VIVACE電子可變聲場系統及在大連國際會議中心劇場的應用

周 泉

（大連藝聲電子工程有限公司，遼寧 大連 116021）

VIVACE電子可變聲場系統及在大連國際會議中心劇場的應用

周 泉

（大連藝聲電子工程有限公司，遼寧 大連 116021）

闡述VIVACE電子可變聲場系統是采用電聲方法改變室內聲學環境以及能夠實現3D空間音頻效果的聲學仿真系統，并以大連國際會議中心劇場為例，給出了建聲和VIVACE系統的實施方案。

VIVACE 電子可變聲場系統； 卷積算法；多功能劇場；建聲設計； 移動聲源；3D聲音效果

1 引言

在國人文化修養不斷提高的今天，種類繁多的文化場所紛紛興建，擁有大劇院、音樂廳成為城市文化的標志。一個劇院能用于音樂、歌舞、戲劇、交響樂等多種演出形式是業主方的期望，然而不同類型的演出形式需要不同的最佳混響時間。以往的多功能劇場采用建聲方式，實現一個折中的、固定的混響時間，即使采用復雜的機械結構實現混響時間可變，可調范圍小，只是一定意義上的多用途劇場，劇場的聲學環境并不能與多種演出形式的需要真正匹配。而在具備一定聲學環境的多用途劇場中，利用VIVACE(Versatile and innovative acoustic engine，多功能創新聲學引擎)電子可變聲場系統（以下簡稱VIVACE系統）建造一個真正意義上的多功能劇場成為可能。

2 VIVACE系統原理及功能

2.1 什么是VIVACE系統

VIVACE電子可變聲場系統是采用電聲方法改變室內聲學環境以及能夠實現3D空間音頻效果的聲學仿真系統。VIVACE系統是德國薩爾氏斯泰克媒體集團（SALZBRENNER STAGETEC MEDIAGROUP）和德國Mueller-BBM International GmbH國際有限公司（以下簡稱MBBM公司），結合STAGETEC公司卓越的數字硬件經驗和MBBM公司的聲學領域權威算法技術的結晶。“VIVACE”源自意大利語，是活潑的意思。

采用電聲方法實現可變聲場已經有50多年的歷史了，然而要獲得沒有“聲染色”實現忠實于自然混響效果的電聲方法卻非常困難，隨著電子科技的迅猛發展，復雜的算法已經不會成為計算機處理能力的瓶頸，于是更加科學的VIVACE電子可變聲場系統得以實現。它融合了當今世界多種電子可變混響系統的優點，在全頻段（20 Hz ～ 20 kHz）采用高精度脈沖響應的采集和MBBM專利的卷積算法，既確保細節的準確性，又克服了通常數學算法生成的混響效果產生的識別聽覺失真，生成的聲場混響效果更加純凈自然，接近真實的物理狀態。

使用VIVACE系統須具備兩個基本條件：一是房間的起始混響時間（中頻500 Hz和1 000 Hz）相對較短；二是電聲部分為數字調音臺（或相應的音頻處理設備），具有MADI和多通道輸出接口。國內新建的劇院、音樂廳和多功能廳等文化場館，其建筑聲學的設計越來越受到建設部門的重視，在項目初期便已介入，力保在符合美觀要求的同時，構建一個混響時間合適、避免聲缺陷的聲學環境；而且，隨著數字音頻技術飛速發展，硬件的配置上，中國已與世界發達國家處于同等水平。

2.2 VIVACE系統的基本原理

VIVACE系統的卷積過程可以用：a ×(b1× b2) = c表述， 其中，a為靠近舞臺口的傳聲器拾取項目廳堂聲信號，含廳堂的聲學特性參數；b1為通過處理器將傳聲器拾取的聲信號與目標廳堂的聲學特性參數進行卷積運算；b2為卷積后的信號通過功率放大器饋送大廳的揚聲器以三維聲學特性投射到觀眾廳；c為獲得的目標脈沖響應，亦即近似于目標廳堂的聲學特性。

