声音的传输：音频的基础理论系列的第1部分

对于我们大部分人来说，基础理论就像瑞士奶酪：大部分是扎实的，但是时不时会发现有一些明显的漏洞。

这是探索音频系统及相关领域原理和性能的一系列文章中的第一篇。

这里我们重点介绍声学传输的特性。

也许你已经对这个问题十分的了解，但也许你有一些知识漏洞可以填补，因此这篇文章特别值得大家来阅读。

问题1：有两个log dB标尺 – 在音频工作中应该使用哪一个？

两者都是”以10为底”对数标尺，不同之处在于前面的系数（通常称为”20log10″和”10log10″ 标尺，如图1所示）。在这种情况下，通过对数转换，将一个线性的标尺转换为对数标尺（但是这本质上依然是一个东西）。

图1（Bob McCarthy，Focal Press提供）

记住20*log10公式的一种方法是理解他的对数/线性含义：在公式的对数侧20dB的增益相当于公式的线性侧输出/输入的比例为10倍。20*log10对数标尺是非常常见的。在调音台上的silkscreen上 – 将推杆向上推动20 dB，电压就增加10倍（或将数值增加10倍）。 20*log10公式适用于以dB为单位的大部分量：电压（dBV或dBu），声压级（dBSPL），平方反比损耗（dB），扬声器阵列耦合（dB增益），数字音频信号（dBFS）等等。

同时，10*log10对数标尺可以理解为：当公式的对数那一边增益为10 dB时，公式的线性那一边的输出/输入比例为10倍。这对于计算功率是十分有用的（例如，100瓦和1000瓦的功率放大器有10分贝的差值）。

在实际应用中，我们通常使用线性表达式来描述以10*log10为标尺的参数。例如，调音台的输出以伏（dBV）为单位，但是功率放大器的单位不会使用dB而是使用瓦特。我们看到的和功率相关的量都使用瓦特为单位（而不是分贝），这就是为什么10分贝的标尺是很少见的。我很难想象任何一个设备会在其用户界面上使用10 log dB标尺，但是我也期待着见到这种设备的那一天。

然而，麻烦的是，在声压级的公式中会使用10*log10对数标尺，这造成了很大的混乱。当添加不相关声源的时候（例如，加上一个移动光源的噪声，2：1线性比率，将增加3dB），适用10对数公式。

当添加一个相关的源时（例如：播放同一个音源的另外一个扬声器），我们使用20*log10公式，所以在这种情况下，2：1比率会产生6 dB的SPL增益。很多人对此感到困惑，所以让我们在这里把它弄清楚：Metallica + Kenny G（不相关）= + 3dB; Metallica + Metallica（相关）= + 6 dB。

问题2：什么是平方反比律？

这是计算声压级（SPL）（随着距离增加而）损失的方法。当把声音从一个无限小的声源传播到一个无限大的空间中（没有反射表面），每增加一倍的距离，声音就会损失6 dB。例如，1米处的106 dB SPL将在2米处变为100 dB SPL。

在实际应用中，我们不可能找到无限小的扬声器，而且空间中不可能没有反射面（至少听众要有地方坐），所以生活中不可能绝对遵循这个规律。尽管如此，这也是最好的估算方法了。声音的反射会降低损失率（能量被纳入再循环），高空气损耗也会增加损失率（在人耳能听到的最高频率处，空气是一种有损介质）。

平方反比律是否受扬声器方向的影响？当距离加倍时，全向扬声器在所有方向上都会损失6 dB。即使定向扬声器的起始位置在水平轴上，但在各个方向仍然以相同的速率衰减（图2）。

克服平方反比律的唯一方法就是部署大量的扬声器，并将它们排成一行。只要您拥有足够多的预算，”无数”个音源排成一行可以将损失率降低到3 dB。

图2（Bob McCarthy，Focal Press提供）

问题3：声音的速度是多少？你记忆中的音速应该是1,132英尺/秒或者344米/秒（因为音速和空气温度相关，所以同时还会将温度作为一个变量）。但事实证明，在实际生活中进行声学设计时，直接使用1,132英尺/秒或者344米/秒的数值并不方便。因此我们要把音速的表达式转化为：秒/英里。

