<空間概論> 音響空間的建置

撰文/阿賣

     如果你還沒有花大錢購入昂貴的音響設備,那先別急著買!你需要好好的讀完這篇文章!讀完這篇文章會發現,即使是你有的平價音響,只要動動手,改變一下室內空間的格局跟傢俱擺設, 就可以在聽覺品質上獲得大幅度的改善。

 

  如果你已經花了不少錢在昂貴的音響設備上,那更要好好讀完這篇文章! 在搞懂本篇的內容以後,你會發現原來手上的音響設備,原來有這麼棒的聲 音品質,以前竟然沒有讓它們發揮該有的實力。

聲音是很現實的,也是很科學的。

     從發出聲音的源頭,到聲音在空氣中傳遞,一路進到我們的耳朵裡面,這中間的路徑上發生的所有事情,都會影響到我們最終的聆聽品質。

     本篇我們不提擴大機,不提揚聲器,只講「空間」。

     空間的大小、幾何形狀、牆面的材質、室內傢俱物件的擺設,對於從喇叭發出聲音以後,到傳遞進入到我們耳朵的過程,有著重大的決定權!

 

吸音與隔音

     要在居家空間裡做聲音的處理,大多數人會先提出的問題通常都是:「我怕聽音樂太大聲吵到家人、吵到鄰居,要怎麼幫空間做隔音?」

     接著,有超過一半的人,腦海中會直接聯想到樂團練團室牆壁上貼滿了黑色吸音棉的畫面!

     再來,就會很自然的脫口而出:「那種練團室的黑色隔音棉,是不是買來貼在牆壁上就有隔音的效果?」

     這是個經典到不行的問題!儘管每個人的個性很不相同,但大腦的結構卻異常地相似,在剛從門外漢踏進音響空間這個領域的那一刻,每個人腦中會想到的問題幾乎都一模一樣。

     首先,世界上沒有隔音棉這種東西。

     練團室牆上貼的那種黑色海綿,它就是最普通、最一般的海綿、二十世紀以後人類最常使用的化工產品之一。不是什麼特殊隔音吸音材質,只是剛好被製成黑色而已。

     吸音,只是一個隨處可見的物理現象,並不是什麼了不起的事情。基本上,不需要什麼特殊材料或高端技術,所有的棉類,都具有吸音的效果。

     更正確的說,所有的「軟物質」都具有吸音的效果。衣服、棉被、窗簾都可以吸音,實在未必非得要棉類不可。

     而隔音呢?它真的是一件非常困難、造價昂貴的大工程!吸音和隔音,其實是完全兩碼子事情。

     真正的隔音,重點在於「隔絕固體傳音」與「隔絕空氣」。因為在建築物裡面,聲音傳遞的介質,一種是牆壁、樓板這些固體在傳音,另一種就是空氣了。隔絕固體傳音是浩大的工程,你可能會聽說過高端的錄音室是蓋成「房中房」─在房間裡再打造一個新的房間,用鋼絲懸吊起來,讓這個裡面的房間的上、下、左、右、前、後六個面都不會接觸到大樓的建築本體,這就是為了隔絕固體傳音而設。房中房的造價很高昂,而且蓋完房間會變小,一般預算不高的隔音工程,通常不會做這件事情。

     預算比較有限的隔音工程,能做到隔絕空氣,就已經算是相當優秀了,大多數施工的重點,都是在處理門縫、窗縫、空調管線漏音的問題。最終目的就是要把整個房間做到「密不通風」。

     看到這裡,我們應該會終於理解,世界上沒有完美的隔音,只能追求「好 一點的隔音」。

     好一點的隔音,以一般建築空間來說,如果能做到剛剛所說到的門縫、窗 縫盡可能的密不通風,剩下要注意的就是牆、隔音門、隔音窗的材質與等級了。

     一般房間的隔間牆,大多是磚牆或是輕隔間。要隔音效果好,就得是紅磚牆,而且砌磚的時候,磚縫的處理必須非常緊密。更專業的做法會用雙層紅磚牆,中間塞入岩棉或玻璃纖維棉,來達到最佳的隔音效果。施工比較簡便的白磚,因為磚體比較輕,密度比較低,隔音效果就明顯不如紅磚。至於輕隔間牆,那是兩面的木板或是矽酸鈣板釘成,中間是中空的,隔音效果自然 又更差了。

