音响系统的设计与声学效应

1.音响系统的设计

      在实际的音响系统中，声源主要来自两个方面。一是舞台上的自然声，一个是扩声系统音箱的重发声，它包括舞台口上方的主音箱的重发声和观众厅的补音箱( 或拉声像音箱) 的重发声。这些声音均向观众席方向辐射，并依据声学效应给观众造成一定的方向感、空间感等立体声效果。这些都是在音响设计时必须考虑的问题，包括音箱分布方式及系统结构的构成，即运用延时器与系统电平的设定与调整，使音响系统的声像感一致。

      例如，某观众厅主扬声器以品字型安装在台口，其高度为11 m；拉声像扬声器安装在舞台口台唇处，其高度为1 m。在距台口10 m 的( 即观众席第三排)人耳高度(1.1 m，此时略去该排地面起坡高0.2 m，为方便以约1 m 计) 处分别测得主扬声器、拉声像扬声器声压级分别为106 dB 与103 dB，通过下面计算可以看出，合成后的声压级与声像高度( 计算时考虑哈斯效应的延时特性时，延时10 ms 其等效声级相当于声级差减小10 dB) 得到了良好的拉声像的艺术效果。在距台口10 m 的( 即观众席第三排，下同) 人耳高度( 约1.1 m，以1 m 计，下同) 处主扬声器、拉声像扬声器各声音强度分别为106 dB 分103 dB， 而其在垂直高度的方向角分别为：

    α=arctg(11-1)/10=45°

    β=arctg(1-1)/10=0°

    主扬声器与拉声像扬声器声音到达距台口10 m的人耳高度处的时间差Δt 为：

    Δt =(((11-1)2+102)1/2-((1-1)2+102)1/2)/344=11 ms( 为方便估算以10 ms 来考虑)

    在距台口10 m 的人耳高度处主扬声器、拉声像扬声器各声音的等效声音级L 主、L 拉(dB) 与等效声压P 主、P 拉(Pa) 分别是：

    L 主=106-10(10 ms 延时的等效级差)=96 dB

    L 拉=103 dB

    P 主=2×10-5×1096/20=1.26 Pa

    P 拉=2×10-5×10103/20=2.82 Pa

    根据上述条件，在距台口10 m 的人耳高度处主扬声器与拉声像扬声器合成的等效声级与等效声角度和等效声高度便可计算出来。合成的等效声压ΣP 、声级ΣL 与等效声像轴指向角度ΣФ 、声像高度ΣH 分别是：

    ΣP =(P 主2+ P 拉2+2×P 主×P 拉(sinα sinβ +cosα cosβ ))1/2=(1.262+ 2.822+2×1.26×2.82×(sin45sin0+cos45cos0))1/2=3.47 Pa

    ΣL =20lg(3.47/2×10-5)=104.8 dB

    ΣH =X tgΣФ =10×tg13.5=2.4 m

    由上计算说明，等效声像高度为2.4 m，等效声像在舞台面上净高为1.4 m 与演员发声位置基本一致，起到了较好的拉声像效果。

1.几种声学效应

      科学家哈斯在实验中发现，人的耳朵对延时后的声音的分辨能力是有一定的局限性的，即当两个内容相同的声音在同一时间以同样的强度到达人的耳朵时，人们不一定能够分辨出这两个声源的声音先后到达的顺序，这就是人耳的哈斯效应，又称延时效应。人耳的哈斯效应一般有以下几种。

    (1) 当两个声源与人耳的距离相同，且声音的内容也相同， 那么人的耳朵是不能辨别出两个声源的的准确的位置，只能感觉到前方声场的空间感较强。

    (2) 当两个声源中的一个声源延时5~35 ms，人的耳朵只能感觉到那个没有延时的声源的声音的存在和方向，而感觉不到另一个声源的存在，就好像两个声源的声音合二为一。

    (3) 当两个声源中的一个声源延时时间大于50 ms，则人的耳朵能够感觉到两个声源的存在，方向由各声源所确定，经过延时的那个声源的声音为清晰的回声。

    (4) 当两个声源中的其中一个声源延时30~50 ms，

    人的耳朵也能够感觉到两个声源在存在，但方向仍由前面一个声源的方向所决定。人耳的哈斯效应在厅堂扩声系统中也得到了广泛的应用，例如：一般的剧院中均为长方形，靠近舞台的观众所听到的大部分是直达声，声压较大；而位于后排的观众由于离舞台较远，就得依靠放置于后排的扬声器系统所发出的声音来欣赏了。根据哈斯效应的原理，后排的观众只能通过后排的扬声器来感觉到演员的歌声主要来自后方，掩盖了前方舞台的直达声。因此一般通过对音频系统的后排扬声器信号进行恰当的延时，使后排观众听到的主要声音还是前方舞台的直达声，而后排扬声器作为对后方声场不足的补充，就可以使后排的观众欣赏到声像合一的舞台表演。德• 波埃的试验证明，当听音者位于距离两个声源相等的对称线上时，两个声源之间的声压差和时间差均为零，声像在对称线上，使听音者感觉好像只有一个声源。当某一个声源的声压差加大时，声像会向声音较强的方向转移，当声压差大于15 dB 时，会使听音者感觉到声音是由较响的声源单独发出。当两个声源之间的声压差为零，而时间差变化时，也有声像的移动，当时间差大于3 ms 时，声像是由先到的声源决定。