Thursday, February 17, 2022

光線與液體聲波模式的分界:Schroeder Frequency

 

物理學有個無可避免的基本定律,波只會與它波長近似的物體發生交互作用。聲波也是一種波,當然也不例外。以一般多數人聽得到的聲波範圍來說,20Hz20kHz,波長範圍從最大16公尺左右到最小不到2公分,非常廣泛,因此會與之有交互作用的物件或材質,也相當不同,這也衍生出聲學上Schroeder Frequency的概念。

德國科學家Manfred Schroeder1954年提出,任何一個空間,實際上有著兩個十分不同的聲學性質。在他稱為「交越頻率」(crossover frequency)之上的聲波,與空間的交互作用方式,和在該頻率之下的聲波之行為模式非常不同。這個交越頻率,在越大的空間裡越低,越小的空間越高,大多數的房間落於200Hz 附近。後來這頻率被多數人稱為Schroeder Frequency,以下簡稱為S頻率。

S頻率以上的聲波,在空間裡的行為會近似於光波,也是一般人比較容易想像且相對熟悉的模式。從音源出發後,遇到牆面或物件,就會像光一樣產生反射,折射,散射等現象。在遇到吸音物質時會被吸收,遇到擴散作用物時會被打散。但所謂的「吸音」或「擴散」物,真正有效果的頻率範圍都有限制。例如常見的吸音物質,像是海綿或各種軟性纖維織物,只對較高頻率有效果。這是因為海綿的孔狀結構與織物的細孔,與高頻的波長接近,所以才有作用的可能。較低頻率的聲波,波長若遠超過這些小孔,則與之不會有交互作用。

S頻率以下,聲波在空間裡的行為近似於液體,從發聲源出來後,就會立刻往周遭各方向擴散。而且由於波長都在數公尺以上,空間裡的裝潢材質,一般大小的家具,或普通常見的吸音/擴散板都不會有明顯作用。反而是空間的長寬高,因為與波長近似,就會發生互動,產生各種駐波現象。而在空間各處,不同的頻率會因而加強或抵銷。

不時聽到有些發燒友,甚至「專家」發表意見,說用了某吸音材或擴散板,擺在喇叭附近,低頻就被吸收了。從前面講到的概念,就可以知道,這是幾乎不可能的事,因為低頻的波長遠大於一般吸音材或擴散板的大小及厚薄程度。除非將它們做到公尺級的厚度,或者以特別的方式安裝,讓後方形成相當大小的空腔,才可能有處理低頻的效果。另外一些人則說低頻的問題太難處理,不要去花精神,乾脆就放棄,將問題推給房間聲學條件不佳。像是每次在圓山飯店音響展,將近百分之90以上的展出房間,都有低頻的問題,大家也普遍推說是房間把低頻都給吸掉了。這樣的說法,其實都反應了對低頻聲波的行為缺乏瞭解。

前面提到,在一個空間的S頻率以下,聲波會像是液體的行為。所以在一般室內的空間,要理解低頻聲波在裡頭的作用,可以用游泳池裡的水波來幫助思考。在一個平靜的游泳池內,持續製造一個固定頻域的波動,可以明顯觀察到,它立刻就往周遭擴散出去,而且在遇到外牆後,會反彈回來傳播,與原始產生的波交互作用,在泳池的不同處,有些地方會產生互相加強,有些地方會抵銷的現象。這就像是低頻在室內空間,在不同位置,會加強或抵銷的道理。在池內,如果要減少來自反射水波的干擾,最好的方式,就是減少反射的形成。但是,如果用一些小凹凸的物體,或者放一些海綿,幾乎沒有效果。有效的方式,除了去改變泳池的形狀之外,就是破壞反射波的形成,像是用大型物件類似消波塊,或像是在泳池的各個角落放大型檔板。要處理空間的低頻問題,就要用類似方式,阻撓可能發生的反射波生成處。