第七节 驻波

从“鱼洗”沿擦出的水花

　　“洗”是中国古代用来盛水和洗东西的盆形器具，是用黄铜制作的．在其两侧各有一个环形提手，叫做“洗耳”．“鱼洗”是一种因铸有鱼形图案花纹而得名的“洗”．

　　“洗”可以作为实验用具，演示共振现象．实验时，把“洗”中放满水，将双手洗干净，然后用双手去摩擦“洗耳”的顶部．随着双手同步地来回擦动，“洗”会发出蜂呜声，当声音大到一定程度时，就会有水花四溅．继续用手摩擦“洗耳”，就会使水花喷溅得很高．如果用的是“鱼洗”，则水花像是从鱼口里喷出来的一样，十分有趣．

　　用手摩擦“洗耳”时，“洗”会随着摩擦的频率产生振动．当摩擦力引起的振动频率和“洗”壁振动的固有频率相等或接近时，“洗”壁产生共振，振动幅度急剧增大．但由于“洗”底的限制，使它所产生的波动不能向外传播，于是在“洗”壁上入射波与反射波相互叠加而形成驻波．驻波中振幅最大的点称波腹，最小的点称波节．用手摩擦一个圆盆形的物体，最容易产生一个数值较低的共振频率，也就是由四个波腹和四个波节组成的振动形态，“洗壁”上振幅最大处会立即激荡水面，将附近的水激出而形成水花．当四个波腹同时作用时，就会出现水花四溅．有意识地在“洗壁”上的四个振幅最大处铸上四条鱼，水花就像从鱼口里喷出的一样．

家庭影院系统的音箱摆位

　　在将各种器材连接起来之后，面临问题就是如何将这6只音箱进行摆位的问题．

　　音箱摆位的问题难点就在于我们讨论的是在一个典型的房间里最理想的音箱的摆位方式，但是我们日常的房间又不可能仅仅用于家庭影院系统．因此不考虑其它因素的摆位通常是不可能的．家具的摆放和房间的声学特征是决定音箱的最终摆位的重要因素．要知道家庭影院系统一般需要摆放6只音箱或更多的音箱，它们将会占据房间里的很大空间．

　　（一）生活在一个完美的世界：理想的音箱摆位

　　先让我们讨论一下在一个理想的环境中音箱的摆位，即有一个空的房间专门用来作家庭影院使用．这就可以把音箱摆在任何需要的地方．家庭影院音箱摆放的最基本的原则是各音箱与你坐的位置要保持对称的关系（超重低音箱除外）．按这种原则，各成对的音箱与聆听位置都要等距，且与房间中线的夹角相等．

　　为了做到与聆听者等距，中置音箱必须放在前左/右音箱稍靠后一点的位置．还应该放在电视机的上方或下方，并与前左和前右音箱的距离相等．前三只音箱的高音单元的高度应该相同，前左和前右音箱与两侧墙和后墙的距离也应该相等．大多数主音箱还要求有“呼吸”的空间，所以不应该直接靠墙或紧挨电视机，或是放在柜子里．

　　环绕音箱可以摆在聆听位后面或两侧，要稍高于人耳的高度（当然是指你坐下来后耳朵的高度）．如果环绕音箱放在了聆听者的后面并墙放在墙上，座位就要离开墙，这样环绕音箱就不会离聆听者太近．如果环绕音箱就在聆听者的两侧，那么它们应该有一定的夹角，不至于正对着人的耳朵．

　　这条原则的唯一例外是超重低音箱．因为家庭影院系统中常只有1只超重低音箱，它的摆放就无对称性可言．超重低音箱的摆放与房间的相互作用更大一些，而不涉及其它音箱很关心的结象的问题．

　　如果家庭影院系统的各音箱摆位时只考虑房间的声学因素而不考虑其它因素，其摆位就应如上图所示．

　　（二）现实生活中的音箱摆位

　　在现实生活中的音箱摆位你需要做出各种妥协．第一种妥协就是各音箱无法做到与聆听位置等距和等夹角．但这可以通过接收机或解码器上的声音延时功能来弥补．通过这些设置，主音箱、中置音箱和环绕音箱与聆听位置的距离差异就可以得到补偿．但是最好尽可能地将各音箱与聆听位置保持等距．

　　如果中置音箱摆放在电视机的上方且稍高于前左和前右音箱的平面，把中置音箱稍向下倾斜有助于弥补这种高度差别，如果中置音箱放在电视机的下方，就要把它向上稍稍倾斜．另外，还要尽可能地把中置音箱放在电视机的前边缘，这样可以减少电视机箱体的反射．最后，还要正确确定中置音箱的方向，否则它的成象就不会准确．

