混響(聲學特性)

混響(聲學特性)

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(reverberation)混響時間的長短是音樂廳劇院禮堂等建築物的重要聲學特性。聲波遇到障礙會反射,所以我們這個世界充滿了混響。

基本介紹

  • 中文名:混響
  • 屬性:聲學特性
  • 原理反射和吸收
  • 地區:音樂廳、劇院、禮堂
  • 領域:建築設計
  • 學科:物理
  • 讀音:hùn,xiǎng
要求,錄音中的混響,

要求

聲波在室內傳播時,要被牆壁、天花板、地板等障礙物反射,每反射一次都要被障礙物吸收一些。這樣,當聲源停止發聲後,聲波在室內要經過多次反射和吸收,最後才消失,我們就感覺到聲源停止發聲後還有若干個聲波混合持續一段時間(室內聲源停止發聲後仍然存在的聲延續現象)。這種現象叫做混響,這段時間叫做混響時間。
對講演廳來說,混響時間不能太長.我們平時講話,每秒鐘大約發出2~3個單字,假定發出兩個單字“物理”,構想混響時間是3秒,那么,在發出“物”字的聲音之後,雖然聲強逐漸減弱,但還要持續一段時間(3秒),在發出“理”字的聲音的時刻,“物”字的聲強還相當大。因而兩個單字的聲音混在一起,什麼也聽不清楚了。但是,混響時間也不能太短,太短則響度不夠,也聽不清楚。因此需要選擇一個最佳混響時間.北京科學會堂有一個學術報告廳,混響時間為1秒。
不同用途的廳堂,最佳混響時間也不相同,一般來說,音樂廳和劇場的最佳混響時間比講演廳要長些,而且因情況不同而不同。輕音樂要求節奏鮮明,混響時間要短些,交響樂的混響時間可以長些。難於聽懂的劇種如崑曲之類,混響時間一長,就更難於聽懂.節奏較慢而偏於抒情的劇種,混響時間則可以長些。總之,要有一定的、恰當的混響時間,才能把演奏和演唱的感情色彩表現出來,收到應有的藝術效果。北京“首都劇場”的混響時間,坐滿觀眾時為1.36秒,空的時候是3.3秒。這是因為滿座時,吸收聲音的物體多了,所以混響時間縮短,上面所說的最佳混響時間是指滿座時的混響時間。高級的音樂廳或劇場,為了滿足不同的要求,需要人工調節混響時間.其中一種辦法是改變廳堂的吸聲情況。在廳堂內安裝一組可以轉動的圓柱體,柱面的一半是反射面,反射強、吸收少;另一半是吸聲面,反射弱、吸收多.把反射面轉到廳堂的內表面,混響時間就變長;反之,把吸收面轉到廳堂的內表面,混響時間就變短。
高水平的音樂會都不使用擴音設備,為的是使聽眾直接聽到舞台上的聲音.為了讓全場聽眾都能聽到較強的聲音,音樂廳的天花板上掛著許多反射板,這些反射板的大小、形狀、安放位置和角度都經過精確設計,以便把舞台上的聲音反射到音樂廳的各個角落。
處理好不同建築物的聲響效果,取得好的音質,這是一門很重要的學問,叫做建築聲學。上面介紹的混響只是其中的一個方面,希望能引起同學們對聲學的興趣,鑽研這門與我們生活關係密切的科學。

