【關(guān)鍵詞】室內(nèi)聲學 混響器

目錄

一、 室內(nèi)聲學概述 3

1. 基礎(chǔ)幾何聲學 3

2. 幾何及統(tǒng)計聲學 3

直達聲、早期反射、混響 3

反平方定律及直達聲的聲強公式 5

延遲聲的聲強及延遲時間公式 5

室內(nèi)混響量的計算 7

混響半徑 11

二、 人工混響的設(shè)計 11

1. 模擬混響技術(shù) 11

2. 數(shù)字混響技術(shù) 12

三、 錄音室中錄制的音樂混音 14

1. 后期添加混響效果的原因 14

2. 混響模式的選擇 14

小結(jié) 15

一、 室內(nèi)聲學概述

1. 基礎(chǔ)幾何聲學

假設(shè)聲波如射線一樣傳播，則一部分聲波被墻面反射，一部分聲波被吸收。

聲波的平面反射：（與光相似，入射角=反射角）

如果反射面是一個平面，則聲波被反射時，反射角=入射角。有多個平面則會有多次反射。

聲波的弧面反射：

如果反射面是一個凹面或者凸面，則聲波會發(fā)生匯聚或發(fā)散。

波長對反射的影響：

只有當反射面大于聲波的波長時，聲波才能被反射。通常反射面應大于3倍波長才能確保聲波的反射。因此較低頻率較難得到反射。

2. 幾何及統(tǒng)計聲學

直達聲、早期反射、混響

根據(jù)聲波運動方向及時間的不同，可將室內(nèi)聲音分為直達聲、早期反射以及混響。

¬ 直達聲

從聲源直接到達聽音者的聲音。

¬ 早期反射

聽到直達聲后一段時間內(nèi)，聽音者聽到的經(jīng)過一個或更多表面反射的聲音，即首次墻面反射。它們在到達時間和方向上都與直達聲不同，人們可以利用這些不同來判斷房間的大小和聲源的空間位置。

¬ 混響

在室內(nèi)聲場達到穩(wěn)定的情況下，聲源停止發(fā)聲，由于聲音的多次反射或散射，聽音者聽到的是一組密集的反射聲，這種現(xiàn)象稱為混響�；祉懢哂胸S富和烘托音樂的作用，增強空間感，還能使不同的樂器融合。

混響時間：從聲源停止發(fā)聲，到聲強減小到原聲強的百萬分之一（60分貝）所需的時間，叫做混響時間。

反平方定律及直達聲的聲強公式

直達聲在任何空間內(nèi)的傳播與自由聲場的傳播特性相同，因此可以用自由聲場的計算公式來計算離聲源一定距離的直達聲的聲強（假設(shè)忽略空氣的吸聲）。公式如下：

（其中，=聲強，單位是W/；Q是聲源指向性因數(shù)；是聲源的聲功率，單位是W；是以聲源為圓心的球體面積計算公式，單位是）

從上式中可以看出，離聲源一定距離的直達聲的聲強是與距離的平方成反比的（在聲源指向性不變的情況下）。這就是我們所說的反平方定律。

延遲聲的聲強及延遲時間公式

通常早期反射的聲強級與傳播距離以及反射面有關(guān)。如果直達聲被完全反射（假設(shè)是一個完全反射聲音的平面，假設(shè)空氣不吸收聲能），則通過直達聲的聲強公式可推導出該延遲聲的聲強公式，如下：

由于聲音在空氣中傳播速度是約340米/秒，因此該延遲聲較直達聲到達人耳的延遲時間公式如下：

從上述公式加上吸聲材料的作用來看，延遲聲總是會遲于直達聲到達人耳，并比直達聲的聲強更小些。

吸聲材料的影響和隨頻率變化的吸聲系數(shù)

由于反射面的材料不同，因此吸聲系數(shù)也大相徑庭。早期反射聲會由于反射面的吸收而導致聲強比在完全反射的情況下降低一些。材料的吸聲系數(shù)決定了聲波被材料吸收掉的量的大小，如光滑的大理石的吸聲系數(shù)為0，而打開的窗戶則為1。同種材料的吸聲系數(shù)還會隨頻率的變化而變化。下圖為不同材料在不同頻率的吸聲系數(shù)表。

