四、声学基础
声学是研究声音及声音与环境交互的影响。要将一套高品质的音响系统完全发挥，了解声学是必须的。声学基础也是安装及使用高品质音响器材的重要基础。
1.声音概述
（1）声音 声音的本质是一种波。将一块石头投入一个平静的池塘，水面上会产生一阵阵的水波，这是从视觉上了解声音最好的方法。这些波纹，从源头开始（假如是声音，源头为扬声器；如为水波，源头则为石头）以同心圆向外扩散。与水波在池塘一样，声波碰上任何东西，都会受到影响而改变，这些包括扬声器产生的其他声波、扬声器与人耳之间的任何物体、甚至于聆听室表面物质的性质。当不同声源频率相同的声波与声波碰上时，可能会出现两种不同的结果：①声波与声波相加，产生更大的波，也就是说在频谱仪曲线上出现高峰；②声波与声波互相抵消，在频谱仪曲线上产生凹陷。
（2）影响声音的一些因素
1）物体。声音不会直接通过物体。当耳朵与扬声器之间有物体时，听到的声音会受到影响，这些影响包括声波的反射及延迟，导致声音品质较为混浊。
2）表面性质。不同材质的表面，会吸收或反射声波，这种吸收或反射的情形，对整体的声音品质有很大的影响。吸收或反射的能力也与频率有关系，也就是说，某一种特定的表面，会反射某些频率，但会吸收另一些频率。
3）空间大小。当设计一套汽车影音系统时，车内空间的大小也必须考虑在内，空间的长、宽、高都会影响到整体的声场，以及推动扬声器所需要的能量。因为声波会冲撞在一起，不同大小的空间，影响会有不同。
4）扬声器位置。扬声器的位置是影响整体声音品质的一大重要因素，尤其是左右声道扬声器的距离与角度。在汽车内，扬声器的位置受到相当大的限制，为解决这个问题有很多不同的方法，例如将扬声器装于Kick Panel、使用号角扬声器等。
（3）声音的检测 检测车内声音的问题，最方便有效的方法，除了耳朵以外，就是使用频谱分析仪，如图1-11所示为PDA类型频谱分析仪。
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图1-11 PDA类型频谱分析仪
2.部分电声学名词解释
每种乐器都有其独特的频谱、音色，要想提高音乐欣赏的能力，一定要多做听力对比，即播放一首乐曲时，影音系统播放出的音色与实际乐器演奏的音色有哪些不同，偏离多少等。为了进行听力对比，首先应该了解一些电声学名词概念，包括人耳的听觉特性和音响设备的主要技术参数指标。
1）纯音。它的含义有两种：①指瞬时声压随时间作正弦变化的声波；②指具有明确单一音调的声音。
2）基音。是指复合音中频率最低的成分。
3）泛音。复合音中频率高于基音的成分，其频率可以是基音频率的整数倍，也可以不是。各种乐器用不同的演奏方法能产生数量和强弱各不相同的泛音成分，即使基音相同也能具有不同的音色。
4）声波。弹性媒质中传播的一种机械波，起源于发声体的振动。声波范围为20Hz～20kHz，频率高于20kHz的声波为超声波，频率低于20Hz的声波为次声波，超声波和次声波一般不能引起听觉，只有频率在两者之间的声波才能被听到，我们把能够听到的声波称为可听声。
5）声场。指媒质中有声波存在的区域，不同的声源和环境可以形成不同的声场。
6）响度。又称“音量”，人耳对音量大小的一种感受。响度取决于声强、频率和波形。
7）音色。又叫“音品”，主要由其谐音的多寡及各谐音的相对振幅所决定。
3.人耳的听觉特性
人耳对声音的方位、响度、音调及音色的敏感程度是不同的，存在较大的差异。
1）方位感。人耳对声音传播的方向及距离、定位的辨别能力非常强。人耳的这种听觉特性称为“方位感”，如图1-12所示，可以经由耳朵辨别声场位置。
图1-12 耳朵辨别声场位置