錄音中的混響

真實世界中的混響
在這個世界中,是否存在沒有混響的地方呢?有!你坐上飛機,飛到一萬米高空,然後往下跳,這時你大喊大叫,就是沒有混響的,因為你在空中,周圍沒有任何障礙物,你的聲音將會無限擴散出去而不會被反射回來。所以就沒有混響。
另一個沒有混響的地方就是聲學實驗室。聲學實驗室的牆壁、天花板、地面是經過特殊處理的,聲音到達牆壁後將會被牆壁吸收而不會被反射回來。為什麼會被吸收?你可以做一個小實驗,找100根針,就是縫衣服的針,把它們捆在一起,弄齊,然後你可以看看這一捆針的針頭面,你會發現它是黑的,因為光線到達這一面後,經過多次反射,一直射到裡面去,出不來,所以就沒有光被反射出來,就好像光都被吸收了一樣。聲學實驗室的布置也是類似於此,把聲音吸收。
錄音棚是半個聲學實驗室,能做到吸收大部份的混響。錄音棚的牆壁排列都是不規則的,表面是用鬆軟的棉製品構成,雖然比不上那捆針頭,但聲音到達牆壁後進入那亂糟糟的棉花里,七反射八反射就留在棉花里出不去了,所以錄音棚里的混響也很小。
在一個房間裡大吼一聲,會有多少反射聲,答案是無數。
在這個房間裡,你拍一下巴掌,得到的聲音是另一個樣子
是不是很多?這其實是比較簡單的一個反射過程。如果這個房間裡再擺上一些桌子椅子, 反射會更加複雜。
閉上眼睛,大吼一聲,你就可以知道你大概處在一個什麼樣的環境中,在外面,還是在家裡。甚至你在家裡大吼一聲,就可以知道你在哪個房間裡,在這個房間的哪個位置上。這是因為各個房間由於空間大小不一樣、家具的擺放不同、牆壁的材料不同,所以具有各自不同的混響特徵;同一個房間裡不同的位置上,由於你距離牆壁的遠近不同,所以也具有不同的混響特徵。你熟悉這些特徵,所以你就能光憑聲音就能分辨你在什麼位置上。
一個看起來很菜鳥的問題:為什麼錄音和混音要加混響?
為什麼錄音和混音要加混響?答:因為錄音時是沒有混響的。
為什麼錄音時是沒有混響的?答:因為錄音棚是無混響的。
為什麼錄音棚是無混響的?
其實專業的錄音棚是有混響的,他們有很多板狀的材料,可以靈活把房間改造成各種混響特徵。但隨著數字錄音技術的飛速發展,數字混響效果器能夠模擬真實情況下的混響,所以大家就乾脆把錄音棚弄成無混響的,錄完音後再用效果器來模擬混響效果,想要什麼混響就有什麼混響……這就是為什麼錄音棚,尤其是中小錄音棚和個人工作室,都做成無混響的原因。
人造混響原理
在這樣一個房間裡,教師的聲音經過多次反射,假如有5條聲音反射線到達學生耳朵,
以上只列舉出了 5 條聲音反射路線,實際上是幾千幾萬條到無數條。為了講解方便,我們就說這 5 條。
教師每講一句話,學生實際上就聽到了 6 句:第一句是直接傳到了學生的耳朵里,沒有經過反射,後面 5 句是經過各種反射線路到達學生耳朵的聲音。這 6 句話時間隔得非常近,圖中聲音到達有時間表,注意時間單位是毫秒(1 毫秒等於 0.001 秒)。
由於這些反射聲到達的時間間隔太近了,所以學生就聽不出來是 6 句話,而是 1 句帶有混響感覺的話。
學生聽到的聲音是這 6 個聲音的疊加。
這只是為了講解方便,真實情況是幾千幾萬個聲音的疊加。
混響效果器就是這樣工作,把聲音進行很多很多次的重複疊加,就得到了混響效果。
有了這樣一個東西,以後計算起來就方便了,無論教師說什麼話,只要把教師的聲音,進行某種計算,就可以得到 6 個聲音疊加的效果。
那么,這個“某種”計算,到底是什麼計算呢?在數學中這個叫做“卷積”計算,英文是“convolution”,就是把教師的聲音,根據上面那張 6 個脈衝的圖,進行疊加計算。
這種計算是不分先後的,你既可以認為是把教師的聲音,根據那個脈衝圖(聲波),進行疊加計算;也可以認為是把那個脈衝聲波,根據教師的聲音(把教師的聲音考慮成由無數個脈衝組成的聲波),進行疊加計算。