　　如前所述，前置音箱（包括中置音箱）必须与电视机保持对称的摆放，否则音箱就不可能正确地在房间的前部结象．在一最重要的原则在环绕音箱的摆放中也是同样重要的．前主音箱的与侧墙和后墙保持相等的距离，比起它们与电视机对称摆放重要性就小一些．前左和前右音箱可以向内转一下方向，以获得更好的结象效果．后面我们还要就家庭影院系统的音频调校作更深入的讨论．

　　由于大多数房间的建筑局限性，环绕音箱的摆位成了最容易出问题的地方．最常见的问题就是聆听位置离后墙距离太近，环绕箱的摆放就很紧张，如果摆放在两侧时侧边的距离太小．一般情况下，环绕音箱应该安装在墙壁上，高度略高于人耳的高度．如果不是安装在墙壁上，它们的摆放就相对灵活一些．

　　环绕音箱的设计一般有两种不同的类型：一是双极性音箱，它向两个方面辐射声音，二是直射型音箱，它只向一个方面辐射声音． 双极性音箱设计是为了防止声音直射入聆听者的耳朵，常常放在侧墙上．但是它们放在后侧墙上也能得到好的效果．直射式音箱应该放在指向聆听者的位置，但不应该从侧面或后面直指向聆听者．直射式音箱通常在稍成夹角指向房间或稍直接指向聆听者时能得到最好的效果．

　　为了得到良好的环绕包封效果，还需要一种弥散的声场和立体环绕效果中的精确的结象效果．例如，如果你喜欢包封很好的后置声场，你可能会考虑将环绕音箱指向后墙，或是将它们指向天花板或其它物体，以得到更多的反射声．为了得到更准确的结象，环绕音箱应该摆在聆听位置的两侧靠后的位置，然后将音箱转向聆听者．因此所有这些考虑，在确定音箱的摆放位置时你应该不厌其烦地多摆摆，多试试．

　　（三）超重低音箱的摆位

　　由于超重低音音箱在家庭影院中起着十分重要的作用，所以它的摆位也是非常关键的．这里有必要对超重低音箱多浪费一些笔墨．

　　1．什么是超重低音箱

　　超重低音箱个头较大、专门设计用来重放出深沉而又准确的低音．它需要一个较大的扬声器单元和一个箱体，以推动大容量的空气产生出准确的低频声音．其频率上限通常在140赫兹左右，并且随设计的不同，重放的频率可下潜到20赫兹以下，这是人耳所能听到的最低频率．由于人耳的敏感度随频谱的范围而变化，对中频和高频比低频要灵敏，所以为了重放出有说服力的低音，超重低音箱需要重放出更高的声压水平(SPL)．这可以通过某些前级功放的“大声”电路将低聆听电平时的低频和高频声音进行增强，以补偿人耳非线性听觉的不足．

　　你可能会认为超重低音箱只在家庭影院系统中才使用，其实超重低音箱也可以在很大程度上改善纯音乐系统的水平．许多发烧友有了很大的主音箱仍配置了一个或多个超重低音箱．

　　用小音箱来重放出深沉的低音是很难的，如果你遇到了这种情况，一只超重低音箱就可以将你的音响系统的声音频谱补充完整． 音乐特别是影片中包含了大量的低频声音信息．为什么影院里看影剧院要比用家庭影院观看更给人印象深刻？答案是: 在影院里使用了许多超重低音箱，它们可以重放出恸人心魄的爆炸声．在电影音轨中能量集中在60赫兹左右，可以达到105dB．许多电影中含有 20Hz 的声音信息．其实你也可以做到这些．

　　首先，你得弄清你需要什么类型的音箱系统，以及如何将一只超重低音箱与你已有的音箱系统有机地结合起来．

　　超重低音箱和卫星音箱一般是成套出售的，超重低音一般放在看不到的地方，这样其低频声音和方向不会由人脑主观地确定．两只卫星音箱则重放出频谱中的其它频率．一只超重低音箱也可以增加到已有的音箱系统中，但需要细心地调校，使其非常平滑地与原有音箱整合在一起．

　　2．超重低音音箱的类型

　　有两种主要类型，一种是主动式，另一种是被动式．被动式不进行任何放大．这种音箱靠你的功放来驱动，可以直接连接到功放的输出端口．低频可以消耗大量的功放能量．超低音箱也很难与其它音箱集成，除非它们是由同一厂家专门设计用来与其它音箱集成的．

