关于半空间的讨论

文 / [美] 戴维·冈尼斯 编译/何青青

当扬声器置于半空间里时，影响其频响的因素是什么？笔者注意到人们普遍对这种基本的声学现象理解不当，甚至有些行业专家也对此有误解。而产生混淆的人并不是因为他们懒于学知识或者由于传递信息错误，只是由于术语不足。问题是：不是所有的半空间都是均等的。当然，人们可以争论认为有些半空间结构比另一些更均等。

理解半空间载荷最清晰的途径主要是虚拟图像。同样，混合效率、指向性以及声压叠加也会导致混淆。事实上，指向性和效率的改变很大程度上都是由于叠加导致的，而不是因为其他因素。对空间载荷的直观理解需要镜像分析。

举例说明

让我们从最简单的例子开始：一个点声源位于一个边界的表面。图1中的声音向下传播而不是向上反射，声源扩展部分跟镜像扩展部分完全相干，因为他们处于同一位置。结果声压加倍，整个平面上的每一点都增加了6 dB。

为了让该例子更复杂些，我们将点声源往上稍微移动一下，使其略微高于平面。紧接着会看到叠加部分就显得不那么相干了。然而，点A处仍是相干叠加，其频响比其他频率高6 dB。而B点，频响是随着频率的变化而变化——存在典型的梳状滤波效应，如图3曲线。有趣且重要的是，改变声源和传声器的位置后，产生的频响仍保持一致。例如，不管是点声源还是传声器放在界面上（或者两者都有），结果是所有频率的声压响应都将会增加6 dB。这是声学中对偶原理的一个例子。

从分析来看，上面这些例子非常有意思，但是多数扬声器并非点声源。通常声源的频率与指向性相关时传播特性将变得非常复杂，这一现象变得明显时，声源本身就是“半空间”。因此，不会载荷过多的声波到环境边界。

让我们看一下指向性扬声器的镜像示意图。低频辐射用黑色表示，高频辐射用红色表示。如果指向扬声器位于边界上，平行辐射，那么，由于存在边界，低频和高频在任何点上的声压都会增加一倍。

当然，如果我们将扬声器指向远离边界的一面进行辐射，那么，高频要么产生镜像，要么反射，声波辐射不到边界“真实”的一边。低频声压加倍，而高频声压因存在边界而没有改变。显然，若界面跟声波不接触，那么，该边界对声音就不会产生影响。

边界会影响频响曲线的形状，低频电平增加，高频却保持不变。图6的频响曲线图分别表示的是实际经过测量的扬声器系统（15英寸，两分频，带号角的扬声器），以及其镜像图。实际扬声器的频响曲线用红色表示，镜像或者虚拟的频响曲线用蓝色表示，二者叠加则用绿色表示。

这个例子很有用，因为它表明了当扬声器嵌入式安装时“低频会增加”。半空间载荷最普遍的方式是采用书架音箱或者墙壁安装。这种情况下，向后传播的低频仍会向前反射回来，且与正面辐射相合成。然而，真实声源和虚拟声源不再处于同一位置。镜像声源的声音经延时后与实际声源相应，结果产生如图7所示的梳妆滤波效应。在这个例子中，该声源位于离边界38 cm（15英寸）远的位置，代表一只小音箱背朝墙辐射。正如看到的那样，该扬声器跟墙壁的“耦合”出现一些复杂的分叉线，但仅仅只在低频。

如果同样的扬声器朝着与边界平行的方向辐射（见图4），或者放置在一只型号相同、辐射方向相同的扬声器旁，那么，所有频率点轴向频响将会增加6 dB。图8的红色与绿色曲线表明了这一点。当然，轴以外的频响出现梳状滤波效应（见图3）。图8中蓝色曲线代表单只扬声器的频响，偏移轴线90°；而紫色曲线是一对音箱的组合频响，或者是一只扬声器加上它的反射声。

低音摆放

半空间载荷话题往往出现在低音位置摆放的文章里。当一只水平辐射的音箱安装在一个水平界面上，所有频率以及所有方向的反射声都能与直达声相干叠加（见图3和图8）。不管听音者站在哪个位置听，他听到的声音信号会比无地板情况下听到的高6 dB。同样，若听音者站在界面上，他听到的直达声会比没有地板的情况下听到的高6 dB——无论低音音箱安装在哪里（见图2，听音者站在“A”点位置）。