這個脈衝圖,也就是這個含有 6 個脈衝的聲波,就是這個房間的從教師講台到學生座位的混響特徵。在聲學上,由於這個混響特徵是由脈衝得到的,所以就很形象把它稱作“脈衝反應”—— impulse response ,簡稱 IR。
混響效果器的工作原理,就是拿源聲音,與 impulse response 做卷積計算。
上面的那個具有 6 個脈衝的 IR ,在現實中是不可能有的。現實中的 IR 往往具有幾百、幾千、幾萬個脈衝。
由於各種類型的房間的 IR 都有一些共同的特點,因此聲學上又作了一些規定。
首先規定 IR 的第一個脈衝叫做“直達聲”,因為這個脈衝是未經過反射的直接從聲音源到達人耳的聲音;
其次規定 IR 的後面幾條明顯的脈衝叫做“早期反射”early reflections,這幾個聲音都是聲音源經過一次或者兩三次反射後到達人耳的,由於反射次數少,聲音線路不長,所以具有較強的能量和較短的延遲。
最後規定 IR 的後面無數條脈衝叫做“遲反射”late reflections,這些聲音都是聲音源經過無數次反射後才到達人耳,反射次數多,聲音線路長,所以具有較弱的能量和較長的延遲。但是它們數量極多,有如滔滔江水連綿不絕。
效果器里的 IR
上一節說道,混響效果器就是用 IR 與聲音源進行卷積計算。那么,有人就會問了,混響效果器里有 IR 嗎?每個效果器的 IR 都是一樣的嗎?這個 IR 是放在哪裡的?以什麼形式存在?如果不一樣,這些 IR 是怎么得來的?
前面說了,混響就是 IR 與聲音源進行卷積計算,所以混響效果器里當然就有 IR。
眾所周知,不同的效果器的混響效果是不同的,所以 IR 肯定不一樣。
IR 放在哪裡?以什麼形式存在?這些 IR 是怎么得來的?下面要具體說說了。
混響效果器,象合成器一樣分為三種類型:採樣混響、“算法”混響、模擬合成混響。
(一)採樣 IR 混響
Sony ,Yamaha 都出過採樣混響,價格不菲。軟體的採樣混響效果器有著名的 Sonic Foundry 的 Acoustic Mirror ,還有 Samplitude 的 Room Simulator。
採樣混響的 IR ,全部是真實採樣得來 wave 檔案。可以存放於任何存儲器,例如硬碟、光碟、軟碟等等。Sony ,Yamaha 的硬體採樣混響器,裡面也帶有容量較大的存儲器。
採樣混響的 IR 都是錄音採樣得來,最簡單的獲取 IR 的方式是:在下圖中教師的位置放置一個音箱,學生的位置放置一個話筒。音箱播放一個脈衝,話筒進行錄音。錄到的聲音就是 IR ,也就是這個房間的從講台到學生座位的混響特徵曲線。
Sony 、Samplitude 等所採用的具體方式是:
在想要獲得混響特徵的地方,例如下面這個著名的音樂廳,舞台上安置音箱(當然會是極好的音箱),座位席中安置立體聲話筒(極好的話筒)。然後播放一系列測試信號,這些信號以脈衝為主,各種速度的全頻段正弦波連續掃描為輔,錄得聲音,然後經過一些計算得到 IR。
用這種採樣方法得到的 IR ,極為真實。
採樣混響的 IR ,不但廠家可以預置給你,你自己也可以根據廠家提供的工具進行製作。因此從數量上來說是無限的。
採樣混響還可以對其他任何混響效果器的效果進行完全複製。
混響特徵和各種參數
為了研究的方便,聲學上把混響分為幾個部份,規定了一些習慣用語。混響的第一個聲音也就是直達聲(Directsound),也就是源聲音,在效果器里叫做 dry out (乾聲輸出),隨後的幾個明顯的相隔比較開的聲音叫做“早期反射聲”(Earlyreflectedsounds),它們都是只經過幾次反射就到達了的聲音,聲音比較大,比較明顯,它們特別能夠反映空間中的源聲音、耳朵及牆壁之間的距離關係。後面的一堆連綿不絕的聲音叫做 reverberation。
大多數的混響效果器會有一些參數選項給你調節,接下來講講這些參數具體是什麼意思。
