广播中声音的物理性质

一、广播中声音的物理性质

(一)广播中无线电波的物理性质

广播所使用的无线电波具有波长、频率和振幅三种物理性质。

1.波长：所谓波长,是指每一个无线电周波的长度。周波由一起一伏的正波和负波组成。波长的计量单位为米。

2.频率：所谓频率,是指无线电波每秒钟产生的周波数。计量单位为千周(千赫)。无线电波的频率通常用高低来衡量。频率与波长成反比关系,即波长越长,频率越低；波长越短,频率越高。

3.振幅：无线电波正波上的最高点到负波上的最低点之间的距离,称为振幅。振幅的高低取决于两个因素,一是发射电力的强弱,发射电力越强,振幅越高；发射电力越弱,振幅越低。二是时空距离的长度,无线电波发射以后,就会随着时间与空间的延长而衰减,最后消失。

(二)广播的电波发射

1.广播电台电波发射的电磁波形式

广播电台发射的电波主要分为地波、天波和空间波。

(1)地面波传播　地波沿地面前进,能随地面高低起伏,有效射程相对较短,但比较稳定,昼夜清晰。地波所能到达的地区称为广播的“主区”。

地面波传播的特点：一是频率越高吸收越多；二是晚间比白天吸收得多。

(2)天波传播　天波遇到地球上空的电离子层便折射回地面,射程较远。天波受日光、温度、空气及其他电波的影响,稳定性较差,夜间稍好。天波能达到的地区称为广播的“副区”。

天波传播的特点：一是白天太阳电离层强烈吸收天波,造成天波衰减；二是电波频率越高越不容易被电离层吸收。

(3)空间波　空间波是介于地波与天波之间的电波。

2.广播电台电波发射形式

(1)中波　中波以地波传播为主,一般为300～3000千赫(频率单位)。因为相对短波来说,中波的波长较长,频率较低,白天,天波就会受到电离层的强烈吸收,因此主要以地波传播。一直到晚间,电离层没有了,地波又受到地面的强烈吸收,天波才被大量反射,传递到很远的地方。这就是为什么人们总感觉晚间比白天收听到的广播节目多的原因。

中波电台的功率越大、天线越高,它传播的距离就越远,通常可传播200公里(再远的话,就得用微波站中转)。

再有中波主要用于强调广播人口覆盖的国内广播,也称调幅广播(载波的幅度按照声音电信号的变化而变化)。

(2)短波　短波以天波传播为主,一般为3～30兆赫。因为相对于中波来说,短波的波长较短,因此频率较高,地面对它的吸收就更强烈,短波的地波一般只能传输几十公里。但正是由于它的频率较高,所以它的天波在电离层中损耗较小。短波靠天波可以传递几千公里,所以短波主要用于对外广播和对边远地区的少数民族广播等。

由于电离层随昼夜、季节、纬度而变化,所以传播不稳定,收听到的信号忽强忽弱,这就是为什么我们收听国外广播不是很清楚的主要原因。

(3)超短波　超短波频率为30～300兆赫,是三种波中频率最高的,其地波衰减很大,天波又因为频率太高以至于穿过电离层很深、甚至穿透而反射不回来,这样,超短波就只能靠空间波传播。由于空间波传播只是两点间的直线传播而没有反射,因此一般来说其传播距离只有几十公里,主要用于UF(特高频)段的电视和FM调频广播；再有超短波抗干扰能力强,保真程度高。

广播电台选择电波波段,除要求覆盖面广外,还要求杂音少、干扰少。一般来说,波长愈长,杂音就愈大,所以30千周以下的长波段不适用于广播。短波传送范围较广,晚间更甚,所以国际间的广播均采用短波。

一般来说,两个广播电台距离比较近,使用的电波频率又相同,就会发生干扰；即使相距较远的,干扰仍是不可避免的。要想避免或减弱干扰,就要尽可能使用不同的电波频率,这就有了一个频率核配的问题。任何国家的广播频率核配权都归国家所有,由政府主管部门核配。

