室内声学设计与声学处理知识

cft6gsm · 发表于 2006-7-18 22:47:00

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室内声学设计与声学处理知识

近年来，人们对于声学的关注越来越多，国际上各大论坛、杂志关于声学设计的讨论也越来越普遍。当监听与话筒的频响越来越平直，当数字录音解决了模拟时代的噪声问题，一个新的音频时代已经来到了。设备上的差距在逐渐缩小，而录音作品的质量基本上取决于录音师的技术与录音室及最终混音室的声学设计。所以从客观条件来说，声学设计对于录音来说，要比其他任何因素都重要。
保证控制室的频响平直对于混音与监听来说是非常重要的，但是很大一部分的控制室都没有处理好这一点。更糟的是，很多人对此一无所知，不知道应该采取何种方式去解决这一问题。监听声音产生畸变，无论如何也无法做出高品质的录音作品。而录音室的设计与控制室又是完全不同的.录音室需要根据录音的需要对声场作出相应的调整,而不是一概的强吸声。以此,满足各种声源录音的需要,使前期录音的效果更加完美。
关于隔声
日常生活中，建筑物每远离街道或者噪声污染源一倍距离便可减少6dB噪声，而小区内的绿化树木可减少4dB左右的噪声。
(一)噪声传播
噪声传播可以两种形式：空气传播噪声，固体载噪声。
　1、空气载噪声
声波最基本的传播方式便是空气传播，而空气载噪声便是外界噪声通过空气传播进室内的噪声。一个布有小孔厚重金属板，小孔面积约占金属板的13%，当有声音撞击其表面时，会有将近97%的声音穿过。声音透过孔隙的传播能力是相当惊人的，一个细微的裂缝就可以破坏一个完整的密封声学系统。所以说，房间严格的密封对隔绝空气噪声是非常必要的。
2、固体载噪声
声音可以通过固体的机械振动传播，例如木头、金属、混凝土等。由于空气传声效率很低难以带动固体振动，所以固体载噪声产生的主要来源是由于振动源接触固体介质表面，例如地下发电机或是一些家电产品。固体传声的损失比空气传声小，可以传播非常远的距离而能量没有大的损耗。木头、混凝土等纵向振动大约304.8米损失约2dB。如果传输介质为钢铁材料，那损耗将减小20倍。
(二)隔声处理
隔声处理有很多方法，录音棚由于其对本底噪音的严格要求，所以多采用悬浮结构。悬浮结构可以大大提高声音的隔绝度，特别适用于城市中的录音棚。悬浮结构可以将房间与其他建筑结构分离，这样可以在悬浮墙体与原墙间形成一个空腔，在空腔内填充软性吸音材料，利用空腔吸收声波，从而使空气、固体噪声减少到最低限度。但是悬浮结构要符合建筑物的承重要求。
关于扩散与吸声
很多人把吸声材料贴满墙面，以为这样就足以消除反射声，因为他们觉得当他们拍手时，这样并没有任何回声，但是这样做对控制低频的反射没有任何意义。而砖结构与混凝土结构的墙，低频问题尤其严重。越是刚性墙体，反射能力越强。
　　(一)扩散体及其作用
扩散体对改善声场以及听感有着重要作用，二次余数扩散体由于其具有良好的扩散能力以及方便安装的特性，如今被广泛应用。二次余数扩散体的公式为hn=(λ0/2N)‧'Sn，其中，Sn为以n平方除以N的余数，λ0为扩散中心频率的波长，N为扩散体格子数(必须为质数)，h为格子的高度，n=0，1，2，3，4，5，6……。
二次余数扩散体的扩散频率下限大约在中心频率下半倍频，上限则取决于格子数，可以达到中心频率的N-1倍。