　　主动式超重低音箱（也称有源超重低音箱）含有内置的功放，一个主动式分频电路，其其它部件，如减失真电路．它们可以连接到功放的音箱输出端口（不消耗任何能量），也可以连接到专门的低频线出级端口．还有的超重低音箱允许你将主音箱从功放上断开，然后将信号输入到超重低音箱中，再把主音箱连接到超重低音箱上．在这种情况下，低频信号将从不再送往原有的音箱中，而是专门输出到超重低音箱中，这样主音箱和超重低音箱就可司其职，全力工作了．

　　3．超重低音箱的摆放

　　人们常有一种误解，即由于人脑很难为低于100赫兹的声音定位，所以超重低音箱可以放在房间的任何地方而不会产生有害效果．事实不是这样的．在音响领域里什么都不是那么简单的．超重低音箱的摆放是安装步骤中最难的一步．因为低音的波长比较长（约50英尺），所以为超重低音箱确定位置就比较困难．但需要强调的一点是它仍是一个点状音源，声波从其中辐射出来．将一只超重低音箱从其典型摆放的一角挪动，会改变驻波的波长，使你在听音位置所听到的音量增大或减少．摆错位置的超重低音箱会增加某一特定低音频率的声音，不仅会彻底改变你房间的声音平衡，而且会改变你所聆听的录音的声音平衡．

　　你还必须记住，由于超重低音箱会与左/右主音箱和中置音箱“共同播放”某些频率的声音，所以会发生偏移问题．偏移是指超重低音箱与前主音箱轴线的前后距离．如果离主音箱水平轴线多于三英尺会引起共同播放的那些频率的声音发生交叉，会抵消这些频率的声音．要把这种偏移控制在最小值．

　　由于低频音的波长，驻波可能成为一个问题．驻波是由低频波长自身与其从房间表面的反射波移相相加而产生的，它会改变声音的振幅．大房间受的影响要小于小房间的，因为声波的分布是随机的．驻波使低频音听着缓慢迟钝，而多数情况下超重低音箱则被“冤枉”．.

　　多数情况下，超重低音箱的最坏的摆放位置是在聆听位置的后面——多在一条沙发后面．由于两种相同频率声音的相交效果，会在你的头脑产生混乱，聆听的感受就不完全真实．这是在模拟的专业杜比逻辑方式下的情况．唯一的例外是超重低音箱的信号是由后置声道直接馈送的，通过使用放大过的信号而不是线级信号水平．在数字杜比模式下，后置音箱也都是全音域的，所以一只后置超重低音箱会有所帮助．重要的是要记住在这种情况下由超重低音箱所重放出的低音必须限定于重低音箱而不能由其它音源产生，而且声音必须按照规定的方向发出．除非一套系统是专门设计成后置超重低音箱只用于特定的数字信号，这种选择一般是麻烦多于好处的．在大多数商业电影院里后置的小音箱都不会加入超重低音箱——多数重放系统都是如此，而且录音师在混音时也是按这样去做的．

　　正确摆放超重低音箱的最容易的办法就是放在你的听音位置上．别担心，不会让你坐在它上面看电影的．你所要做的就是在房间里来回挪动它，直到你发现最佳的低频响应点．使用一种非常“精致”的噪声信号－你可以用Delos 公司的《精彩环绕声》（Surround Spectacular） CD和 THX公司的《哇！》（ "Wow!"）光盘上得到这种信号，甚至可以从你的专业杜比逻辑Dolby Pro-logic(tm) 处理器中得到校正噪声信号，这时要保证其它的音箱都是关闭的．

　　最佳的摆放点不一定是低音最大的点，而是低音最流畅的点．

　　使用多只超重低音箱可以说是在玩双刃剑，它既可能帮助解决驻波问题，也有可能使问题更加糟糕．

气柱的振动

　　气柱的振动情况与杆相似，这时闭口的一端为波节，开口的一端为波腹(图1)．如在管中放上软木粉末，则粉末将在波节处集成小堆，因而可以显示出驻波的存在，这种管子称为孔脱管(图2)．图中S为挟架，作为固定棒的中点用，以湿布沿棒长方向擦棒，使在棒中产生驻波，则通过圆纸板的作用就可引起管中气体的振动，移动活塞以改变管长就可在管内得到稳定的驻波．用同一棒在各种气体中作试验可以测定声波在各种气体中的速度，用不同原材科的棒，就能测出声波在各种不同的固体中的速度．用孔脱管还能测出高达40,000赫兹的超声频率．一切管乐器，如管风琴、单簧管、双簧管、笛子等都是使管中产生驻波发出乐音的．