(三)调幅广播与调频广播

调幅广播和调频广播是指把音乐、语言等声音符号通过无线电电波来进行传输的技术方法,分别用AM和FM来表示。它的原理是：电台播放的声音沿着无线电波移动,传送到收音机上又还原为最初录制的声音。

1.调幅广播(Amplitude Modulation,简称AM)

调幅广播是自无线电广播发明之后便一直使用的一种广播形式。“调”是指“调变”,“幅”是指无线电波的“振幅”,调幅即调变无线电波的振幅。调幅广播就是将声音讯号电波加于广播电台所使用的电波上(称“载波”),采用调变无线电波的振幅的方法来传送载有声音讯号的无线电波,使后者的振幅随声音讯号电波而相应地改变。也就是说,调幅广播改变的只是无线电波的振幅,使“等幅波”变成了“调幅波”,而无线电波的频率不变。

在调幅广播中,声音通过波的振幅强度传输到无线电波上,这和用调开关以改变电灯的强度的原理类似。调幅电台的工作频率用千赫(KHZ)表示。

调幅广播信号通过天空和地面传递,每一种信号传递的距离不同,且有很大的差别。

天波通过空气和空间传递。白天天波被地球的高层大气吸收,而在夜间则被大气层反射回来。夜间,收音机常常会收到地处很远地方的广播电台的信号。调幅电台在夜晚必须极大程度地减少发射功率,以避免电台之间的信号相互干扰。

地面波形成了实际通过地面的调幅电台的那部分信号。当地的听众主要通过地面波传送的信号收听调幅电台的节目。特定地区的土壤、岩层和水质等自然特征对地面波传输的距离起着相当大的作用。

调幅广播的优点是覆盖面较大、传播距离较远、技术上较容易实现、比较经济实用。但缺点是：

一是有杂音：大气中的静电和一些电器产生的电波会影响无线电广播电波的振幅,杂音便在收音机中播放出来。

二是抗干扰能力差,易受静电、电器干扰。因为调幅广播的频道宽度只有10千周,而广播电台的设置密度却较大,也较拥挤,这样就会有所干扰。

三是保真度不高、会失真：调幅广播所负载的声音讯号的频率最高只能到5千赫兹,一旦超过的话,听起来就会失真；对重低音的反映也不够理想。

2.调频广播(Frequency Modulation,简称FM)

调频广播是美国教授阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)于1933年发明的。1940年,美国出现了世界上最早的调频广播电台。20世纪50年代,英国、日本等国家也相继出现了调频广播。原联邦德国是最早在全国范围普及调频广播的国家。

调频广播以改变频率来调整电波。它改变的只是无线电波的频率,而振幅还保持等幅波。调频广播的优势在于：

第一,声音特别清晰。调频广播使有的电波为超短波,超短波以直线波的方式传送,传播效果优于调幅广播的天波和地波,加上其振幅不变,故不易混入杂音。

第二,极少有干扰。调频广播在频率为88兆周至108兆周的广大区间工作,其频道宽度达200千周(0.2兆周),是调幅广播频道宽度的20倍。

第三,保真度很高。调频广播所负载的声音讯号,可高达15000赫兹,也可以调变至很低,完全能适应人的听觉感受范围,而且不失真。

调频广播的局限是其覆盖范围只有100多平方公里,不如调幅广播那样广阔。要想有好的收听效果,其发射电力要大,其发射天线要高(因为是直线波,就要避免高的物体阻挡,最好建立在不受阻挡的高山上),因此建设起来不如调幅广播那样经济。我国从20世纪80年代开始建设调频广播,多集中于大、中城市。

3.调幅广播与调频广播的对比

调频广播的信号只在空中传输,且特点是“直线”传输,当遇到挡在发射机和接收机之间的地形障碍时很难转向,信号也无法传至收音机。

调幅和调频信号都可以通过卫星从发射的地方向单个电台传送,电台再通过自己的频率向听众播出节目。不过调频广播有区别于调幅广播的自身特点：一是通常用立体声效果传送广播节目；二是由于没有定向天线,调频广播信号能够全方位覆盖。