     有一種比較便宜的做法是,在輕隔間牆的兩面矽酸鈣板中間,塞入岩棉或 玻璃纖維棉,讓這些棉類軟材質在牆內達到一定吸音效果。這種工法,也經 常在坊間被稱為「隔音牆」,但這其實不是真的達到隔音的效果,只能說是降低音量而已,大多數的 KTV 就是用這種方式來施作隔間。

     了解隔音的基本知識後,我們要開始追求聽覺上的「好聲音」了。

 

軟材質與硬材質

     要理解好的聲音是怎麼來的,要先提一下聲音的物理。聲音的本質就是波。波的行為,在物理上來區分,其實根本上就是「吸收」與「反射」。

     軟的材質,舉凡布類、絲絨、海綿,這些都是容易吸收聲音的材質;硬的材質,例如玻璃、金屬、木頭,這些都是容易反射聲音的材質。

     所以如果一個房間裡滿滿的都是沙發、床、抱枕、皮件這類軟物,甚至還有地毯的話,這個空間就是吸音較多的空間。如果擺放的是書架、電視、櫃子等硬物,那這就是反射較多的空間。

     吸音較多的空間,在我們的聽覺上會呈現比較清晰乾淨,所謂「乾」的聲響;反射較多的空間,會有比較多的「殘響」,一般會形容這樣的聲響比較 「濕」。

     一個聽覺上平衡的音響空間,通常是乾濕適中的,空間裡有些地方反射,也會有些地方吸音。

 

擴散

    可能有些稍微接觸過音響空間的朋友,都會聽過「擴散」這回事。到底擴散是什麼呢?其 實擴散的本質就是反射,但是把反射這件事情 做得更好,甚至追求反射的最佳化。

     有一種聲學裝置叫做「擴散板」,它通常由 許多塊不同深淺、凹凸起伏的木頭製成,其中每一根木頭的高度,都是經由聲學物理計算得 來的。在錄音室裡經常可以看到它。

     一般光滑平板的牆面造成的反射音,也就是迴音,會與喇叭發出的原音之間互相交疊干 擾,影響音像的定位清晰度;光滑平板的牆面換成擴散板的凹凸面之後就不一樣了,聲波在碰到這些不同深淺的木塊反射之後,相位會錯開來, 產生波程差,變成不會與原音之間互相交疊干擾的殘響。用吸音的方式 來處理迴音,常常造成房間內太乾,而且有高頻不足的問題,擴散板可以反射中高頻,補足空間內中高頻的量。也讓整個音場聽起來比較濕, 加深音場的深度。

     在展演空間、音樂餐廳裡經常可以看到凹凸起伏的牆面,那可不是裝置藝術唷!那其實就是為了擴散而設的,除了看起來好看,也是讓聲音聽起來好聽的秘密。

     下次你看到擴散板的時候,試著找一道平板的牆面,對著牆面喊叫,聽聽看來自牆面的反射音;再對著擴散板喊叫,感受一下來自擴散板的反射音,就可以體驗兩者在聽覺上的差異了。

 

低頻的方向性

     以一般大眾會接觸到的聲學知識來說,應該有不少人都聽過「低頻沒有方向性」這個說法。

     這件事是怎麼來的呢?其實跟「繞射」這個物理現象有關。

     當水波經過一道「寬門」的時候,它會直直地往前行進;但是當它經過的是一道「窄門」的時候,宅門會變成一個新的「源頭」,讓整個水波呈圓形往四面八方擴散開來(如下圖)。這種波動經過狹縫而擴散開來的物理現象,稱為「繞射」。當狹縫窄到會讓波動繞射的時候,原本直線前進的波就不會再是直線前進了,它會往四面八方散開。