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2）响度感。对微小的声音，只要响度稍有增加，人耳即可感觉到，但是当声音响度增加到某一值后，即使再有较大的增加，人耳的感觉却无明显的变化。通常把可听声按倍频关系分为3份来确定低、中、高音频段。即：低音频段20～160Hz、中音频段160Hz～2.5kHz、高音频段2.5～20kHz。
3）音色感。是指人耳对音色所具有的一种特殊的听觉上的综合性感受。
4）聚焦效应。人耳的听觉特性可以从众多的声音中聚焦到某一点上。如我们听交响乐时，把精力与听力集中到小提琴演奏出的声音上，其他乐器演奏的音乐声就会被大脑皮层抑制，使听觉感受到的是单纯的小提琴演奏声。这种抑制能力因人而异，经常做听力锻炼的人抑制能力就强。我们把人耳的这种听觉特性称为“聚焦效应”。多做这方面的锻炼，可以提高人耳听觉对某一频谱的音色、音质、解析力及层次的鉴别能力。
4.影响音质、音色的主要技术指标
1）频率范围（单位为Hz）。指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率条件下的工作频带宽度，即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围。
2）频率响应（单位为dB）。功率放大器的输出增益随输入信号频率的变化而提升或衰减和相位滞后随输入信号频率而改变的现象。这项指标是考核功率放大器质量优劣的最为重要的一项依据，该值越小，说明功率放大器的频率响应曲线越平坦，失真越小，信号的还原度和再现能力越强。图1-13是频率范围及频率响应工作图示表。
图1-13 频率范围及频率响应图示表
一套好的影音器材，除要把各种乐器的音韵再现外，还要把各种乐器演奏的位置、距离、场面再现出来。无论个人偏爱的是哪种色调或机型，如果播放出来的音色与原来乐器演奏的音色有听觉上的差异，就不能算是一台好设备。高保真音响（Hi-Fi）的真正含义是高还原度。如果影音设备不能还原出原有乐器的音色韵味，那么就称不上高保真设备。当我们利用主观听觉判断某一音响设备时，要充分注意这一点，不要因个人的偏爱而影响正确的判断与鉴别能力的提高。
5.立体声的特点
立体声系统是一种放声系统，其中的多个话筒、传输通道和扬声器安排得能给收听者一种声源立体分布的感觉。高保真的英文原词是High-Fidelity，简称Hi-Fi。声频设备能如实地反映声音信号的本来面貌，就叫高保真。构成立体声最主要的因素如下：
（1）具有声像的临场感 立体声的重放，能够比较真实地再现声场，使人感到声源的“像”（或声像）已被分布到空间的各个角落或某些范围，而不仅限于少数几个扬声器。不仅如此，借助于立体声声像空间的分布感以及空间的层次感，使得那些需要突出的声部也能真实地再现。如图1-14所示为构成声像临场感图示。
（2）具有较高的清晰度和信噪比 立体声由于具有声像空间分布感的特点，声源来自各方位，掩蔽效应虽然还存在，但比单声道的影响要小得多，因而清晰度较高。立体声可以相对减小噪声，提高信噪比。虽然立体声不能实质性地降低背景噪声（背景噪声依然存在），可是由于噪声的随机性，当立体声重放时，这些背景噪声声像也被分散到空间的各个方位了。
6.听觉定位原理
人对声源方位的定位和对声音的立体感觉，主要依赖于双耳。“耳壳效应”对双耳的定位功能起着重要的补充作用。如图1-15所示为构成声像立体感图示。
图1-14 声像临场感构成图
图1-15 声像立体感构成图
1）双耳效应。当某一声源至两耳的距离不同时，两耳虽然听到的是同一声波，但到达两耳的声音在声级、时间、相位上存在着差异，这种微小差异成为听觉系统判断低频声源方向的重要客观依据。对于频率较高的声音，还要考虑声波的绕射性能。由于头部和耳壳对声波传播的遮盖阻挡影响，也会在两耳间产生声强差和音色差。