由于调幅广播靠的是能量的大小,也就是波幅的变化,这样调幅信号就很容易受电磁干扰的影响,而产生静电噪声；而调频广播靠的是频率的变化,所以能免受静电的干扰。

(四)立体声广播

我国的广播基本上采用一个声源的单路声,因此声音效果就远不如在原声场有立体感。为了保持声音的立体感,就必须采用先进的立体声广播。

立体声广播是在调频广播的基础上发展起来的,是调频广播技术和音频立体声技术相结合的产物。所谓立体声,就是具有空间方位感的声音,因为人耳对外界的声音不仅有强度、音调和音色的感觉,如声音的大小、高低、粗犷与柔美等,还有一种叫做“双耳效应”的功能,这种功能可以使人感觉到声音来自于何方。声源从不同的发出点到达人的两个耳朵的距离是不相等的,加上人的头部有掩蔽声音的作用,就会造成听觉的时间差和声级差。根据声级差和时间差,人耳就能还原判断出声源的位置,比如舞台上不同乐器的不同位置、演员在舞台上的移动,以及运动着的物体从一个方向向另一个方向移动的过程,人耳都能敏锐地感觉出来。立体声广播基本上是模拟人耳辨别声源方向的原理设计的。适当组合和安排传声器、放大系统和扬声器就能产生立体声效果。实现立体声广播的方法是在演播室内安装左右两个传声器,然后利用特种方法在一条广播通道内传送左右两路声音,再通过调频广播电台传送出去。

收听立体声广播时需要使用调频立体声收音机,否则就不能达到立体声效果。立体声广播能够如实地再现声源的方向和位置,使听众通过富有现场感和立体感的音响,得到听觉上的美感和心理上的满足。用立体声广播传送音乐效果是最佳的,它能保持在音乐厅演奏时的宽度感、深度感和空间感,还能带给欣赏者一定程度的乐音包围感。

立体声广播一般都是在超短波波段中实现的,这就是常说的调频立体声广播。但20世纪70年代以来,美国研制和发展了在中波波段广播的调幅立体声广播技术,仅1981年美国就销售了6000多万台这种收音机。调幅立体声的优点是兼具了调幅广播和调频广播的优势,传输距离远、覆盖面积大。这个技术同时也提高了中波广播的质量。

(五)广播卫星数字化和与通讯设备结合

广播的内容和形式是一个决定性因素,传播技术同样也是一个决定性的因素。美国在广播的“冰谷”时代,调频广播的出现为广播带来了“第二个春天”,调频收音机的销售量一度从1960年的200万台上升到1968年的2100万台。1988年在中国大多数电台仍然是调幅广播的时候,珠江台就推出了立体声广播,1996年又率先在亚洲实现了数字音频广播。其直接的效果就是广东电台与香港各台的收听比率从原来的3∶7大幅攀升为7.8∶2.2。

未来我国将逐步推行广播电视共星覆盖、共站接收、共缆传输、共同入户的星网结合,天地交融的广播电视覆盖网；同时还将确定卫星广播节目传输体制,将开展用卫星传输多路声音的业务,采用数字化的子带压缩编码/单路单载波音频分配技术。这项技术的采用将为广播电台提供优质的广播节目源。利用高新技术还可以提高广播的覆盖率,为更多的受众提供接触广播的机会。

数字化技术使广播音质纯净、抗干扰能力强,大大增加了可利用的频率数量,使从前稀缺的频率资源成为富裕资源,从而提供了针对各类特定受众的数量众多频率的可能性。与此同时,卫星技术、网络技术也使广播传播得以实现真正意义上的无国界的“广为传播”。

此外,目前人们对通讯设备的依赖越来越大,移动电话日益普及。越来越多的人每天出行都与这样的通讯设备亲密接触,若在其上附加收音机的功能,这就能既方便大众接受信息的需求,又将收音机与人们日常生活更加紧密地联系在一起,从而有效提高人们收听广播的几率。