声场边界条件对扬声器声音传播的影响

文/［美］帕特·布伦达·布朗 编译/龙宏亮（.湖南经济电视台，湖南 长沙 40003）

安装扬声器时，边界（如墙面）会对扬声器系统产生重要影响，可能导致扬声器系统的频响曲线不平坦、覆盖面不均匀、清晰度下降、甚至系统均衡过度补偿等，会引起一系列导致系统音质恶化的问题。

在室内安装扬声器系统时，几乎都得把它们安装在房间边界（靠墙面）的位置。这势必会引出一系列逻辑问题：

这样做会影响频响吗？这样做声音效果变得更好还是变得更差？能利用边界（墙面等）作为一种有利的工具吗？这样安装的扩声系统有利于声音处理吗？房间的边界是否可以成为一种“有用的专业工具”（即影响声音传播的工具）？

空间载荷

扬声器空间载荷是指各种点声源球状辐射的空间受一个边界或者多个边界的限制。

图2显示的是点声源辐射受边界影响的一些常见情况，通常用球空间的分数式来表示，辐射本身是受该分数式限制的。这些分数式的正确表达应该是“1/n-空间”，但是普遍的描述方式是把“1/”省略了，直接用“n-空间”。

经典理论阐明：相对于自由场而言，辐射受边界限制的场所，每增加一个边界非相干波，叠加产生的有效声压增益为+3 dB，一只扬声器通过边界“角荷载”（房间的一角，即1/8空间），其增益可达到+9 dB。

声学中的测试结果总是不理想的，所以，要做的是确定测试结果发生了什么变化。我们当然希望边界与声源之间的相互作用具有频率相关性，而事实也是这样的。 这使得针对边界引起的问题的答案通常是“它是根据不同边界因素决定的”。

测试概况

测试环境为一个大的开放空间，三个墙面（界面）有着非常严格的边界。笔者将一只音箱和其他设备排列成一行连接起来——分别是一只书架音箱，一只低音音箱，以及一只中音号角（见图3）。另外，还增加了一支传声器和一只十二面体扬声器。

首先，每个扬声器系统是放在图4中12英尺的Genie升降架上测试，测试传声器是在远场（1/1-空间，即自由空间）。

其次，将扬声器系统放在地板上（1/2-空间），测试传声器架空、然后再把扬声器放在地板与墙面之间的交界处产生2个边界环境（1/4-空间）、最后把扬声器放在地板与两面墙之间交界产生3个边界（1/8-空间）。

每种摆放方式测试传声器到扬声器系统的距离保持不变。

测试结果

测量总的结论就是：如果测量方法正确，将音箱放在接近边界（墙面）的任何一个位置都会带来麻烦，这样放置的音箱在还音时就会有略微的声染色，但是采用号角驱动器或将音箱嵌墙安装后结果却有惊人的不同。

笔者经常听到有人指责号角发出的声音“不和谐”或者“刺耳”，但是只有这些号角才能放在边界旁边而不受到边界效应的影响。而“悦耳的音质”怎么会产生于受梳状滤波严重影响的低指向扬声器系统呢？

研究得出的另一结论是：通常，均衡器是无法解决边界干扰问题的。当音箱系统的频响很差时，可以将音箱吊挂安装在自由空间里，这样做会使频响得到改善。

当然有很多应用场合可以接受声染色，但那些不能接受的场合就可以考虑将音箱置于自由空间或嵌入墙内，或通过号角负载来实现。

边界经常被说成可以用来增强低音，在非常低的低频段的确能看到一些显著的增益提升，但要想利用边界取得良好的效果，边界往往还是不够大且不够坚硬。

大多数场所中，房间的结构模式也会影响低音的频响。所以，给低音增加边界能带来怎样的好处，具体还要靠人的耳朵去听，去分辨。

对低音的边界效应测试中有一个情况值得注意，当低音放在Genie升降架上，而测试传声器放在地板上（测试传声器和扬声器系统的间距保持不变），当低音音箱向地板逐步降落时，地板上的测试传声器电平并没增加。

