小型音乐混音室的声学设计—朱相栋

 行业动态     |      2020-09-28 10:11

朱相栋
(清华大学建筑学院  100084)
摘要:小空间的声学设计是建筑声学设计中的一个大类,小空间主要包括录音室、琴房、家庭影院、小型专业混音室等具有较高声学要求的空间,由于其空间小的特点,声音在其中的传播规律与剧院等专业观演建筑空间有着显著的区别,小空间容易引起驻波、振颤回声、声染色等声学缺陷。本文结合音乐制作公司的混音室设计,主要从小空间室内存在声学现象对小空间声学设计进行简要的介绍。
关键词:小空间;驻波;简并;声扩散;混响时间
 
1、引言
        小空间,顾名思义是指室内空间相对尺寸较小的房间,其房间尺寸一般在3~5m,尺寸略大的能达到10m左右。其声学设计主要包括混响时间控制和室内声场控制。由于小空间内房间尺寸较小,与声波波长能发生一定的比例关系,尤其是在低频部分200Hz左右。因此小房间固有的共振模式会引起某部分频段声音能量衰减不同于正常的衰减过程,或者共振频率集中于某一频段,造成声染色现象,使得声音的某些频率成分被大大的加强,从而导致原有音色的失真或产生染色效应。
混响时间是室内音质重要的衡量指标,不同的房间其要求的混响时间要求亦不同。因此应该选择不同吸声特性的材料进行合理搭配,控制室内混响时间曲线的平直性(响应)。在小空间内如混响时间过长,容易造成室内声音尾音过长,含混不清。对于混音使用的房间来讲,以上问题会严重影响混音质量。
2、小空间室内声学指标要求
        根据小空间使用要求不同,其声学指标也不尽相同。例如混音室,其声学指标要求背景噪声满足NR-20曲线要求,混响时间一般要求0.4±0.1S。所有的小空间内都要求消除驻波、振颤回声、声染色等声学缺陷。
3、小空间建筑声学设计难点
        众所周知,在规则的小空间内容易产生驻波、梳状滤波、共振和简并等声学缺陷,使得声音的某些频率成分被大大的加强,从而导致原有音色的失真或产生染色效应。在混音空间内,此种缺陷造成的影响尤为明显。造成以上现象主要有以下原因:
(1)普通小空间内的空间尺寸较小,与低频部分波长相近或者与低频部分波长的 呈简单的倍数关系,房间产生共振现象。
(2)当声波接触到界面后被反射回来,墙面的吸收系数太小,反射声能仍较大,与入射声波发生干涉现象,产生驻波或梳状滤波现象。
(3)房间的几何尺寸呈整数比,造成室内轴向共振和切向共振频率重合或相近,产生简并现象。
(4)在混音空间内过强的一次反射声会误导观众对声像定位的判断,影响室内立体声场的分布。当一侧的音箱发出的直达声经过另一侧的墙面反射后达到另一侧的人耳时会略晚于另一侧音箱的直达声到达人耳,且存在一个极小的时间间隙。在反射声强度足够大或方向性足够强的情况下,会扰乱大脑对声音来源的判断,造成声像定位偏移。
4、小空间室内声学处理方式
       为避免以上声学缺陷的产生,可以在室内声学设计阶段对设计方案和材料选择进行有意识的调整。调整主要有以下方式:改变室内体型和合理布置室内不同吸声特性的装修材料。
4.1 室内体型比例的选择
        由前述所知,规则的体型容易在室内造成声学缺陷。尤其是空间的长宽高比例是整数比的情况下。因此可在空间体型设计之初,确定室内空间大小时调整长宽高的比例。理想的长宽高比例是1:21/2:21/3,通常建筑设计条件很难满足理想比例,计算结果表明,大约在(1/1.3):(1/1.15):1到(1/1.5):(1/1.25):1之间的比例是可用的。可以使室内共振模式均匀分布在全频带的范围内,避免集中在某一频带附近,造成声染色现象。
4.2 室内扩散处理
        为消除室内可能产生的声学缺陷,在空间内部增加扩散体的做法,通过对墙面进行凸凹的变化,使房间简正模式均匀分布从而实现平滑的低频响应,改善室内声场。扩散构造常用的做法主要包括以下做法。
(1) 设置倾斜墙面改变室内的规则形状,改变室内声音由墙面反射后的传播方向,从而改变室内声场的振动模式。但此种做法造成室内形状不规则,尤其是在室内出现锐角空间,不利于家具、装饰物品等在室内的摆放,造成室内锐角部分空间无法使用,减小室内有效使用面积,降低室内使用效率。而且低频声能容易在锐角部分聚集,形成新的声场分布不均。
(2)在墙面设置扩散体。扩散体可采用简单的折板造型或圆弧造型对入射到扩散体表面的声音能量进行散射,同样能起到改善室内声场的作用。此种做法可以与装修设计结合,避免出现声学痕迹。
根据经验,它们的尺寸关系可由下式估算:
声学技术声学技术声学技术
式中:a——扩散体宽度,m;
      b—扩散体凸出高度,m;
      g——扩散体间距,m;
      c——空气中声速,m/s;
      f——声波的频率,Hz;
      λ——声波的波长,m。  
声学技术 
图1:有效的扩散体尺寸和声波波长应有一定关系
        近年来有的学者提出了一种扩散表面,称为“二次剩余扩散面(Quadratic Residue Diffusor)”。这是按照数论中的二次剩余序列来设计扩散面的起伏,可以使扩散面在较宽的频率范围内有近乎理想的扩散反射,见图2。在墙面设置QRD等通过数论计算得到的扩散体。通过调整QRD的排列方式和阶梯深度,可以调整该扩散体的扩散频率和吸声特性。但是该扩散体形状怪异,很难通过装修设计达到美观的效果。