借助a ×(b1 ×b2) = c 數學關系表達式，結合圖1便可對VIVACE系統的基本原理和信號卷積過程（或“聲學指紋”技術）有一個基本的了解。

圖1 VIVACE系統的信號卷積過程

圖2 VIVACE卷積的應用界面

2.3 VIVACE系統的功能

世界著名的歌劇院、音樂廳、戲劇場館等都有自己獨特而聽感舒適的聲學特性參數，就如同人的指紋一樣，新建場館則渴望自己的聲學環境也擁有近似于著名劇場的聲學特征。MBBM公司對這些著名的場館做了深入研究，將測得的聲學特性參數存儲在VIVACE軟件的記憶庫中。在新建項目時，根據使用者的需求來調用，瞬間還原這些經典場館的聲學特征。圖2是VIVACE卷積的應用界面，在“impulsantwortsatz”（脈沖響應率）中，根據音樂曲風類型，很方便地選出適合的廳堂場館，量身定制室內聲學狀態。

由于在房間固有的模式中，不同的頻段的參數并非完美，因而VIVACE系統具備實時糾正房間失衡的混響特性的作用，圖3給出了經過VIVACE系統處理前后混響時間的變化。需要說明的是，VIVACE系統只能在房間自身的混響時間上增大混響時間而不能減小混響時間，也就是說對于一個基礎混響時間很長或建聲很糟糕的“壞房”，則不具備使用VIVACE系統的條件。

在以往的幾種有代表性的電子可變聲場系統如AR（受援共振系統）、MCR（多通道混響系統）、VRAS（可變室內聲學系統）中，聲源的早期反射和混響是不能被獨立考慮的兩個物理過程。而現今的VIVACE系統，可以通過軟件人工分離出早期反射聲和混響聲，通過對所測量的脈沖響應進行卷積計算，采用不同的算法控制，改善了語言的可懂度或音樂的明晰度。

VIVACE系統具有4個聲學引擎支持4個獨立的聽眾分區，如設定主觀眾區、池座、樓座、樓座下區域，見圖4。每個區域可以獨立調整，滿足細分優化不同聲學條件的特別要求。

VIVACE系統還提供了被稱之為移動聲源3D效果的特殊功能。所謂移動聲源（Source moving）就是以用戶自定義的音頻效果素材（如汽車引擎聲、蜜蜂飛行、特效音等）為變量，以自動或預存的空間軌跡在3D空間的聲學環境中移動，見圖5。系統支持16個聲像同時移動，實時處理而沒有任何時間間隙或延遲。聲源變化的軌跡和時間碼均可進行控制或設計，也可通過外部時間碼同步控制。利用這項功能，可以制作栩栩如生的環繞聲效果或超現實的聲音特效，還可以為演員在舞臺上的動作生成自動跟蹤聲效。

除此之外，VIVACE的系統軟件還有Preference EQ（參量均衡器）、具備輸入的FIR濾波器或12段IIR濾波器、自動反饋抑制、dynamics（動態處理器）等功能。

最終用戶使用的界面非常簡單，只有定義的場景鍵。場景鍵有三種定義方式：根據演出形式，選用著名音樂廳名字，直觀的混響時間。用戶只需在選中場景鍵后點擊開始（START），系統便可自動運行。

圖3 使用VIVACE系統處理前后混響時間的變化

圖4 具有專利的卷積處理功能的4個獨立區域

圖5 VIVACE系統移動聲源的3D效果

圖6 VIVACE系統組成架構

2.3 VIVACE系統組成構架

VIVACE系統是以數字調音臺為基礎，在以往主擴系統構架中增加一臺VIVACE主機和少量的舞臺區域的專用拾音傳聲器，VIVACE系統組成架構見圖6，信號處理流程見圖7。調音臺的矩陣基站須具備多通道輸出端口，以便主機處理后的效果聲場信號通過功放送給相應位置上的效果揚聲器。VIVACE系統采用的調音系統不局限于某個品牌，只要是具有多通道處理能力，配置有標準的MADI接口即可實現，當然采用同為SALZBRENNER STAGETEC MEDIAGROUP集團出品的調音臺系統會有更好的匹配度。

