K闭＜1的稳定状态，可系统已经啸叫了。换句话说：当音量开打过程中，系统大多数频率成分的声音还没放起来的时候，峰点频率的声音确已经很大了，虽人耳不明显感觉到其存在，可系统设备已经发现并引起了啸叫。啸叫总是率先发生在峰点位置，啸叫点的先后顺序是第一峰点、第二峰点、第三峰点……这样一个顺序。由此可知，房间固有的声压――频率相应曲线中峰点的存在成了语言扩声的严重障碍。这就是在现场实际扩声中啸叫发生的真正内在原因和机理。
7 F; [4 E2 i: P- {5 R/ ^8 o" Z! Z' u. U3 E- ~! }
实践证明只要能有效避开峰点位置的扩声，语言范围内的平均声压能得到明显的提升，从而满足绝大多数听众对声音量感上的需求，同时系统稳定。近代所有电子防啸叫技术都是围绕这一基本原则命题展开的；就算是前面提到的通过建筑结构声学、材料声学等昂贵的方式满足扩声量感和质感等方法，其本质也是在围绕消除峰点这个基本命题展开的。- s& z1 O% y6 |/ z' I
# @! P5 c7 u& K6 y. a/ Y- `
我们还需要知道，房间的声压――频率响应曲线是指房间音箱发声音的空间位置和角度一定的情况下，房间空间中任何一点位置的响应曲线；同一房间，曲线和空间位置有一一对应的关系，空间位置变了，曲线也会发生变化，曲线上对应的峰谷点频率位置也会发生一些变化；我们讨论的近代电子防啸叫技术防的是什么呢？防的就是话筒所在空间位置点上的峰点。1 V, H& f* V, _% q

# t5 x3 F9 R% \& s9 d实践中，房间参考点的声压――频率响应曲线其主要的峰谷点受房间大面积的反射面影响更重，其余的峰谷点则受参考点附近反射面的影响更多一点。对界面话筒来说，其咪头部位则为参考点，故而安装界面话筒时要主意回避其附近物件反射面反射声音的直接进入，同时为什么改变界面话筒位置有时会产生新的啸叫点，就是因为随着话筒位置改变，新参考点附近反射面的反射条件也跟着改变导致新的峰谷点产生的缘故。
- p9 u, k2 J! s- d9 S. a+ T! Q' t6 v! G4 x
一般情况下，越柔性的房间（吸音多，反射少）扩声条件好一些，处理起来容易些，越刚性的房间（吸音少，反射多）扩声条件差一些，处理起来要难些上一个:声音的相位下一个:实践中需注意的问题