电声学的现状

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电声学是研究电声转换(把声能转变成电能,把电能转变成声能)和控制的一门科学。根据电声学的原理制成的设备包括换能器、录声器、放声器、扩声器和电声测量分析设备等。电声换能器按使用方法可分为传声器(话筒)、扬声器、耳机、电话机等;按工作原理每种都可以分为静电(电容)式、电磁式、电动式和压电(晶体)式等(传声器还有炭粒式,扬声器中还有离子式等型式)。录声器包括留声机、电影中的光电录声器、家庭、公务和广播中用的钢丝录音器和磁带(纸带、胶带)录音器等。放声器和扩声器(扩音机)包括礼堂、戏院、电影院等中用的放声和扩声设备。在通信、广播、电视和电影中,电声设备都是不可少的,而且这些技术装备的工作质量最后大都决定于电声设备的好坏。电声学的发展还有很大前途,无线电工作者对它不可不注意。

人类对电声现象的认识是很早的,但从电声转换和控制的系统知识来讲,这门科学还是在它的青年时代。

图1
图1 🔍原图 (926×662)

科学家对制备电声设备的第一次尝试,是1860年德国科学家莱斯的“德律风”(电话就是从这个字得名的),他仿照人耳的构造制成了一个原始的传声器(如图1)在一张香肠膜后装一个金属触头(像人耳中的三块小耳骨),经精细的调整后可以有转换的作用(利用两块金属块间接触电阻的变化),不过调整非常困难。第一个成功的换能器是1876年贝尔的电话机。电声器件的大规模使用和科学技术上的严格要求,是1922年无线电广播事业开始以后的事。三、四十年来,电声学有了不少的发展,在电声设备的设计、制造和使用方面都有了充分科学的基础,质量也完全改观了。在三、四十年前打电话还是很费力的事,能听得懂已经算不错了,无线电广播的情况也差不多,而电影呢,那时还是“哑巴”。这和今天的国际长途电话、高质量放音系统和宽银幕立体声电影等是多么强烈的对比呵!

图2
图2 🔍原图 (549×553)
图3
图3 🔍原图 (814×692)

今天的电声系统已经进入高存真度(许多国家简称为HiFi)时代。我们知道任何声音的频率都不是单一的,可以看成是许多不同的频率综合而成的,叫做“谐频”,人类的语音和音乐都有很丰富的谐频。声音的响亮程度由比较低的谐频决定,但是它的清晰程度则靠较高的谐频。早期的电话因为只能传递较低的频率(1000周/秒或1500周/秒以下),所以即使声音很响也不容易听得懂。语言的谐频在100到7000周/秒间,要想听得清楚,一个传送语言的器件至少要有300—3000周/秒(400—4000周/秒)的工作频率范围(各种语言的要求不同),这是近代电话机和电话线路的设计根据,在广播系统中要求还要高。音乐的频率范围比语言还要大,从几十到一万周/秒以上。一般青年人的听觉范围大约是从15周/秒到两万周/秒(图3)。要能把可听到的声音尽量都反映出来,一个电声系统的频带至少要从30到15000甚至20000周/秒。这就是现代高存真度系统的要求,一切近代的传声器、扬声器、磁带录音器、放音系统等都是向这个方向发展。现在一个普通广播电台的声音播送可到5000周/秒,电影发音可达8000或10000周/秒;调频广播(和电视中的伴音)可到15000周/秒。

图4
图4 🔍原图 (922×756)
图5
图5 🔍原图 (533×647)

由于电子学的发展,电路理论的掌握,电子管或晶体管放大器的通过频带可以做得很宽。利用电声学中常用的所谓机械系统电气系统类比和声学系统电气系统的类比方法,把传声器的结构当成线路研究(如膜片的质量、弹性、膜片前的格屏、膜片后的共振阻尼等),可选择适当的声学结构,也很不难把响应的特性提高到15000周/秒以上。扬声器的问题比较复杂。扬声器的发声靠纸盆的振动。纸盆小时,低频响应就很差;纸盆大时对高频又有困难(引起发射的方向性,膜片振动不匀)。一小扬声器使用一个纸盆有效地发射30—15000周/秒的声音是不可能的。电影院中为了能放出高达8000周/秒以上的声音常用高低频系统,一个扬声器发高频率;另一个发低频率(分界线为400或500周/秒),两个扬声器往往都连着喇叭筒,以增加效率(如图4)。在高存真度系统中也有时用三“路”系统。在小功率的放声系统中,常用双纸盆扬声器,两个纸盆连到一个音圈上。一个大纸盆在低频振动;一个小纸盆(有时作成锥面,也有时作成球面)发射高频,这样的扬声器频率范围可能达到100—12000周/秒(如图5)。延长低频范围除了用大面积的纸盆外也常用低频反相匣,把扬声器装在匣上,匣除了装扬声器的窗口外,还有另外一个开口,可以把纸盆后面的低频声音投回到前面来。

