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聲學設計技術大公開

發布時間:2015-01-06 12:03 來源:未知 閱讀:

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聲學設計的重要性

近年來,人們對于聲學的關注越來越多,國際上各大論壇、雜志關于聲學設計的討論也越來越普遍。當監聽與話筒的頻響越來越平直,當數字錄音解決了模擬時代的噪聲問題,一個新的音頻時代已經來到了。設備上的差距在逐漸縮小,而錄音作品的質量基本上取決于錄音師的技術與錄音室及最終混音室的聲學設計。所以從客觀條件來說,聲學設計對于錄音
來說,要比其他任何因素都重要。

保證控制室的頻響平直對于混音與監聽來說是非常重要的,但是很大一部分的控制室都沒有處理好這一點。更糟的是,很多人對此一無所知,不知道應該采取何種方式去解決這一問題。監聽聲音產生畸變,無論如何也無法做出高品質的錄音作品。而錄音室的設計與控制室又是完全不同的.錄音室需要根據錄音的需要對聲場作出相應的調整,而不是一概的強吸聲。以此,滿足各種聲源錄音的需要,使前期錄音的效果更加完美。

關于隔聲

日常生活中,建筑物每遠離街道或者噪聲污染源一倍距離便可減少6dB噪聲,而小區內的綠化樹木可減少4dB左右的噪聲。

(一)噪聲傳播

噪聲傳播可以兩種形式:空氣傳播噪聲,固體載噪聲。

1、空氣載噪聲

聲波最基本的傳播方式便是空氣傳播,而空氣載噪聲便是外界噪聲通過空氣傳播進室內的噪聲。一個布有小孔厚重金屬板,小孔面積約占金屬板的13%,當有聲音撞擊其表面時,會有將近97%的聲音穿過。聲音透過孔隙的傳播能力是相當驚人的,一個細微的裂縫就可以破壞一個完整的密封聲學系統。所以說,房間嚴格的密封對隔絕空氣噪聲是非常必要的。

2、固體載噪聲

聲音可以通過固體的機械振動傳播,例如木頭、金屬、混凝土等。由于空氣傳聲效率很低難以帶動固體振動,所以固體載噪聲產生的主要來源是由于振動源接觸固體介質表面,例如地下發電機或是一些家電產品。固體傳聲的損失比空氣傳聲小,可以傳播非常遠的距離而能量沒有大的損耗。木頭、混凝土等縱向振動大約304.8米損失約2dB。如果傳輸介質為鋼鐵材料,那損耗將減小20倍。

(二)隔聲處理

隔聲處理有很多方法,錄音棚由于其對本底噪音的嚴格要求,所以多采用懸浮結構。懸浮結構可以大大提高聲音的隔絕度,特別適用于城市中的錄音棚。懸浮結構可以將房間與其他建筑結構分離,這樣可以在懸浮墻體與原墻間形成一個空腔,在空腔內填充軟性吸音材料,利用空腔吸收聲波,從而使空氣、固體噪聲減少到最低限度。但是懸浮結構要符合建筑物的承重要求。

關于擴散與吸聲

很多人把吸聲材料貼滿墻面,以為這樣就足以消除反射聲,因為他們覺得當他們拍手時,這樣并沒有任何回聲,但是這樣做對控制低頻的反射沒有任何意義。而磚結構與混凝土結構的墻,低頻問題尤其嚴重。越是剛性墻體,反射能力越強。
大多數人盲目認為,一個好的錄音棚是應該做到盡量吸收反射聲的。但是聲場塑造絕不單純是指吸收反射聲,而是要對這個房間進行聽音以及錄音的最優化,也就是為錄音師的工作做最優考慮。

(一)擴散體及其作用

擴散體對改善聲場以及聽感有著重要作用,二次余數擴散體由于其具有良好的擴散能力以及方便安裝的特性,如今被廣泛應用。二次余數擴散體的公式為hn = (λ0/2N)‧’Sn,其中,Sn為以n平方除以N的余數,λ0為擴散中心頻率的波長,N為擴散體格子數(必須為質數),h為格子的高度,n=0,1,2,3,4,5,6……。
二次余數擴散體的擴散頻率下限大約在中心頻率下半倍頻,上限則取決于格子數,可以達到中心頻率的N-1倍。

擴散體與光滑反射面相比,其可以有效的避免聲聚焦。當聲波經過光滑墻面反射后,所有的聲能都將沿同一方向反射,其反射方向固定,取決于聲源的位置。而當聲波經過擴散體表面反射后,聲能將被分散反射向不同的方向,且具有不同的相位差。