扩散体与光滑反射面相比，其可以有效的避免声聚焦。当声波经过光滑墙面反射后，所有的声能都将沿同一方向反射，其反射方向固定，取决于声源的位置。而当声波经过扩散体表面反射后，声能将被分散反射向不同的方向，且具有不同的相位差。
这些形成的均匀能量的不规则的反射声会使人耳主观产生一种空间感，同时运用在中高频扩散时会提高声音的“明亮”度。其反射方向大致为一个半圆，声能平均扩散。扩散体还有另一个作用，当声源发声，声波经过后墙反射，若反射面为光滑墙面，则某一频段只有固定的反射路径指向录音师的位置。而当反射面为扩散体时，由于声波以半圆方向扩散，则有无数条不同频段的反射路径汇聚在录音师的位置，以此类推，有无数相同性质的汇聚点，这样便无形中扩大了最佳听音区。
(二)吸声材料(结构)及其作用
声吸收可分为两种情况，中高频吸收以及低频吸收。声吸收可以减少回声，同时还可以有效控制混响时间，对改善听音区频响也起到很重要的作用。如此，可以创造一个监听更加清晰并且更加标准的混音环境。
1、中高频吸收
高频吸收主要是针对声场设计，进行早期反射声波干涉、混响以及回声的控制。通常可使用全频带吸声玻璃纤维板进行吸声处理，并与扩散体联合进行声场塑造。
2、低频吸收(低频声陷)
(1)作用
低频声陷的作用是避免低频驻波以及声音干涉带来的低频频响失真。所示，当监听音箱发出的声音撞击墙面后，经反射的声波与监听音箱继续发出的声波发生干涉作用。根据波长不同，声压或被加强或被抵消，且不同的位置具有不同的频响。在一个未经处理的房间内，声波相互反相发生干涉作用时，最多会产生25dB甚至更多的衰减。
很多人错误地认为，使用近场监听扬声器可以排除声学缺陷。事实上，一样会有驻波问题，只是在监听位置直达声的能量较大而已。虽然当人耳靠近扬声器时，高频反射声会由于掩蔽效应逐渐减小，但是低频干涉仍然存在。
另一个误解是使用均衡器改变由于声波相位抵消所引起的频响变化。声波干涉与房间结构有关，是客观存在的，除非改变声波传递方向，否则使用均衡无法改变由于声波干涉引起的频响畸变。并且不同的位置获得的频响曲线完全不同，所以不可能依靠均衡器来补偿声学缺陷。
虽然使用耳机可以避免房间带来的声学问题，但是耳机监听的声音只有直达声，使得我们很难去控制某些音轨的音量。当我们使用耳机时，主奏乐器或者主唱在很小音量下甚至可以听的非常清晰，所以，我们最后的混音，主唱的电平会略低于应有的电平值。同样，对于混响以及延时也缺乏准确的判断。
没有经过声陷处理的房间，某些频率的衰减时间达到300ms之多，这会给其他低频音调产生很大的影响，破坏清晰度，甚至使声音不和谐。
一般来说，一个房间需要尽可能多的声陷。虽然他可能会把房间变的很“死”，但是房间内决不能有太多混杂的低频。声陷可被安装在房间角落、墙面、地板以及天花板，处理面积越大，低频效果越理想。
(2)常用的低频声陷
a.赫尔姆霍兹共鸣器
赫尔姆霍兹共鸣器，也是一种低频声陷，不同于玻璃棉构成的声陷，其可以吸收更低的低频成分。其拥有可调节的空腔结构，对某一频段的吸收非常有效。吸收频率范围与品质因数Q有关，赫尔姆霍兹共鸣器的空腔结构吸收带宽公式为：f2-f1=fr/Q,fr为共鸣频率也就是最大吸收频率。通过添加玻璃棉或者增加几个不同大小的开口，可以使吸收频段变宽。赫尔姆霍兹共鸣器的种类有很多，通常的设计是使用一个大盒子，内部填充玻璃棉，前端覆盖一连串间距不同尺寸不同的薄木板。这种设计称为狭板共鸣器。虽然赫尔姆霍兹共鸣器可以有效吸收某一频段，但是它的可吸收范围有限，并且使用多个共鸣器拓宽其频率吸收范围会对声场的活跃产生影响，所以使用起来必须非常小心。
b.面板声陷
面板声陷是一种窄带声陷，其可吸收带宽为大约一个倍频程，它可以使用一连串一平米左右的面板声陷去覆盖整个低频，而不必使用非常厚重的材料去增加吸音范围。由于低频成分有将近4个八度，所以可以通过不同厚度的面板声陷的组合来吸收不同频率的低频，并且由于高频成分可以被其面板反射，所以安装多个面板声陷亦不会使得声能被全部吸收造成声场过于沉寂。前面板也可以是其他形状或者组合，若安置在后墙上可以达到一定的扩散作用。
