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虚拟演播室蓝箱声学创作分析

日期:2015/12/30 来源:中国演艺科技网

1 引言

虚拟演播室是由传统演播室色键技术、计算机图形处理技术以及虚拟现实等技术结合集成发展而来的新型演播室,其应用领域可涉及到新闻、访谈、综艺等各方面;具有场景可换、成本低、使用率高等优点。在虚拟演播室中,各种技术的应用均需要一个基本的环境——蓝箱。蓝箱是由一面或多面纯色墙及纯色地板组成,是主持人实际活动的场景,是虚拟制作的基础所在。

目前,虚拟演播室内蓝箱在设计阶段即与装修相结合,与以往根据节目需要在演播室内临时搭建背景不同,蓝箱的存在成为一种常态化,因而蓝箱中特殊的声学问题在工程应用中逐步显现出来。对蓝箱带给演播室内声场的不利影响及其解决方案均缺少深入的研究,且在行业现行标准中亦无相关内容,为弥补这一空白,笔者利用建筑声学软件模拟对演播室内蓝箱的声学特点进行分析,探讨初步解决方案,并通过实际案例验证所得结论。

2 蓝箱系统及其声学特点

现有虚拟演播室内蓝箱一般设计为U型或L型,其尺寸大小应根据节目的规模来规划。简单的单人抠像类节目镜头较为简单,只要顾及到侧面全景不穿帮即可,因此,蓝箱较小;多人节目或多景区节目中,主持人需要随时走动,要求蓝箱较大,需要为镜头活动留出足够的空间。虚拟演播室因抠像制作的需要,演区的地面、后方、两侧需要光滑、连续、纯色的背景面。一般来说,为了达到较高的平整度和光滑度,普遍使用大面积硬质光滑材料搭建蓝箱。同时考虑到后期图像处理及灯光的需求,蓝箱墙壁、地板之间衔接都采用圆滑的角度。在演播室内大面积使用蓝箱,在声学上容易带来两方面的问题。

(1)后期制作软件往往要求蓝箱面层材料越光滑、越平整越好,在实际施工中,大多采用玻璃钢、石膏板等硬质材料。大尺寸蓝箱会降低演播室内部的有效吸声量。

(2) 为了方便网格定位等后期处理,虚拟演播室内往往要求蓝箱侧壁互相平行,结果使声音在两墙面之间来回反射,声能衰变速度减小,产生十分严重的颤动回声。

蓝箱所带来的这些问题会导致蓝箱区域内出现颤动回声、清晰度较差、听闻感不强等现象,对主持人的发言即听闻造成不利干扰,影响节目录制效果及正常使用。

3 蓝箱的声学设计思路

虚拟演播室多数用于录制语言类节目,要求较高的语言清晰度及丰满度、适量的早期反射声并且声场布置均匀,需最大程度地减小蓝箱内墙体产生的自然声反射。从建筑声学的角度上看,要很好地改善蓝箱内部声学环境,需要从以下几方面入手。

3.1 改变蓝箱尺寸、尽量减小声反射面积

在实际工程建设中,应尽量减小蓝箱尺寸,尤其是减小两侧墙面尺寸;墙面尺寸尽量不一致,形成不对称结构。在保证正常使用的情况下,U型蓝箱一侧可不设置墙面,使其成为L型蓝箱。然而,调整蓝箱尺寸及形状需要在满足节目制作要求的前提下进行,毕竟蓝箱存在的意义是为了更好地表现节目,创造良好的声学环境只是服务节目的环节之一。

3.2 尝试改变蓝箱的构造及面层材料

为增加演播室内有效吸声量,建议选择有一定厚度的吸声构造来制造蓝箱,这些构造基本原理是采用多孔阻尼材料和空腔来制造的高效率的吸声器。考虑到施工的实际条件,为蓝箱附加吸声构造可以采用图1中所示的三种方式。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