這些形成的均勻能量的不規則的反射聲會使人耳主觀產生一種空間感,同時運用在中高頻擴散時會提高聲音的“明亮”度。其反射方向大致為一個半圓,聲能平均擴散。擴散體還有另一個作用,當聲源發聲,聲波經過后墻反射,若反射面為光滑墻面,則某一頻段只有固定的反射路徑指向錄音師的位置。而當反射面為擴散體時,由于聲波以半圓方向擴散,則有無數條不同頻段的反射路徑匯聚在錄音師的位置,以此類推,有無數相同性質的匯聚點,這樣便無形中擴大了最佳聽音區。

(二)吸聲材料(結構)及其作用

聲吸收可分為兩種情況,中高頻吸收以及低頻吸收。聲吸收可以減少回聲,同時還可以有效控制混響時間,對改善聽音區頻響也起到很重要的作用。如此,可以創造一個監聽更加清晰并且更加標準的混音環境。

1、中高頻吸收

高頻吸收主要是針對聲場設計,進行早期反射聲波干涉、混響以及回聲的控制。通常可使用全頻帶吸聲玻璃纖維板進行吸聲處理,并與擴散體聯合進行聲場塑造。

2、低頻吸收(低頻聲陷)

(1)作用

低頻聲陷的作用是避免低頻駐波以及聲音干涉帶來的低頻頻響失真。所示,當監聽音箱發出的聲音撞擊墻面后,經反射的聲波與監聽音箱繼續發出的聲波發生干涉作用。根據波長不同,聲壓或被加強或被抵消,且不同的位置具有不同的頻響。在一個未經處理的房間內,聲波相互反相發生干涉作用時,最多會產生25dB甚至更多的衰減。

很多人錯誤地認為,使用近場監聽揚聲器可以排除聲學缺陷。事實上,一樣會有駐波問題,只是在監聽位置直達聲的能量較大而已。雖然當人耳靠近揚聲器時,高頻反射聲會由于掩蔽效應逐漸減小,但是低頻干涉仍然存在。

另一個誤解是使用均衡器改變由于聲波相位抵消所引起的頻響變化。聲波干涉與房間結構有關,是客觀存在的,除非改變聲波傳遞方向,否則使用均衡無法改變由于聲波干涉引起的頻響畸變。并且不同的位置獲得的頻響曲線完全不同,所以不可能依靠均衡器來補償聲學缺陷。

雖然使用耳機可以避免房間帶來的聲學問題,但是耳機監聽的聲音只有直達聲,使得我們很難去控制某些音軌的音量。當我們使用耳機時,主奏樂器或者主唱在很小音量下甚至可以聽的非常清晰,所以,我們最后的混音,主唱的電平會略低于應有的電平值。同樣,對于混響以及延時也缺乏準確的判斷。

沒有經過聲陷處理的房間,某些頻率的衰減時間達到300ms之多,這會給其他低頻音調產生很大的影響,破壞清晰度,甚至使聲音不和Xie。

一般來說,一個房間需要盡可能多的聲陷。雖然他可能會把房間變的很“死”,但是房間內決不能有太多混雜的低頻。聲陷可被安裝在房間角落、墻面、地板以及天花板,處理面積越大,低頻效果越理想。

(3)常用的低頻聲陷

a.赫爾姆霍茲共鳴器

赫爾姆霍茲共鳴器,也是一種低頻聲陷,不同于玻璃棉構成的聲陷,其可以吸收更低的低頻成分。其擁有可調節的空腔結構,對某一頻段的吸收非常有效。吸收頻率范圍與品質因數Q有關,赫爾姆霍茲共鳴器的空腔結構吸收帶寬公式為:f2-f1=fr/Q ,fr為共鳴頻率也就是最大吸收頻率。通過添加玻璃棉或者增加幾個不同大小的開口,可以使吸收頻段變寬。赫爾姆霍茲共鳴器的種類有很多,通常的設計是使用一個大盒子,內部填充玻璃棉,前端覆蓋一連串間距不同尺寸不同的薄木板。這種設計稱為狹板共鳴器。雖然赫爾姆霍茲共鳴器可以有效吸收某一頻段,但是它的可吸收范圍有限,并且使用多個共鳴器拓寬其頻率吸收范圍會對聲場的活躍產生影響,所以使用起來必須非常小心。

b.面板聲陷

面板聲陷是一種窄帶聲陷,其可吸收帶寬為大約一個倍頻程,它可以使用一連串一平米左右的面板聲陷去覆蓋整個低頻,而不必使用非常厚重的材料去增加吸音范圍。由于低頻成分有將近4個八度,所以可以通過不同厚度的面板聲陷的組合來吸收不同頻率的低頻,并且由于高頻成分可以被其面板反射,所以安裝多個面板聲陷亦不會使得聲能被全部吸收造成聲場過于沉寂。前面板也可以是其他形狀或者組合,若安置在后墻上可以達到一定的擴散作用。

c.聲學懸掛體吸聲結構

由于低頻輻射范圍廣、能量強,所以當低頻聲波進入懸掛體系統時,各懸掛體受其影響一同擺動(肉眼觀察不到),從而將其動能轉換為自身動能及熱能。又因為各懸掛體的角度有所不同,所以聲波的傳遞方向也隨之改變,這樣,就相當于一個聲音的迷宮。聲波在其中不斷地碰撞、被吸收,直至消除幾乎全部能量。