（1）VIVACE主機

VIVACE主機是系統的核心部件，主機前面板上未設任何操作，內部裝有兩個并聯的高端處理器，承載著VIVACE RA電子聲學軟件；完全熱備份雙配置的兩組音頻處理接口，冗余配置的MADI接口，多達64個單獨的輸入通道，總流程128個獨立的輸出通道，時間碼同步接口；全冗余無縫切換的雙電源。

（2）拾音傳聲器

VIVACE系統采用的拾音傳聲器為吊裝式，要求低噪聲、高靈敏度的電容式心形指向小振膜錄音級，頻響不劣于50 Hz～16 kHz，靈敏度不低于12 mV/Pa，最大聲壓級(0.5%THD時)不小于138 dB，等效輸入噪聲不劣于16 dBA。VIVACE系統推薦使用的拾音傳聲器有：Sennheiser MKH40、MICROTECH GEFELL BM190、Schoeps CCM4/21/22、Neumann KM 140、DPA4028、Audio M1255c，但并不局限于推薦的品牌。VIVACE系統的拾音傳聲器由于需要通道數比較少，且位置比較靠近舞臺，因此，可以提供更高的信噪比，保持較低的系統背景噪聲。

（3）效果揚聲器及配套音頻功率放大器

VIVACE使用的效果揚聲器并無太多限制，實際選擇中，高靈敏度和準確的動態響應比輸出功率更加重要，低音單元在8英寸以上的緊湊型揚聲器都可以實現。劇場原有設計的環繞聲效果揚聲器基本都可以勝任，VIVACE系統推薦使用的效果揚聲器：L-Acoustics 8 XTi、D&B Ci80、Adamson Point 8-P、K&F Sona-5、KEF Ci 200.3，但并不局限于推薦的品牌。

配套的音頻功率放大器只需與選用的效果揚聲器的阻抗功率相互匹配，采用多通道的音頻功率放大器將會減小系統規模和降低造價。需要注意的是，音頻功率放大器的輸入類型不論采用數字或是模擬均要和調音臺的輸出接口匹配。

（4）軟件構成

VIVACE系統的基本軟件有三個：VIVACE RA電子聲學軟件，安裝在VIVACE主機內；VIVACE REMOTE軟件和VIVACE SWITCH軟件，安裝在用戶的界面控制計算機里，為用戶提供開啟和場景切換的操作，界面控制計算機和VIVACE主機之間通過IP地址網絡連接或無線WIFI進行遙控。

圖7 VIVACE系統信號處理流程

3 VIVACE系統在大連國際會議中心劇場的應用

3.1 大連國際會議中心項目的基本概況

大連國際會議中心包括1 600座席的中心劇院和可容納2 000人的宴會大廳；建筑面積約14.68×104m2，建筑總高度59 m；采用核心筒支撐鋼結構，大范圍使用鋁合金板，包括核心區域中心劇場，從池座、樓座、高空天棚等都是鋼結構。

大連國際會議中心劇場VIVACE方案是由原有的擴聲方案深化而來的，由于VIVACE系統在國內沒有應用先例，無可借鑒的經驗。方案論證歷經多次，在德國MBBM公司和總設計方奧地利藍天組的積極倡導以及國內專家顧問的合力推舉下最終得以通過，當然深化后的方案沒有過多增加設備造價是主要前提。

3.2 不可忽略的建聲條件

對于劇場建聲處理，內部裝修在劇院的建筑中是非常另類的。為達到設計要求即起始混響時間控制在1.4 s左右，廳內做了大量的吸聲處理，整個劇場墻面全部為進口陽極氧化A5系穿孔鋁板，在鋁板后面配備電動吸聲幕簾及弧形聲學隔墻，在幕簾前面安裝效果揚聲器，見圖8；除此之外，劇場設計中還采用了地板吸聲及隔聲結構（見圖9）、打孔座椅吸聲等措施。對于聲擴散的處理，天花裝有具有聲學擴散作用的曲面GRG（GlassFiber Reinforced Gypsum，玻璃纖維增強石膏）浮云，見圖10；觀眾席共三層樓座，攔河為三維曲面造型的石膏板，其上分布著9種不同規格4 000個GRG圓柱擴散體，達到漫反聲效果，其中最大擴散體內隱藏有效果揚聲器，這一設計既保證了聲學要求，又起到了美觀效果，可謂一箭雙雕。劇場的建聲施工嚴格執行程序，經測試平均混響時間達到設計要求的1.4 s～1.6 s。