也就是说，只要听音者站在地板上，不管低音放在地上还是悬挂安装，在指定的距离内声压是一样的。这似乎跟大家熟知的事实相矛盾，那就是将低音放置在地上效能会增加3 dB。实际上，这并不矛盾。再看看图2，无论声源距离边界多远，“A”处声压都是增加了6 dB；垂直于边界的声压增加在+ 6 dB ～∞ dB之间变化。平均来说（声能），声压增加了3 dB。如果声源处于边界上，那么，各处的声压都将增加6 dB。所以，当一个声源离界面很近时，辐射功率净增3 dB。

值得注意的是，将地上的扬声器提升起来，使其远离地板，这样，就会产生额外功率。听音者的位置不会增加直达声压（假设他站在同一地板上），但是有更多的声能会进入房顶，最终与混响声场结合在一起。故传说中的“耦合地板”实际上就是“使混响声场不易产生”。

音箱在地面堆放的真正好处要与实际相结合，因为听音者的耳朵不是长在地板上，而是距离地板四五英尺高。若将音箱提升至离听音者水平线45°的位置，地面反射产生第一个梳状滤波陷波点大概在80 Hz的位置。如果提升角度为30°，那么，第一个梳状滤波点就会移到113 Hz。如果低音放在地面上，辐射声的传播方向跟地面平行，而且不会产生地面反射。因此，就不会出现梳状滤波效应。

效率/载荷

另一个声学基础知识就是认为互耦会改变声源的基本特性，这点似乎与上面的分析相矛盾。存在界面或者一个同型号扬声器都会改变质量载荷（纸盆前的空气有效质量），以及声阻（纸盆运动产生空气阻力）。效能增加意味着声阻增加。

有些情况下，改变声学负载会不会改变声源的强度和频响曲线的形状（因为共振点会漂移）？那就意味着叠加不充分，或者要考虑由于互耦的原因改变了系统。

答案是：两者都有可能。当第二个驱动信号介入时，叠加的信号曲线就能预测出系统会怎样变化。只驱动一只声源时，测量出其频响。驱动第二只声源时，测量出其频响。两只声源同时驱动，再测量出其频响。结果会发现两只声源同时驱动测出的频响跟两只声源单独驱动叠加起来的频响完全相同——只要三种情况下两个声源都存在。如果测量第一个声源时第二个声源不是实际存在，那么就违背了叠加条件，因为系统被改变了，而不仅仅只是驱动信号。第一个声源经历了两种不同的声学环境。

当第二个声源介入环境后，叠加并不会预测出整个系统将会如何改变。第二个声源在驱动的情况下可能会影响第一个声源的频响：通过被动吸收能量可能会降低声压（尤其在共振频率点），或者将它重新置于静止且不可压缩的空气中来增加声压（所谓的“节流”）。

实际上，这个有趣的实验很容易确定耦合是否能改变一个声源的基本特征，只要加入第二个相同的声源，但不打开其电源。若第一个声源与第二个声源耦合后其基本特征改变了，那么，测量出的频响会有明显的改变。这种技术可以从声源合成中分别评价声载荷。

直接辐射式扬声器的运动质量普遍比较大，这与空气产生的有效质量有关。因此，存在一个边界或者其他音箱时，对纸盆振动的影响微乎其微。而对于大多数场合来说，只需考虑叠加，可以忽略声负载。

当低频号角音箱的号角出口口径尺寸很小时，其超低频部分没有什么声负载，因为会有很强的气流反射从号角开口返回。增加低音音箱或者将它们放在一个或者多个边界旁边会增加号角产生的声载荷，减少反射声的能量。因此，多个低音单元同时驱动时，低频时频响曲线变化非常明显。

结论

半空间边界对扬声器系统频响的影响取决于它是否与辐射主轴平行（像地板或侧墙）或者垂直于辐射主轴（像书架扬声器系统后面的墙）。跟轴平衡的边界在所有频率点都会增加6 dB的轴向响应，而垂直边界则会增加6 dB的超低频响应，但高频频响一点也不增加。这两种情况中，远离边界都会导致频响在垂直于边界的方向出现梳状滤波现象。

当半空间里低频驱动器的频响被确定时，你可以假设存在一个与轴线平行的界面（地面），该边界的频响曲线与消声室中无回声环境下测得的频响几乎一致，只是声级高了6 dB。若直接辐射式低音音箱置于自由场中而并非靠近边界，那么，其频响曲线就不会有明显的改变——除非设计的系统对于载荷条件非常敏感。

若录音棚监听音箱有一个“半空间载荷”功能的开关，该开关采用的是一个低频滤波器，那么，可以断定每当扬声器靠近垂直于边界的轴线时，这个开关都应该打开。

（本文编译自Fulcrum Acoustic公司网站《Comments On Half Space 》一文编译）