基于声学模拟计算的录音棚声学设计

杨 琳

（呼和浩特广播电视台，内蒙古 呼和浩特 010030）

1 音质设计基本理论

录音棚建这类专业性很强的建筑对音质的要求很高。录音棚的设计需结合建筑声学进行相关设计。建筑声学是建筑学与声学紧密结合的一门学科。建筑声学有很多重要参数会影响录音棚的音质。

1.1 共振峰与共振频率

为了获得更好的录音效果，设计师应重视房间内的共振频率对声场的影响。当房间内的声源发生振动时，对于形状规则的房间，低频的共振频率分布比较均匀。若房间的长、宽、高呈现一定比例，容易出现房间的“简并”现象，即在房间振动中出现相同或小于2 Hz 的共振频率。个别频率由于房间特性会形成一定的共振峰，这些共振峰容易引起房间的“声染色”现象。为了克服这一现象，使房间内的振动频率均匀分布，就需选择比例合适的房间建设录音棚。在大型录音棚中，声音低频共振频率较多，这样容易得到较为均匀的频率分布，且不容易出现房间共振的现象。

1.2 混响时间和频率特性分布

混响时间是录音棚建设的重要指标，以自然混响为主的音乐录音棚对于混响时间及频率特性的要求更为严格。对于依靠强吸声的多声道录音棚和语音录音室来说，不仅要控制混响时间，频率特性曲线也是考量录音棚音质的一个重要参数。因此，需要参照录音棚使用的功能差异，选择适合录音棚的混响时间和混响频率特性曲线。

“混响时间”是表征室内声场声学特性的一个重要量值。混响时间的定义为：当声源发声，室内声场达到稳态后，令声源停止发声，从声源停止发声的那一刻起，平均声能表现密度衰减到稳态值的百分之一所经历的时间，也就是声压级衰减60 所经历的时间，此时间称为混响时间，用T60[1]表示。不同用途、不同功能的房间对混响时间的要求存在一定的差异，有的需要较短的混响时间，使声音听起来清晰明亮，有的则需要较长的混响时间以使声音听起来温暖有力。

频率特性是房间声场的另一个重要参数。当声源在房间内被频率特性所调制时，频率曲线起伏过大，会使声源本身音质出现失真现象。单个房间对不同频率的吸声会有不同频率的混响时间，称为混响时间频率特性。

2 内蒙古大学录播室声学设计

内蒙古大学创业学院录播实验室是用于相关专业学生实际学习操作的实验室，其主要功能是语音的录音。

2.1 房间尺寸和体型分析

实验室总面积为132 m2，根据要求，将房间分为4 个小型语音录音室和1 个监听室（包含教学功能）。房间高3 m，教学演示室长9.7 m 左右，宽11.9 m 左右。小型语音录音室长1.8 m 左右，宽2.4 m 左右。大致建筑形状如图1 所示。

图1 房间建筑平面图

2.1.1 录播室的房间尺寸与体型分析

在录音棚的声学设计中，为使音质效果更好，需要找出合适的混响时间和频率特性曲线。为防止“声染色”现象，现实设计选择不规则体型的房间是一个简单有效的方法。

矩形录音棚的推荐比例中的小录播室的高宽长比例规定为1 ∶1.25 ∶1.6。而所设计的小录播室的尺寸比例为3 m ∶1.8 m ∶2.4 m，不符合上述推荐比例，因此在实际建造中需要修改长宽高。房间在添加隔声材料的同时要修改房间的形状，因此在房间做吊顶吸声处理，使房间的高度降为2 m。考虑到房间的容积已经较小，为尽可能地保证房间的面积，把房间由原来的正方形改为六边形。具体形状如图2 所示。

图2 录播室平面图

2.1.2 监听室房间尺寸与体型分析

监听室的主要功能是教学，主要用于语音室录音资料的记录和学生观摩教学。后期还要建造音乐录音棚，与监听室配合使用，监听室还要担负立体声混音的功能。房间的尺寸采用六边形。为了减少声染色，房间四周都采用折叠形状，并且房顶采用波浪式吊顶。

2.2 背景噪声及隔声

整个实验室建设在主教学楼的三楼，很多实验室也在这座楼里，必然会有噪声干扰，因此隔声处理是很重要的一步。

录播室在录制节目时，允许的噪声值较低。语言允许噪声为NR-15。小型语言录音室通常不可能独立建造，因此，要达到上述标准，需要做“房中房”的隔声隔振结构。但这种“房中房”结构施工难度大，造价高，除专业的语言录音室可以做到外，大多数单位建造的语言录音室往往由于经费问题而无法实现。对于这种量大面广的非专业语言录音室，录音质量要求相对低一些[2]，允许的噪声值标准也可以适当放宽些。根据《广播电视中心技术用房容许噪声标准》GYJ 42—89，可以定为NR-20～NR-25。

墙内主要采用纸面石膏板、混凝土，这些板材的面密度较小，按照质量定律：如果把墙看成是无劲度、无阻尼的柔软质量，且忽略墙的边界条件，则在声波垂直入射时，可从理论上得到墙的隔声量R0的计算公式：

式中：m为墙单位面积的质量，或称为面密度，单位为kg·m-2，ρ0为空气密度，单位为kg·m-3，c为空气中的声速，一般取344 m·s-1，f为入射声波的频率，单位为Hz。

