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第3章 三音石的声学原理

天坛回音壁里有一块为三音石。三音石又称三才石,比喻“天、地、人”三才。

三音石位于皇穹宇殿门外的轴线甬路上。从殿基须弥座开始的第一、第二和第三块铺路的条型石板就是三音石。

站在第一块石板上面向殿内说话,可以听到一次回声。站在第二块石板上面向殿内说话,可以听到两次回声。站在第三块石板上面向殿内说话,可以听到三次回声。这是什么原因呢原来,这里面还有不少知识。造成三音石独特效果的原因是建筑格局中的一些布置与声学原理相吻合。声波从不同之处折射回来的速度与层次造成了第一、第二和第三块石板处听到回音的次数不同。第三块石板与殿门及殿内神龛上的殿顶所构成的特有角度,可以使声波折返到殿外时能够带有强烈的轰鸣。

天坛回音壁的四周围墙很高,而且坚硬光滑,能够很好地反射声音;墙又是圆形的,三音石正好放在圆的中心处。当你拍了一下手后,声音从空气中向四周传播,遇到围墙后,又给反射回来,这些经反射回来的声音又都经过位于圆心的三音石。所以,我们站在三音石上拍手,就会听到清晰的回音,而且回音特别响。

反射回来的声音还有一个特点,它经过圆心后继续向前走,一直传到对面围墙上,经过第二次反射又回到三音石。这样,我们就听到了第二次、第三次,甚至更多次的声音了,这里除你拍手的那次声音是原始声音,其余的都是回音。

当发声和回声间隔时间小于1/16秒时,我们会把这两种声音听成一个声音,回声的作用只是加强了原来的声音。声音在空气中传播的速度是每秒钟340多米。只有人与墙壁间的距离超过11米时,声音往返的距离才会超过22米(22>340÷16),这时,我们的耳朵才能把回声分辨出来。皇穹宇室内半径才几米,当然就听不到回音了。三音石到围墙的距离是32.5米,不难算出,发声和回声的时间间隔是1/5秒,所以能听到清晰的回声。

三音石利用了回声,它还可以用来测深度、远度以及扩音等,但是它在很多场合也制造了麻烦,影响听觉的准确性和方向性,会使定位发生误差,所以有时候抑制回声是必要的。

目前解决回声的办法就是在话路中插入回声抵消设备(也称回声抑制器,本文不加区分)。回声消除器监测接收路径上从远端来的话音,计算出回波的估值,然后在发送路径上减去这个估值。于是,回波被去除了,只有近端的话音被发送到远端。如果一次通话的主被叫用户都是PSTN用户,由于两侧的2/4线转换都会产生回声,因此一次通话需要两个回声抑制器,分别是:

去话EC:去话EC是抑制、抵消主叫产生的回声,有利于被叫方。一般来说,去话EC应尽量靠近主叫,这样源和回声间的时差较小,对硬件要求也相应较小。

来话EC:来话EC是抑制、抵消被叫产生的回声,有利于主叫方。一般来说,来话EC应尽量靠近被叫这样源和回声间的时差较小,对硬件要求也相应较小。

回波抵消器的工作原理决定了,回波通路时延越大,设备成本越高。例如:由Tellabs公司提供的CEC128回波抵消芯片,可以同时处理32个回波通路时延小于64ms的话路,如果回波通路时延为128ms,则同样的芯片就只可以处理16个话路。回波抵消设备所能支持的最大回波通路时延(有时也称最大尾端返回时延)就成了回波抵消设备最重要的一项指标。

因为上述原因,在安装回波抵消器的时候,要尽可能把回波抵消器安装在靠近2/4线变换器的位置上。对于用户来说,回波通路时延没有改变,可对于回波抵消器来说,时延变小了。如下图所示:

对于上图中的回波抵消器1来说,用户1是它的近端(尾端),用户2是它的远端,它的任务是消除近端产生的回波,也就是图中2/4线变换器1所产生的回波,保证用户2听不到回声。这时,用户2看到的回波通路时延是从用户2到2/4线变换器1,再返回用户2所用的时间,这个时延决定了是否安装回波抵消器;而回波抵消器1看到的回波通路时延,只是从2/4线变换器1到回波抵消器1的时延。于是,回波抵消器1所要支持的最大返回时延就可以小很多,成本也就大大降低。可以看出,在这种典型组网中,回波抵消器只是单向工作的,受益的是远端用户。这样如果双方的2/4线转换性能均比较差,则回波抵消器必须安装两个,分别用于保护参与通话的两个用户。从优化网络结构和降低回声抑制器成本的角度来说,去话回声抑制器应该尽量靠近主叫,而来话回声抑制器应该尽量靠近被叫,这样回声抑制器靠近回声源,对回声抑制器的硬件要求较低,抑制效果也最佳。

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