因为听者在礼堂中的位置是接近地板的，如果低音是“地面放置”而不是悬挂安装，那么电平也就不会增强。

最后，从扬声器特性参数来看，扬声器的灵敏度通常是在自由场中测量，当灵敏度增加6 dB时，此时将其指定为“半自由场的灵敏度”。

测试数据显示：这样做容易出错，且会产生误导。不过，通过一张灵敏度的显示图就可以将它们的利和弊表现得一清二楚。

测试传声器

选用一支DPA4007作为测试传声器，一只6英寸的同轴扬声器作为声源。测试传声器放在高频轴心线上，在远场测试。

把在自由场里测量的结果作为参考值（图5中的0 dB这条直线），其他三条显示的依次是1B、2B、3B，测量表明受不同边界影响产生的结果都不同。超过8 kHz时，因传声器本身的屏蔽/反射引起 “C”和“D”的干涉（参看图2）。产生这种干涉的原因是将测试传声器振膜置于边界交叉点处，测试传声器外壳处于振膜和声源之间。要是使用一个很小的传声器，此类干涉则完全可以消除。

“图2 B”的布置方式是为了调整扬声器系统频响均衡，那些扬声器系统悬挂在宽阔而平整的平面之上（类似体育场/馆地面之上）。由于声场里的相干叠加作用，每个边界增益为+6 dB。相干意味着直达声和反射声在所有的频率点上都是同相的叠加。

利用边界技术时采用直径较小的传声器更有利。

测试音箱

超低音音箱

选用博士MB4音箱作为超低音的测试音箱。每种测量都在没有时间窗口的试验室中进行。该条件对于低频时能够达到足够的清晰度很有必要。

同样，测量的数据（见图6）表明：房间模式不同，测试的结果也明显不一样。

1/1倍频程的平滑度有利于观察边界的增益情况。在一个较大的空间里测试则可以避免干涉或相互影响，不过，在真正的自由场里测量时低音音箱尺寸需要很大。

封闭的空间（房间）对超低音的频响影响很大，正如低音靠近边界放置时所受到的影响一样。

低音波长的长度相对于超低音箱的尺寸来说显得非常长，当低音波长接近房间边界尺寸（约40 Hz～50 Hz的波长）时，相干叠加就会产生18 dB的理想增益。

在低音（100 Hz～125 Hz）波段的区域约能达到10 dB。

给低音音箱载入边界的同时，应该考虑边界是否对覆盖面和声像问题也都有利。

十二面体声源

测试时选用一只十二面体扬声器。为便于室内测量，这些面通常是全向的。由于频响极其不稳定，笔者给每种放置留了9个点的格网（2平方英尺），然后将测算结果平均。1/1倍频程的平滑度测得的结果作为定稿原图以供对比参考。

这样做是必要的，由于多次能量转换，十二面体在高频段时存在着大量的梳状滤波信号，而且边界增加时梳状滤波信号甚至会更多。

十二面体音箱由空间载荷的非相干叠加而引起的高频部分增益增加，成了“标准”范例（见图7）。

将自由场响应作为参考值（0 dB），每附加一个边界，其定向指数增加了3 dB，DI = 9 dB表征的是扬声器放在角落位置时测得的值。

在自由场里可以测量出：大量的干涉往往是由于将低指向性的扬声器靠近边界放置的结果。而在小房间里，声干涉是可接受的，甚至是需要声干涉，因为声干涉能减少声源局部化现象，预防分布不均匀。

这种技术应用在空间较大、现场演出或者混响较长的地方时同样会因声干涉问题导致语言清晰度下降。

书架音箱

测试中选用的书架音箱是Bag End M6录音棚同轴监听音箱。每次都在高频轴心上进行测量。1B是扬声器背对着墙进行测量的结果（见图8）。

“C”和“D”（见图2）是扬声器跟边界角度成45°的情况下测量的结果，比如扬声器可能安装在墙与屋顶之间的交点上。要注意到3 kHz以上几乎没有边界干扰，因为，此时扬声器指向性非常强，以至于高频能量完全能忽略边界的影响。