图1中a方案,在蓝箱墙面内干挂或粘贴约2cm的吸声毡或复合喷涂材料、砂岩板等阻尼材料。此方案施工很简单,但中低频的吸声效率较差,同时需要考虑粘贴、喷涂材料的平整度对抠像效果的影响。图1中b方案,在吸声阻尼材料与墙面之间设置有5 cm~10 cm空腔。此方案对蓝箱内尺寸损失较大,且施工相对复杂,但整体吸声效率较高。图1中c方案, 在蓝箱墙面切割一定面积的空腔内填吸声阻尼材料5cm~10cm。此方案施工较复杂,处理接缝时对工艺要求较高,但整体吸声效率和方案b类似,且对蓝箱内尺寸无较大损失。

对蓝箱材料进行处理后,会有效地解决其内部的声学缺陷以及整体吸声量不足的问题,但同时会带来如何处理蓝箱面层材料的新问题。对其面层材料的选择建议如下。

(1)外罩微穿孔金属板或外贴绒布、壁纸或金属箔膜等,选取与规定颜色相同颜色的材料。这样做会一定程度地损失吸声量,而且要特别注意确认是否满足抠像要求。

(2)吸声材料外绷帘幕,本做法吸声效果最好,且容易满足抠像要求,但安装工艺较复杂,需要预留日后二次紧绷的条件。

此外,为保证演播室内混响时间控制在合适的范围,演播室内蓝箱外区域仍然需采用强吸声处理。无论采用何种方式为蓝箱附加吸声构造,均需与图像制作等相关部门配合,使之既可满足摄制要求,又具有一定吸声作用,达到改善室内声场的作用,从而保证虚拟演播室节目制作的整体要求。

3.3 打破蓝箱相对平行墙面

为解决两侧平行墙面构造带来的颤动回声问题,在不使用网格定位的情况下,建议其两侧墙面不应平行,应具有一定的角度。而角度设置可分为水平角度与垂直角度,水平角度指两侧墙面向外倾斜,利用演播室其他墙面的吸声材料吸收声能;垂直角度指蓝箱两侧墙面向上倾斜,利用演播室顶部的吸声构造吸收声能。将蓝箱墙面倾斜一定的角度这一做法虽已被广泛使用,但未曾有进一步的深入研究,在下文中将针对此问题进行计算机模拟计算。

4 蓝箱对声场影响的建筑声学模拟计算

使用建筑声学模拟软件对厅堂音质进行模拟研究,在实际工程设计中已经得到了广泛的应用,建筑声学模拟软件ODEON采用基于几何声学原理的虚声源法和声线跟踪法相结合的方式进行声场模拟计算,其研发始于1984年丹麦技术大学,可应用于房间声学、厅堂声学、噪声控制等领域。混响时间(T60)是厅堂音质中最重要的声学指标,是指房间内声场达到稳态后,声源中断发声,平均声能密度自原始值衰变到其百万分之一(60dB)所需要的时间;与厅堂的有效容积、表面积、吸声材料性能等有关。T30是声能衰减30dB所需时间,推算至60dB的衰减时间即混响时间。研究蓝箱两侧墙面倾斜角度对室内声场的影响,将进行以下三方面的工作:对演播室内是否存在蓝箱的两种声场进行模拟,分析蓝箱对室内声场的具体影响;对蓝箱区域的反射声能分布进行分析,验证倾斜墙壁改善声场的可行性;对墙壁倾斜不同角度后的声场进行模拟,总结分析得出具有普遍意义的结论。

4.1 模型建立

考察蓝箱对演播室内声场的影响时,应尽量减小其他因素影响,即所谓的“理想状态”。建筑模拟将整个演播室及蓝箱复杂的几何形体简化为只与声学有关的简单面,而忽略墙面与地面连接处圆弧状,且不考虑门窗、设备、灯光系统等条件。本文中声学模型设置的初始数据如下。

(1)演播室、蓝箱尺寸

根据相关规范推荐,在满足建筑和工艺的条件下,一般演播室合理的长、宽、高比宜为L∶W∶H=2.5:1.6:1[2],本文所采用模拟虚拟演播室长、宽、高设定为12.5m×8m×5m,体积约为500m³。在演播室演区一侧设置U型蓝箱,蓝箱长、宽、高设置为8m×4.5m×4m,体积约为140m³。

(2)声源、测点

在演播室主持人处设置全指向性点声源,高1.5m,声源声功率级70dB;演播室内均匀布置5个接收点,各接收点距地面1.2m,演播室内声源与测点位置如图2所示。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