声学技术 声学技术
图2:二次剩余扩散体示意(N=7)
声学设计(n=1,2,3,...)。即Sn是n2除以N的余数。Sn以N为周期重复,且以(N土1)/2对称
因此在小空间室内声场设计过程中,应结合装修设计与声学设计,因地制宜的选择扩散方式,融声学设计于装修设计之中,在保证美观的情况下满足声学要求。
4.3 室内吸声处理
        小空间内的混响时间控制是声学设计中的另一个重要方面。不同的使用空间要求有不同的混响时间指标。一般混音室要求较短的混响时间,有利于电声系统塑造优秀的室内声场,尤其是塑造良好的环绕效果。
        常用的吸声材料可分为薄板共振吸声材料,主要用于低频部分的共振吸收;代表性材料有石膏板、木夹板等薄板。
        多孔性吸声材料主要包括玻璃棉、密胺海棉(三聚氰胺海棉)、聚酯纤维板、布艺吸声软包等。其吸声特性以吸收中高频为主,主要吸声频段为500Hz以上,其吸声系数可高达0.9~1.0.。
        除上述传统吸声材料及做法,新型的吸声材料及做法也大量出现,且装饰性大大增强。其中最为常见的是木质穿孔吸声板后衬多孔性吸声材料、木丝吸声板、微穿孔薄膜等。
        家具的吸声也是小空间内吸声的重要组成部分。尤其是室内摆放的软沙发,其吸声量一般能够占到室内总吸声量的1/4~1/3,根据其规格不同,所占吸声量份额会有所不同。在室内混响时间计算时应充分考虑到家具吸声。
5、隔声处理
对空间围护墙体和楼板等进行隔声设计是保证房间有较低背景噪声的基本手段,隔声处理的另外一个目的就是防止室内的声音对外界产生影响。当室内背景噪声要求满足NR-20曲线要求且该房间位于普通民用建筑内时,墙体隔声量一般要求达到60dB。假如该空间所在位置周边有高噪声及振动源或者其内部有类似蹦迪活动时,其墙体隔声量还应更高,即应使用多层复合结构,结合隔声吊顶和浮筑地面做法对室内空间进行整体隔声处理。
6、混音室设计实例
        九州昊乐工程是九州昊乐文化公司建设的音乐录音室和音乐制作室。主要使用功能是将录音室中录制的各种原声进行合成和增加各种音效的后期处理使用。室内净面积30平方米,面积较小,属于小型混音室。该混音室位于普通商用办公楼中间。建声设计主要为电声系统工作创造良好的还原声效。考虑到上述因素,混音室的声学要求包括:1、室内短混响设计,保证电声使用要求;2、混响时间频率特性曲线尽可能平直,即不同频率的混响时间应尽可能相同,低频部分要求略有提高,有利于增加室内音质的丰满度;3、保证室内各处有足够的响度和均匀度,防止回声、颤动回声、声聚焦等房间声学缺陷;4、控制噪声,尽可能降低房间内部噪声,同时隔绝房间外部的噪声进入。
6.1 室内声学指标
        设计指标背景噪声满足NR-20曲线要求,混响时间中频0.4±0.1S,室内声场不均匀度小于±2dB,无声学缺陷。
6.2 隔声设计
        由于混音室位于办公楼中,为了不被外界环境噪声所影响,同时也不影响他人工作和休息,对隔声有较高的要求,要求墙体隔声量达到Rw≥65dB,单樘隔声门的隔声量达到Rw≥40dB。
(1)混音室均采用隔声门,并在入口处设计双层门,门缝作压条密封处理,使用自动关门的夹紧装置,保证门的密闭性。综合隔声效果可以达到50dB以上。
(2)与外界之间的墙体采用多层复合轻钢龙骨石膏板结构,向上安装至结构顶板下表面,接缝处密封处理。不同层隔声墙体之间采用弹性连接,防止硬性连接产生“声桥”,同时板材中间的空腔填充玻璃棉,增加墙体的综合隔声量。
(3)为防止外界噪声通过结构传声传入室内影响室内音质,同时也避免室内噪声对周围的办公空间产生影响,混音室地面使用浮筑地面做法。浮筑地面采用50厚低频减振岩棉作为弹性材料,上铺80厚钢筋混凝土做地面,浮筑地面与原分隔墙交接处留有50mm缝隙,使用岩棉填实。
(4)对于混音室原有建筑外窗一侧,采用在建筑内增加隔声窗做法,新增隔声窗要求关窗状态下隔声量大于40dB。为满足美观要求,新增隔声窗尺寸分隔与原外窗一致,在新增隔声窗内侧增加窗帘,用于增加部分吸声,同时遮挡外界光线对室内产生影响。
(5)吊顶使用弹性吊杆,加两层纸面石膏板隔声吊顶,石膏板上平铺50厚岩棉。通过吊顶、墙体和地面综合处理,混音室形成房中房结构,最大限度的减小内外之间串声而形成的相互干扰。
声学设计
图3:混音室平面图
6.3 室内声场设计
        由于混音室主要用于录音合成工作,因此其室内装修严格按照声学要求进行设计,此种做法能够满足声学要求,但是装修效果偏差。
        混音室室内净空间长宽高的比例为2.65:1.88:1,与经典的室内比例相差较大,室内的共振模式很难均匀分布在全频带。
        基于以上现实条件,对室内声场的处理方式为内侧墙面做斜墙处理,目的是消除室内由平行墙面造成的振颤回声等声学缺陷。而且斜向墙面改变室内的三维尺寸比例,能够有效的改善室内共振频率的分布。
        在内测墙面斜向处理的同时墙面装饰选用二维扩散材料RPG,该种构造做法能够对入射到其表面的声能进行三维方向上的扩散,能够有效的消除驻波等声学缺陷。
        吊顶同样采用二维扩散材料RPG,能够有效地消除顶面和地面两个平行面之间的振颤回声和驻波现象。

