多普勒效应、合唱效应、梳状滤波器——声学现象及其对录音棚技术的重要性

infecto音频应用新手发布 · 2026-04-17

音乐与声学密不可分。声学是所有音乐的基础，也是录音技术、扩声技术等诸多领域的基础。本文将探讨声学中最重要的一些技术术语和现象及其应用。
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声学
声学是研究声音、声音传播和声音接收的科学。它涉及声音的物理、生理和心理方面。声学是物理学的一个分支学科，也是一个连接不同学科的桥梁，因为许多领域都以声学为基础进行深入研究。音响工程和音乐只是声学领域的一小部分。建筑师、医生、工程师以及许多其他领域的从业者都与声学息息相关。

声音和声音传播
声音的传播需要几个要素：声源（作为发射器）、传输介质和接收器。虽然声源和接收器看似显而易见，但它们都会对音质产生显著影响。在发射器和接收器之间的路径上，会发生许多变化。传输介质是声音传播的基本要求。这种介质可以是气体、液体或固体。声音无法在真空中传播。

声音传播是指声波事件引起介质分子周期性振动。振动的分子与相邻分子碰撞，并将振动传递下去。这个过程不断重复，直到能量不足以维持振动为止。

声速
声速是指声音在介质中传播的速度，单位为米每秒。它取决于多种因素，包括介质本身、介质的状态以及环境温度。在空气中，湿度也会影响声速。例如，在20°C的干燥空气中，声速约为343米/秒。固体中的声速通常远高于气体或液体中的声速。同样，液体中的声速通常也高于气体中的声速。

声音从声源传播到听者（或麦克风）所需的时间称为声音传播时间。

反射和衍射
在自由场中，声音通常以声源为中心呈圆形传播。这种传播会持续到所有动能耗尽或遇到障碍物为止。根据障碍物的大小和性质以及声音的波长，声音会发生反射或衍射。如果障碍物相对于波长较小，声音会绕过障碍物发生衍射。例如，低音频率的声音就属于这种情况。如果障碍物相对于波长较大，部分声音就会被反射。例如，中音和高音频率的声音就属于这种情况。

然而，声波也可能激发障碍物内部的分子振动。这些振动会在障碍物内部传播，甚至可能传播到另一侧，进而激发周围介质振动。障碍物内部的声速可能与周围介质中的声速存在显著差异，例如，障碍物内部的声速可能远高于周围介质。

这种现象，例如声音引起固体振动，而这种振动又会引起周围空气振动，被称为结构噪声。在公寓楼里，如果邻居因为练习的乐手打扰到他们而愤怒地敲门，即使乐手住在不同的楼层，也会让人非常不愉快。声音可以通过天花板、地板甚至暖气管道神奇地传播，就像扬声器的振膜一样，引起邻居公寓周围空气的振动。

研究结果的实际意义
对声音传播、传播时间、反射、衍射和吸收的了解在许多领域都至关重要。例如，乐器麦克风技术、扬声器设计、扬声器摆位、乐器制作、录音棚建设、活动场地设计、隔音等等。在控制室中，空间内的声音分布尤为重要，以防止反射导致聆听位置的声音失真。在录音棚中，必须精确控制反射才能获得理想的声音效果，从干涩到饱满。这可以通过移动扩散器、吸音材料、可移动墙壁和天花板以及其他技术来实现。了解声音的速度和传播时间对于使用延迟线进行分散式扩声至关重要。此外，传播时间对于扬声器设计也至关重要，它决定了驱动单元的匹配和箱体结构。传播时间和反射在空间内的声音传播中也起着重要作用。

房间里的声音
声音在不受任何限制的情况下可以自由地从声源周围传播，但在房间内，由于大量的反射，情况就截然不同了。在这里，我们遇到了两种现象，它们从根本上塑造了我们的聆听体验，而没有它们，音乐制作将无法想象。

回声
当声音遇到障碍物并发生反射时，就会产生我们所知的回声现象。听者首先会听到未经反射的直达信号，然后是存在明显延迟的反射信号。由于这种时间差，接收者会听到两个信号。

