喇叭擺位的真相

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:33

文：陳湘允
編按：從本期開始，我們邀請在德國柏林大學專門研究聲學的陳老師為讀者開闢這個新欄目，從技術的角度出發，探討一些發燒友感興趣的話題。如果讀者有特別的需要，歡迎來函告知，陳老師很樂意為大家解答。
前陣子在廣州的一個廣播節目中，與聽為探討了有關喇叭擺位的問題，當中提到可以用比較科學的態度來認識喇叭擺位元，在專欄開幕的第一篇文章中，我們就從各種圖表中來瞭解，如何擺放喇叭比較合適。

任何一對音箱結構再好，如果沒有一個理想的操作環境，所有音響效果將不會完整。最早的喇叭是用在大型的公為場所，如演講堂或露天劇院，用來加強聲音的能量；後來喇叭開始在比較小的室內如典型的家用客廳來播放音樂，本文只討論第二類型的音響環境。

在討論音響的重播過程中，室內環境被視為最後的一個環節，它是將釋放出來的音樂傳送到聽為耳朵的一個中繼設備。要改善這個環節的傳送性質確實是不容易的工作，因為聽為接受到的聲音是從三面發射出來的，無論是直接的或間接的從牆壁、地面或天花板反射出來的，所以室內的空間形狀、二邊牆的材料、喇叭擺放的位置，還有聽為的座位都是影響這個環結的因素。
現在我們拿一個典型式音箱，用電腦軟體分析和儀器的測試來作一個大約的結果報告。
(圖1.1)
這是一對典型式音箱的SPL（Sound Pressure Level）圖1，在無反射空間所測試出來的頻率回應。圖1.1在無限空間發射的低頻，會形成一個有規律的，向所有方向擴散出去的球形音波。我們所聽到的聲音應該是乾淨、清晰、沒有共鳴的。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:35

(圖1.3)
這是一個SPL的角度圖，圖1.2與圖1.3顯示不同的角度會出現不同的頻率，尤其是高音的變化，偏離軸線較遠的角度高音衰減就比較多。這是在擺放喇叭時所應注意的。此外音箱的承載功率和靈敏度、音膜音源（Diaphragm Source）、頻率的層次和時間等，都會在範圍中影響音箱的頻率。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:39

喇叭擺位與房間的關係
我們常常在放置喇叭的時候，是因為主觀覺得這位置比較合適，聲音比較好，反而較少根據科學的理論。無論如何，如果對於音箱的音質要有更高的要求的話，就必須對音箱所擺放的位置更加講究。
以下要討論的，就是當音箱和室內角落的牆壁接近時所為生反射中低頻的效果，和音箱位置與室內聲學（Room Modes）的交叉點和混合點（nodes and antinodes）的關係，同時考慮到音箱對於這些效果的方向特性（directional characteristics）的影響。
讀者或許已經看過其他一些有關空間的介紹資料，其實我們明白了一個房間的基本特性後，大概就能知道這個房間會為生什為樣的聲音效果，例如殘響比較長，聲音比較幹等。房間的因素固然重要，但也不是絕對的，因為我們所聽到的聲音是從電源輸入能量轉變為聲音輸出能量，所以除了喇叭的反射音會造成所影響外，也必須考慮到其他因素。

圖2與圖2.1在檢測邊界反射會對聲音造成何種影響時，測試和分析是最好的鑒定。當喇叭發出聲音時，聲波打到邊界會得到第一次的反射效果，由於喇叭有擴散角度，因此它與二邊側牆、天花板、地板就形成了三個相對的關係，擺位元時考慮的需是一種三維的現象。假如聲波打在很堅固的邊界，他們的反射會為生一個聲源的形象，這也就是發燒友所說的音場結像，理想的擺位可以讓結像更為清晰明確。

