虛擬演播室藍(lán)箱聲學(xué)問題探討

王玨+張悅+莫皎平+姚石+駱學(xué)聰

【摘 要】 分析藍(lán)箱對虛擬演播室內(nèi)聲場的影響，對其帶來的聲學(xué)問題及解決方案進(jìn)行探討，實(shí)測驗(yàn)證解決方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】 虛擬演播室；藍(lán)箱；聲場模擬

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.08.001

Discussion of the Acoustical Question for the Blue Box in The Virtual Studio

WANG Jue， ZHANG Yue， MO Jiao-ping， YAO Shi， LUO Xue-cong

（CRFTG Radio， Film and Television Design and Research Institute， Beijing 100045， China）

【Abstract】This paper analyzes the effects of the blue box for the virtual studio sound field ， and discusses the acoustic problems and solutions， and then verifies the feasibility by actual measurement.

【Key Words】virtual studio； blue box； sound field simulation

1 引言

虛擬演播室是由傳統(tǒng)演播室色鍵技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)結(jié)合集成發(fā)展而來的新型演播室，其應(yīng)用領(lǐng)域可涉及到新聞、訪談、綜藝等各方面；具有場景可換、成本低、使用率高等優(yōu)點(diǎn)。

在虛擬演播室中，各種技術(shù)的應(yīng)用均需要一個(gè)基本的環(huán)境——藍(lán)箱。藍(lán)箱是由一面或多面純色墻及純色地板組成，是主持人實(shí)際活動(dòng)的場景，是虛擬制作的基礎(chǔ)所在。

目前，虛擬演播室內(nèi)藍(lán)箱在設(shè)計(jì)階段即與裝修相結(jié)合，與以往根據(jù)節(jié)目需要在演播室內(nèi)臨時(shí)搭建背景不同，藍(lán)箱的存在成為一種常態(tài)化，因而藍(lán)箱中特殊的聲學(xué)問題在工程應(yīng)用中逐步顯現(xiàn)出來。

對藍(lán)箱帶給演播室內(nèi)聲場的不利影響及其解決方案均缺少深入的研究，且在行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中亦無相關(guān)內(nèi)容，為彌補(bǔ)這一空白，筆者利用建筑聲學(xué)軟件模擬對演播室內(nèi)藍(lán)箱的聲學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行分析，探討初步解決方案，并通過實(shí)際案例驗(yàn)證所得結(jié)論。

2 藍(lán)箱系統(tǒng)及其聲學(xué)特點(diǎn)

現(xiàn)有虛擬演播室內(nèi)藍(lán)箱一般設(shè)計(jì)為U型或L型，其尺寸大小應(yīng)根據(jù)節(jié)目的規(guī)模來規(guī)劃。簡單的單人摳像類節(jié)目鏡頭較為簡單，只要顧及到側(cè)面全景不穿幫即可，因此，藍(lán)箱較??；多人節(jié)目或多景區(qū)節(jié)目中，主持人需要隨時(shí)走動(dòng)，要求藍(lán)箱較大，需要為鏡頭活動(dòng)留出足夠的空間。

虛擬演播室因摳像制作的需要，演區(qū)的地面、后方、兩側(cè)需要光滑、連續(xù)、純色的背景面。一般來說，為了達(dá)到較高的平整度和光滑度，普遍使用大面積硬質(zhì)光滑材料搭建藍(lán)箱。同時(shí)考慮到后期圖像處理及燈光的需求，藍(lán)箱墻壁、地板之間銜接都采用圓滑的角度。

在演播室內(nèi)大面積使用藍(lán)箱，在聲學(xué)上容易帶來兩方面的問題。

（1） 后期制作軟件往往要求藍(lán)箱面層材料越光滑、越平整越好，在實(shí)際施工中，大多采用玻璃鋼、石膏板等硬質(zhì)材料。大尺寸藍(lán)箱會(huì)降低演播室內(nèi)部的有效吸聲量。

