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(diǎn)我們真正能理解到什么程度？
這是一個重要的課題，因?yàn)榱私獠ㄩL的本質(zhì)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(lǐng)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(dá)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(shí)（約339m/s），而光的傳播速度約為6.71億英里/小時(shí)（約299792458m/s）。
長的低頻波需要一些時(shí)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(diào)。20Hz的波長需要1/20s的傳播時(shí)間，即50ms。
相比之下，一個短波長的高頻波只需要很短的時(shí)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(guān)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(yīng)。低音陷波器是一種聲能吸收器，設(shè)計(jì)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(yīng)。
低頻（上圖）和高頻波。
當(dāng)?shù)皖l傳播到反射空間時(shí)，它們會產(chǎn)生駐波。駐波是當(dāng)從墻壁反射的聲波與來自揚(yáng)聲器的直達(dá)聲相遇時(shí)產(chǎn)生的壓力節(jié)點(diǎn)。在某些頻率下，反射會增強(qiáng)直達(dá)聲，從而提高音量，而在其他頻率下，則會抵消直達(dá)聲，進(jìn)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(yáng)聲器箱體出現(xiàn)的一個原因就是為了減少內(nèi)部抵消。在一定范圍內(nèi)，梯形箱體確實(shí)具有優(yōu)點(diǎn)。
不同空間的低頻響應(yīng)差異是空間對音質(zhì)影響的重要體現(xiàn)之一。
曾有幾次，我分析并調(diào)試了大帳篷中的音響系統(tǒng)——一次是太陽馬戲團(tuán)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(shí)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(shí)間在混凝土、鋼、玻璃和木結(jié)構(gòu)空間調(diào)試系統(tǒng)之后，這無疑讓我感到驚訝。在低頻范圍內(nèi)，它與戶外測量時(shí)的響應(yīng)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(shè)建筑物有足夠的強(qiáng)度不會被摧毀）。這就是為什么我們會將超低音揚(yáng)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(dāng)遇到障礙物時(shí)，這些波紋會破裂或反射。例如，即使是典型的金屬穿孔揚(yáng)聲器面網(wǎng)，也會對高頻產(chǎn)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(dāng)涉及揚(yáng)聲器擺放時(shí)，會幫助我們做出更好的選擇。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，如控制超低頻和全頻揚(yáng)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(dāng)你考慮頻率和波長時(shí)，思路就會變得更清晰。一個重要的課題是，從全頻揚(yáng)聲器（通常是吊掛的）到超低頻揚(yáng)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(dāng)兩個聲源相隔四分之一波長或更長波長時(shí)，根據(jù)聽眾或測量麥克風(fēng)的位置，聲波會發(fā)生相長和相消的干擾。
關(guān)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(jìn)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(shè)交叉斜率是對稱的，其中一個揚(yáng)聲器的振幅將降低6 dB，而另一個揚(yáng)聲器將提高6 dB。
然而，盡管聲源組合的抵消或疊加效應(yīng)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(jié)果，這一點(diǎn)我們暫不討論。
噪聲消減
有時(shí)，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(xué)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(yùn)營。在現(xiàn)代線陣列出現(xiàn)之前，當(dāng)時(shí)沒有簡單的方案，我們用當(dāng)時(shí)可用的工具盡了最大努力。結(jié)果也只能全面降低低頻輸出，更大幅度地降低總體運(yùn)行電平。
但這件事還是導(dǎo)致了舊金山灣區(qū)設(shè)立了SPL監(jiān)測警察職位，最終結(jié)果不盡人意。幸運(yùn)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(yáng)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(shí)，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(yáng)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(yáng)聲器成為可能。
為了支持實(shí)際應(yīng)用，一個很好的經(jīng)驗(yàn)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(shí)世界中是不切實(shí)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(shí)現(xiàn)。
DSP支持
線陣列模塊的電平控制、時(shí)間延遲和復(fù)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(yīng)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(shí)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(yīng)，這是線陣原理如何控制方向性的本質(zhì)。復(fù)雜的DSP控制是一個發(fā)展迅速的領(lǐng)域，在可預(yù)見的未來，它會在性能上持續(xù)改進(jìn)。
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(xué)環(huán)境中嘗試數(shù)千種變化，但這是精確確定復(fù)雜DSP干預(yù)在性能優(yōu)勢方面能否實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)效果的必需步驟。幸運(yùn)的是，計(jì)算機(jī)建模使探索不同場景變得更容易，成本更低，這正是當(dāng)今大多數(shù)研究和開發(fā)的動力所在。
總結(jié)
幾十年來，各種類型的陣列一直伴隨著我們。一些陣列確實(shí)非常有效，為大量的人提供了連貫一致的音質(zhì)，但行業(yè)進(jìn)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(zhì)），可以真實(shí)地評估現(xiàn)場情況，在規(guī)劃和部署揚(yáng)聲器系統(tǒng)時(shí)做出明智的決定，并向聽眾提供最佳效果。
這個關(guān)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(zhì)如何影響音頻工程師可能遇到的各種情況，我們應(yīng)致力于學(xué)習(xí)聲學(xué)原理，以及它們與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)系。
