基于聲學(xué)模擬計算的錄音棚聲學(xué)設(shè)計

楊 琳

（呼和浩特廣播電視臺，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

1 音質(zhì)設(shè)計基本理論

錄音棚建這類專業(yè)性很強(qiáng)的建筑對音質(zhì)的要求很高。錄音棚的設(shè)計需結(jié)合建筑聲學(xué)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計。建筑聲學(xué)是建筑學(xué)與聲學(xué)緊密結(jié)合的一門學(xué)科。建筑聲學(xué)有很多重要參數(shù)會影響錄音棚的音質(zhì)。

1.1 共振峰與共振頻率

為了獲得更好的錄音效果，設(shè)計師應(yīng)重視房間內(nèi)的共振頻率對聲場的影響。當(dāng)房間內(nèi)的聲源發(fā)生振動時，對于形狀規(guī)則的房間，低頻的共振頻率分布比較均勻。若房間的長、寬、高呈現(xiàn)一定比例，容易出現(xiàn)房間的“簡并”現(xiàn)象，即在房間振動中出現(xiàn)相同或小于2 Hz 的共振頻率。個別頻率由于房間特性會形成一定的共振峰，這些共振峰容易引起房間的“聲染色”現(xiàn)象。為了克服這一現(xiàn)象，使房間內(nèi)的振動頻率均勻分布，就需選擇比例合適的房間建設(shè)錄音棚。在大型錄音棚中，聲音低頻共振頻率較多，這樣容易得到較為均勻的頻率分布，且不容易出現(xiàn)房間共振的現(xiàn)象。

1.2 混響時間和頻率特性分布

混響時間是錄音棚建設(shè)的重要指標(biāo)，以自然混響為主的音樂錄音棚對于混響時間及頻率特性的要求更為嚴(yán)格。對于依靠強(qiáng)吸聲的多聲道錄音棚和語音錄音室來說，不僅要控制混響時間，頻率特性曲線也是考量錄音棚音質(zhì)的一個重要參數(shù)。因此，需要參照錄音棚使用的功能差異，選擇適合錄音棚的混響時間和混響頻率特性曲線。

“混響時間”是表征室內(nèi)聲場聲學(xué)特性的一個重要量值?；祉憰r間的定義為：當(dāng)聲源發(fā)聲，室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，令聲源停止發(fā)聲，從聲源停止發(fā)聲的那一刻起，平均聲能表現(xiàn)密度衰減到穩(wěn)態(tài)值的百分之一所經(jīng)歷的時間，也就是聲壓級衰減60 所經(jīng)歷的時間，此時間稱為混響時間，用T60[1]表示。不同用途、不同功能的房間對混響時間的要求存在一定的差異，有的需要較短的混響時間，使聲音聽起來清晰明亮，有的則需要較長的混響時間以使聲音聽起來溫暖有力。

頻率特性是房間聲場的另一個重要參數(shù)。當(dāng)聲源在房間內(nèi)被頻率特性所調(diào)制時，頻率曲線起伏過大，會使聲源本身音質(zhì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。單個房間對不同頻率的吸聲會有不同頻率的混響時間，稱為混響時間頻率特性。

2 內(nèi)蒙古大學(xué)錄播室聲學(xué)設(shè)計

內(nèi)蒙古大學(xué)創(chuàng)業(yè)學(xué)院錄播實(shí)驗(yàn)室是用于相關(guān)專業(yè)學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)操作的實(shí)驗(yàn)室，其主要功能是語音的錄音。

2.1 房間尺寸和體型分析

實(shí)驗(yàn)室總面積為132 m2，根據(jù)要求，將房間分為4 個小型語音錄音室和1 個監(jiān)聽室（包含教學(xué)功能）。房間高3 m，教學(xué)演示室長9.7 m 左右，寬11.9 m 左右。小型語音錄音室長1.8 m 左右，寬2.4 m 左右。大致建筑形狀如圖1 所示。

圖1 房間建筑平面圖

2.1.1 錄播室的房間尺寸與體型分析

在錄音棚的聲學(xué)設(shè)計中，為使音質(zhì)效果更好，需要找出合適的混響時間和頻率特性曲線。為防止“聲染色”現(xiàn)象，現(xiàn)實(shí)設(shè)計選擇不規(guī)則體型的房間是一個簡單有效的方法。

矩形錄音棚的推薦比例中的小錄播室的高寬長比例規(guī)定為1 ∶1.25 ∶1.6。而所設(shè)計的小錄播室的尺寸比例為3 m ∶1.8 m ∶2.4 m，不符合上述推薦比例，因此在實(shí)際建造中需要修改長寬高。房間在添加隔聲材料的同時要修改房間的形狀，因此在房間做吊頂吸聲處理，使房間的高度降為2 m。考慮到房間的容積已經(jīng)較小，為盡可能地保證房間的面積，把房間由原來的正方形改為六邊形。具體形狀如圖2 所示。