（2） 為了方便網(wǎng)格定位等后期處理，虛擬演播室內(nèi)往往要求藍(lán)箱側(cè)壁互相平行，結(jié)果使聲音在兩墻面之間來回反射，聲能衰變速度減小，產(chǎn)生十分嚴(yán)重的顫動(dòng)回聲。

藍(lán)箱所帶來的這些問題會(huì)導(dǎo)致藍(lán)箱區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)顫動(dòng)回聲、清晰度較差、聽聞感不強(qiáng)等現(xiàn)象，對主持人的發(fā)言即聽聞造成不利干擾，影響節(jié)目錄制效果及正常使用。

3 藍(lán)箱的聲學(xué)設(shè)計(jì)思路

虛擬演播室多數(shù)用于錄制語言類節(jié)目，要求較高的語言清晰度及豐滿度、適量的早期反射聲并且聲場布置均勻，需最大程度地減小藍(lán)箱內(nèi)墻體產(chǎn)生的自然聲反射[1]。

從建筑聲學(xué)的角度上看，要很好地改善藍(lán)箱內(nèi)部聲學(xué)環(huán)境，需要從以下幾方面入手。

3.1 改變藍(lán)箱尺寸、盡量減小聲反射面積

在實(shí)際工程建設(shè)中，應(yīng)盡量減小藍(lán)箱尺寸，尤其是減小兩側(cè)墻面尺寸；墻面尺寸盡量不一致，形成不對稱結(jié)構(gòu)。在保證正常使用的情況下，U型藍(lán)箱一側(cè)可不設(shè)置墻面，使其成為L型藍(lán)箱。

然而，調(diào)整藍(lán)箱尺寸及形狀需要在滿足節(jié)目制作要求的前提下進(jìn)行，畢竟藍(lán)箱存在的意義是為了更好地表現(xiàn)節(jié)目，創(chuàng)造良好的聲學(xué)環(huán)境只是服務(wù)節(jié)目的環(huán)節(jié)之一，由于篇幅所限，此部分內(nèi)容不在本文中探討。

3.2 嘗試改變藍(lán)箱的構(gòu)造及面層材料

為增加演播室內(nèi)有效吸聲量，建議選擇有一定厚度的吸聲構(gòu)造來制造藍(lán)箱，這些構(gòu)造基本原理是采用多孔阻尼材料和空腔來制造的高效率的吸聲器。

考慮到施工的實(shí)際條件，為藍(lán)箱附加吸聲構(gòu)造可以采用圖1中所示的三種方式。

圖1中a方案，在藍(lán)箱墻面內(nèi)干掛或粘貼約2 cm的吸聲氈或復(fù)合噴涂材料、砂巖板等阻尼材料。此方案施工很簡單，但中低頻的吸聲效率較差，同時(shí)需要考慮粘貼、噴涂材料的平整度對摳像效果的影響。

圖1中b方案，在吸聲阻尼材料與墻面之間設(shè)置有5 cm～10 cm空腔。此方案對藍(lán)箱內(nèi)尺寸損失較大，且施工相對復(fù)雜，但整體吸聲效率較高。

圖1中c方案，在藍(lán)箱墻面切割一定面積的空腔，內(nèi)填吸聲阻尼材料5 cm～10 cm。此方案施工較復(fù)雜，處理接縫時(shí)對工藝要求較高，但整體吸聲效率和方案b類似，且對藍(lán)箱內(nèi)尺寸無較大損失。

對藍(lán)箱材料進(jìn)行處理后，會(huì)有效地解決其內(nèi)部的聲學(xué)缺陷以及整體吸聲量不足的問題，但同時(shí)會(huì)帶來如何處理藍(lán)箱面層材料的新問題。對其面層材料的選擇建議如下。

（1）外罩微穿孔金屬板或外貼絨布、壁紙或金屬箔膜等，選取與規(guī)定顏色相同顏色的材料。這樣做會(huì)一定程度地?fù)p失吸聲量，而且要特別注意確認(rèn)是否滿足摳像要求。

