虛擬演播室藍箱聲學問題探討

王玨+張悅+莫皎平+姚石+駱學聰

【摘 要】 分析藍箱對虛擬演播室內聲場的影響，對其帶來的聲學問題及解決方案進行探討，實測驗證解決方案的可行性。

【關鍵詞】 虛擬演播室；藍箱；聲場模擬

文章編號： 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、計算機圖形處理技術以及虛擬現實等技術結合集成發(fā)展而來的新型演播室，其應用領域可涉及到新聞、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。

在虛擬演播室中，各種技術的應用均需要一個基本的環(huán)境——藍箱。藍箱是由一面或多面純色墻及純色地板組成，是主持人實際活動的場景，是虛擬制作的基礎所在。

目前，虛擬演播室內藍箱在設計階段即與裝修相結合，與以往根據節(jié)目需要在演播室內臨時搭建背景不同，藍箱的存在成為一種常態(tài)化，因而藍箱中特殊的聲學問題在工程應用中逐步顯現出來。

對藍箱帶給演播室內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)現行標準中亦無相關內容，為彌補這一空白，筆者利用建筑聲學軟件模擬對演播室內藍箱的聲學特點進行分析，探討初步解決方案，并通過實際案例驗證所得結論。

2 藍箱系統(tǒng)及其聲學特點

現有虛擬演播室內藍箱一般設計為U型或L型，其尺寸大小應根據節(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，只要顧及到側面全景不穿幫即可，因此，藍箱較小；多人節(jié)目或多景區(qū)節(jié)目中，主持人需要隨時走動，要求藍箱較大，需要為鏡頭活動留出足夠的空間。

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

在演播室內大面積使用藍箱，在聲學上容易帶來兩方面的問題。

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

（2） 為了方便網格定位等后期處理，虛擬演播室內往往要求藍箱側壁互相平行，結果使聲音在兩墻面之間來回反射，聲能衰變速度減小，產生十分嚴重的顫動回聲。

藍箱所帶來的這些問題會導致藍箱區(qū)域內出現顫動回聲、清晰度較差、聽聞感不強等現象，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 藍箱的聲學設計思路

虛擬演播室多數用于錄制語言類節(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箱內墻體產生的自然聲反射[1]。

從建筑聲學的角度上看，要很好地改善藍箱內部聲學環(huán)境，需要從以下幾方面入手。

3.1 改變藍箱尺寸、盡量減小聲反射面積

在實際工程建設中，應盡量減小藍箱尺寸，尤其是減小兩側墻面尺寸；墻面尺寸盡量不一致，形成不對稱結構。在保證正常使用的情況下，U型藍箱一側可不設置墻面，使其成為L型藍箱。

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

3.2 嘗試改變藍箱的構造及面層材料

為增加演播室內有效吸聲量，建議選擇有一定厚度的吸聲構造來制造藍箱，這些構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。

考慮到施工的實際條件，為藍箱附加吸聲構造可以采用圖1中所示的三種方式。

圖1中a方案，在藍箱墻面內干掛或粘貼約2 cm的吸聲氈或復合噴涂材料、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置有5 cm～10 cm空腔。此方案對藍箱內尺寸損失較大，且施工相對復雜，但整體吸聲效率較高。

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

對藍箱材料進行處理后，會有效地解決其內部的聲學缺陷以及整體吸聲量不足的問題，但同時會帶來如何處理藍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。這樣做會一定程度地損失吸聲量，而且要特別注意確認是否滿足摳像要求。

（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，但安裝工藝較復雜，需要預留日后二次緊繃的條件。

此外，為保證演播室內混響時間控制在合適的范圍，演播室內藍箱外區(qū)域仍然需采用強吸聲處理。

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

3.3 打破藍箱相對平行墻面

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

將藍箱墻面傾斜一定的角度這一做法雖已被廣泛使用，但未曾有進一步的深入研究，在下文中將針對此問題進行計算機模擬計算。

4 藍箱對聲場影響的建筑聲學模擬計算

使用建筑聲學模擬軟件對廳堂音質進行模擬研究，在實際工程設計中已經得到了廣泛的應用，建筑聲學模擬軟件ODEON采用基于幾何聲學原理的虛聲源法和聲線跟蹤法相結合的方式進行聲場模擬計算，其研發(fā)始于1984年丹麥技術大學，可應用于房間聲學、廳堂聲學、噪聲控制等領域。