反射面的弧度對反射的影響

同時反射面的弧度也會對早期反射產(chǎn)生影響。下圖是一個聲聚焦面（凹面），這種情況下聽音者得到的早期反射會比平面聲強更大（其他位置可能是會更小）。

室內(nèi)混響量的計算

常用賽賓公式和艾潤公式，此處僅使用賽賓公式，如下：

（其中T =混響時間，單位為秒；V =室內(nèi)容積，單位為立方米；A =室內(nèi)的吸聲總量，單位為賽賓）

其中，室內(nèi)的吸聲總量A的計算公式如下：

（其中α=平均吸收系數(shù)；S=吸聲面積，單位為平方米）

當α<0.3時，該公式計算較為精確，但隨著α數(shù)值的增大精確度下降，極端情況是當α=1時（即沒有墻面時）誤差明顯。

從中可以看到，混響時間的長短與室內(nèi)容積、平均吸聲系數(shù)和吸聲面積有關(guān)。

房間大小的影響

假設(shè)房間是規(guī)則的長方體，室內(nèi)容積的計算公式如下：

（其中V =室內(nèi)容積，a =長，b=寬，c=高）

吸聲面積的計算公式：

假設(shè)平均吸聲系數(shù)不變，引入線度L，使長寬高始終以相同比例線性增大或減小，則：

因此在其他條件（如平均吸聲系數(shù)不變，長寬高比例不變）的情況下，混響時間與房間尺寸成正比。一般來說，房間越大，混響時間越長。

隨頻率變化的吸聲系數(shù)

由于實際材料的吸聲系數(shù)隨聲波頻率變化，這一點在表6.1中可清晰得出，因此當房間的容積、表面積和吸聲系數(shù)不變時，房間的混響將會隨聲波頻率的變化而變化。由此會帶來混響在不同頻段聲壓級的變化，導致在主觀聽感上聲音的音色也會不同。

不同材料的墻面的房間的混響時間計算

一個室內(nèi)空間的墻面是由不同材料構(gòu)建而成的。因此一個室內(nèi)空間的總吸聲可以由各個吸聲面的吸聲系數(shù)與面積相加而得：

此時混響時間的計算公式可寫成：

早期衰減時間

混響隨時間衰減的理想曲線如下圖所示：

但是由于房間各吸聲面的吸聲系數(shù)的差異，如一個地面鋪著地毯、天花板上安裝吸聲磚、而四面墻上幾乎什么都沒有的辦公室，聲音在上下兩個吸聲面快速衰減，而在墻面之間則衰減得慢得多，如下圖所示：

這時，混響隨時間衰減的曲線絕不可能是憑一個斜率衰減的，而是會有兩個或多個斜率的變化，簡圖如下所示：

在這種情況下，我們所感受到的混響時間會比用公式計算出來的值更短一些。

空氣的吸聲作用

空氣會吸聲，空氣的吸聲系數(shù)會隨著頻率的升高急劇增加。盡管在1000Hz以下，我們可以完全不考慮這個因素。但是在高頻，尤其是大空間的室內(nèi)，則必須考慮這個因素的影響。1000Hz時，每1000m3空氣的吸聲系數(shù)為3（個賽賓單位）；2000Hz時，為7；4000Hz時，則為20.

空氣的吸聲系數(shù)還和濕度有關(guān)，當空氣較濕時，煙霧顆粒和其他雜質(zhì)更容易吸收高頻。

因此，混響中的高頻可能會得到相應的衰減。

最佳混響時間

由于對各種聲音種類的要求不同 ，會有為不同需求而設(shè)計的各類室內(nèi)空間，如語音播音室通常需要聲音的清晰度更好一些，而音樂廳則需要適當?shù)幕祉懧暿构诺湟魳仿犉饋砀鼊勇牐�教堂則需要更大的混響等。以下是各類房間的最佳混響時間（500Hz）：

混響半徑

在室內(nèi)一個離聲源一定距離的點，直達聲和反射聲的強度一樣大。這個距離，就稱為混響半徑。在混響半徑之內(nèi)，占主導地位的是直達聲；在混響半徑之外，占主導地位的是混響聲。

下式為有效混響半徑公式：

（其中，=有效混響半徑；Q=聲源指向因數(shù)；V=室內(nèi)容積；=混響時間）

二、 人工混響的設(shè)計

人工混響的設(shè)計是基于室內(nèi)聲學理論的，雖然不能全然逼真地重現(xiàn)室內(nèi)廳堂的效果，但是從很大程度上能再現(xiàn)出在真實聲場的感覺。

1. 模擬混響技術(shù)

通過對輸入的音頻信號進行激勵，加以通過機械方式激發(fā)彈簧或板式金屬板振動進行的處理，來對音頻添加混響�；�本原理圖如下所示：

雖然能夠做混響處理，但是有以下幾個缺點：由于反射面較小，早期反射幾乎沒有；混響不太自然；多數(shù)這類混響器聽起來粗糙而帶有金屬感。

2. 數(shù)字混響技術(shù)

目前使用得更為廣泛的是數(shù)字混響技術(shù)。

數(shù)字混響技術(shù)利用數(shù)字信號處理來進行混響的處理，通過實現(xiàn)混響形態(tài)的算法來改變聲音，因此算法的優(yōu)劣在很大程度上決定了該數(shù)字混響器的質(zhì)量�，F(xiàn)代數(shù)字混響器的算法基本由三部分構(gòu)成，基本原理圖如下所示：

其三部分分別是：

 