　　　

　

　　发声系统的振幅决定所发声音的响度．但是在某些情况下，即使振幅很大，振源也不能发出强的声音．例如，将一条弦张紧在两个坚固的夹子之间并敲击它，这样得到的只是很微弱的声音．同样，如果敲击音叉并将它拿在手中，别几乎听不见声音．这是因为在上述情况下，振动弦或音叉股仅在附近引起闭合的空气涡流，而不能形成空气的压缩和稀疏以产生纵声波．同时振动系统与周围空气间的联系不够，因而辐射微弱．为了增强辐射，必须创造使涡流运动不易发生的条件．根据这个道理，为了增强音叉的发声，我们把它装在共鸣箱上；而在乐器中(例如小提琴和大提琴)，我们把弦固定在木板面(共振板)上．弦把振动传给大的共振板面，在共振板面附近，不可能有闭合空气流产生．在共振板附近将形成压缩和稀疏的波动，因而产生出强的声音．钢琴的盖子也起着同样的作用．

　　两个系统共鸣时声音响度的增大也可以用辐射的增强来说明．这个实验可以用最简单的形式作出如下．将一个正在发声的音叉(图3)放在一个高而细的容器口上方，容器里面盛有少量的水．如果慢慢加水于容器中，则在某一时刻，声音的强度将显著地增大．这个现象可以解释如下：当容器内水面上的空气柱有适当高度的时候，空气的损动开始与音叉的振动共鸣，因而振幅大大地增大．在容器口附近交替地发生压缩和稀疏，他们就破坏着在音叉股周围形成的涡流，结果声音的辐射增强．

如何预防和应对高速行车爆胎事故

　　目前车辆在高速公路长时间超速行驶（指超过１１０千米／时）导致车辆轮胎爆胎而引起的事故在急剧上升．据公安交警部门统计，近年在广深、深汕、佛开高速公路因车辆连续长时间超速行驶，引起的车辆轮胎爆胎事故高达５０％，个别路段竟高达６８％．沪宁高速公路刚开通仅半个月，由爆胎引起的车辆事故竟高达７５％．这些事故的发生给国家、个人（家庭）都带来了重大损失．

　　引起汽车爆胎的原因主要有负荷、气压、速度、胎体、路面、车架、轮辋等因素．从现象上看，前５种因素构成的比例较大，但引起爆胎的实质原因主要是轮胎“驻波”造成的，是这５种因素外在表现的内在原因，这一点恰恰容易被驾驶员所忽视（往往过多地在轮胎质量上找原因，当然轮胎过度磨损及温度高也是爆胎的其中一个原因）．“驻波”现象表现在轮胎上就是当车速提高到某一临界值后（大约８０—１００千米／时），轮胎因车速过快产生共振导致车胎表面变形并来不及恢复原状而形成的一种现象． 懂得轮胎“驻波”现象的形成，知道高速车辆爆胎与“驻波”之间的关系，在高速公路上行车自觉做到以下几点，就能减少高速爆胎事故的发生．

　　１、上高速公路之前应做好两方面准备．首先是思想准备，即对将行驶路线、途中所经过的地点、出发时的天气状况都要做好心中有数；其次是技术准备，即对车辆的行驶系统（转向、轮胎气压、轮辋等）做一次仔细检查，随时注意掌握车载对轮胎所产生的影响．

　　２、行驶之前将安全带系好，行驶之中车速最好控制在８０－１００千米／时，且每跑２０－３０千米时，有意将车速降低，其目的是将轮胎因超速产生的“驻波”现象消除掉．车辆在高速公路上行驶时驾驶员应学会掌握变换车辆速度节奏．一般应为快———慢（８０千米／时以下）———快———慢，车速如此循环跑完全程．

　　３、高速公路行驶大约１小时应进行短时间休息以防止驾驶疲劳，要充分利用高速公路生活服务区如饭店、卫生间、加油站来调整自己车辆连续行驶的速度与时间．换言之，就是充分利用这些服务设施进行短暂休息及检查车辆，防止轮胎磨擦过热并从客观上起到一种迟滞（消防）轮胎发生“驻波”的可能．

　　４、车辆在高速公路一旦突然爆胎，由于车速快，驾驶员思想准备不充分，极易产生车辆侧滑或不规则横滚（翻），轻则自撞护栏，重则与其他正常行驶车辆发生碰撞，其后果不堪设想．正确的处置方法应该是当汽车发生爆胎时（不论前后胎），都应立即松开油门，采取点刹方式，逐步将车速降下来，同时双手紧握方向盘，随时调整车辆由于爆胎而引起的不规则滑行，必要时也可采取点刹与手制动一并处理的措施，切忌车辆爆胎时一脚踩死制动的错误做法．