圖8 墻體吸聲結構

圖9 地面結構

圖10 劇場內部聲學裝修（天花裝有GRG浮云，攔河為具有圓柱擴散體的三維曲面石膏板）

圖12 大連國際會議中心劇院3D-VIVACE聲壓級分布圖

圖11 效果揚聲器的分布

3.3 效果揚聲器布局

VIVACE系統共使用89只效果揚聲器（使用了87個通道，天花的3只低音揚聲器采用一個通道），分布在觀眾席后墻、攔河、天棚和樓座下，具體位置詳見圖11（圖中紅色部分為揚聲器的位置；二、三樓揚聲器位置圖略），聲壓級效果見圖12。

3.4 VIVACE系統硬件配置

在劇場音響系統的原設計中已采用有STAGETEC公司的CRESCENDO調音臺和NEXUS數字矩陣，這是能夠增強音響系統功能采用VIVACE系統的另一個必要條件，見圖13。

深化后的VIVACE系統，增加一套主備雙通道的VIVACE主機，見圖14；增加4支VIVACE專用心形電容吊裝傳聲器（德國MG BM190），安裝在舞臺的表演區域，見圖15。

深化后重新調整了揚聲器的布局，保持原有設計中觀眾區域的樓座補聲揚聲器、擋墻效果揚聲器和天花效果揚聲器，增加了22只德國K&F SONA 5緊湊型揚聲器及相應的德國K.M.EDA428四通道音頻功率放大器，安裝在挑臺欄桿處，稱之為“攔河揚聲器”，隱藏在圓柱擴散體中（見圖16）。這不同于標準劇院觀眾席效果揚聲器的布置，屬于VIVACE系統特有的。

在調音數字系統NEXUS基站中配置了相應的輸出通道板卡，使所有效果揚聲器與多通道功率放大器以及調音臺NEXUS基站板卡一一對應。

3.5 VIVACE系統的調試

VIVACE的主處理器和備份處理器都配有調試用顯示器，雙通道的冗余熱備份設計使主備的切換完全不被感知。在正常工作時無需開啟全部程序，在電源開啟時會自動運行，只要觀察主機上的VIVACE字母由紅色變成藍色就說明系統一切正常。

系統的調試需要在全部靜場中進行，因而常常要等到深夜才進入最佳工作環境。首先，測試和調整每個揚聲器的電平，將所有硬件配置參數錄入系統中，在舞臺區放置測試揚聲器模擬信號源播放VIVACE特有的測試信號，測試觀眾席內所有的測試點（具有代表性的座位點）；最后，對軟件界面編排，精細調整每種狀態。在配合廠家整個調試過程中，充分體會到德國工程師嚴謹的工作態度。

VIVACE系統在界面控制計算機里，用戶界面最終生成6個場景鍵，其中有4個直觀的時間模式，分別是1.6 s、1.75 s、1.9 s和2.1 s；還有一個獨唱模式，使用時只需按亮相應的場景鍵即可，見圖17。