电声系统除提高存真度外,另一个重要发展是主体声系统。在宽银幕电影中,在大型音乐会的转播中,使用立体声系统可以使听者得到声源(乐队和演员)立体分布的感觉。录音或拾音都用三排传声器(实际用的常比三排多,但是在线路上还是相当于三排)送到放大器或录音系统,放音时还是用三组扬声器(如图4)。用普通单音道放音时,听者得到的印象是好像一个大音乐厅开了一扇“窗户”,而听者是在“窗”外远远的地方收听。用了三个音道就可以得到完全真实的感觉了,这是电声技术上一个极大的进步。最近膺立体声系统也有很大的发展,好些无线电收音机具有这种系统,并且还可用到大型放音工作中。这是采用两组扬声器,一组高音比较多些;另一组低音多些(或者相位不同),听起来就好像是有些乐器在左边,有些乐器在右边了。

在户外放音时,如果使用大扬声器(大喇叭)不但各处强弱不匀,还要引起回声的感觉,因为只要从两个扬声器到来的声音先后相差到二十分之一秒以上,听起来就可能像回声。如果不用大扬声器,而是用数目较多的小扬声器(距离不超过17公尺或20公尺);听起来就不但没有回声,而且还有置身于音乐之中的感觉。自从莫斯科农业展览馆大量使用这个系统以来,它的优点已经为大家所公认。在室内放音时也可以利用这个概念,分散地用几个扬声器来避免上面所讲的“墙上一个窗户”的效应。

在室内一种声音从声源出来,由于室内墙壁或其他物件的多次交互反射,使人听起来觉得余音袅袅好像能持续好久,这种声音的持续在声学上叫做“混响”。在建筑上追求一个建筑物室内(大厅堂等)的最适当混响,常常费去工程师们不少精力。尤其在小房间内放音混响问题是比较麻烦的。因为小房间的混响时间很短(一般约为半秒),听起音乐来不像在大厅中那样丰满,因此增加人工混响也是电声学的任务。人工混响有很多办法,图6所示是一个简单的办法。声音一方面直接放出,另一方面经过15公尺长的弯曲管放出去,就成为混响。有效的混响时间可以改变延迟扬声器的强度来获得。如果把这个原理和上面的立体声和分散系统的概念结合起来,放了的声音就更立体化了,或者说又增加了一度空间。

图6
图6 🔍原图 (939×433)
图7
图7 🔍原图 (1284×467)

以上所谈大都是电声学在放音、通信、广播方面的应用和发展的情况。也许有人觉得在电报通信中是不需要电声设备的,这只是目前的情况,今后如何发展就很难说了。有人建议电报收发也走电声换能器的方向。我们现在打电报是把文字译成电码,变成电信号从线路上传到对方去,然后再把收到的电码译成文字,这是很复杂的系统,中间费时很多。如果我们能够在一端讲话,用电声设备把话音变成电流变化,再经过适当的设备把语音电流转换成电码(见图7)。在接收的一端用相反程序,直接发出声音或在电传打字机上打出字来,这样我们就可以把电话和电报统一起来,对电报说可以简化手续加快传递速度,而传送电话所需要的频带可以大大减少(因为传送的是已转译后的电码)。这种系统从目前的科学水平看是大有实现可能的。更有趣的是有人曾提出制造一种能接收声音信号并受这种声音信号的指挥而工作的机器,看来实现这种机器的可能性的大门也是打开了的。

图8
图8 🔍原图 (909×597)

以上是电声学现况的一个简单的介绍,但是这个介绍却是很不完全的,例如用电声换能器发生人类听觉范围以上的声音——超声波,就开辟了另一个天地。利用超大型声波(有时也用可听声波)可以切钻硬质材料(宝石、硬质合金、玻璃、半导体等);可以焊接难焊的金属(铝、不锈钢等);可以在冶金中改进金属性质;可以在化学工业中检查反应过程,可以在精密机械工业中清涤微细零件;可以在医药工作中检查心脏、脑和其他器官,治疗风湿病(还有可能用来治疗癌症)和制药;可在金属和混凝土中探测缺陷等。利用超大型声波和可听声波在海中探测潜艇、船舶、冰山、鱼群等又是一个很重要的应用范围,所有这些应用都已成为专门学科(超声学、水声学),这里就不多介绍了。(乌大猷)