作者 | Ken DeLoria

编译 | 铭公子

大多数音频工作者都知道低频波长比高频波长长得多。但我们看不到它们，所以对这一点我们真正能理解到什么程度？

这是一个重要的课题，因为了解波长的本质有助于我们优化各种类型的音频系统。

让我们看看低频和高频之间的物理差异。这种差异非常明显，我们在其他领域很难遇到这种程度的差异。

20Hz的波长约为60英尺（约18m）。20kHz的波长为0.055英尺（约1.7cm）。这是一个巨大的差异，可达三个数量级。

波的长度到底意味着什么？用两个字来说，很多。声音在空气中的传播速度相对较低，约为760英里/小时（约339m/s），而光的传播速度约为6.71亿英里/小时（约299792458m/s）。

长的低频波需要一些时间来传播，这意味着它必须先在大气中延展，才能将声能感知为音符或音调。20Hz的波长需要1/20s的传播时间，即50ms。

相比之下，一个短波长的高频波只需要很短的时间就可以传播被听到，并且可以在小空间中传播，而低频波长需要足够的空间来发展。这就是为什么演播室控制室和其他关键的收听环境，特别是那些较小的空间，通常会使用低音陷阱来平衡低音响应。低音陷波器是一种声能吸收器，设计用于衰减低频能量，以便通过减少低频共振来提供更平坦、更均匀的低频空间响应。

低频（上图）和高频波。

当低频传播到反射空间时，它们会产生驻波。驻波是当从墙壁反射的声波与来自扬声器的直达声相遇时产生的压力节点。在某些频率下，反射会增强直达声，从而提高音量，而在其他频率下，则会抵消直达声，进而降低音量。

因此低音陷阱很有必要。一个或多个低音陷阱，通常位于房间的角落，以获得最大的效果，来吸收低频能量，不让它向外反射。非平行墙和倾斜天花板也有助于减少驻波。顺便说一句，早期梯形扬声器箱体出现的一个原因就是为了减少内部抵消。在一定范围内，梯形箱体确实具有优点。

不同空间的低频响应差异是空间对音质影响的重要体现之一。

曾有几次，我分析并调试了大帐篷中的音响系统——一次是太阳马戏团的，另一次是大型商业会议的，还有几次是一般娱乐的。由于帐篷墙灵活有弹性，低频反射几乎不明显。低频能量实际上带动了帐篷壁在震动（你可以感觉到），因此低频的传播状态更倾向于阻尼而不是反射。

在花了数年时间在混凝土、钢、玻璃和木结构空间调试系统之后，这无疑让我感到惊讶。在低频范围内，它与户外测量时的响应类似。但与室外不同，中高频却显示出了突如其来的反射率和共振，这几乎与硬墙空间完全相反。

海浪和涟漪

长的低频波阵面可以通过想象大型海啸冲击岸上建筑物来比喻；它们不会把建筑物“视为”障碍物，只是绕过它（假设建筑物有足够的强度不会被摧毁）。这就是为什么我们会将超低音扬声器挂在线阵后面——它们不会将线阵列视为屏障。

相反，短波长可以通过想象水中的小波纹来比拟，当遇到障碍物时，这些波纹会破裂或反射。例如，即使是典型的金属穿孔扬声器面网，也会对高频产生反射和散射效果，尽管在大多数情况下，这种效果很微小。

通过了解各种频率的近似波长，将其具象化，当涉及扬声器摆放时，会帮助我们做出更好的选择。

系统设计方面，如控制超低频和全频扬声器之间的距离，或规划一个超低频到另一个超低频的距离，当你考虑频率和波长时，思路就会变得更清晰。一个重要的课题是，从全频扬声器（通常是吊挂的）到超低频扬声器（通常是地面堆叠的），整个频率交叉区域的波长范围将受到怎样的影响。当两个声源相隔四分之一波长或更长波长时，根据听众或测量麦克风的位置，声波会发生相长和相消的干扰。

