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什么是延时?简述天气状况对声音的影响

2017-12-29

天气变化、风力和湿度可能对我们的设备造成很大的影响。

不少音响工程师在外忙得“灰头土脸”,奔波在各种演出、展会和节日庆典活动中。我们得每天清洁放大器的过滤器,将返送音箱放入垃圾袋以保持干燥,用布帘覆盖调音台(同样也是为了保持干燥)。

也就是说,我们在户外演出中,面临的最大挑战是大气条件对系统性能的影响。温度、风力和湿度变化可能会严重破坏我们精心定向和调试的系统。
场地越大,大气条件对声音传播的影响越大。这些影响无法预防,但至少是可以预测(或部分预测)的。

早晨、中午&夜晚

不管什么时候在户外进行音响工作,温度梯度都是一个问题。早晨,地面维持夜间温度的时间比周围空气长,导致近地面有一层冷空气,上面一层空气则比较暖和。
随着温度升高,音速稍有增加。例如,在海拔高度为零英尺、温度为50华氏度时,声音传播速度为110.7英尺/100毫秒。

如果温度上升至90华氏度,声音的传播速度将为115.14英尺/100毫秒。扬声器的声传播路径将稍微往下,朝着冷空气层弯曲。

在更极端的情况下,声波可能在地面上弹跳,跃过部分观众,然后再次向下折射,在系统覆盖范围内造成听音死角。
夜间情况则刚好相反。周围空气冷却下来,地面却依然温暖,近地面停留着一层热空气。因此,声传播路径将朝上,并可能在人群正上方发生折射。(请注意,人群产生的暖空气加剧了这种趋势。)
由于空气中的相对湿度,随着距离增加造成的能量损失
风也产生类似影响。在风中传播的声音速度等于音速与风速之和,因此当声音乘风而行时,必须要减去风速。
由于风在地面等边界区域的速度为零或几乎为零,朝向风的波阵面将向上折射,因为波阵面的顶部受到顶头风的影响,速度将稍稍变慢。
如果风在后面推着声音前行,声波将向下弯曲。造成这些问题的并非风本身,而是随着海拔高度而变化的波速。侧风的影响可以通过简单的三角学进行分析。(真的有这回事吗?)
我们来看一个例子。大家都知道,声音的标称速度是770英里每小时。假设侧风朝着音响系统声音传播方向的90度角吹,速度为40英里每小时。
我们可以将这些速度看作直角三角形的两条边,得出折射的角度。此例中,折射角度大约为6度。
然而,这种方法很容易误导人。因为音箱组的覆盖角度通常为120度或更多,部分波阵面的移动方向与风垂直,但是其它部分的波阵面可能只有四分之一与风同方向,或根本远离风。
所以,尽管风也在推着声音前进,但是它们的行为受到了影响。总之非常复杂!

湿度影响
湿度是对音响系统的声音传播造成较大改变的另一个因素,不过它的影响主要体现在频域。
虽然听起来与我们的直觉并不相符,但是湿度越低,声音衰减越大;而湿度越高,声音衰减越小。
湿度对频率响应的影响从2 kHz开始,频率越高,影响变得更明显。
如果距离为100英尺,湿度为20%,2 kHz将衰减1 dB,而10 kHz的衰减将高达8.5 dB。
而且随着距离增加,这些能量衰减将累加。如果距离为200英尺,10 kHz的衰减将翻倍,变成17 dB!而且,这些能量衰减并不包含在反平方定律的衰减之内。它们不与频率呈线性关系,因此覆盖区域的振幅响应可能会有非常大的变化。
10%-40%湿度造成的不连贯性最为明显。之后,随着湿度增高,能量衰减将变小,并在整个频率范围内变得更加线性。
如果阵列由点声源组成,垂直面的总覆盖达到50-80度,那么上述因素可能会造成比较大的影响。但是,如果是线性阵列,由于相互作用使得垂直轴线上的波阵面变得非常狭窄,指向性上出错的几率也比较低。
在线阵列中,相比低频,高频能在更长的距离保持“距离加倍,能量衰减3dB”这一大肆吹嘘的定律。但是这一现象得到了补偿,因为高频更容易受到气候影响导致能量衰减。不过,由于湿度造成的能量衰减并不是线性的,用处可能没有想象中那么大。
线阵列通常用于覆盖更大型的场地,我们在这里讨论的现象随着距离增加会变得更加明显。
声波需要通过的空气越多,越有可能发生负面影响。距离为100英尺时,影响变得明显。如果距离到了500英尺,影响将变得非常显著。

主要解决方法
那我们该如何克服气候因素的不利影响呢?方法之一是使用延时音箱堆(delayed stacks)。但您可能会说,那都是20世纪的技术了,难道线阵列还不能淘汰它们吗?这可不见得。
在对抗温度和湿度的战争中,让人们更靠近音箱是关键的武器。这样不仅能获得所需的频率响应,并且能在比较大的区域保持均匀的音量分布。
确实,使用延时系统面临着非常麻烦的机械调整。
阻挡视线、音频馈送和电源问题、更多的搭建和拆卸时间增加了演出成本,让演出过程变得更加复杂。
但是,我们可以将这些不便降至最低。由于空气吸收对低频的影响没有高频那么显著,我们可以略过超低音音箱。有些情况下,甚至可以略过延时系统中的低频箱体。
这极大减少了系统尺寸并降低了电力需求。将延时源与混音位共置一处,可缓解音频和电力馈送问题。
一些新的小型线阵列系统非常适合用作延时系统。它们在比较紧凑的体积里提供足够输出,又不会阻挡视线。或者,也可以采用尺寸较小的全频音箱。延时音箱堆离主扩音箱组的距离多远最合适?这有时取决于物理结构方面的考虑,有时取决于场地的声压级限制(将周边社区等影响因素考虑在内)。
如果声压级在主扩调音位测得,主扩系统能以较低的电平运行,延时系统不必远离舞台。可使用建模程序或简单的数学运算和反平方定律(或者在线阵列的情况下,只使用反平方定律),决定信号需要再放大前可接受的电平衰减。
请记住,上面所描述的额外衰减不包括在理论衰减之内。如果演出在天气晴朗、湿度较高的地区举行,环境造成的能量衰减可能并不明显。但是如果演出在多风的沙漠举行,那就要小心了!

合适的信号延时
如何找到最合适的信号延时呢?我认为测量事实上的时间差是最好的方法。
线阵列的出现使延时音箱堆变得可有可无?事实并非如此
使用Smaart或TEF产生脉冲响应或能量时间曲线(ETC)。这可以清晰显示主扩系统和延时音箱堆到达的时间,让您通过光标获得一个延时数字。
如果您没有这些工具,可以通过数学运算获取延时时间。在70华氏度、海拔高度为零的情况下,音速为每秒1130英尺,或0.88毫秒每英尺。如果您知道距离,就能通过运算求出延时时间。
很多音响工程师喜欢利用哈斯(优先)效应。人耳基于到达时间和频率内容定位声音。最先到达的声音和/或携带最高频率内容的声音将决定人耳对于声音方向的认定。
人耳还能合成20毫秒时间窗内到达的声音,这个时间窗称为哈斯区域。也就是说,在这个时间框架内,耳朵不会察觉到达时间不同的信号。
因此,可以让信号稍稍延迟于正确的声学设置,并稍微削减高频,从而让观众相信所有声音都来自舞台系统。这叫做声音定位。如果观众反映延时音箱并不起作用,而你心里清楚事实并非如此,这就表示一切都设置对了。
而且别忘了,音速随着温度而改变。如果演出所在地区温差较大,请重新设置延时,让它尽可能靠近演出时间。

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