     這個「寬」跟「窄」的差別,大致上以水波的「波長」為基準。如果門窄到跟水波的波長差不多,那這道門就可以說它是窄的,在物理上稱為「狹縫」。如果門很寬,遠遠比水波的波長還要寬,那這道門就是寬的,就不是物理上所謂的「狹縫」。

     瞭解了這個概念,我們就把剛剛的水波換成聲波吧!來換算一下低頻的波長,會發現頻率 100Hz 的聲波,波長算出來竟然是 3.4 公尺!(註一)是的,3.4 公尺,比大多數人家裡的一層樓還要高,這麼長的長度,聲音才來回振動了一次。如果是 50 Hz 的聲波,波長就是剛剛的兩倍,長達 6.8 公尺了。

註一:根據國中學過的物理公式,聲速 = 頻率 x 波長,聲音在空氣中的速度是 340 公尺 / 秒,頻率是 100Hz,可以得出波長 = 3.4 公尺

     到這裡,你是不是已經發現了什麼呢?

     是的,對於一般的建築,大多數居家室內空間的牆面之間,對於 100Hz 以下的低頻來說,都是狹縫!(如下圖)居家空間裡的任兩道牆,對於低頻聲波來說,都是相當窄的窄門,就算是很大的客廳,天花板和地板之間,對低頻來說依然都是狹縫。因此當喇叭發出低頻的時候,在室內空間幾乎都會往 四面八方散開。即使在室外的大型演唱會,喇叭距離地面也很難高達數十公尺,因此低頻永遠都會有繞射的現象。

 

直角與平行面的低頻困擾

     低頻就是這麼沒有方向性的四處亂竄,根本上無可避免。特別在兩面牆或三面牆之間的直角處,是最容易形成低頻淤積的地方。而兩面互相平行的牆 面、或是天花板和地板之間,我們永遠都可以找到某個低頻的頻率,正好會形成駐波。(註二)

     而大多數的建築空間內,都有許多的直角與平行面。這也是為什麼大多數未經聲學處理的空間,在聽音樂的時候,都會有某個低頻,特別的惱人,這個低頻會干擾音樂裡面低音樂器的表現,例如大鼓、貝斯的形狀跟線條會都 失準,變得跟混音師當初在製作這張專輯時,想要呈現的低音的樣子,長得完全不一樣。

     因此方正的房間本身,對於聆聽音樂來說是不好的。 萬一房間的長、寬、高之間還恰巧呈現「簡單整數比」,那就更糟糕了!

     例如房間寬剛好等於樓高的狹長房間(長:寬:高 = 2:1:1),或是長寬剛好是樓高兩倍的方型大客廳(2:2:1),都很難讓這個空間有好的聲音表現。其中最慘的,應該是是完全正方形(1:1:1)的小房間。

註二:空間的大小本身,其實跟低頻會不會發生駐波、在哪個頻率發生駐波有相當大的關係。在 大多數唱片的混音中,低於 100Hz 的頻率,都被認知為屬於低頻的範圍。例如大鼓,最主要的頻 率在 60Hz 附近,貝斯最主要的頻率在 80Hz 附近。我們以 100Hz 來計算,套用最基本的物理公 式:聲速 = 頻率 x 波長,可以算出 100Hz 的聲波,波長為 3.4 公尺。也就是說,在半波長 1.7 公 尺的整數倍,例如 1.7、3.4、5.1、6.8、8.5 公尺⋯⋯這些都是會讓 100Hz 的聲波發生駐波的尺 寸。這也就是說,兩面平行牆面之間,只要距離是 1.7、3.4、5.1、6.8 公尺,這些寬度就會造成 100Hz 的駐波。兩面牆間不同的距離,會造成不同頻率的低頻駐波。只要有平行面,一定會有某個特別麻煩的低頻駐波存在。

 