(3)吸声系数

演播室及蓝箱各面层吸声系数全频带采用单一数值,演播室四周墙面及顶面吸声系数设为0.7,蓝箱面层吸声系数设为0.1。

(4)各方案模型

(a) 演播室内无蓝箱

(b) 蓝箱设置蓝箱,两侧墙面无倾斜角度(如图3、图4)

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

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(c) 水平角度倾斜

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

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(d) 垂直角度倾斜

V-001 两侧墙面各向上倾斜2.5°(图8)

V-002 两侧墙面各向上倾斜5°(图9)

V-003 两侧墙面各向上倾斜10°(图10)

4.2 蓝箱对声场影响的分析

计算得到演播室内有无蓝箱的混响时间对比图,如图11所示。由于全频带采取单一吸声系数,演播室内混响时间随频率分布十分均匀,当加入蓝箱后,混响时间相对有显著增加。分析其原因如下:蓝箱遮挡了墙面部分有效吸声面积,使得房间总吸声量降低;蓝箱区域内由于两平行墙面的存在,使得声能在其之间来回反射,衰减速度大大降低,此时室内声场已不满足扩散场条件,模拟计算得到的“混响时间”,已不满足混响时间的经典定义前提。模拟测量所得到的结论,是由房间内声缺陷所造成“混响时间”变长的现象。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

4.3 反射声能分布分析

利用墙壁倾斜角度将蓝箱区内声线反射至演播室顶部及蓝箱对侧墙面,利用吸声构造吸收声能,是本文中解决蓝箱问题的指导思想所在。对模型计算反射声经墙壁反射后的声能分布进行分析,可验证此方法是否可行。声源发声后,经蓝箱两侧墙壁一次反射后的声能分布如图12、图13所示。由声能分布可看出,两侧墙壁为平行面时,声线在两墙壁间来回反射,无法被有效吸收;当墙壁向外倾斜一定角度后,声线反射至蓝箱外侧,使得声能衰变速度加快。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

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4.4 倾斜角度对混响时间影响的分析

演播室内混响时间T30的模拟结果由各接收点平均得到,包含了中心频率为63Hz、125Hz、250Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz等各频段的值。

(1)水平角度倾斜

两侧墙面向外成一定水平角度倾斜时,混响时间有所改善;混响时间改善量与倾斜角度变化不成正比,倾斜2.5°~10°改善量基本相同,见图14。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

(2)垂直角度倾斜

两侧墙面向上成垂直角度倾斜时,混响时间有所改善;混响时间改善量与倾斜角度变化不成正比,见图15。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

(3)两种倾斜角度影响对比

选取水平倾斜和垂直倾斜两种方案,角度均倾斜5°时,对比混响时间模拟所得结果,如图16所示。在各种条件相同的情况下,垂直角度倾斜比水平角度倾斜对混响时间的改善量大。

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4.5 倾斜角度对声场分布影响的分析

选取63 Hz、500 Hz、4 000 Hz时不同测点位置的混响时间值进行对比,分析倾斜角度对声场分布的影响。

(1)水平角度倾斜

蓝箱两侧墙面进行水平角度倾斜后,演区各测点混响时间分布均趋于均匀,声场不均匀度得到改善;其中倾斜角度变化对高频影响较大,角度大于5°时改善量较为明显,如图17~图19所示。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

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(2)垂直角度倾斜

蓝箱两侧墙面进行垂直角度倾斜后,演区各测点混响时间均趋于均匀,声场不均匀度得到改善,如图20~图22所示。

虚拟演播室蓝箱声学创作分析

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4.6 小结

经过对不同模型的模拟研究,可得出结论:演播室内加入蓝箱后,由于演区声场的不均匀性及颤动回声等声缺陷,将会导致“混响时间”偏长。将蓝箱两侧墙面倾斜一定角度可使得声场分布趋于均匀,对声缺陷导致的“混响时间”过长的现象有所改善。但房间内实际混响时间(或总吸声量)仍然达不到理想的演播室水平。考虑到实际工程现场情况复杂,且倾斜的墙面可能对网格定位造成不良影响,因此,这一方法并非适用于所有演播室,声学设计者需与相关专业及使用方共同探讨确定倾斜的方向及角度。

节选自《演艺科技》2014年第8期

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