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什么是延時?簡述天氣狀況對聲音的影響

2017-12-29

天氣變化、風力和濕度可能對我們的設備造成很大的影響。

不少音響工程師在外忙得“灰頭土臉”,奔波在各種演出、展會和節日慶典活動中。我們得每天清潔放大器的過濾器,將返送音箱放入垃圾袋以保持干燥,用布簾覆蓋調音臺(同樣也是為了保持干燥)。

也就是說,我們在戶外演出中,面臨的最大挑戰是大氣條件對系統性能的影響。溫度、風力和濕度變化可能會嚴重破壞我們精心定向和調試的系統。
場地越大,大氣條件對聲音傳播的影響越大。這些影響無法預防,但至少是可以預測(或部分預測)的。

早晨、中午&夜晚

不管什么時候在戶外進行音響工作,溫度梯度都是一個問題。早晨,地面維持夜間溫度的時間比周圍空氣長,導致近地面有一層冷空氣,上面一層空氣則比較暖和。
隨著溫度升高,音速稍有增加。例如,在海拔高度為零英尺、溫度為50華氏度時,聲音傳播速度為110.7英尺/100毫秒。

如果溫度上升至90華氏度,聲音的傳播速度將為115.14英尺/100毫秒。揚聲器的聲傳播路徑將稍微往下,朝著冷空氣層彎曲。

在更極端的情況下,聲波可能在地面上彈跳,躍過部分觀眾,然后再次向下折射,在系統覆蓋范圍內造成聽音死角。
夜間情況則剛好相反。周圍空氣冷卻下來,地面卻依然溫暖,近地面停留著一層熱空氣。因此,聲傳播路徑將朝上,并可能在人群正上方發生折射。(請注意,人群產生的暖空氣加劇了這種趨勢。)
由于空氣中的相對濕度,隨著距離增加造成的能量損失
風也產生類似影響。在風中傳播的聲音速度等于音速與風速之和,因此當聲音乘風而行時,必須要減去風速。
由于風在地面等邊界區域的速度為零或幾乎為零,朝向風的波陣面將向上折射,因為波陣面的頂部受到頂頭風的影響,速度將稍稍變慢。
如果風在后面推著聲音前行,聲波將向下彎曲。造成這些問題的并非風本身,而是隨著海拔高度而變化的波速。側風的影響可以通過簡單的三角學進行分析。(真的有這回事嗎?)
我們來看一個例子。大家都知道,聲音的標稱速度是770英里每小時。假設側風朝著音響系統聲音傳播方向的90度角吹,速度為40英里每小時。
我們可以將這些速度看作直角三角形的兩條邊,得出折射的角度。此例中,折射角度大約為6度。
然而,這種方法很容易誤導人。因為音箱組的覆蓋角度通常為120度或更多,部分波陣面的移動方向與風垂直,但是其它部分的波陣面可能只有四分之一與風同方向,或根本遠離風。
所以,盡管風也在推著聲音前進,但是它們的行為受到了影響。總之非常復雜!

濕度影響
濕度是對音響系統的聲音傳播造成較大改變的另一個因素,不過它的影響主要體現在頻域。
雖然聽起來與我們的直覺并不相符,但是濕度越低,聲音衰減越大;而濕度越高,聲音衰減越小。
濕度對頻率響應的影響從2 kHz開始,頻率越高,影響變得更明顯。
如果距離為100英尺,濕度為20%,2 kHz將衰減1 dB,而10 kHz的衰減將高達8.5 dB。
而且隨著距離增加,這些能量衰減將累加。如果距離為200英尺,10 kHz的衰減將翻倍,變成17 dB!而且,這些能量衰減并不包含在反平方定律的衰減之內。它們不與頻率呈線性關系,因此覆蓋區域的振幅響應可能會有非常大的變化。
10%-40%濕度造成的不連貫性最為明顯。之后,隨著濕度增高,能量衰減將變小,并在整個頻率范圍內變得更加線性。
如果陣列由點聲源組成,垂直面的總覆蓋達到50-80度,那么上述因素可能會造成比較大的影響。但是,如果是線性陣列,由于相互作用使得垂直軸線上的波陣面變得非常狹窄,指向性上出錯的幾率也比較低。
在線陣列中,相比低頻,高頻能在更長的距離保持“距離加倍,能量衰減3dB”這一大肆吹噓的定律。但是這一現象得到了補償,因為高頻更容易受到氣候影響導致能量衰減。不過,由于濕度造成的能量衰減并不是線性的,用處可能沒有想象中那么大。
線陣列通常用于覆蓋更大型的場地,我們在這里討論的現象隨著距離增加會變得更加明顯。
聲波需要通過的空氣越多,越有可能發生負面影響。距離為100英尺時,影響變得明顯。如果距離到了500英尺,影響將變得非常顯著。