总之，由于到达两耳处的声波状态的不同，造成了听觉的方位感和深度感，这就是常说的“双耳效应”。不同方向上的声源会使两耳处产生不同的（但是特定的）声波状态，从而使人能由此判断声源的方向位置。如果人们设法特意地在两耳处制造出与实际声源能够产生相同的声波状态，就可以造成某个方向上有一个对应的声源幻象（声象）的感觉，这正是立体声技术的生理基础。形成双耳效应的本质因素在于声音到达两耳的声级差DLp、时间差Dt和相位差Df。
①声级差。如果左耳听到的声音比右耳的要大，那么，听音人会觉得声音来自左侧方向，反之亦然。这种现象称为左右耳之间的声级差。声级差效应是听觉辨别声源方位的重要根据之一，如果声音来自听者正前方的中轴线上，那么，到达双耳的声音大小是一样的，于是听者就觉得这个声音处在前方；倘若声音来自听音人的左侧，听音人就会觉得声源偏左，这取决于扬声器的安装角度和设备的好坏。
当声波在传播过程中遇到障碍物时会产生绕射现象，低频绕射损失不大，高频声波由于遮蔽区的存在，使到达被遮蔽的耳朵的声级较之直达另一耳朵的声级要小，而且频率越高或声源偏离两耳中轴线的角度越大，两耳的声级差DLp也就越大。这种现象称为遮蔽效应（注意：遮蔽效应与掩蔽效应不同）。遮蔽效应在引起声级差的同时，也会导致两耳的音色差，它也有助于双耳的定位作用。
由以上分析，声级差DLp用来判别高频声的定位。不过，当声源较远时，双耳处的声级将近似相等，因而定位作用不甚明显。
图1-16 时间差构成图示
②时间差。如果左耳先听到声音，那么听者就觉得这个声音是从左边（先听到声音的耳朵的这侧方向）来的，反之亦然。这种现象称为左右耳之间的时间差效应。时间差效应是听觉辨别声源方位（发出声音的位置）的重要根据之一。如图1-16所示为聆听距离差异而导致时间差的图示。
耳朵在头的两侧，如果一个声音来自听者正前方（中轴线），那么这个声音到达两耳的距离是相等的，因此，听者就觉得这个声音出自正前方；如果这个声音来自听音人的左侧，那么左耳就比右耳先听到这声音，于是听者便觉得声音出自前方的左侧。换句话说，如果声源偏离正前方中轴线的角度越大，左耳与右耳的听音时间差就越大，即使声源距离较远，时间差总是存在的。
③相位差。人耳在中频区（约3kHz）左右时对声音的定位反应较差。对集群声方向的辨别能力要高于对纯音方向的辨别，这是由于音色差可以提供人耳更多的方向信息的缘故。声音是以波的形式传播，而声波在空间不同位置上的相位是不同的（除非刚好相距一个波长）。由于两耳在空间上的距离，所以声波到达两耳的相位就可能有差别。
耳朵内的鼓膜是随声波而振动的，这个振动的相位差也就成为我们判别声源方位的一个因素。频率越低，相位差定位感觉越明显。相位差Df与时间差Dt和频率（或波长）有关。对低频声波，时间差不会引起太大的相位差，所以可以用来判别低频声波的方位。而对于高频声波，时间差会导致很大的相位差，有可能引起“混乱相差”。
④音色差。声波如果从右侧的某个方向上传来，则要绕过头部的某些部分才能到达左耳。波的绕射能力同波长与障碍物尺寸之间的比例有关。人头的直径约为200mm，相当于1700Hz声波的波长，所以频率为1000Hz以上的声波绕过头颅的能力较差，衰减较大。也就是说，同一个声音中的各个分量绕过头部的能力各不相同，频率越高的分量衰减越大。于是左耳听到的音色同右耳听到音色就有差异。只要声音不是从正前方（或正后方）来，两耳听到音色就会不同，这也是人们判别声源方位的一种依据。如图1-17所示为由聆听距离差异而导致音色差的图示。