大厅
混响是发生在封闭空间内的一种现象。在封闭空间中，声音传播的障碍物不止一个，而是六个：四面墙、地板和天花板。当声音从这些障碍物之一反射回来时，会遵循入射角等于反射角的原理。反射后的声音会迅速遇到下一面墙、天花板或地板，并再次反射。在短时间内，就会形成密集的反射网络，这就是我们感知到的混响。根据房间的大小，从第一次反射到混响尾音形成之间会存在一定的时间间隔。这段时间以混响单位表示，并标注在“早期反射”参数下。

在音乐制作中的应用
混响或回声等空间效果既可以自然产生（例如音乐厅、混响室），也可以人工创造（例如混响器、混响罐、板式混响、磁带回声）。因此，它们要么在录音过程中直接考虑，要么在混音后期添加。

空间效果可以使乐器或人声听起来宏大而宽广，也可以使其显得遥远、靠近听众、具有三维立体感，或者作为一种音效，其中混响本身就是声音，或与声音密不可分（关键词：回声大厅）。空间效果在音乐领域也有广泛的应用，例如U2乐队和吉他手The Edge就大量运用回声效果来创造节奏结构。

U2乐队的吉他手The Edge巧妙地运用回声（延迟）效果来创造节奏结构。

声波的叠加
当两个相同的声波重叠时，根据它们的相位，会产生相长效应和相消效应。如果两个声波同相，即它们的起始点相同，则会产生相长效应，声压会叠加。如果一个声波的起始点相对于另一个声波发生偏移，则会产生逐渐增强的相消效应，最终在相位偏移180°时完全抵消。

振动的相长（绿色）和相消（红色）叠加

掩蔽
声波叠加的一种特殊形式是掩蔽。响亮的频率可以掩蔽相邻的、明显较弱的频率。这些较弱的频率低于人耳可听阈值。这个阈值被称为通透阈值。低于通透阈值的声音会被掩蔽，听不到或几乎听不到。高于通透阈值的声音则可以被感知。例如，吹风机的噪音会掩蔽同一房间里收音机播放的大部分音乐或语音。然而，即使是单个 1 kHz 的音调，只要音量差异超过一定值，也会掩蔽相邻的 1.1 kHz 音调。

掩蔽效应和相移的应用
在音乐制作中，我们尽量避免使用掩蔽效应和相位偏移，因为它们会对混音产生负面影响。然而，在日常生活中，有一个领域却不可或缺地运用了掩蔽和抵消技术：数据缩减。MP3 和许多其他音频信号缩减方法都利用了掩蔽效应和抵消技术。这些算法能够识别低于人耳听觉阈值的信号，并将这些数据从数据流中移除，从而减小文件大小。例如，破坏性相位偏移用于滤除音频信号中不需要的信号成分。这种方法是将部分音频信号相位偏移 180°，然后再重新混入。这样，这些不需要的信号成分的电平就会显著降低，甚至完全被抵消。这种技术被应用于音频修复和降噪等领域，例如耳机。

梳状过滤器
我们前面已经提到，每个声音信号都有传播时间，这个时间取决于声源和接收器之间的距离。我们也考虑了两个传播时间相同或不同的相同声源重叠时产生的影响。如果将反射因素考虑在内，就会产生一系列可能的结果：

如果来自声源的信号两次到达接收器，例如因为信号被表面反射，就会产生各种后果：

如果两个信号的到达时间相同且强度相等，则振幅会加倍。但是，如果到达时间不相同，介于 1 毫秒到 25 毫秒之间，情况则有所不同。频率响应中会出现明显的规律性凹陷。不过，这种情况仅在声级差异不超过 10 分贝时才会发生。

梳状滤波器频率响应

梳状滤波效应在两个麦克风拾取同一信号时尤为显著，尤其是在存在反射的情况下。设想一位演讲者站在讲台上。一个麦克风放大/录制信号。声音直接到达麦克风。第二个信号由于讲台反射而略有延迟地到达麦克风。这就是梳状滤波效应的由来。

我们尽可能通过精心摆放麦克风或防止反射来避免录音过程中出现梳状滤波效应。但是，我们也会有意地使用梳状滤波效应，例如使用相位器和镶边器等基于时间的音效，这两种效果都利用了梳状滤波现象。