（2）吸聲材料外繃簾幕，本做法吸聲效果最好，且容易滿足摳像要求，但安裝工藝較復(fù)雜，需要預(yù)留日后二次緊繃的條件。

此外，為保證演播室內(nèi)混響時(shí)間控制在合適的范圍，演播室內(nèi)藍(lán)箱外區(qū)域仍然需采用強(qiáng)吸聲處理。

無論采用何種方式為藍(lán)箱附加吸聲構(gòu)造，均需與圖像制作等相關(guān)部門配合，使之既可滿足攝制要求，又具有一定吸聲作用，達(dá)到改善室內(nèi)聲場的作用，從而保證虛擬演播室節(jié)目制作的整體要求。

3.3 打破藍(lán)箱相對平行墻面

為解決兩側(cè)平行墻面構(gòu)造帶來的顫動(dòng)回聲問題，在不使用網(wǎng)格定位的情況下，建議其兩側(cè)墻面不應(yīng)平行，應(yīng)具有一定的角度。而角度設(shè)置可分為水平角度與垂直角度，水平角度指兩側(cè)墻面向外傾斜，利用演播室其他墻面的吸聲材料吸收聲能；垂直角度指藍(lán)箱兩側(cè)墻面向上傾斜，利用演播室頂部的吸聲構(gòu)造吸收聲能。

將藍(lán)箱墻面傾斜一定的角度這一做法雖已被廣泛使用，但未曾有進(jìn)一步的深入研究，在下文中將針對此問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算。

4 藍(lán)箱對聲場影響的建筑聲學(xué)模擬計(jì)算

使用建筑聲學(xué)模擬軟件對廳堂音質(zhì)進(jìn)行模擬研究，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，建筑聲學(xué)模擬軟件ODEON采用基于幾何聲學(xué)原理的虛聲源法和聲線跟蹤法相結(jié)合的方式進(jìn)行聲場模擬計(jì)算，其研發(fā)始于1984年丹麥技術(shù)大學(xué)，可應(yīng)用于房間聲學(xué)、廳堂聲學(xué)、噪聲控制等領(lǐng)域。

混響時(shí)間（T60）是廳堂音質(zhì)中最重要的聲學(xué)指標(biāo)，是指房間內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，聲源中斷發(fā)聲，平均聲能密度自原始值衰變到其百萬分之一（60 dB）所需要的時(shí)間；與廳堂的有效容積、表面積、吸聲材料性能等有關(guān)。T30是聲能衰減30 dB所需時(shí)間，推算至60 dB的衰減時(shí)間即混響時(shí)間。

研究藍(lán)箱兩側(cè)墻面傾斜角度對室內(nèi)聲場的影響，將進(jìn)行以下三方面的工作：

對演播室內(nèi)是否存在藍(lán)箱的兩種聲場進(jìn)行模擬，分析藍(lán)箱對室內(nèi)聲場的具體影響；對藍(lán)箱區(qū)域的反射聲能分布進(jìn)行分析，驗(yàn)證傾斜墻壁改善聲場的可行性；對墻壁傾斜不同角度后的聲場進(jìn)行模擬，總結(jié)分析得出具有普遍意義的結(jié)論。

4.1 模型建立

考察藍(lán)箱對演播室內(nèi)聲場的影響時(shí)，應(yīng)盡量減小其他因素影響，即所謂的“理想狀態(tài)”。建筑模擬將整個(gè)演播室及藍(lán)箱復(fù)雜的幾何形體簡化為只與聲學(xué)有關(guān)的簡單面，而忽略墻面與地面連接處圓弧狀，且不考慮門窗、設(shè)備、燈光系統(tǒng)等條件。本文中聲學(xué)模型設(shè)置的初始數(shù)據(jù)如下。

（1）演播室、藍(lán)箱尺寸

根據(jù)相關(guān)規(guī)范推薦，在滿足建筑和工藝的條件下，一般演播室合理的長、寬、高比宜為L∶W∶H=2.5：1.6：1[2]，本文所采用模擬虛擬演播室長、寬、高設(shè)定為12.5 m×8 m×5 m，體積約為500 m3。在演播室演區(qū)一側(cè)設(shè)置U型藍(lán)箱，藍(lán)箱長、寬、高設(shè)置為8 m×4.5 m×4 m，體積約為140 m3。