c.声学悬挂体吸声结构
由于低频辐射范围广、能量强，所以当低频声波进入悬挂体系统时，各悬挂体受其影响一同摆动(肉眼观察不到)，从而将其动能转换为自身动能及热能。又因为各悬挂体的角度有所不同，所以声波的传递方向也随之改变，这样，就相当于一个声音的迷宫。声波在其中不断地碰撞、被吸收，直至消除几乎全部能量。
声学设计要达到以下4个目的：
　　1、防止驻波与声波干涉，保证频响的平直。
　　2、减少小房间的低频谐振，使声场分布均匀。
　　3、减少大房间的低频混响时间，获得较好的混响时间频率特性。
　　4、利用吸收或扩散，防止回声，改善立体声定位能力。
　　5、隔声需要满足录音控制室的要求。
需要考虑的重要因素
1、早期反射
初始延时间隙是指直达声与首次室内反射即头次早期反射的时间差，如图所示。在主观听感上，初始延时间隙会带来房间特性的感知。例如，当我们处在一个封闭黑暗的房间内，通过拍掌，我们便可得知房间的大概尺寸。这正是由于听觉系统感知到初始延时间隙而传达给大脑一个房间的信息。当初始延时间隙大于20ms时，房间会有产生空旷感，而声音传播20ms大约等于7m。大中型控制室的侧墙早期反射点距听音点至少为3-4米，所以一定要对侧墙进行吸音或扩散处理。
早期反射对听音质量有着至关重要的作用，丰富的早期反射可以带来相对活跃的声场，而且适当的早期反射对提高声音的清晰度有一定作用。50ms内到达听音点的早期反射声会提升声音的清晰度，但是由于控制室不能过多的加入自身房间特性，所以早期反射应尽量控制其能量。选用扩散体是一个很好的方法，这样可以均匀扩散早期反射，使得声场提升清晰度并具有一定空间感。高频反射同时有助于提升响度，而低频反射会使声音浑浊，所以扩散体应只扩散高频成分(中心频率大约在1kHz)，对低频反射应尽量吸收。
不过早期反射也会带来梳状滤波等声音干涉问题，影响声场定位及听音点频响。很多人对于早期反射声是很抵触的，认为反射声对直达声有严重的干扰，会影响前方声像定位，然后便很教条地将所有的反射点全部使用吸音材料覆盖，更有甚者将整个房间充满吸音材料!这样只会更多的衰减声能，致使我们在混音时不断地提升响度并提升混响。
我们在控制室里进行缩混以及母带处理，需要一个标准的空间环境，各频段混响时间以及房间的频率响应尽可能保持平直。同时，我们也要确保各反射声不会互相干涉形成梳状滤波或影响频率响应。
2、房间的尺寸与形状
房间结构给听音带来的影响有：
　　平行墙面产生的驻波引起共振问题
　　非对称结构对定位的影响
(1)驻波与共振
驻波是由两列相反方向、同频率的声波相互叠加而成。当平行墙面间距为半波长的整数倍，即产生轴向驻波。同时，还有斜向以及切向驻波。当驻波持续存在时，会产生共振现象。房间的共振频率通用公式为：
其中c为声速，lx、ly、lz为房间长、宽、高，n为0、1、2、3、4……。
当几种共振方式的共振频率相同时，会出现共振频率简并现象。出现简并的共振频率上，那些与共振频率相同的声音被大大增强，这会造成频率严重畸变。在低频范围内，这种现象尤其严重。
(2)对称结构
由于产生立体声定位的原因在于两扬声器所发出的声音的音量以及时间不同，所以，为了保证原始信号的定位准确，双耳接受到的房间信息要保持一定的平衡度。也就是说，当扬声器播放一个单音测试信号时，双耳应接受到几乎相同的反射声信号。若房间为长方形，则音箱应对称地设置在较短边长的前端，使得监听位置远离后墙，这样便可以避免处在后墙附近声音干涉最为复杂的区域。下图是一组对比图，左图为正确的对称结构，右图为不理想的布局结构。对右图来说，左音箱的中高频成分可以直接反射至听音点，而右侧音箱一部分声音通过左墙反射，一部分通过后墙反射，从而导致听音点两侧的反射声不同，造成声像定位的偏移。
3、测量验收
标准如下：
　　(1)隔声量：55dB以上
　　(2)各频率混响时间：T=0.4s(125Hz?4kHz允许+-0.1s误差)
　　(3)听音区频率响应：不均匀度控制在3dB内

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