听音房间的建筑声学特性

　　音响器材重播声音的好坏，与聆听环境的建筑声学特性有着非常密切的关系，要使音响系统发挥最高性能，必须对听音房间作一定的声学处理。

　　对于听音房间的建筑声学特性，有4个方面需予考虑，①混响时间，②混响衰减的扩散特性，③房间的频率特性，④环境噪声声级。

　　听音房间的建筑声学特性各不相同，不同物体对声音的反射和吸收也各不相同，所以为改善听音环境而进行声学处理，改善声学缺陷的工作就显得十分复杂。只要可能，最好避免房间任何两面的尺寸相等，或一面恰好是另一面的两倍，也就是正方形或长宽比是两倍的房间，因为这种比例的房间会产生驻波、低频声共振，造成声染色。

　　房间内从墙壁、天花板、地板、家具和人身反复反射所形成的声音持续存在、逐渐衰减的现象，称为混响(rever beration，也称交混回响)。它和回声(echo)不同，回声不是一种平滑的衰减而是声音的突然返回。对于室内声学的最重要指标，首先是混响时间，它是声能衰减下跌到原有强度的百万分之一(60dB)所需的时间，对于一个已确定的房间，混响时间主要取决于吸声处理。对于Hi–Fi听音房间的混响时间，可取0.4~0.5秒。混响时间适度可使乐音丰满，语音饱满，混响时间较长声音较活泼丰润，但太长时声音容易含混不清，语音清晰度下降，乐音缺乏力度和节奏感，混响时间太短则声音较干硬，缺少生气，没有混响的声音(如室外)常有呆板感。

　　房间的扩散特性好，则声音的衰减平滑，室内各处声音感觉均匀。任何凸面都有扩散声波的能力，包括斜面、曲面以及凸弧面，当需要扩散声波频率受制凸面大小时，可采用扩散板进行处理。

　　当由于某种原因造成声音中的某一频率得到过份加强或减弱时，就将破坏房间内声音的均匀性，这种现象我们称之为声染色（sound coloration）。例如，驻波能改变声音原有的特性，在某些频段出现峰值，改善的方法是室内物品摆放避免对称。

　　大空间的听音室不仅对低频延伸有帮助，还可使声音感觉更轻松，更具活生感。我国一般用作听音房间的居室面积约为14m2，高2.8m左右，容积约为40m3。在这种房间里，只要声学处理得当，应该是能有较好听音效果的。由于100Hz以下声音的波长大于3.4m，与房间的尺寸处在同一数量级，所以在其空间只能产生几个共振频率，低频声波的相互干扰较少，听起来显得自然圆润。但中、高频声音的波长远小于空间尺寸，将在室内产生大量驻波，在驻波的相互干涉下，房间在100~500Hz的声学特性一般都较差，而这个频段的声频能量又很高，所以要予重视，作出适当处理。

　　房间里在相对的墙壁之间，由于声音的多重反射而产生驻波(standing waves)，当驻波发生时能产生共振，其频率取决于墙壁间的距离，可见房间实际上就是个谐振器。房间里产生驻波造成声染色最多的地方，是音箱后墙的两边墙角，它会反射不干净的低音，这种效应称为房间隆隆声(room booming)。这种低频驻波是常见的声学缺陷，造成低音清晰度下降，需要小心处理。控制驻波反射的一个好办法是利用装满书籍的书架，书籍的不规则外形和不太强的吸声作用，能使声波发生散射，从而减轻声音反射的影响。大理石和花岗岩地坪和落地玻璃是现代家居装修的首选，但却是音响效果的大敌。常会引致声音的模糊嘈吵，改善的方法是在音箱前方放置适当大小的地毯和在玻璃前加上厚窗帘。

　　环境噪声级是指室内没有声源时的噪声声压级，如环境噪声过高，可采取隔声、隔振等方法，或在室内铺设一定吸声材料。对于目前的居室的隔声量通常是不够的，而整个房间中以实心墙的隔声最好，门、窗的隔声最薄弱，所以决定房间隔声质量的重要因素是门和窗。

　　居室中的客厅用作听音室并非理想，因为一般客厅是开放式的空间，走道更造成空间的不对称，加上落地窗造成低频损失，延伸的空间使声音反射不好控制，造成声像偏移。只要没有太多的家具摆设，卧室作听音室是更好的选择，因为密闭的空间容易掌握声音反射问题。