電聲可變混響系統的發展與應用

【摘 要】 電聲可變混響系統自問世以來已有60年的發展歷史，仍在不斷尋求新的技術改善、優化室內聲學環境，以滿 足真正的使用需求，近期出現的一些電聲可變混響系統被更多的音樂家們所認同，并得到較廣泛的應用。

【關鍵詞】 最佳混響時間；聲場控制；聲染色；信號卷積；專業型劇場

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.007

【Abstract】It has been sixty years since the acoustic variable reverberation system coming into being. Up to now， people have been constantly seeking new technology to prefer the system， to improve and optimize the indoor acoustical environment in order to meet the needs of real use. Happily， some latest arisen of acoustic variable reverberation systems were approved by more musicians and have been more widely used around the world.

【Key Words】best reverberation time； sound field control； sound dyeing； signal convolution； professional theater

1 問題的提出

不同使用目的的廳堂，為獲得良好的音質效果對大廳混響時間的要求也各不相同。換句話說，要有一個“合適”的混響時間與之相適應，這個“合適”的混響時間就稱作最佳混響時間。

廳堂的最佳混響時間，通常是對中頻500 Hz和1 000 Hz而言的。它是依據對大量的廳堂進行主觀音質評價，結合聲學測定結果，經統計分析確定的經驗值，因此，在國內外有關文獻中所推薦的最佳值會有一定的出入，常給出一個范圍。需要注意的是，混響時間是廳堂音質評價的重要指標，但不是唯一的指標。其他聲學屬性還包括：明晰度、空間感、親切感和溫暖感等。

為了保證各類節目演出具有最佳的視覺和聽覺效果，國內外建造了許多“專業型”劇場，如戲劇場、歌劇院和音樂廳等。這些“專業型” 劇場需要進行專門的建筑聲學設計以獲得良好的音質效果，譬如廳內混響時間可以分別是1.2 s，1.6 s和2.0 s等。除單一功能的專業型劇場外，還有眾多的能滿足音樂、歌舞、戲劇演出乃至會議使用的多功能劇場。

多功能劇場即多種使用目的的劇場，是以滿足某一種文藝演出形式為主（如歌劇）并兼做其他演出（如演唱會、戲曲等）使用。多功能劇場觀眾廳的混響時間常選取一個“中間值”，例如1.4 s，顯然這對于語言類節目嫌長，而對于音樂類節目又嫌短。

中國絕大多數的 “多功能劇場”僅僅是使用意義上的多功能廳，而不是真正意義上的多功能劇場。所謂真正意義上的多功能劇場是指觀眾廳的混響時間必須是可變的，只有聲學環境與使用目的相適應才能保證良好的音質效果。

2 實現廳堂混響時間可變的基本方式

實現劇場觀眾廳混響時間可變基本上有兩種方式：“建聲方式”與“電聲方式”。

建聲方式是一種傳統的技術措施，它是通過改變室內的容積或改變墻壁、天花板等部位的吸聲材料與結構，亦即改變室內的總吸聲量來實現調整混響時間的目的。這種方式的優點是“全建聲”效果；缺點是費用高，可調混響時間的范圍小（一般觀眾廳要改變0.5 s需要付出很大努力），而且還存在使用中的安全性、可靠性和方便性的問題。

電聲方式是采用電聲系統設備，通過電聲聲場控制技術來控制室內的混響時間和其他聲學特性。這種方式的優點是所花費用較低，混響時間可調范圍大（可以是2～3倍），可預先設定，使用方便。它不僅實現了混響時間可變，而且還可以對室內聲場進行“修正或優化”，如增加近次反射聲、聲擴散，調整直達聲、反射聲和混響能量的最佳比例，以及對混響時間頻率特性進行調整等。

需要指出的是，有人把這種方式混同于“歌舞廳的混響效果器”，這是不對的。電聲可變混響系統是以優化室內聲學環境為目的，它所建立的聲場具有完全自然的時間特性和空間特性，是真正意義的三維聲學空間，可以說是用現代的電聲技術來創造一個忠實自然的“人造”聲學環境。

3 電聲可變混響系統簡要歷史回顧

利用電聲的方法實現室內聲學可變的實用系統源于20世紀50年代。電聲可變混響系統自問世以來，伴隨科學技術的發展與進步（特別是電子技術的迅猛發展），從開始的實驗裝置發展到完善的系統設備，已在國際上許多發達國家的劇院尤其是多功能劇場中得到了較廣泛的應用。

第一套立體混響裝置是1954年實現的，以后國際上不斷出現以不同“機理”、不同“命名”和不同控制方法的電聲可變混響系統。具有代表性的系統見表1。

4 認知不同形式的電聲可變混響系統

表1中列舉了國際上不同時期出現的十幾種具有代表性的電聲可變混響系統，它們的“機理”（含專利算法）以及系統的構成各不相同，所有這些系統都可以用歸一化系統框圖來表示，見圖1。隨著時間的推移，電聲可變混響系統在不斷地“創新”或稱“進步”，可以概括為：