关于交叉频率，重要的是要理解，与超低频例如120Hz处的交叉不仅会影响120Hz的频率。如果交叉斜率为常见的12dB/倍频程，那么在90Hz和180Hz（半倍频程间隔）下，仍有可能进行抵消或叠加，尽管它不会像交叉中心频率下那样明显。假设交叉斜率是对称的，其中一个扬声器的振幅将降低6 dB，而另一个扬声器将提高6 dB。

然而，尽管声源组合的抵消或叠加效应会在幅度上减小，但它仍是存在的。这对于更陡的交叉斜率来说是一个很好的例子，每倍频程24dB或每倍频频程48dB通常是快速解决问题的方法。但陡峭并不是总能带来更好的结果，这一点我们暂不讨论。

噪声消减

有时，我们可能会被要求控制噪音“污染”。解决方案可能是酒店环境中相邻会议室的“空气墙”。例如，加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）位于户外的希腊剧院后方的住所，居民们对高音量的深夜音乐会不感兴趣。为了控制这些问题，我们可以了解波长及其对辐射方向性的影响。

1982年，比尔·格雷厄姆Bill Graham请我帮助希腊剧院继续运营。在现代线阵列出现之前，当时没有简单的方案，我们用当时可用的工具尽了最大努力。结果也只能全面降低低频输出，更大幅度地降低总体运行电平。

但这件事还是导致了旧金山湾区设立了SPL监测警察职位，最终结果不尽人意。幸运的是，今天有更好的方法来处理这类问题。线阵和心形超低音扬声器可以极大地帮助将声音保持在需要的地方，并在不需要的地方将其最小化。

阵列方向性

在规划箱体数量或者线阵列尺寸时，考虑波长能更容易确定所需的阵列尺寸。如果要控制低频能量并将其指向声音频谱的低频部分，则阵列必须大一些。一个由4只或5只扬声器组成的小阵列可以很好地控制中高频和高频，但如果它只有几英尺高，它肯定无法提供有效的低频指向控制。

低频波阵面的传播特性使得在线阵列后面吊挂超低频扬声器成为可能。

为了支持实际应用，一个很好的经验法则是，阵列大小必须至少等于我们打算控制的最低频率的半波长，但这只是理论。半波长才刚刚开始形成某种控制的表象。如果想防止低频能量从后壁反弹，明智的做法是将阵列长度至少增加到全波长，最好是增加几倍。

然而，这在现实世界中是不切实际的。一个100英尺（30米左右）高的线阵，将是60Hz波长的的5倍，可能会提供非常有效的垂直控制，但不太可能实现。

DSP支持

线阵列模块的电平控制、时间延迟和复杂的DSP频率控制可以改善大规模阵列性能，而不仅仅是简单地将频率响应变得更平坦。

波束控制是一种方法，它是保持阵列大小可控的原因之一，同时创建似乎违反物理定律的方向控制。波束控制是相对于其他模块延迟某些模块，从而增加或改变抵消效应，这是线阵原理如何控制方向性的本质。复杂的DSP控制是一个发展迅速的领域，在可预见的未来，它会在性能上持续改进。

组装和测量大型线阵列不是一件容易的事情，更不用说在惰性声学环境中尝试数千种变化，但这是精确确定复杂DSP干预在性能优势方面能否实现预计效果的必需步骤。幸运的是，计算机建模使探索不同场景变得更容易，成本更低，这正是当今大多数研究和开发的动力所在。

总结

几十年来，各种类型的阵列一直伴随着我们。一些阵列确实非常有效，为大量的人提供了连贯一致的音质，但行业进展仍在继续。

通过了解声能的基本原理（在很大程度上指能够掌握波长的本质），可以真实地评估现场情况，在规划和部署扬声器系统时做出明智的决定，并向听众提供最佳效果。

这个关于声波波长的简短介绍仅仅是一个引子。为了充分理解声能的性质如何影响音频工程师可能遇到的各种情况，我们应致力于学习声学原理，以及它们与现实应用的关系。