混響時間（T60）是廳堂音質中最重要的聲學指標，是指房間內聲場達到穩(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）所需要的時間；與廳堂的有效容積、表面積、吸聲材料性能等有關。T30是聲能衰減30 dB所需時間，推算至60 dB的衰減時間即混響時間。

研究藍箱兩側墻面傾斜角度對室內聲場的影響，將進行以下三方面的工作：

對演播室內是否存在藍箱的兩種聲場進行模擬，分析藍箱對室內聲場的具體影響；對藍箱區(qū)域的反射聲能分布進行分析，驗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行模擬，總結分析得出具有普遍意義的結論。

4.1 模型建立

考察藍箱對演播室內聲場的影響時，應盡量減小其他因素影響，即所謂的“理想狀態(tài)”。建筑模擬將整個演播室及藍箱復雜的幾何形體簡化為只與聲學有關的簡單面，而忽略墻面與地面連接處圓弧狀，且不考慮門窗、設備、燈光系統(tǒng)等條件。本文中聲學模型設置的初始數據如下。

（1）演播室、藍箱尺寸

根據相關規(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、高設定為12.5 m×8 m×5 m，體積約為500 m3。在演播室演區(qū)一側設置U型藍箱，藍箱長、寬、高設置為8 m×4.5 m×4 m，體積約為140 m3。

（2）聲源、測點

在演播室主持人處設置全指向性點聲源，高1.5 m，聲源聲功率級70 dB；演播室內均勻布置5個接收點，各接收點距地面1.2 m，演播室內聲源與測點位置如圖2所示。

（3）吸聲系數

演播室及藍箱各面層吸聲系數全頻帶采用單一數值，演播室四周墻面及頂面吸聲系數設為0.7，藍箱面層吸聲系數設為0.1。

（4）各方案模型

（a） 演播室內無藍箱

（b） 藍箱設置藍箱，兩側墻面無傾斜角度（如圖3、圖4）

（c） 水平角度傾斜

H-001 兩側墻面各向外傾斜2.5°（圖5）

H-002 兩側墻面各向外傾斜5°（圖6）

H-003 兩側墻面各向外傾斜10°（圖7）

（d） 垂直角度傾斜

V-001 兩側墻面各向上傾斜2.5°（圖8）

V-002 兩側墻面各向上傾斜5°（圖9）

V-003 兩側墻面各向上傾斜10°（圖10）

4.2 藍箱對聲場影響的分析

計算得到演播室內有無藍箱的混響時間對比圖，如圖11所示。

由于全頻帶采取單一吸聲系數，演播室內混響時間隨頻率分布十分均勻，當加入藍箱后，混響時間相對有顯著增加。分析其原因如下：藍箱遮擋了墻面部分有效吸聲面積，使得房間總吸聲量降低；藍箱區(qū)域內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，此時室內聲場已不滿足擴散場條件，模擬計算得到的“混響時間”，已不滿足混響時間的經典定義前提。模擬測量所得到的結論，是由房間內聲缺陷所造成“混響時間”變長的現象。

4.3 反射聲能分布分析

利用墻壁傾斜角度將藍箱區(qū)內聲線反射至演播室頂部及藍箱對側墻面，利用吸聲構造吸收聲能，是本文中解決藍箱問題的指導思想所在。對模型計算反射聲經墻壁反射后的聲能分布進行分析，可驗證此方法是否可行。

聲源發(fā)聲后，經藍箱兩側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，兩側墻壁為平行面時，聲線在兩墻壁間來回反射，無法被有效吸收；當墻壁向外傾斜一定角度后，聲線反射至藍箱外側，使得聲能衰變速度加快。

4.4 傾斜角度對混響時間影響的分析

演播室內混響時間T30的模擬結果由各接收點平均得到，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

兩側墻面向外成一定水平角度傾斜時，混響時間有所改善；混響時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。