音響中的低頻與調音

　　可聽(tīng)聲波是一種常見(jiàn)的機械波，其在空氣中傳播是球面的，發(fā)散的，容易衰減，影響傳播效果。同時(shí)，由于可聽(tīng)聲波默認會(huì )向四面八方傳播，容易擾民。如果能夠解決好聲波的定向傳播，上面的問(wèn)題就可以得到很好解決。

　　聲波是球面波 傳播容易衰減也容易擾民

　　我們平常聽(tīng)到的絕大多數的音箱其實(shí)發(fā)出的聲波都是360度輻射出去的，不同的頻率、角度下，聲波能量會(huì )有不同，但是在空氣中傳播時(shí)極容易衰減。

　　同時(shí)，聲波(尤其是低頻聲波)基本上是無(wú)方向性的，因此，就算受眾不在音箱的正面，而在音箱的側面和背面，聲音也感覺(jué)很響。高頻聲波，其方向性會(huì )強一些，但是其在音箱的側后方(45度/315度)，也只是衰減3~6dB左右而已。

圖1

　　因此，造成了兩種結果：聲波在空氣中傳播時(shí)極易衰減，傳輸距離較短，當可聽(tīng)聲波到達受眾時(shí)，往往聲強變得很弱，影響了語(yǔ)音清晰度。同時(shí)，音箱傳出來(lái)的聲波幾乎沒(méi)有方向性，容易造成擾民問(wèn)題。這也就是為什么很多地方出現了驅趕廣場(chǎng)舞人群(如圖1)，并造成了沖突。甚至有新聞報道居民為了對付廣場(chǎng)舞大媽耗資26萬(wàn)購置了定向音響。

　　1、利用音罩加強指向性

　　那么，怎么樣才能讓聲音集中起來(lái)，或者用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)說(shuō)加強指向性呢?采用聚音罩是最簡(jiǎn)單可行的方法之一，這種技術(shù)類(lèi)似于燈罩，只要在高頻揚聲器上罩個(gè)大半球形的罩子(如圖2)，人在聚音罩下方即可清楚聽(tīng)到聲音。

圖2

　　2、利用號角加強指向性

　　第二種方法是在喇叭單元前加上號角，尤其在中高頻廣播喇叭、歌舞廳里的專(zhuān)業(yè)音箱加上號角。號角音箱的低頻沒(méi)有變化，但是中高頻的指向性增強了。

　　中高頻音箱基本上垂直、水平方向可以控制在100度以?xún)?，該角度以外可以衰減12dB以上。其原理圖如圖3所示：

圖3

　　如圖3所示，喉口到號角出口的中間和兩邊的距離不等，聲音傳播到的時(shí)間也不等(即出口部分的相位角差異很大)，所以出口部分的波陣面趨向于以喉口為中心的球面波。但是加了號角的音箱即便是球面波，聲波的擴散角也比普通揚聲器小的多。

圖4

　　不過(guò)，現在的遠程投射號角已經(jīng)有了些改變，如圖4。將八字型號角的中間部分加了個(gè)菱型的塞子。號角中間的菱型塞子可以將高音在號角中間部分的聲波做延時(shí)處理，使得聲波從號角的喉口到號角的出口各部分的時(shí)間相等。這樣，聲波在該號角出口各部分的相位角是相同的，在號角的出口部分的波陣面也趨向于柱型。

　　3、使用“線(xiàn)性陣列”加強指向性

　　除了號角外，另外一個(gè)方法就是讓音箱發(fā)出柱面波，用多只喇叭單元進(jìn)行排列，廣播音柱是比較容易見(jiàn)到的柱面波音箱，很顯然，它的垂直指向性很強，但是水平指向性一般。如果想要增強水平指向性，可以采用“線(xiàn)性陣列”音箱或音柱，即將音箱或音柱排列成一行。再在這些中高音單元前加聲學(xué)透鏡，將音頻信號數字化后進(jìn)行分頻及復雜的數字效果處理，然后轉換為模擬信號分別對每個(gè)單元獨立放大驅動(dòng)。

　　4、使用超聲波揚聲器加強指向性

　　使用超聲波揚聲器來(lái)加強指向性，其原理是利用超聲波的強指向性來(lái)實(shí)現定向聲波傳播的目的。

　　超聲波因為頻率較高，波長(cháng)較短，不容易發(fā)生衍射，指向角較小，擁有較好的指向性，而可聽(tīng)聲波的頻率較低，波長(cháng)較長(cháng)，容易發(fā)生衍射，從而繞過(guò)傳播過(guò)程中的障礙。

　　與傳統揚聲器的原理不同，超聲波揚聲器將超聲波作為載波信號，再將音頻信號調制到高頻信號中實(shí)現在空氣中的定向傳輸，并最終在空氣中實(shí)現自解調，即可使人耳能夠聽(tīng)到被還原的音頻信號。

　　具體地說(shuō)，基于超聲波的聲波定向傳播技術(shù)，其基本原理是將可聽(tīng)聲音信號調制到超聲載波信號之上，并由超聲換能器發(fā)射到空氣中，不同頻率的超聲波在空氣傳播的過(guò)程中，由于空氣的非線(xiàn)性聲學(xué)效應，這些信號會(huì )發(fā)生交互作用和自解調，從而產(chǎn)生頻率為原超聲頻率之和(和頻)與頻率之差(差頻)的新聲波。只要超聲波選取合適，差頻聲波則落在可聽(tīng)聲區間，即20Hz-20000Hz。這樣，借助超聲波本身的高指向性，即實(shí)現了聲音定向傳播的過(guò)程。

　　20世紀 60年代Westervelt(韋斯特維爾特)和 Berktay等人發(fā)現了超聲波在空氣中非線(xiàn)性傳播的自解調效應，20世紀80年代，日本Kamkura T等人成功制作了這種揚聲器裝置，從而實(shí)驗上驗實(shí)了這種原理的正確，2002年美國人Joseph則繼續推動(dòng)了該項技術(shù)在實(shí)際中的應用。目前美國、德國和日本也已開(kāi)始推行應用這種技術(shù)，新加坡和中國科學(xué)院聲學(xué)研究所也正在進(jìn)行這方面研究。

　　目前，國內有音響企業(yè)已經(jīng)率先發(fā)布了基于超聲波調制的定向揚聲器陣列，很好地實(shí)現了聲波的定向傳播，可以用于室內擴聲系統、廳堂擴聲系統、公共廣播系統和專(zhuān)用會(huì )議系統。

圖5

　　如圖5，是超聲波揚聲器與普通揚聲器的區別，普通揚聲器傳播的信號是球面波，是向四面八方傳輸的，而且在傳輸的過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生衰減。而超聲波揚聲器傳播的信號是定向的，向夾角很小的同一個(gè)方向傳輸，在傳輸的過(guò)程中幾乎不會(huì )發(fā)生衰減，信號到達受眾時(shí)，可以自行解調，從而保證受眾可以聽(tīng)到聲音。

　　事實(shí)上，單個(gè)超聲波揚聲器的效果可能并不是太好，為了提升傳播效果，可以由多個(gè)超聲波揚聲器組成陣列，向不同受眾區域進(jìn)行傳播，會(huì )取得更好的效果。

　　在這四種方法之中，效果最好的是使用超聲波，使用超聲波方式來(lái)進(jìn)行聲波的定向傳播，理論上不會(huì )產(chǎn)生“漏音”，而且超聲波載波的頻率是可調整的，因此其指向性也是可進(jìn)行相應的調整，從而提升指向性。