相位器（Phaser ）
在相位器中，输入信号的副本会依次通过一系列全通滤波器，这些滤波器会针对不同的频率或频率范围引入不同的时间延迟。然后，这些延迟信号会被重新混入原始信号中。这些延迟会产生梳状滤波器效应。

镶边器（Flanger）

镶边器也利用梳状滤波效应，使信号相对于原始信号产生延迟。最初，这种效果是通过两台磁带机实现的，两台磁带机最初是同步的，播放相同的信号。通过手动短暂地停止其中一台磁带机的磁带盘，或者瞬间降低其中一台磁带机的磁带速度，就可以使信号以轻微的延迟播放。然而，与镶边器不同的是，这里的延迟时间在整个录音频率范围内都是相同的。这同样会产生梳状滤波效应。磁带机的抖晃进一步放大了这种效应。在我听来，相位器的声音比镶边器更干涩。

效果器（镶边器）中测量到的调制梳状滤波器效应
拍频（Schwebung）
直接从两个声源叠加的考虑中，可以推导出另一种效应：拍频（Schwebung）。如果两个声音信号几乎相同，但频率略有不同，就会产生所谓的拍频效应。此时会产生一个新的信号，其振幅似乎发生了变化。这种变化遵循其自身的频率，该频率由两个原始频率的算术平均值得出。

每个人都熟悉吉他调音时的这种现象：用一根弦作为参考音来调音另一根弦。起初，你会听到两个清晰可辨的音调。然后，你会听到一种明显的调制，我们感觉像是强烈的摩擦声。这种摩擦声会发展成一种看似快速的颤音，这是由于重叠音调的振幅调制造成的。最终，两个音调不再能被分辨出来。振幅调制逐渐减弱，直到最后两个音调完全融合，音高相同。

要聆听或观看节拍效果，您可以使用以下网址的模拟：https://www.leifiphysik.de/akustik/akustische-wellen/versuche/schwebungen-simulation

来自 www.leifiphysik.de 的节拍效果模拟器

多普勒效应（Dopplereffekt）
我们每天都能听到多普勒效应，比如救护车或警车驶过时，警笛的音调似乎会发生变化。这是因为听者感知到的频率会随着声源、听者自身或两者的移动而改变。当声源发出频率恒定的音调时，其振荡会产生波峰和波谷。对于静止的声源，这些波峰和波谷的位置始终不变。如果声源移动，这些波峰和波谷的位置就会发生偏移。与此同时，两个声波会叠加。当第一个声波仍在传播时，第二个声波已经叠加到第一个声波之上。结果，波峰和波谷的位置会变得更近或更远。因此，叠加声波的频率会发生变化，有时升高，有时降低。我们将这种效应称为多普勒效应，以其发现者——奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒的名字命名。

拍频和多普勒效应在录音棚技术和音乐领域也有实际应用。多普勒效应也曾用于道路交通测速，尽管现在通常已被激光测速所取代。另一个显著的例子也利用了多普勒效应：
莱斯利/旋转效果（Leslie/Rotoreffekt）

Leslie音箱的声音几乎对每位音乐家和音乐爱好者来说都耳熟能详。旋转的扬声器会产生多普勒效应，调制出例如哈蒙德B3风琴等乐器原本略显单调的输出信号。与简单的颤音相比，这种调制似乎更具深度和立体感，因为声音不仅音调会发生变化，还会随着扬声器的旋转而前后移动。因此，录制莱斯利音箱时，至少需要三个麦克风：两个用于高音单元，一个用于低音单元。

Hammond B3 风琴配 Leslie 122 音箱（图片来源：Salli，it）

合唱/合奏/齐奏
合唱效果基于拍频和多普勒效应的结合。当一个略微延迟且频率略有不同的信号与原始信号混合时，就会产生拍频。持续调制叠加信号的延迟时间会产生一种多普勒效应，这种效应也会导致轻微的音调调制。

另一方面，合奏效果完全依赖于拍频（Schwebung），例如通过播放多个与原始信号略微失谐的信号副本来实现。在合成器中，多个振荡器同时播放相同的信号，并通过轻微的失谐创造出丰富的整体音色。对于模拟合成器而言，模拟元件的典型波动通常足以产生这种效果。