1. 初始延時：一條簡單的初始延時線來模擬初始延時，一般可調(diào)節(jié)來調(diào)整不同空間大小和不同效果。
   
2. 早期反射聲模擬：用帶有抽頭和乘法器的延時線來模擬早期反射聲。抽頭的位置和相應的乘法因子都是可調(diào)的。一些較復雜的混響器會使用更多的抽頭和乘法器，甚至通過使用濾波器來實現(xiàn)早期反射聲隨頻率變化的功能。
   
3. 混響拖尾：使用了多條長度不同的延時線，每條延時線的輸出都被反饋到輸入端，形成了循環(huán)延時線。反饋通路中的循環(huán)因子必須小于1，以保證聲能能夠持續(xù)衰減。循環(huán)因子越大，聲能衰減時間越長。可用濾波器代替乘法器來模擬空氣吸聲對混響的影響，讓輸出隨頻率變化，高頻比低頻衰減更快。通常這部分對于算法的要求更高，以獲得更好的效果。
   

 

以上是單聲道混響器的原理，立體聲混響器則是將兩個混響器分別輸出到左右，因為在現(xiàn)實聽音情況下，人的雙耳所在的位置是不同的，聽到的混響聲也是不同的。具體細節(jié)不予贅述。

混響器如Waves的插件TrueVerb便是由此而設(shè)計的。其聲學原理則基于第一部分內(nèi)容。

但它只使用了其中兩種算法來生成虛擬空間。第一種是早期反射，第二種是混響。把它們結(jié)合在一起，就可以創(chuàng)建出虛擬空間。

其中幾個重要指標：

1. 直達聲：在軟件中指輸入的除了電平外沒有任何改變的信號，它受距離（Distance）、平衡（Balance）等控制的影響。紅色線條。
   
2. 早期反射：指早期反射聲，它受房間大�。≧oomSize）、距離（Distance）、早期反射的吸收（考慮到頻率的因素） (ERAbsorb)、衰減時間（DecayTime）和平衡（Balance）等控制的影響。橙色稀疏排列線條。
   
3. 混響：指軟件混響處理器輸出和信號。它受房間大�。≧oomSize）、混響濾波器（RevShelf）、混響阻尼（Reverb Damping）、衰減時間（DecayTime）和平衡（Balance）等控制的影響。藍色塊。

三、 錄音室中錄制的音樂混音

1. 后期添加混響效果的原因

此處所說的錄音室指的是一般的強吸聲的錄音室，混響幾乎忽略不計。

錄音室錄音比起現(xiàn)場來，可控制的處理更多。這也是為什么那么多錄音室專輯誕生的原因。

在這種錄音室中錄制的聲音清晰度高，后期可對其進行很多處理使其在外放設(shè)備上的聽感更好。其中混響的處理幾乎是必不可少的（除了一些特殊情況），否則單純的干聲在聽感上是很不自然的。

2. 混響模式的選擇

根據(jù)樂曲風格的不同，可選擇不同的室內(nèi)空間。如古典音樂一般應選擇音樂廳模式，將混響時間調(diào)整在1.3-1.6 s之間；搖滾樂則一般需要與音樂廳全然不同的空間，獲得更短的混響時間；教堂音樂、合唱等則需選擇教堂模式，獲得更大的混響時間。

在一些知名的混響效果器（如lexicon）中，通過不同的算法以及對各房間聲學特性的掌握，提供了較多空間預設(shè)，用戶可直接調(diào)用。如果需要對混響做一點修改，可在參數(shù)調(diào)節(jié)界面中對其做修改，其參數(shù)的修改意義可從室內(nèi)聲學的知識基礎(chǔ)中找到答案。

從個人經(jīng)驗而言，為風景片的配樂在錄音室里錄制過大提琴，由于需要體現(xiàn)其悠遠蒼茫的意境，加入了RVerb（大廳混響）和PlateVerb（平板混響），調(diào)節(jié)到合適的比例，使樂曲的藝術(shù)表現(xiàn)力得到了進一步的增強。

為搖滾樂混過音，歌曲速度、人聲風格等都會對混響量的大小的合適的量產(chǎn)生影響。

混響有時在某些音樂中是起到了特殊藝術(shù)效果的作用，比如電子音樂。有時也會在一首歌曲中變換不同的混響以滿足藝術(shù)上的需求。

小結(jié)：了解室內(nèi)聲學對混響器的使用會有更進一步的理解。雖然與真正的室內(nèi)聲場并不能等同，但是混響器能近似地再現(xiàn)出真實的室內(nèi)聲場�；祉懫鲾U展了音樂混音的手段，對增加藝術(shù)表現(xiàn)力起到了重要的作用。

參考文獻：

1. 《音樂聲學》PPT
   
2. 《音樂聲學與心理聲學（第三版）》
   
3. Waves的Trueverb效果器說明書
   
4. 《錄音技術(shù)》期末整理