声学设计 
图4:RPG扩散体
 
6.4 混响时间设计
由于对RPG材料在实际工程中使用很少,其对声能的扩散作用可以通过数论计算确定,但是该种材料的吸声特性必须通过实际产品的实验测量确定。通过对室内采用RPG扩散构造在清华大学建筑物理实验室内进行实验室吸声测试,结果显示其中频吸声系数为0.4左右,低频略低,高频部分基本与中频持平。
在混响时间计算过程中,以RPG扩散构造为核心材料进行混响时间计算。首先根据扩散需要,确定RPG的使用面积,然后进行混响时间计算,确定室内需要增加的吸声量和增加吸声的频段范围。以此为基础,选择室内的装修材料。
通过计算结果分析,RPG提供吸声量能够满足室内中高频段的吸声要求,因此为调整室内的混响时间频率特性,在吊顶中RPG间隙中增加矿棉板吊顶。其余墙面大面积使用12厚纸面石膏板,用于低频的共振吸收。
7、工程成果
通过对该混音室竣工验收测试和主观评价,各项声学指标均满足设计要求。

声学设计  声学设计 
图5:混响时间验收数据 图6:背景噪声测试数据
        通过对上述测试数据进行分析,中频混响时间能够满足设计要求,但是混响时间频率响应曲线不佳,低频部分混响时间过长;背景噪声能够满足NR-20曲线要求,满足设计要求。邀请专业人士对室内音质进行主观评价,未发现影响室内听闻的声学缺陷存在。
声学设计  声学设计 
图7:混音室内景(一) 图8:混音室内景(二)
8、小结
        混音室的声学设计涉及建筑设计、音质设计、隔声设计和隔振设计等各个方面,良好的音质设计是各专业紧密配合的结果。而且声学对于建筑设计和空调暖通专业的设计的要求应该尽早的提供给各专业,提前进行相关的考虑和条件的预留。声学效果必须和装修设计相配合,不但要求有良好的室内音质,还必须有美观的视觉效果,为工作在其中的人员提供一个良好的声学环境和优雅的工作环境。
 
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作者简介:朱相栋(1980—),男,北京市,硕士研究生,清华大学建筑学院,研究方向:建筑声学



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