齐唱和双轨录音
合唱和乐器或人声的双轨录制也是基于这些声学现象。即使几位歌手齐唱，节奏和音准的差异依然存在，从而产生我们熟悉的合唱效果。简单地对乐器或人声进行双轨录制通常就能达到预期效果。

例如，在披头士乐队录音期间，艾比路录音室就已经使用了磁带录音机进行人工双轨录音（ADT）技术。Waves公司与艾比路录音室合作，发布了一款用于ADT的插件。

Reel ADT 立体声版

官网视频链接：https://youtu.be/TgnSVdjfSwk

方向性听觉
对于我们听者而言，声音是有方向性的，除非它直接来自头部内部（关键词：使用耳机聆听时的头部定位）。为了确定声音的来源方向，大脑会利用头部形状、外耳以及声音的传播时间。如果声源位于我们正前方、正后方、正下方或正上方，声音到达双耳的传播时间完全相同。如果声源移动，声音到达每只耳朵的传播时间就会发生变化。一只耳朵的传播时间会缩短，而另一只耳朵的传播时间则会相应延长。大脑可以根据这些信息推断声音的来源方向。这至少适用于左右方向。对于前方、后方、正上方和正下方，则需要考虑其他因素，例如头部形状和外耳。声音在头部和外耳处会发生反射和衍射，从而再次发生部分偏转。大脑利用这些复杂的相互作用信息，最终确定声音的来源方向。

远距离听力
声音事件的距离同样取决于多种参数。在确定大致距离时，传播时间只有在存在参考点的情况下才起作用。例如，在雷雨天气中，我们首先感知到闪电，因为光速远高于声速。如果雷声在闪电之后一段时间才到达，则说明雷雨距离更远。如果两者看似同时发生，则说明雷雨就在我们头顶正上方。

在音乐会上也会出现类似的情况：如果一位坐在远处的观众感觉到舞台上的视觉动作与他听到的声音之间存在延迟，那么如果没有视觉参照物，这种延迟就毫无意义。

因此，必然还有其他因素在起作用。其中一个因素是声音在远距离发生的变化。远处的声音听起来比近处的声音更闷、更安静。在封闭空间中，反射也会影响声音。如果你靠近声源，直达声会首先到达听者，并且占据主导地位；反射声随后才会到达。在混响半径（直达声和反射声强度相等的半径）之外，反射声则占据主导地位。

大脑会根据这些信息估算出一个大致的距离。然而，这种距离估算远不如方向性听觉准确。

应用范围：从立体声到沉浸式音频

对人类如何听觉和定位声音的理解所带来的洞见，持续为新技术的开发和音乐制作提供信息。立体声、四声道、环绕声和3D音频等音乐聆听方式，都得益于这些声学发现。心理声学也发挥着重要作用。例如，如果没有这些洞见，使用耳机（“假人头”）实现3D效果是不可能实现的。

即使在使用立体声麦克风技术录制管弦乐队或其他声音时，有关听觉以及声音传播、时间延迟、相位等方面的知识也起着重要作用，因为这些知识很大程度上决定了录制的信号后来如何在扬声器上以立体声的方式重现。

结论
还有其他一些声学现象被应用于乐器制造、扬声器结构、吸声器设计或音效中。这些现象包括共振或自然振动。我们以各种方式接触到它，例如用于放大（例如，在吉他、钢琴、大提琴和小提琴等原声乐器的制造中）或用于电子滤波器。在麦克风设计中，工程师巧妙地利用相消干涉，即叠加振动，来塑造指向性。这在枪式麦克风（干涉式麦克风）中尤为明显。在扬声器设计中，正向叠加振动被用于增强低音响应（低音反射式音箱），或者在耦合多个驱动单元时，通过巧妙的波导设计来提高可达到的声压级。声音的传播方式也被操控，以精确地将声音导向听众，并尽可能提高直达声的比例（关键词：线阵列）。似乎我们每天都能遇到源于声学的新技术进步。声学一直以来都是一个引人入胜的领域，值得我们深入探索。

文章出处：https://www.amazona.de/vom-akustischen-phaenomen-zum-effekt-dopplereffekt-kammfilter-chorus/

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