2）耳廓效应。耳廓效应也称单耳效应，人们利用单耳对声音进行定位的能力，由于声音来自方向不同，到达人耳经耳廓反射进入耳道后，会出现时间（相位）和音量等方面的微小差异，根据这些差异，听音者就可以判断出声音的方向。耳廓效应对声音定位的作用是客观存在的，实验还证明耳廓效应对4～20kHz频段的辨位能力最强。而人耳能够辨别方向是由于：①声音到达两耳的时间差；②声音到达两耳的相位差；③声音到达两耳的声级差；④人体对声音的感受；⑤视觉和心理因素的判别。实际上方向的辨别是很复杂的综合作用。
图1-17 音色差构成图
经典改装欣赏1-4
7.声场、结像及声场定位
汽车影音声场、结像（staging）与声场定位（imaging）的形成，主要是利用扬声器的摆位方式。让聆听位置与音箱形成一个三角形，只要左右两个扬声器的相位（Phase）正确，就能够让聆听者感觉到声场的延伸度、结像力与定位感。其立体声信号的左边和右边信号是相似的但不是完全相同的，有两个独立的声道用来提供声音的深度感。
如果聆听位置存在偏向缺陷及扬声器位置不当，就会导致各个发音单元的声波到达耳朵的时间不一致，因而产生了时间差，直接地影响了相位。如图1-18所示，各个发音单元因为距离差异而构成声场、结像与声场定位的差异性。
造成声场无法凝聚成形的因素：①聆听位置与扬声器的距离不恰当；②音量不够大；③聆听环境噪声太多；④影音系统的细节再生能力有限。
第一种因素可以利用物理延时纠正（Physical Time Alignment）及电子延时纠正（DigitalTime Alignment）的方式来加以解决。物理延时纠正即是将前方左、右扬声器的安装位置距离聆听者的位置越远越好，效果越显著。例如前声场A柱高音导模和Kick Panel，其中又以Kick Panel为最佳位置。
若以Kick Panel和A柱安装比较，两者之间的距离差各有多少呢？下面以高音为例来实车测量。
图1-18 声场、结像与声场定位的差异图
A柱：
左高音离左耳的距离=800mm
右高音离右耳的距离=1270mm
距离差=470mm
距离比=1270/800=1.5875
Kick Panel：
左高音离左耳的距离=1200mm
右高音离右耳的距离=1420mm
距离差=220mm
距离比=1420/1200=1.1833
从以上可以比较出来Kick Panel在距离差上的改善。
电子延时纠正法（Digital Time Alignment）与物理延时纠正法相比，安装要来得简易。最重要的是，它可以利用车内原有的单元位置来安装扬声器，无需像物理延时纠正法那样导模来改造扬声器的位置。其原理就是把最靠近聆听者位置的扬声器所发出的信号加以延迟（Time Delay），以配合距离聆听位置较远的扬声器的声波，从而使左、右声源发出的声波同时到达聆听位置。延时的长短，视左、右扬声器的距离而定。
在车厢内，驾驶位偏向左方，明显地左边的高音和中低音会比右边更快到达耳朵。根据“德波埃效应”，这样的情况下声源一定是来自左边的方向，那么也就得不到声场上的定位准确性了。
为避免这样的情况，比较高档的主机都会内设“时间延迟功能”，英文叫TIME ALIGNMENT。使用这样的主机，可以根据左右扬声器到达人耳的时间差来调整，将左边的扬声器发声时间适当地延迟，使左右扬声器发出的声波到达耳朵的时间没有差异，整个音源就会出现在左右扬声器之间，即使仪表板上的声场开始出现。
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8.立体声构成要素