低頻陷阱

     為了解決低頻淤積跟駐波問題,於是有了低頻陷阱這個東西。

     低頻陷阱到底是什麼呢?它其實就是一塊又大又厚重的吸音板,為了讓吸音的範圍必須要能達到低頻,因此尺寸必須要夠大夠厚,才能真的吸到夠低頻段的聲音。專業的低頻陷阱,對於內部棉類材料的選擇以及大小尺寸,安裝位置的設計,都有許多講究。

     喇叭背後的牆面,是低頻陷阱安裝第一關鍵的地方。

     大致上的觀念很簡單,因為喇叭會將聲音往前打,但低頻因為沒有方向性,所以越低的頻率在喇叭的背後會越累積越多,如果喇叭背後剛好是呈直角的牆角的話,狀況則會更嚴重,也因此喇叭的後牆是需要將低頻做吸音 的,不吸音會讓整個音場顯得太轟而失去清晰度。

     在後牆和左右側牆之間的兩處直角,擺上大型的低頻陷阱,這兩個巨大的 吸音裝置可以解決掉這間房間裡最多惱人的低頻。

     也可以將低頻陷阱擺在後牆兩個直角處的人耳高度附近,但上面碰到天花板的兩個「三面直角」處,另外吊掛較小的低頻陷阱。

     這兩個最基本的角處理完以後,如果想要更好,就依樣畫葫蘆,再處理房間後方的另外兩個角吧!

 

音響空間的建置

     最理想的音響空間,必須是清晰的乾,但同時又有適量的殘響濕。最好的就是軟硬適中,不能完全吸收、也不能完全反射。

     調整音場的裝置,常見的不外乎這三樣:

  1. 吸音板
  2. 擴散板
  3. 低頻陷阱

     當我們讓吸音吸在最需要吸音的地方,低頻陷阱要擺在最多低頻困擾的地方,擴散板要擺在最需要擴散的地方,那就可以達到音場的最佳化。

     接下來,就來看看這三樣裝置應該擺在哪裡吧!

 

一、喇叭的擺位

     首先,先決定好這個空間裡面,人主要是坐在椅子上,還是沙發上吧!

     坐椅子跟沙發的高度會略有不同,決定好坐下的高度以後,讓喇叭擺在跟 人耳一樣的高度上,確保聲音是水平打向聆聽者的耳朵。以此類推,不管是吸音板或是擴散板的安裝,也應該以坐著聆聽時的人耳高度為主。

     一般人通常會將喇叭靠牆擺放,但這不是一個最好的方式。真正講究的方 式,喇叭的背面應該和牆面保持一段距離,通常在 1 到 2 公尺之間,視不同 的喇叭設計而有不同的擺放距離。以一般大小的房間來說,喇叭和後牆的距 離,聆聽位置和喇叭之間,各為房間長度的 1/3,是一般認為最理想的比例。

二、喇叭後牆的處理

     再回到我們剛剛說「低頻陷阱」的那一段看一下,喇叭的後牆,最需要的 就是先把兩個牆角,擺上有效的低頻陷阱。這兩個角的低頻如果吸乾淨了, 會很明顯聽到音場整個清晰了起來,太轟的、霧霧的矇上一層的那個低頻不見了!

     然而,我們也很需要讓喇叭後牆具有反射能力,將聲 音的能量往前反彈到聆聽者的耳朵,這樣喇叭聽起來才 不會軟趴趴。所以處理完左右兩個角之後,擴散板就派 上用場了,在兩個喇叭中間的那一塊牆面,擺上一面擴 散板來擴散聲音吧!這個擴散板會讓中高頻的能量提升 上來,變得結實有力,而且聲音濕潤而清晰,音場的深 度也會整個顯現出來。

 

