作者 | Ken DeLoria
編譯 | 銘公子
大多數(shù)音頻工作者都知道低頻波長比高頻波長長得多。但我們看不到它們，所以對這一點我們真正能理解到什么程度？
這是一個重要的課題，因為了解波長的本質有助于我們優(yōu)化各種類型的音頻系統(tǒng)。
讓我們看看低頻和高頻之間的物理差異。這種差異非常明顯，我們在其他領域很難遇到這種程度的差異。
20Hz的波長約為60英尺（約18m）。20kHz的波長為0.055英尺（約1.7cm）。這是一個巨大的差異，可達三個數(shù)量級。
波的長度到底意味著什么？用兩個字來說，很多。聲音在空氣中的傳播速度相對較低，約為760英里/小時（約339m/s），而光的傳播速度約為6.71億英里/小時（約299792458m/s）。
長的低頻波需要一些時間來傳播，這意味著它必須先在大氣中延展，才能將聲能感知為音符或音調。20Hz的波長需要1/20s的傳播時間，即50ms。
相比之下，一個短波長的高頻波只需要很短的時間就可以傳播被聽到，并且可以在小空間中傳播，而低頻波長需要足夠的空間來發(fā)展。這就是為什么演播室控制室和其他關鍵的收聽環(huán)境，特別是那些較小的空間，通常會使用低音陷阱來平衡低音響應。低音陷波器是一種聲能吸收器，設計用于衰減低頻能量，以便通過減少低頻共振來提供更平坦、更均勻的低頻空間響應。
低頻（上圖）和高頻波。
當?shù)皖l傳播到反射空間時，它們會產生駐波。駐波是當從墻壁反射的聲波與來自揚聲器的直達聲相遇時產生的壓力節(jié)點。在某些頻率下，反射會增強直達聲，從而提高音量，而在其他頻率下，則會抵消直達聲，進而降低音量。
因此低音陷阱很有必要。一個或多個低音陷阱，通常位于房間的角落，以獲得最大的效果，來吸收低頻能量，不讓它向外反射。非平行墻和傾斜天花板也有助于減少駐波。順便說一句，早期梯形揚聲器箱體出現(xiàn)的一個原因就是為了減少內部抵消。在一定范圍內，梯形箱體確實具有優(yōu)點。
不同空間的低頻響應差異是空間對音質影響的重要體現(xiàn)之一。
曾有幾次，我分析并調試了大帳篷中的音響系統(tǒng)——一次是太陽馬戲團的，另一次是大型商業(yè)會議的，還有幾次是一般娛樂的。由于帳篷墻靈活有彈性，低頻反射幾乎不明顯。低頻能量實際上帶動了帳篷壁在震動（你可以感覺到），因此低頻的傳播狀態(tài)更傾向于阻尼而不是反射。
在花了數(shù)年時間在混凝土、鋼、玻璃和木結構空間調試系統(tǒng)之后，這無疑讓我感到驚訝。在低頻范圍內，它與戶外測量時的響應類似。但與室外不同，中高頻卻顯示出了突如其來的反射率和共振，這幾乎與硬墻空間完全相反。
海浪和漣漪
長的低頻波陣面可以通過想象大型海嘯沖擊岸上建筑物來比喻；它們不會把建筑物“視為”障礙物，只是繞過它（假設建筑物有足夠的強度不會被摧毀）。這就是為什么我們會將超低音揚聲器掛在線陣后面——它們不會將線陣列視為屏障。
相反，短波長可以通過想象水中的小波紋來比擬，當遇到障礙物時，這些波紋會破裂或反射。例如，即使是典型的金屬穿孔揚聲器面網，也會對高頻產生反射和散射效果，盡管在大多數(shù)情況下，這種效果很微小。
通過了解各種頻率的近似波長，將其具象化，當涉及揚聲器擺放時，會幫助我們做出更好的選擇。
系統(tǒng)設計方面，如控制超低頻和全頻揚聲器之間的距離，或規(guī)劃一個超低頻到另一個超低頻的距離，當你考慮頻率和波長時，思路就會變得更清晰。一個重要的課題是，從全頻揚聲器（通常是吊掛的）到超低頻揚聲器（通常是地面堆疊的），整個頻率交叉區(qū)域的波長范圍將受到怎樣的影響。當兩個聲源相隔四分之一波長或更長波長時，根據(jù)聽眾或測量麥克風的位置，聲波會發(fā)生相長和相消的干擾。