(一)衰減時間(Decay time)
也就是整個混響的總長度。不同的環境會有不同的長度,有以下幾個特點:
空間越大,decay 越長,反之越短。空間越空曠,decay 越長,反之越短。空間中家具或別的物體(比如柱子之類)越少,decay 越長;反之越短。空間表面越光滑平整,decay 越長,反之越短。
因此,大廳的混響比辦公室的混響長;無家具的房間的混響比有家具的房間長;荒山山谷的混響比森林山谷的混響長;水泥牆壁的空間的混響比布制牆壁的空間的混響長 ……
一般很多人喜歡把混響時間設得很長。其實真正的一些劇院、音樂廳的混響時間並沒有我們想像得那么長。例如波士頓音樂廳的混響時間是 1.8 秒,紐約卡內基音樂廳是 1.7 秒,維也納音樂廳是 2.05 秒。
這裡給一個混響時間計算公式,大家可以用來算算某房間的混響時間 打開頁面
(二)前反射的延遲時間(Predelay)
就是直達聲與前反射聲的時間距離。有以下幾個特點:
空間越大,Predelay 越長;反之越短 空間越寬廣,Predelay 越長;反之越短
因此,大廳的 Predelay 比辦公室的長;而隧道的空間雖然大,但是它很窄,所以 Predelay 就很短。
想要表現很寬大空曠的空間,就把 Predelay 設大一點。
(三)wet out
也就是混響效果聲的大小。有以下幾個特點:
wetout 與空間大小無關,而只與空間內雜物的多少以及牆壁及物體的材質有關 牆壁及室內物體的表面材質越鬆軟,wet out 越小;反之越大空間內物體越多,wet out 越小;反之越大 牆壁越不光滑,wet out 越小,反之越大 牆壁上越多坑坑凹凹,wet out越小,反之越大
因此,擠滿了人的車廂的混響就比空車要小得多;放滿了家具的房間的混響就比空房間要小;有地毯的房間的混響比無地毯的小;森林山谷的混響比荒山山谷的混響要小
(四)高低頻截止(low cut / high cut)
這個參數在有些效果器里是以 EQ 的形式來表現的,例如 Waves 的 RVerb。
這項內容實際上跟現實情況沒有太直接的聯繫,它只是為了我們做混響處理時聲音好聽而設計的。不過它也能表現高頻聲音在傳播中損失比較厲害的現象。後面我們有具體的解釋。
一般在做處理的時候,為了混響聲的清晰和溫暖,都會把低頻和高頻去掉一部份。只有在表現一些諸如“宇宙聲”等科幻環境時,才把高低頻保留。
另外有些效果器也把這個叫做“color”(色彩)。例如 TC 的效果器就是 color。color也就是“冷”和“暖”的感覺,高頻就是冷,低頻就是暖。所以這些效果器用顏色來表示高低頻截止,暖色(紅)表示混響聲偏向低頻,冷色(藍)表示混響聲偏向高頻。上面給大家看的Waves的 RVerb 的 EQ ,它分別用橙色和藍綠色來做那兩個點,也是出於此目的。
補充:
高低頻截止實際上在現實中是不存在的,現實中的普遍現象是:低頻聲音的混響無論是聲音大小還是衰減時間,都要比高頻聲音大。這是因為不同頻率的聲音由於波長不同,因此繞過障礙的能力不同,高頻聲音波長短,不容易繞過障礙,低頻聲音波長長,容易繞過障礙。加上它們在空氣中傳播時的衰弱程度不同(頻率越高越容易衰弱),被牆壁吸收的程度不同(頻率越高越容易損失),所以不同頻率的聲音的混響時間和大小是不相同的。在真實世界中,在大多數中小空間裡,越低的聲音具有越長的混響時間,越高的聲音具有越短的混響時間,而不可能做到反過來。如何做到降低低頻混響是任何一個錄音棚頭疼的難題。唯獨有一種情況,是低頻混響小於高頻混響的,那就是很大的空間,並且裡面布滿了由硬質材料製成的障礙和表面,比如採用硬塑膠凳子和水泥牆壁地板的室內體育館。
我們從某音樂廳的真實 IR 的頻譜中可以很清楚地看到這個規律。