圖13 將原音響系統升級為VIVACE系統

圖15 VIVACE專用心形電容傳聲器的吊裝位置

圖16 隱藏在擴散體內的攔河效果揚聲器

圖14 VIVACE主機整合在音控室的調音臺基站機柜中

3.6 主客觀的評價

承接大連國際會議中心劇場音頻工程的大連藝聲電子工程有限公司，在系統建成后曾先后兩次邀請了國內音響行業幾位專家參與現場VIVACE系統效果的體驗和觀摩。

演示中采用了小提琴獨奏、小型管弦樂隊演奏，男女人聲獨唱等節目。通過在遙控計算機上開啟和關閉VIVACE系統做現場比較，試聽的結果令人驚喜和滿意。在VIVACE開啟狀態下，由房間的自然混響轉換成VIVACE系統生成的虛擬電子混響，沒有以往電子處理的染色痕跡，非常真實自然。樂隊演奏依舊層次分明透明度好，無絲毫的模糊或渾濁的現象，在觀眾席的各個區域，高中低頻聲部平衡沒有某個位置的頻段缺失或突出；男女人聲獨唱更加清亮和圓潤有親切感，由于混響時間的變長（演示時選用了2.1 s）使演唱更加具有溫暖和空間感，并沒有因為開啟而增加聲音響度，聲像的方位感也沒有任何偏移，符合VIVACE系統所追求的自然鮮活的聲音概念。

在演示過程中VIVACE廠家的高級工程師Bjorn先生還現場演示了系統的另一個應用，3D聲效移動（3D Source moving）功能，用小蜜蜂和直升飛機作聲源，表演聲音移動的3D飛行效果。在控制計算機上的3D模型里隨心所欲地拖拽聲源，現場便會出現嗡嗡作響飛來飛去的直升機、小蜜蜂，或起落或俯沖與你擦肩而過，讓聽者宛若置身聲音的夢幻場景，興奮之余又為之贊嘆。VIVACE系統的體驗得到了在場專家的一致認可。

圖17 大連國際會議中心劇場VIVACE的用戶控制界面

4 結語

隨著VIVACE電子可變聲場系統不斷完善，得到越來越多的應用。實踐證明，該系統有以下主要特點。

（1）根據需要改變室內的混響時間并控制頻率特性、抑制反饋，改善聲場的不均勻度、動態處理等，實時糾正房間失衡的混響特性，沒有時間間斷或延遲，沒有音調變化和染色，獲得真正意義的多功能劇場。

（2）對早期的反射聲和混響聲使用不同的模塊和不同信號處理算法，更加靈活地對脈沖響應進行修正。

（3）采用傳聲器的數量少，使系統處在較低的背景噪聲和更高的系統信噪比；同時，與未采用VIVACE系統的音響系統相比，造價未有大幅增加。

（4） 可配置4個獨立的混響區域，靈活地對各個區域進行參數修正，實現聲音不同區域的平滑過渡，適應大聽音場不同位置的需要。

（5）制作栩栩如生移動聲源的3D動態效果，支持環繞聲格式或多信道信號同步或自動演示。

（6）系統擁有雙通道冗余備份，有較高的安全可靠性，包括自我監控和自動切換的功能。

（7） 系統設備配置自由，不會約束使用某個廠家產品。

可見，VIVACE電子可變聲場系統對于多功能廳堂的混響控制是可行和有效的。2013年，在第十屆中國藝術節舉辦的“中國十大劇院”評選活動中，安裝有VIVACE可變聲學系統的大連國際會議中心大劇院榮獲了“最佳聲效劇院”單項獎。隨著人們對聲場和音質的更高追求，越來越多的電子可變聲場系統將會進一步發展和應用。

感謝大連藝聲電子工程有限公司技術總監滕文峰先生給予筆者的支持。

[1] 項端祈. 傳統與現代——歌劇院建筑[M]. 北京：科學出版社，2002.

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[7] （美）唐.戴維斯, 卡路琳.戴維斯. 聲系統工程. 中國電子學會, 1989.

周泉，電子與網絡工程師，大連藝聲電子工程有限公司工程部部長，在大連國際會議中心音響工程中擔任項目經理。

（編輯 杜 青）

VIVACE Electronic Variable Acoustic Field System and its Application in Dalian International Conference Center Theater

ZHOU Quan
（Dalian Yisheng Electric Engineering Co.,Ltd. , Dalian Liaoning 116021, China）

VIVACE electronic variable acoustic field system is an acoustic simulation system by means of electroacoustic method to change the indoor acoustic condition, and can realize 3D audio effects. Taking Dalian international conference center theater for example, the architectural acoustics and VIVACE system implementation plan were given in this paper.

VIVACE electronic variable acoustic field system; convolution algorithm; multifunction theater; architecture acoustic design; movable sources; 3D sound effect

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.004