主要解決方法
那我們該如何克服氣候因素的不利影響呢?方法之一是使用延時音箱堆(delayed stacks)。但您可能會說,那都是20世紀的技術了,難道線陣列還不能淘汰它們嗎?這可不見得。
在對抗溫度和濕度的戰爭中,讓人們更靠近音箱是關鍵的武器。這樣不僅能獲得所需的頻率響應,并且能在比較大的區域保持均勻的音量分布。
確實,使用延時系統面臨著非常麻煩的機械調整。
阻擋視線、音頻饋送和電源問題、更多的搭建和拆卸時間增加了演出成本,讓演出過程變得更加復雜。
但是,我們可以將這些不便降至最低。由于空氣吸收對低頻的影響沒有高頻那么顯著,我們可以略過超低音音箱。有些情況下,甚至可以略過延時系統中的低頻箱體。
這極大減少了系統尺寸并降低了電力需求。將延時源與混音位共置一處,可緩解音頻和電力饋送問題。
一些新的小型線陣列系統非常適合用作延時系統。它們在比較緊湊的體積里提供足夠輸出,又不會阻擋視線。或者,也可以采用尺寸較小的全頻音箱。延時音箱堆離主擴音箱組的距離多遠最合適?這有時取決于物理結構方面的考慮,有時取決于場地的聲壓級限制(將周邊社區等影響因素考慮在內)。
如果聲壓級在主擴調音位測得,主擴系統能以較低的電平運行,延時系統不必遠離舞臺。可使用建模程序或簡單的數學運算和反平方定律(或者在線陣列的情況下,只使用反平方定律),決定信號需要再放大前可接受的電平衰減。
請記住,上面所描述的額外衰減不包括在理論衰減之內。如果演出在天氣晴朗、濕度較高的地區舉行,環境造成的能量衰減可能并不明顯。但是如果演出在多風的沙漠舉行,那就要小心了!

合適的信號延時
如何找到最合適的信號延時呢?我認為測量事實上的時間差是最好的方法。
線陣列的出現使延時音箱堆變得可有可無?事實并非如此
使用Smaart或TEF產生脈沖響應或能量時間曲線(ETC)。這可以清晰顯示主擴系統和延時音箱堆到達的時間,讓您通過光標獲得一個延時數字。
如果您沒有這些工具,可以通過數學運算獲取延時時間。在70華氏度、海拔高度為零的情況下,音速為每秒1130英尺,或0.88毫秒每英尺。如果您知道距離,就能通過運算求出延時時間。
很多音響工程師喜歡利用哈斯(優先)效應。人耳基于到達時間和頻率內容定位聲音。最先到達的聲音和/或攜帶最高頻率內容的聲音將決定人耳對于聲音方向的認定。
人耳還能合成20毫秒時間窗內到達的聲音,這個時間窗稱為哈斯區域。也就是說,在這個時間框架內,耳朵不會察覺到達時間不同的信號。
因此,可以讓信號稍稍延遲于正確的聲學設置,并稍微削減高頻,從而讓觀眾相信所有聲音都來自舞臺系統。這叫做聲音定位。如果觀眾反映延時音箱并不起作用,而你心里清楚事實并非如此,這就表示一切都設置對了。
而且別忘了,音速隨著溫度而改變。如果演出所在地區溫差較大,請重新設置延時,讓它盡可能靠近演出時間。

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