圖2 錄播室平面圖

2.1.2 監(jiān)聽室房間尺寸與體型分析

監(jiān)聽室的主要功能是教學(xué)，主要用于語音室錄音資料的記錄和學(xué)生觀摩教學(xué)。后期還要建造音樂錄音棚，與監(jiān)聽室配合使用，監(jiān)聽室還要擔(dān)負(fù)立體聲混音的功能。房間的尺寸采用六邊形。為了減少聲染色，房間四周都采用折疊形狀，并且房頂采用波浪式吊頂。

2.2 背景噪聲及隔聲

整個實(shí)驗(yàn)室建設(shè)在主教學(xué)樓的三樓，很多實(shí)驗(yàn)室也在這座樓里，必然會有噪聲干擾，因此隔聲處理是很重要的一步。

錄播室在錄制節(jié)目時，允許的噪聲值較低。語言允許噪聲為NR-15。小型語言錄音室通常不可能獨(dú)立建造，因此，要達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，需要做“房中房”的隔聲隔振結(jié)構(gòu)。但這種“房中房”結(jié)構(gòu)施工難度大，造價高，除專業(yè)的語言錄音室可以做到外，大多數(shù)單位建造的語言錄音室往往由于經(jīng)費(fèi)問題而無法實(shí)現(xiàn)。對于這種量大面廣的非專業(yè)語言錄音室，錄音質(zhì)量要求相對低一些[2]，允許的噪聲值標(biāo)準(zhǔn)也可以適當(dāng)放寬些。根據(jù)《廣播電視中心技術(shù)用房容許噪聲標(biāo)準(zhǔn)》GYJ 42—89，可以定為NR-20～NR-25。

墻內(nèi)主要采用紙面石膏板、混凝土，這些板材的面密度較小，按照質(zhì)量定律：如果把墻看成是無勁度、無阻尼的柔軟質(zhì)量，且忽略墻的邊界條件，則在聲波垂直入射時，可從理論上得到墻的隔聲量R0的計算公式：

式中：m為墻單位面積的質(zhì)量，或稱為面密度，單位為kg·m-2，ρ0為空氣密度，單位為kg·m-3，c為空氣中的聲速，一般取344 m·s-1，f為入射聲波的頻率，單位為Hz。

如果聲波并非垂直入射，而是無規(guī)則入射時，則墻的隔聲量為：

式（2）表明，墻的單位面積質(zhì)量越大，則隔聲效果越好。單位面積質(zhì)量每增加一倍，隔聲量就增加6 。從式（2）還可以看出，入射波的頻率每增加一倍，隔聲量也增加6 。因此板材的隔聲性能很差，很難滿足隔聲的要求。因此，為提高隔聲效果還需采取一定的施工工藝，具體措施如下。

將多層石膏用多氣孔磚隔開，中間加入空氣層，形成復(fù)合墻，這樣可使隔聲量比相同質(zhì)量的單層隔聲墻獲得明顯提升，與單層厚板相比，也可避免板材的吻合臨界頻率出現(xiàn)在主要聲頻范圍內(nèi)（100～2 500 Hz）。另外，多層板錯縫疊置，可以避免縫隙處理不好而引起的漏聲，還可以因?yàn)榀B合層之間的摩擦使隔聲能力有所提高。因此實(shí)際的隔聲材料為一層4 cm 厚的巖棉，一層2.5 cm 厚的大芯板中間有3 cm×4 cm 的龍骨，并且大芯板有間隔5 cm 的直徑為2.5 cm 的孔，共5 層大芯板3 層巖棉疊合構(gòu)成，大芯板的穿孔不能對齊。在所有的墻面上貼合巖棉與大芯板疊合構(gòu)成的隔聲材料，以降低外界噪聲。

2.3 混響時間

語音錄音室均采用短混響，根據(jù)容積大小和使用功能，混響時間通常選擇0.2～0.5 s[3]，混響時間頻率特性宜為平直或在100 Hz 略為下降。對于20 m2以下面積較小的語言錄音室，混響時間通常采取上述范圍的較短值。由于語言錄音室容積較小，為防止聲染色，墻面、頂面都做強(qiáng)吸聲結(jié)構(gòu)處理，這樣就大大縮短了房間的混響時間。而監(jiān)聽控制室的中頻混響時間在0.4～0.6 s。