聲學設計要達到以下4個目的:

1、防止駐波與聲波干涉,保證頻響的平直。
2、減少小房間的低頻諧振,使聲場分布均勻。
3、減少大房間的低頻混響時間,獲得較好的混響時間頻率特性。
4、利用吸收或擴散,防止回聲,改善立體聲定位能力。
5、隔聲需要滿足錄音控制室的要求。

需要考慮的重要因素

1、早期反射

初始延時間隙是指直達聲與首次室內反射即頭次早期反射的時間差,如圖所示。在主觀聽感上,初始延時間隙會帶來房間特性的感知。例如,當我們處在一個封閉黑暗的房間內,通過拍掌,我們便可得知房間的大概尺寸。這正是由于聽覺系統感知到初始延時間隙而傳達給大腦一個房間的信息。當初始延時間隙大于20ms時,房間會有產生空曠感,而聲音傳播20ms大約等于7m。大中型控制室的側墻早期反射點距聽音點至少為3-4米,所以一定要對側墻進行吸音或擴散處理。

早期反射對聽音質量有著至關重要的作用,豐富的早期反射可以帶來相對活躍的聲場,而且適當的早期反射對提高聲音的清晰度有一定作用。50ms內到達聽音點的早期反射聲會提升聲音的清晰度,但是由于控制室不能過多的加入自身房間特性,所以早期反射應盡量控制其能量。選用擴散體是一個很好的方法,這樣可以均勻擴散早期反射,使得聲場提升清晰度并具有一定空間感。高頻反射同時有助于提升響度,而低頻反射會使聲音渾濁,所以擴散體應只擴散高頻成分(中心頻率大約在1kHz),對低頻反射應盡量吸收。

不過早期反射也會帶來梳狀濾波等聲音干涉問題,影響聲場定位及聽音點頻響。很多人對于早期反射聲是很抵觸的,認為反射聲對直達聲有嚴重的干擾,會影響前方聲像定位,然后便很教條地將所有的反射點全部使用吸音材料覆蓋,更有甚者將整個房間充滿吸音材料!這樣只會更多的衰減聲能,致使我們在混音時不斷地提升響度并提升混響。

我們在控制室里進行縮混以及母帶處理,需要一個標準的空間環境,各頻段混響時間以及房間的頻率響應盡可能保持平直。同時,我們也要確保各反射聲不會互相干涉形成梳狀濾波或影響頻率響應。

2、房間的尺寸與形狀

房間結構給聽音帶來的影響有:

1、平行墻面產生的駐波引起共振問題
2、非對稱結構對定位的影響

(1)駐波與共振

駐波是由兩列相反方向、同頻率的聲波相互疊加而成。當平行墻面間距為半波長的整數倍,即產生軸向駐波。同時,還有斜向以及切向駐波。當駐波持續存在時,會產生共振現象。

其中c為聲速,lx、ly、lz為房間長、寬、高,n為0、1、2、3、4……。

當幾種共振方式的共振頻率相同時,會出現共振頻率簡并現象。出現簡并的共振頻率上,那些與共振頻率相同的聲音被大大增強,這會造成頻率嚴重畸變。在低頻范圍內,這種現象尤其嚴重。

(2)對稱結構

由于產生立體聲定位的原因在于兩揚聲器所發出的聲音的音量以及時間不同,所以,為了保證原始信號的定位準確,雙耳接受到的房間信息要保持一定的平衡度。也就是說,當揚聲器播放一個單音測試信號時,雙耳應接受到幾乎相同的反射聲信號。若房間為長方形,則音箱應對稱地設置在較短邊長的前端,使得監聽位置遠離后墻,這樣便可以避免處在后墻附近聲音干涉最為復雜的區域。下圖是一組對比圖,左圖為正確的對稱結構,右圖為不理想的布局結構。對右圖來說,左音箱的中高頻成分可以直接反射至聽音點,而右側音箱一部分聲音通過左墻反射,一部分通過后墻反射,從而導致聽音點兩側的反射聲不同,造成聲像定位的偏移。

4、測量驗收

標準如下:
(1)隔聲量:55dB以上
(2)各頻率混響時間:平均混響時間T=x s(x根據客戶需求決定)
(3)聽音區頻率響應:不均勻度控制在10dB內

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