1）立体声是指一种声音的还音系统，声音传递给聆听者时至少要通过两个通道，用以产生音源位置和深度的感觉。声音在录制过程中被分配到两个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果。这种技术在音乐欣赏中尤为重要，聆听者可以清晰地分辨出各种乐器来自的方向，从而使音乐更富想象力，更加接近于临场感受。
2）双声道立体声是通过两个声音通道，在听众面前重现原来声源的方位和距离的立体声技术。通常把两个独立的扬声器，分别放在听众的左前方和右前方，使聆听者能够听到左右分明并且有移动感觉的立体声节目。它的信号源，可以是立体声唱片、立体声磁带和立体声广播。这些信号源分离为左、右两个声道信号，经过两个独立的放大器放大，分别送到左、右两个扬声器来发出声音。
3）四声道立体声是通过四个声音通道，给聆听者重现四周声源的方位和距离的立体声技术。通常用四个独立的扬声器，分别放在聆听者的左前、右前、左后、右后四个位置上，使听众有更大空间感和临场感。它的信号源有四声道唱片、四声道磁带和四声道广播。这些信号源产生四套分离的信号，经过四个独立的放大器，分别送到四个扬声器放声。同时还建议增加一个低音音箱，以加强对低频信号的回放处理（这也就是如今4.1声道音响系统广泛流行的原因）。如图1-19为汽车影音4.1声道音响系统。
图1-19 汽车影音4.1声道音响系统图
9.环绕声的分类
1）AC-3杜比数码环绕声系统。杜比实验室在1991年开发出一种杜比数码环绕声系统（Dolby Surround Digital），即AC-3系统。AC-3杜比数码环绕声系统由5个完全独立的全音域声道和一个超低频声道组成，也将它们称为5.1声道。其中5个独立声道为前置左声道、前置右声道、中置声道、环绕左声道和环绕右声道；另外还有一个专门用来重放120Hz以下的超低频声道，即0.1声道。
2）杜比环绕声（Dolby Surround）。一种将后方效果声道编码至立体声信道中的技术。重放时需要一台解码器将环绕声信号从编码的声音中分离出来。
3）杜比B，C，S。美国杜比公司研制的系列磁带降噪系统，用于降低磁带录音产生的“嘶嘶”声，用来扩展动态范围。B型降噪系统能降噪10dB，C型增加到20dB，S型则可达24dB。
4）杜比HX Pro。它不是降噪系统，而是一种改善磁带高频记录失真的技术，通常也称为“上动态余量扩展”技术。
5）杜比定向逻辑（Dolby Pro-Logic）。在杜比环绕声的基础上增加了一个前方中置声道，以便将影片中的对白锁定到屏幕上。
6）杜比数字（Dolby Digital）。也被称为新一代AC-3，杜比实验室发布的新一代家庭影院环绕声系统。其数字化的伴音中包含左前置、中置、右前置、左环绕、右环绕5个声道的信号，它们均是独立的全频带信号。此外还有一路单独的超低音效果声道，俗称0.1声道。所有这些声道合起来就是所谓的5.1声道。
7）数字信号处理（DSP）。指对数字编码信号进行数字运算，从而对音频或视频信号进行处理的一种方式。
8）THX。美国卢卡斯影业公司制定的一种环绕声标准，它对杜比定向逻辑环绕系统进行了改进，使环绕声效果得到进一步的增强。THX标准对重放器材例如影音源、放大器、音箱甚至连接线材都有比较严格而具体的要求，达到这一标准并经卢卡斯公司认证通过的产品，才授予THX标志。
9）THX 5.1。基于杜比数字系统的THX。
10）家庭THX（Home THX）。指为了在家中重放电影片（复制）的声迹而特地使用的一些专利、技术和重放的标准。THX和杜比定向逻辑环绕声及杜比数字（DD）环绕声并不矛盾，而是以它们为基础而设法予以提高。如图1-20为汽车影音5.1声道音响系统。