三、第一反射點的處理   

     第一反射點是什麼呢?第一反射點就是喇叭到牆面、牆面到聆聽者的耳朵之間,畫出聲音的反射路徑後,聲 波在牆上反射的那附近區域。

     一般來說,第一反射點都會建議做吸音,在左右側牆面的第一反射點裝置吸音板,讓喇叭發出來的聲音不受到來自兩側牆的反射音干擾,音像定位就會清晰。

     同樣的道理,喇叭發出的聲音也會打到天花板,再從天花板反射回到我們的耳朵裡,這個天花板上的第一反射點,也是必須要吊掛吸音板的區域。事實上,如空間允許的話,第一反射點的吸音板,也可以換成低頻陷阱,聲音的表現會更好。因為低頻陷阱本身其實就是吸音板,而且能吸音的頻率到達更低的頻率。也有人用擴散板來處理第一 反射點,這種做法會讓音場更濕潤、高頻更明亮。

 

四、左右牆面要對稱

     一對喇叭的擺放位置,最好距離房間的左右側牆是一樣的距離,而且兩邊的牆面最好是盡 量對稱的形狀和接近的材質,如果左右牆面不對稱,來自兩側牆的反射音,很容易造成聆聽音樂的干擾,會讓聽到的聲音變得跟原本唱片裡要傳達的不一樣,最明顯的就是樂器的擺位很容易歪掉,原本應該在中間的樂器變得偏左或偏右。

     但因為房間的格局,喇叭的左右側確實經常 有無法對稱的情況,例如有一邊就剛好是一道門,或者半開放空間,音像定位就很容易混淆不清。這時候在兩側相同距離的第一反射點,擺上一模一樣的吸音板做吸音,會比較改善。

五、天地之間的處理

     天花板和地板,如果不處理,房間的六個面,就會有兩面是硬的材質,這樣會讓整個空間內反射的比例佔得太高。而且別忘了,天花板與地板之間是巨大的平行面,會造成某個低頻的駐波,沒有處理好就很容易有一處低頻過多,室內會變得很轟。

     因此必須在天地之間擺上一些吸音或擴散裝置,一般來說最簡單的想法是鋪地毯,至少在地面會有吸音的效果。但要注意的是,地毯的吸音頻率通常都在中高頻,無法延伸到低頻,這樣依然不能解決平行面之間的駐波造成低頻過多的問題(註三)。最好的解決方式,還是要將大型的低頻陷阱吊掛在天花板上,一方面破壞原本平板的形狀,一方面吸收低頻,吊掛的位置要視 室內的音場分佈而定,原則上以低頻聚集最多的地方為主。

     另外,也有在天花板吊掛擴散板的做法,但要注意的是擴散板一般是木頭製成,重量都很重,吊掛在天花板如果不夠牢固,是相當危險的,有人會因此使用保麗龍製的擴散板代替,但保麗龍製品不管是外觀或聲音上,都不如 木製擴散板的質感看起來賞心悅目,因此也有人設計出重量較輕的木製擴散板,通常是格子狀的,但依然有一定的重量,在施工時一定要請專業的工程人員,才能確保安全性。

註三:一般天花板到地板之間的樓層高度大約在 3 公尺,以聲速的物理公式換算:聲速 = 頻率 x 波長,340 = f x 6,f = 50-60Hz 之間。也就是說天花板與地板之間的平行面駐波大約發生在 50Hz 到 60Hz 之間的低頻。

六、沙發後牆的處理

     一般來說,讓喇叭打向聆聽位置,這位置通常都是沙發區,最理想的擺設是,沙發不要完全靠著後面的牆放置,中間要留 1 到 2 公尺的空間出來。在聆聽位置後面的牆上人耳高度附近,可以裝置擴散板,讓喇叭過來的聲音被後牆反射時,是經過擴散以後的聲音,這個做法可以加深音場的深度,讓整個聽感上產生房間變大的錯覺。

     綜合以上六個法則,大概可以把理想的音響聆聽空間,整理出如下示意圖。看完這篇,或許我們未必真要開始動手進行住宅大改造,但有了這些觀念,不時的做些調整,讓空間的音場越來越好,絕對是一個生活中的樂趣!