關于交叉頻率，重要的是要理解，與超低頻例如120Hz處的交叉不僅會影響120Hz的頻率。如果交叉斜率為常見的12dB/倍頻程，那么在90Hz和180Hz（半倍頻程間隔）下，仍有可能進行抵消或疊加，盡管它不會像交叉中心頻率下那樣明顯。假設交叉斜率是對稱的，其中一個揚聲器的振幅將降低6 dB，而另一個揚聲器將提高6 dB。
然而，盡管聲源組合的抵消或疊加效應會在幅度上減小，但它仍是存在的。這對于更陡的交叉斜率來說是一個很好的例子，每倍頻程24dB或每倍頻頻程48dB通常是快速解決問題的方法。但陡峭并不是總能帶來更好的結果，這一點我們暫不討論。
噪聲消減
有時，我們可能會被要求控制噪音“污染”。解決方案可能是酒店環(huán)境中相鄰會議室的“空氣墻”。例如，加州大學伯克利分校（University of California at Berkeley）位于戶外的希臘劇院后方的住所，居民們對高音量的深夜音樂會不感興趣。為了控制這些問題，我們可以了解波長及其對輻射方向性的影響。
1982年，比爾·格雷厄姆Bill Graham請我?guī)椭ＥD劇院繼續(xù)運營。在現(xiàn)代線陣列出現(xiàn)之前，當時沒有簡單的方案，我們用當時可用的工具盡了最大努力。結果也只能全面降低低頻輸出，更大幅度地降低總體運行電平。
但這件事還是導致了舊金山灣區(qū)設立了SPL監(jiān)測警察職位，最終結果不盡人意。幸運的是，今天有更好的方法來處理這類問題。線陣和心形超低音揚聲器可以極大地幫助將聲音保持在需要的地方，并在不需要的地方將其最小化。
陣列方向性
在規(guī)劃箱體數(shù)量或者線陣列尺寸時，考慮波長能更容易確定所需的陣列尺寸。如果要控制低頻能量并將其指向聲音頻譜的低頻部分，則陣列必須大一些。一個由4只或5只揚聲器組成的小陣列可以很好地控制中高頻和高頻，但如果它只有幾英尺高，它肯定無法提供有效的低頻指向控制。
低頻波陣面的傳播特性使得在線陣列后面吊掛超低頻揚聲器成為可能。
為了支持實際應用，一個很好的經驗法則是，陣列大小必須至少等于我們打算控制的最低頻率的半波長，但這只是理論。半波長才剛剛開始形成某種控制的表象。如果想防止低頻能量從后壁反彈，明智的做法是將陣列長度至少增加到全波長，最好是增加幾倍。
然而，這在現(xiàn)實世界中是不切實際的。一個100英尺（30米左右）高的線陣，將是60Hz波長的的5倍，可能會提供非常有效的垂直控制，但不太可能實現(xiàn)。
DSP支持
線陣列模塊的電平控制、時間延遲和復雜的DSP頻率控制可以改善大規(guī)模陣列性能，而不僅僅是簡單地將頻率響應變得更平坦。
波束控制是一種方法，它是保持陣列大小可控的原因之一，同時創(chuàng)建似乎違反物理定律的方向控制。波束控制是相對于其他模塊延遲某些模塊，從而增加或改變抵消效應，這是線陣原理如何控制方向性的本質。復雜的DSP控制是一個發(fā)展迅速的領域，在可預見的未來，它會在性能上持續(xù)改進。
組裝和測量大型線陣列不是一件容易的事情，更不用說在惰性聲學環(huán)境中嘗試數(shù)千種變化，但這是精確確定復雜DSP干預在性能優(yōu)勢方面能否實現(xiàn)預計效果的必需步驟。幸運的是，計算機建模使探索不同場景變得更容易，成本更低，這正是當今大多數(shù)研究和開發(fā)的動力所在。
總結
幾十年來，各種類型的陣列一直伴隨著我們。一些陣列確實非常有效，為大量的人提供了連貫一致的音質，但行業(yè)進展仍在繼續(xù)。
通過了解聲能的基本原理（在很大程度上指能夠掌握波長的本質），可以真實地評估現(xiàn)場情況，在規(guī)劃和部署揚聲器系統(tǒng)時做出明智的決定，并向聽眾提供最佳效果。
這個關于聲波波長的簡短介紹僅僅是一個引子。為了充分理解聲能的性質如何影響音頻工程師可能遇到的各種情況，我們應致力于學習聲學原理，以及它們與現(xiàn)實應用的關系。
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