（2）聲源、測點(diǎn)

在演播室主持人處設(shè)置全指向性點(diǎn)聲源，高1.5 m，聲源聲功率級70 dB；演播室內(nèi)均勻布置5個(gè)接收點(diǎn)，各接收點(diǎn)距地面1.2 m，演播室內(nèi)聲源與測點(diǎn)位置如圖2所示。

（3）吸聲系數(shù)

演播室及藍(lán)箱各面層吸聲系數(shù)全頻帶采用單一數(shù)值，演播室四周墻面及頂面吸聲系數(shù)設(shè)為0.7，藍(lán)箱面層吸聲系數(shù)設(shè)為0.1。

（4）各方案模型

（a） 演播室內(nèi)無藍(lán)箱

（b） 藍(lán)箱設(shè)置藍(lán)箱，兩側(cè)墻面無傾斜角度（如圖3、圖4）

（c） 水平角度傾斜

H-001 兩側(cè)墻面各向外傾斜2.5°（圖5）

H-002 兩側(cè)墻面各向外傾斜5°（圖6）

H-003 兩側(cè)墻面各向外傾斜10°（圖7）

（d） 垂直角度傾斜

V-001 兩側(cè)墻面各向上傾斜2.5°（圖8）

V-002 兩側(cè)墻面各向上傾斜5°（圖9）

V-003 兩側(cè)墻面各向上傾斜10°（圖10）

4.2 藍(lán)箱對聲場影響的分析

計(jì)算得到演播室內(nèi)有無藍(lán)箱的混響時(shí)間對比圖，如圖11所示。

由于全頻帶采取單一吸聲系數(shù)，演播室內(nèi)混響時(shí)間隨頻率分布十分均勻，當(dāng)加入藍(lán)箱后，混響時(shí)間相對有顯著增加。分析其原因如下：藍(lán)箱遮擋了墻面部分有效吸聲面積，使得房間總吸聲量降低；藍(lán)箱區(qū)域內(nèi)由于兩平行墻面的存在，使得聲能在其之間來回反射，衰減速度大大降低，此時(shí)室內(nèi)聲場已不滿足擴(kuò)散場條件，模擬計(jì)算得到的“混響時(shí)間”，已不滿足混響時(shí)間的經(jīng)典定義前提。模擬測量所得到的結(jié)論，是由房間內(nèi)聲缺陷所造成“混響時(shí)間”變長的現(xiàn)象。

4.3 反射聲能分布分析

利用墻壁傾斜角度將藍(lán)箱區(qū)內(nèi)聲線反射至演播室頂部及藍(lán)箱對側(cè)墻面，利用吸聲構(gòu)造吸收聲能，是本文中解決藍(lán)箱問題的指導(dǎo)思想所在。對模型計(jì)算反射聲經(jīng)墻壁反射后的聲能分布進(jìn)行分析，可驗(yàn)證此方法是否可行。

聲源發(fā)聲后，經(jīng)藍(lán)箱兩側(cè)墻壁一次反射后的聲能分布如圖12、圖13所示。

由聲能分布可看出，兩側(cè)墻壁為平行面時(shí)，聲線在兩墻壁間來回反射，無法被有效吸收；當(dāng)墻壁向外傾斜一定角度后，聲線反射至藍(lán)箱外側(cè)，使得聲能衰變速度加快。

4.4 傾斜角度對混響時(shí)間影響的分析

演播室內(nèi)混響時(shí)間T30的模擬結(jié)果由各接收點(diǎn)平均得到，包含了中心頻率為63 Hz、125 Hz、250 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、

4 000 Hz等各頻段的值。

（1）水平角度傾斜

兩側(cè)墻面向外成一定水平角度傾斜時(shí)，混響時(shí)間有所改善；混響時(shí)間改善量與傾斜角度變化不成正比，傾斜2.5°～10°改善量基本相同，見圖14。