我们可以将声速公式的分子分母颠倒过来，形成一个更简单，更可视化的单位：毫秒（ms）/英尺或者毫秒/米。这样，音速的粗略近似值可以表达为1ms / ft，如果你想要更准确一些的近似值可以用0.9ms / ft。所以声音传输10英尺需要9毫秒，或者声音10毫秒可以传输11英尺。国际单位制用起来就容易多了（惊喜！），音速的近似值是3ms /米，准确值是2.94毫米/米，十分接近。另外还有两个额外的辅助方法，在剧场的座位布置中，音速可以这样估算：3毫秒/行（前后方向）；1.5毫秒/座位（左右方向）。

问题4：温度和湿度如何影响声音的传播？

通过温度的变化可以精确的控制声速（图3）。温度每升高10华氏度（F）或者5.6摄氏度（C），会使音速增加约1％（反之亦然）。

图3（Bob McCarthy，Focal Press提供）

湿度可以被当成是可变的甚高频（VHF）滤波器。对于音频传输来说，空气（在任何湿度下）都不是一个完美的介质：它在高频率范围是有损耗的，基本上看起来像是一个低通滤波器，可以传输最高的频率（图4）。VHF的损失在湿空气中最少，而在干空气最多。损失随着距离的增加而迅速增加。因此，位于亚马逊的一个小型室外场地将比位于沙漠中的足球场有更好的甚高频传输。

图4（Meyer Sound）

在我们准备演唱会时，需要考虑多少天气的因素？在晴天做出的好的音效设计，在阴天时效果也还是不错的，但是一个失败的音效设计，即使在最棒的天气表现也不会好。

是的，延迟设置会随着温度变化而偏离设定值，偏离的严重程度随场地大小而变化。 20华氏度（F）的巨大温度变化只会导致不到2％的偏差。这会对延迟的偏离程度造成不同的影响，在音乐厅是1-2毫秒，在中型体育场大概2-4毫秒，大型体育场则是4-8毫秒。我觉得这不会是一个非常重要的因素。

湿度变化很容易适应。如果天气干燥（声音听起来很暗淡），提高甚高频（VHF）的范围，如果天气潮湿（声音听起来明亮），调低甚高频（VHF）的范围。我们需要做的只是调整甚高频（VHF）的范围，所以只要变化控制在在VHF的调整范围内，就是没有问题的。

问题5：声压级（SPL）和声功率有什么区别？

人们很容易将两者搞混。dB SPL中的”P”是指压力pressure，这是声功率的一个重要组成部分，但不是声功率的全部。以电功率为参考，有助于我们理解这个区别。

电源插座上存在电压，但只有在把插头插入电源并产生电流之后，才会产生电功率。扬声器是一个能够产生声功率的装置，以声瓦作为单位（从电瓦转换而来）。对于麦克风来说，则是相反的。如果一个扬声器产生的100 dB SPL传输到放置在10米外的麦克风，这个场景中扬声器产生的压力与麦克风感受到的压力是相同的，但他们的声功率却是天壤之别。扬声器把100 dB的声压传播并分散到半径10米的球形表面上（这需要很大的声功率）。麦克风振膜的表面积小于1英寸（只需要很小的声功率推动）。回想一下欧姆定律，它展示了如何根据电压，电阻和电流的关系计算出电功率。声功率具有类似的性质：电压（声压），电阻（声阻，惯性）和电流（表面积）。声波传播是一系列通过球形电阻介质（如空气）传播的压力变化。随着声音向外传播，压力变化的表面积扩大。当声音向外传播时，声功率保持不变（摩擦损失除外）。换句话说，如果一个扬声器在一米处产生一瓦的能量，那么它在2米处也会产生1瓦的能量（忽略摩擦）。 6 dB（1/2）的压力降低与表面积（2x）的扩大成正比。声功率是压力和表面积的产物（就像电力是伏特和安培的产物一样）。在1安培10伏特或者1伏特10安培的情况下，都能产生10瓦特的功率。对于声功率情况是类似的。

那为什么我们从来没有在演唱会上看到过声功率的规格标注？ 如果你是一个听众，你只需要关注SPL（压力），而不是功率，因为你的耳膜的表面积非常小。

因此我们对声音的体验实际上是对声压的感知（而不是对功率的感知）。 尽管如此，如果我们要为整个体育场里的听众提供高水平的声压，最好还是使用能产生较高声功率的设备。