如果声波并非垂直入射，而是无规则入射时，则墙的隔声量为：

式（2）表明，墙的单位面积质量越大，则隔声效果越好。单位面积质量每增加一倍，隔声量就增加6 。从式（2）还可以看出，入射波的频率每增加一倍，隔声量也增加6 。因此板材的隔声性能很差，很难满足隔声的要求。因此，为提高隔声效果还需采取一定的施工工艺，具体措施如下。

将多层石膏用多气孔砖隔开，中间加入空气层，形成复合墙，这样可使隔声量比相同质量的单层隔声墙获得明显提升，与单层厚板相比，也可避免板材的吻合临界频率出现在主要声频范围内（100～2 500 Hz）。另外，多层板错缝叠置，可以避免缝隙处理不好而引起的漏声，还可以因为叠合层之间的摩擦使隔声能力有所提高。因此实际的隔声材料为一层4 cm 厚的岩棉，一层2.5 cm 厚的大芯板中间有3 cm×4 cm 的龙骨，并且大芯板有间隔5 cm 的直径为2.5 cm 的孔，共5 层大芯板3 层岩棉叠合构成，大芯板的穿孔不能对齐。在所有的墙面上贴合岩棉与大芯板叠合构成的隔声材料，以降低外界噪声。

2.3 混响时间

语音录音室均采用短混响，根据容积大小和使用功能，混响时间通常选择0.2～0.5 s[3]，混响时间频率特性宜为平直或在100 Hz 略为下降。对于20 m2以下面积较小的语言录音室，混响时间通常采取上述范围的较短值。由于语言录音室容积较小，为防止声染色，墙面、顶面都做强吸声结构处理，这样就大大缩短了房间的混响时间。而监听控制室的中频混响时间在0.4～0.6 s。

2.4 用EASE 软件模拟声学环境

2.4.1 使用EASE 软件建立语音室声学模型

语音录音室分为4 个等大的房间，每个房间的声学环境相同，所以只需要建立一个模型即可。利用EASE 软件添加合适的吸声材料[4]，既要考虑到材料的吸声特性又要考虑经济的因素。反复尝试了几种吸声材料后，选择石棉作为墙面的吸声材料。地面选择商用地毯，既经济又具有较好的吸声特性。吊顶的材料选用与墙面一样，但是采用半圆柱形，可以增加声音的扩散，以防止声染色。添加所需的吸声材料后，可以得出语音室的混响时间，如图3所示。由EASE 软件的混响时间图可得到添加吸声材料后房间的混响时间大约在0.2 s 左右，基本符合0.2～0.5 s 的要求。

图3 小房间混响时间曲线

2.4.2 使用EASE 软件建立监听室声学模型

监听室的作用主要是教学，由于后期还要再添加音乐录音棚，因此监听室还要有混音棚的功能。房间的墙面采用穿孔板外加石棉，并且墙面采用折叠设计，隔声材料为一层4 cm厚的岩棉、一层2.5 cm的大芯板中间有3 cm×4 cm 的龙骨，并且大芯板有间隔5 cm 的直径为2.5 cm 的孔，共5 层大芯板3层岩棉叠合构成，大芯板的穿孔不能对齐。墙面上贴合岩棉与大芯板叠合结构，而折叠设计的墙面可以更好地增加声音的扩散。由EASE 软件模拟得到的混响时间如图4 所示。

图4 监听室混响时间曲线

由混响时间图可知，房间的混响时间在0.25～0.51 s，而监听室的标准要求为0.4～0.6 s，因此基本符合监听室混响时间的要求。

2.5 实际测量

测量仪器采用百灵达频谱分析仪[5]和Phonic声级计（可测量混响时间）。测量之前先进行校准，测量时采用A 计权，声级计测量的中心频率为500 Hz。

测量时间为上午10 ∶00～11 ∶30，分别选则房间轴对称的两个语音室A、B 室和监听室进行测量，选择被测房间的4 个不同位置的测试点，所有测试点离墙面1.15 m，离地面1.15 m。声级计位于语音录制点。测量结果如表1 所示。

表1 测量结果

从实际测量结果可看出，语音录音室的混响时间是0.26 s，监听教学室的混响时间是0.46 s，基本符合要求。

本地噪声测量的时间为上午9∶00～10∶00。监听室的测量选择房间不同位置的7 个点，有3 个点位于主轴位置，1 个点位于监听位置，3 个点位于学生位置。分别测量7 个位置的本底噪声。测量时，要求关闭所有其他仪器，空场测量。测量语音室时，由于语音室体积较小，所以只选择1 个点进行测量。采用A 计权测量结果，仪器本身衰减50，测量结果如表2、表3 所示。

表2 监听室不同频率下的本底噪声（单位：dB）

表3 语音室不同频率下的本地噪声（单位：dB）

通过对比NR20～NR25 之间的数值可以得出，房间在31.5～500 Hz 之间的本底噪声基本满足要求，但是在1～8 kHz 的噪声超出规定曲线较高，可见房间对中高频没有达到很好的隔声效果。

3 结语

录音棚建筑的声学设计与许多学科如建筑学、环境学、语言学、音乐学等都有交叉互用。同时，录音棚又是一种技术专业性很强的功能性房间，其音质设计比其他厅堂更为严谨。由于软件技术的快速发展，现在的建筑声学设计可以先借助软件来模拟所需的参数要求，这样可以大大减少工作量。新型的声学材料、新型的特殊设计的声学模块和控制噪声的工艺，将使设计日趋完善，使设计师能够设计创造出更多风格独特、音质优美的录音棚。