在低频段声音是边界和直达声相互作用的总和，包括“下滑”部分和明显隆起的曲线包络部分。均衡器有时用来拉平频响的隆起，或者补偿200 Hz以下的低频。

因为书架式音箱在小房间用得最为普遍，而且，它们基本上都是贴着房间的边界安装的，所以难免会出现一些难题。如果还音需要很精确，那么系统设计师将会面临挑战。

中音号角

测试中的中音号角选用的是美国community M200中程驱动单元，覆盖角度为60°×40°。其尺寸很大，对500 Hz完全可以提供角度模式控制。它可用以单独使用，也可以全频使用，全频使用时增加一个高频单元和一个低频单元即可。

中音号角对于专业扩声系统非常有利，以下详细解释一下测试内容及其优点（见图9）。号角提供的角度模式控制系统能防止声能撞击边界。不论边界条件如何改变，频响几乎不变。如果扬声器出厂时频率响应量已经拉平了，那么安装后其频响还是平坦的，不需要再加额外均衡器。直达声区域的频响只需要用两通道的参量滤波器拉平。

号角和空间载荷结合在一起能提高扩声系统的效率，号角充当声学传播器增加动力传送给空气。此时的电平比单独的空间载荷产生的电平还要高。

频率相关

载入号角的好处是可以扩展可控频谱的频宽，包括中频以上的频率以及中频以下更低的频率，由号角尺寸大小决定控制频宽。

尺寸小一点的号角用于高频模式控制，大一点的则用于中低频模式控制。对于号角来说，尺寸大小是最关键的因素（即号角越大，其可控频率越低）。

一种情况，两种方案

典型的设计方案就是在屋顶和墙的交界处（1/4-空间）安装一只全频音箱。首选的音箱是那种前面装有多个号角的典型音箱（即中高音同位的多重号角组合箱体），最好是声音“悦耳”且尺寸紧凑的那种。

测试数据表明边界与边界之间的交界处可以产生大量的声干涉。均衡器和任何处理方式都不能恢复扬声器在自由场中的那种平直相应。

只要扬声器贴近边界安装，不管是普通的线阵列还是备受推崇的线阵列都会产生大量的声干涉。所以另一个方案是嵌入边界里，这样就可以做到产生的边界干涉很少。

下面描述这两种边界干涉方案。大尺寸号角用于扩展控制中低频的下限，使之降到250 Hz。号角尺寸较大，所以，必要的话可以嵌入到边界里。

同轴扬声器、同位号角、一体化全频号角等可以用来扩展受限制的高频频响，如果低音也放在同一位置，要注意不同频率的空间载荷具有尺寸相关性，从而造成在某一部分频段增益明显提升。

采用全频带是解决这个问题的正确方案，而且也说明均衡设计始于工程项目的绘图阶段。

如果想要得到平坦的频响，还得使用者自己设计。要是没考虑到扬声器与边界干扰这一因素，那么就会导致频响不平坦，覆盖不均匀，清晰度较差以及音响系统均衡过多等一系列问题。

那么底线是什么？号角可以不受边界效应的影响，而对高质量扩声系统来说边界的影响又是最大的损害因素。

边界干涉的解决方案

还是正视事实吧。因为实际中很多场所的扬声器是必须靠近边界安装。所以要尝试去控制边界之间的相互影响。

笔者选用书架式扬声器进行测量，因为它适用于小型系统中。图11显示的是自由场，四分之一空间的频响以及处理过的频响三者之间的对比。据说这种处理过的方式会使结果产生变化，但笔者宁愿不去修补任何参数。

另外，实际音响系统中完全可以使用积极的处理方式，通常可采用1英寸厚的吸音棉来“消除”边界干涉问题。

笔者认为，不进一步采取嵌入式安装的方法去测量非常可惜。测音室的其中一面墙有一个方形的洞用于测试吸顶扬声器。笔者从MDF（中密度纤维板）上切开一块板便于嵌入音箱，然后将书架音箱安装在切好的部位（见图12）。

大家会发现这种方法是录音室和其他重要听音环境的最爱。高频时没有边界干涉，而且随着边界效应生效，低频也增加了。

利用均衡器可以校正增加的频响，可以将扬声器的频响恢复到原先在自由场里测量好的那样。笔者还打算给边界做些吸声棉，不过效果不会很明显。

还有一个方案就是将扬声器系统安装在远离边界的位置。录音棚里通常使用“近场”监听，也就是监听音箱摆放在听音者的附近。

只有来自调音台控制的反射声会干扰直达声区域。