因此,有的混響效果器還會有不同頻率的聲音的衰弱程度的設定項目。但是也有很多效果器卻沒有這項內容。
(五)不同頻率的不同衰弱程度(Damp
接著上面說。這個項目在有些混響效果器里沒有提供。另外在採樣混響器里也基本上不提供這個項目,因為採樣混響的不同頻率的不同衰減程度的特性已經包含在 IR 裡面了。例如 Waves RVerb 提供了這個項目。另外有的效果器只有一個參數設定,就是“damp”或者“damping”,就是讓高頻更快地衰減。8zo Uw$iF­一般來說混響中的高頻是很容易大幅度衰減的。空間越大,空間內物體越多,物體和牆壁表面越不光滑,高頻的衰減就越厲害。只有在中小空間中,並且空間表面比較光滑的情況下,高頻的衰減才與低頻接近。但我們做音樂混音的時候,有時為了聲音的好聽,也並不一定要遵循高頻更容易衰弱的自然規律。
(六)不同頻率的不同的混響時間
有的效果器也提供了不同的衰減時間給你調節,英文是 High-frequency decay and low-frequency decay ,或者別的叫法,例如 Ultrafunk Reverb 就可以設定不同的衰減時間。這個特性與前面的 damp 基本一致。一般來說混響中的高頻的持續時間肯定比低頻要短。空間越大,空間內物體越多,物體和牆壁表面越不光滑,高頻的持續時間就短,與低頻的差距就越大。只有在中小空間中,並且空間表面比較光滑的情況下,高頻的時間才與低頻接近。以上的三個與頻率有關的參數,並不是所有的效果器都提供,有的全部提供,有的提供了其中兩個甚至一個。如果沒有全部提供的話,你可以用其他參數之一來代替沒有提供的參數,因為它們之間的特性比較接近。
(七)散射度(diffusion)
傳統上是叫做 Early reflections diffusion(早反射的散射度)。我們知道早反射就是一組比較明顯的反射聲。這些反射聲的相互接近程度,就是 diffusion。牆壁越不光滑(例如鋪上了地毯的),聲音的散射度就越大,反射聲越多,相互之間越接近,混響是連聲一片的,聲音很溫和;牆壁越光滑(例如玻璃),聲音的散射度就越小,反射聲越少,相互之間隔得越開,混響聲聽起來就比較接近回聲了,聲音很清晰。因此,對於一些延音類的聲音,比如 organ ,合成弦樂,可以使用較小的 diffusion ,聲音就比較漂亮清楚;對於脈衝類的聲音,比如打擊樂、木琴等,可以使用較大的 diffusion ,混響就比較 smooth。有些效果器里也有 diffusion 這個參數,但是具體的定義不太一樣。在某些效果器里,diffusion 是指反射聲的無規律程度,空間的形狀越不規則(例如山洞、教堂里),牆壁越不光滑,反射聲音的出現越沒有規律,diffusion 越大;空間的形狀越規則(例如無家具的住宅、空的教室),牆壁越光滑,反射聲的出現越有規律,diffusion 越小。
(八)混響密度(Reverb density)
這個參數的意思跟 diffusion 差不多,只是針對早反射之後的混響部份的。很多效果器並不提供 density ,而是用 diffusion 來控制整個混響。
(九)空間大小(Room size)
這個應該很好理解,空間可以體現出聲場的寬度和縱深度。不過不同的效果器在這個上面會有不同的算法。另外,採樣混響器不會提供這個參數,因為空間大小已經體現在 IR 中了。
(十)早反射音量(Early reflections level)
也就是早反射的聲音大小。很多效果器可以讓你獨立調節早反射和後面的混響的聲音大小。
(十一)立體聲寬度(Width)
有的混響效果器有這樣的參數,如果把這個值設大,那么效果器會做手腳使 IR 的左右差異變得很大,立體聲感覺就出來了。

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