2.4 用EASE 軟件模擬聲學(xué)環(huán)境

2.4.1 使用EASE 軟件建立語音室聲學(xué)模型

語音錄音室分為4 個等大的房間，每個房間的聲學(xué)環(huán)境相同，所以只需要建立一個模型即可。利用EASE 軟件添加合適的吸聲材料[4]，既要考慮到材料的吸聲特性又要考慮經(jīng)濟(jì)的因素。反復(fù)嘗試了幾種吸聲材料后，選擇石棉作為墻面的吸聲材料。地面選擇商用地毯，既經(jīng)濟(jì)又具有較好的吸聲特性。吊頂?shù)牟牧线x用與墻面一樣，但是采用半圓柱形，可以增加聲音的擴(kuò)散，以防止聲染色。添加所需的吸聲材料后，可以得出語音室的混響時間，如圖3所示。由EASE 軟件的混響時間圖可得到添加吸聲材料后房間的混響時間大約在0.2 s 左右，基本符合0.2～0.5 s 的要求。

圖3 小房間混響時間曲線

2.4.2 使用EASE 軟件建立監(jiān)聽室聲學(xué)模型

監(jiān)聽室的作用主要是教學(xué)，由于后期還要再添加音樂錄音棚，因此監(jiān)聽室還要有混音棚的功能。房間的墻面采用穿孔板外加石棉，并且墻面采用折疊設(shè)計，隔聲材料為一層4 cm厚的巖棉、一層2.5 cm的大芯板中間有3 cm×4 cm 的龍骨，并且大芯板有間隔5 cm 的直徑為2.5 cm 的孔，共5 層大芯板3層巖棉疊合構(gòu)成，大芯板的穿孔不能對齊。墻面上貼合巖棉與大芯板疊合結(jié)構(gòu)，而折疊設(shè)計的墻面可以更好地增加聲音的擴(kuò)散。由EASE 軟件模擬得到的混響時間如圖4 所示。

圖4 監(jiān)聽室混響時間曲線

由混響時間圖可知，房間的混響時間在0.25～0.51 s，而監(jiān)聽室的標(biāo)準(zhǔn)要求為0.4～0.6 s，因此基本符合監(jiān)聽室混響時間的要求。

2.5 實(shí)際測量

測量儀器采用百靈達(dá)頻譜分析儀[5]和Phonic聲級計（可測量混響時間）。測量之前先進(jìn)行校準(zhǔn)，測量時采用A 計權(quán)，聲級計測量的中心頻率為500 Hz。

測量時間為上午10 ∶00～11 ∶30，分別選則房間軸對稱的兩個語音室A、B 室和監(jiān)聽室進(jìn)行測量，選擇被測房間的4 個不同位置的測試點(diǎn)，所有測試點(diǎn)離墻面1.15 m，離地面1.15 m。聲級計位于語音錄制點(diǎn)。測量結(jié)果如表1 所示。

表1 測量結(jié)果

從實(shí)際測量結(jié)果可看出，語音錄音室的混響時間是0.26 s，監(jiān)聽教學(xué)室的混響時間是0.46 s，基本符合要求。

本地噪聲測量的時間為上午9∶00～10∶00。監(jiān)聽室的測量選擇房間不同位置的7 個點(diǎn)，有3 個點(diǎn)位于主軸位置，1 個點(diǎn)位于監(jiān)聽位置，3 個點(diǎn)位于學(xué)生位置。分別測量7 個位置的本底噪聲。測量時，要求關(guān)閉所有其他儀器，空場測量。測量語音室時，由于語音室體積較小，所以只選擇1 個點(diǎn)進(jìn)行測量。采用A 計權(quán)測量結(jié)果，儀器本身衰減50，測量結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 監(jiān)聽室不同頻率下的本底噪聲（單位：dB）

表3 語音室不同頻率下的本地噪聲（單位：dB）

通過對比NR20～NR25 之間的數(shù)值可以得出，房間在31.5～500 Hz 之間的本底噪聲基本滿足要求，但是在1～8 kHz 的噪聲超出規(guī)定曲線較高，可見房間對中高頻沒有達(dá)到很好的隔聲效果。

3 結(jié)語

錄音棚建筑的聲學(xué)設(shè)計與許多學(xué)科如建筑學(xué)、環(huán)境學(xué)、語言學(xué)、音樂學(xué)等都有交叉互用。同時，錄音棚又是一種技術(shù)專業(yè)性很強(qiáng)的功能性房間，其音質(zhì)設(shè)計比其他廳堂更為嚴(yán)謹(jǐn)。由于軟件技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在的建筑聲學(xué)設(shè)計可以先借助軟件來模擬所需的參數(shù)要求，這樣可以大大減少工作量。新型的聲學(xué)材料、新型的特殊設(shè)計的聲學(xué)模塊和控制噪聲的工藝，將使設(shè)計日趨完善，使設(shè)計師能夠設(shè)計創(chuàng)造出更多風(fēng)格獨(dú)特、音質(zhì)優(yōu)美的錄音棚。