11）DTS。分离通道家庭影院数码环绕声系 统（Discrete-channel home cinema digital sound system）也采用独立的5.1声道，效果达到甚至优于杜比数字环绕声系统，是杜比数码环绕声强劲的竞争对手。
图1-20 汽车影音5.1声道音响系统图
12）SRS。美国SRS公司的一种用两只音箱产生环绕声效果的系统。
13）Q-Sound。指加拿大一家公司开发的一种利用双声道来营造虚拟环绕声的技术，已在计算机、电子游戏机和电影院中获得一定的应用。
14）虚拟环绕声（Simulated surround）。指设法用双声道来获得近似于环绕声音响效果的一些方法。如Q Surround、SRS Tru Surround和Spatializer的N-2-2等。但虚拟环绕声同真正的杜比数字（DD）和家庭影院环绕声（DTS）还是不同的。虚拟环绕声还多用Virtual Surround表示。
15）SRS虚拟环绕声。指美国SRS实验室推出的一种虚拟环绕声技术，主要采用频率滤波和频率补偿的方法来实现虚拟环绕声。
16）3D环绕声系统。它利用耳朵的听觉特性和人的听觉心理学，把普通的立体声信号做一定函数的预处理，使用两只音箱就能使聆听者沉浸在富有真实三维空间感的立体声声场中。目前3D系统的种类很多，比较常用的有：SRS、Spatializer、APX、Q-SOUND、Virtaul Dolby、Ymersion等。
3D系统有三大优点：①它对音源没有特殊要求，无需对节目源进行处理。②利用原来的双声道立体声，不需增添多功效和音箱即可享受真实的环绕声效果。③对听音环境没有严格的要求。
在民用家庭影院和电脑多媒体系统中，以5.1声道为基础，又出现了6.1（图1-21）、7.1（图1-22）甚至更多的音箱，其本质不过是在增减环绕或者中置等音箱数量而已，比如6.1声道是加了一个环绕中置，7.1声道将中置增为左右两个声道，配上功放特殊地解析，以达到更细腻的表现效果。
图1-21 民用影音6.1声道音响系统图
图1-22 民用影音7.1声道音响系统图
前提是DVD盘中必须刻有6.1声道，如果盘中还是2声道的，那使用什么音响系统也无法去实现。Dolby、Pro-Logic、THX和AC-3基本技术参数比较见表1-1。
表1-1 Dolby、Pro-Logic、THX和AC-3基本技术参数比较表
10.欧美日汽车影音的主要特点
汽车影音品牌很多，可以归为三大主流品牌系列，即欧洲、美国、日本等不同风格的品牌。了解它们各自的特点，对于选用及欣赏各器材重放还原将会有极大的帮助。
1）欧洲品牌。从设计上奉行电路简洁的原则，外表一般比较朴素、庄重。注重功放本身内在电路结构的精心设计，以确保重放声音自然。音色表现力强，解析力强，音色细腻，富于色彩，失真度小，准确性强，尤其是对人声的表现极为真实。歌唱者发声气息、口齿、共鸣都表现得真切，使人有亲切感，得到了广大原音爱好者的追捧。
2）美国品牌。汽车影音的最大特点是功率储备十分充足，重放的特点是瞬态响应好，即适合重放节奏感较强的音乐。功放电路设计一般采用高档元器件，对低音的重放较为讲究。外观设计透出金属感，比较有质感，但不华丽。其功率大，声电转换速率快，动态跟随能力强，瞬态特性好，技术参数高，被低频发烧友所青睐。
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3）日本品牌。汽车影音注重功能齐全，外观设计较为漂亮和新颖，电路的集成化程度较高，使用功能十分复杂。华丽的外表很吸引消费者，但其内在电路及元器件在相比之下用料较为一般。由于电路中集成电路的大量采用，使器材重放声音较为生硬，层次感和细节表现欠佳，但日本品牌的汽车影音以其物美价廉的市场定位，占有了中国大部分的市场份额。