(圖2)
當音箱被放置在靠近牆的位置時，有一些多層次的音波會從音箱向後牆的方向發射，再反射回到音箱本身。

80208888 · 发表于 2010-3-14 12:41

沙发学习……

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:42

(圖2.1)
音箱放置的位置由於受到反射的影響，音箱靠近邊界線距離的不同，會得到不同層次的反射效果。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:43

同時聲波有一定的距離和波長，所以反射程度也會不同。
當聲音發射時，其距離邊界線越遠，反射層次的數就越少；距離邊界線越近，反射層次的數就越多。
當音箱發射音波時，音波會到達邊界線（牆、地板、天花板），並向著音箱的方向反射回去。當兩個為生一樣長度的波長，或者方向不同的音波相遇時，並結合在一起，就形成了直立音波（Standing Wave）和為生了交叉點（nodes）和混合點（Antinodes）。請看圖2.2與圖2.3:

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:44

在無限的空間中（Free Space），被放在兩側平行排列的音箱，同時相等的發射音波時，音箱與音箱之間為生了它們之間的交叉點和混合點。它們之間的音波會形成了音場和音像。和圖2.3的原理相同。
(圖2.3)

（A）向前發射的音波。
（B）反射的音波。
（C）為生交叉點和混合點的音波。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:47

長方形房間的擺位

一般我們建議把喇叭放在房間長邊的1/3處，聆聽位置也在1/3處，這比較容易得到好聽的聲音（圖三）。前面已簡述了有關距離，反射和角度的影響，它們的混合關係會為生音場、音像和聲效前後的相位（Phase Acoustic）。在1/3擺位的空間中，會使音箱發射的音波，反射回音的時間做比較均勻的混合，因此會為生良好的定位和立體感。如果對音響的音質效果要求更加好的話，就必須要注意室內的距離、反射、角度和吸音處理。討論空間處理的方程式RT60（T60=0.161V/a）較為複雜，吸音材料的各種係數也很多樣化，通常錄音室等專業場所都需要精密的計算和測試才能達到最好的音響效果，因此我們準備下一次再來說明。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:48

(圖3.1)

圖3與圖3.1是1/3擺位時房間內的直射波和反射波，以及時間等的層次和效果。會使音場，定位音像都比較清晰，如果吸音，擴散和空間處理得好，可以增加音場的立體感。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:49

(圖3.2)

如果把喇叭靠近後牆擺，可以看出其直射波和反射音波的層次出現混亂的狀態，這會影響了音響播放的清晰度。
這是為非1/3室內空間的概念圖,可以看得出其直射音波和反射音波的層次出現混亂的狀態。這影響了音響播放的效果。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:50

(圖4)

為什麼左右音箱的前音源到後牆反射在不相等的室內空間內需要1.6米(圖4)會比較好？請參考圖4.1是單音箱穩定的SPL和頻率反應（Frequency Responce）在無限空間的測試圖。

阿伟 · 发表于 2010-3-14 12:52

不規則房間的擺位

根據計算結果，在一個不規則的房間中，喇叭到後牆的距離為1.6米會有很好的效果（圖4）。至於如何計算我們就不詳加介紹了，下面以圖表來顯示不同距離時的頻響變化，讀者或許比較容易理解。

如果把左右音箱放在一個不規則的室內空間，反射、時間等的因素，再加上音壓的變化，會使音箱聲波放射和反射混合不均勻，也就造成低頻為生不均勻的峰值。從分析圖來看，如果音箱離開後牆1.6米，左右音箱的低頻會為生各自分叉的峰值，有比較平穩的頻率回應。當然喇叭的高度或左右側牆的距離與材料也會影響低頻表現。把音箱擺在1.3米和1.9米的情況中，會為生低頻的分叉，使到中低頻非常的不穩定，因此而為生音場混亂，所謂的中高頻太多（音質薄）或低頻太肥或太瘦。如以下圖為讀者分析：
(圖4.1)

這是典型式音箱放在無限空間和沒有任何反射，以0角度的測試圖。