（1）實現房間內聲學環境優化與混響時間可變是系統所要達到的最基本的目的；

（2）傳聲器與揚聲器同處在同一房間（或聲場）內，系統不可避免地存在聲反饋；

（3）努力避免因聲反饋而產生的聲染色，控制好系統的穩定增益，讓使用者和聽眾都覺察不到“電聲味”，保持良好的聲音質量是系統追求的最終目標；endprint

（4）盡量簡化系統設備配置，降低系統造價；

（5）力求方便系統設備的現場安裝、施工和簡化系統調試；

（6）擴展應用范圍，如“電子”舞臺反射罩，多通道聲重放，室外廣場應用等。

需要指出的是，電聲可變系統的穩定性（即無察覺聲染色工作狀態）取決于系統設計亦即系統設備配置的通道數（或傳聲器數量）。通常設計方在系統調試中所預設的混響時間范圍都較大，如可以是1.2 s～3.5 s，但這并不意味著就是實際的使用范圍，譬如在系統設計時，無察覺聲染色的混響時間上限是1.8 s。因此，如果想要使用預設值中更長的混響時間而又要保持良好的聲音效果（即無察覺聲染色），對上述所有系統“惟一”的解決辦法（或技術措施），相應地增加系統的傳聲器數量（通道數）。

5 典型電聲可變混響系統簡介

5.1 受援共振（AR）系統

受援共振（Assisted Resonance）系統是由Parkin和Morgan于1964年為改進倫敦英國皇家節日音樂廳的音質（主要是增加廳內低頻的混響時間）而研發的多通道混響系統。

英國皇家節日音樂廳于1951年建成，廳內容積22 000 m3，觀眾座席3 000座，大廳原混響時間1.4 s。

AR系統基本上是一個“窄帶”系統，每個聲道包括一個用聲共振器（亥姆霍茨共振器）調諧于某個窄頻帶的電容傳聲器、移頻器、20 W功率放大器和揚聲器；在58 Hz～700 Hz的頻率范圍內共使用了172個聲道。大廳使用該系統后，700 Hz以下的混響時間變化非常明顯，以125 Hz為例，混響時間由原來的1.4 s增至2.2 s。它不僅增加了低頻的混響時間，也增加了聲擴散，非常有效地改進了大廳的音質效果，受到當時許多著名音樂家的贊揚。

AR系統由開始的一種實驗裝置經過隨后幾年的不斷改進與完善，最終成了永久性的系統設備，它成為多聲道電聲系統使用時間最長的一個成功案例。后來在美國一些新建的音樂廳（如York，Concord和Scottsdale等）也采用了AR系統，只是在通道數上有所減少。

5.2 多通道混響（ MCR ）系統

荷蘭飛利浦公司的Franssen于20世紀60年代提出了通過一系列“傳聲器-揚聲器獨立寬帶聲道”，可以顯著增加室內混響時間。多通道混響 （ Multiple-Channel Reverberation）系統就是Franssen理論的商業化實現。MCR系統實際應用有二十余年的歷史，當時在歐洲許多國家新建或改造的多功能會議大廳、多功能劇場和音樂廳等場所得到了較廣泛的使用。據不完全統計，2000年以前的成功案例有20余個。1995年MCR完成了由模擬系統到數字系統的轉變。

MCR系統是以擴散場為對象，因而傳聲器布置在觀眾廳內不直接拾取舞臺上的信號。每個揚聲器和每個傳聲器之間的距離均處于廳堂混響半徑之外（特別是同聲道的傳聲器），這樣可以使各聲道間的相關性最小，總放大量就是各聲道放大量之和（能量之和）。系統中要嚴格控制每個聲道的回路增益，以確保系統的穩定性和聲音的自然感。

在一個均衡良好的傳輸線路中，平均信號和峰值信號的電平差值為10～12 dB，一個放大環路要保持穩定和避免產生聲染色，環路增益不應高于-6 dB。因此，從理論上講，每個聲道的回路增益應當是g2 =-17 dB（= 0.02）。在實際應用中，為確保系統的穩定性和防止可能出現的聲染色，常把回路增益g2設置在-19 dB（即0.0125）。

設計一個MCR系統，要知道廳堂起始的混響時間（TO）和最終需要達到的最大混響時間（TN）。例如，一個多功能劇場觀眾廳的起始混響時間TO = 1.2 s，需要的最大混響時間TN = 1.8 s，由下式可計算出所需要的通道數：

N = （TN/TO-1）/g2

g 2為回路增益一般取0.0125

本例需要40個聲道。

法國里昂（Lyon）音樂廳是40多年前建造的，觀眾廳容積22 000 m3，觀眾座席2 078座。主要用于交響樂、輕音樂和歌劇等。由于當時廳內音質效果不是很好，室內建聲曾改過多次，仍不夠滿意，特別是舞臺上的聲音不佳（舞臺空間較高）。1993年開始設計、安裝MCR系統，先從舞臺上開始（見圖2），實際效果讓劇院和使用者都感到滿意，隨后推向觀眾廳，于1997年11月完成。該系統是一套模擬系統，共有46個聲道，舞臺上14個聲道相當于舞臺聲反射罩，觀眾廳32個聲道，觀眾廳空場中頻混響時間的變化量從原來的1.65 s增至2.15 s，分四級控制。

5.3 聲控制系統（ACS）

聲控制系統（Acoustic Control System）是20世紀80年代由荷蘭ACS公司與荷蘭Delft大學共同合作開發的電聲聲場控制系統。據不完全統計，截止到2005年，ACS已在世界各地的50余處劇院、多功能劇場、大學禮堂、議會大廳和教堂等場所應用。

ACS是以直達聲場為對象，因而傳聲器布置在舞臺口上方直接拾取舞臺上的信號，利用原信號與系統脈沖響應的卷積來附加混響。每支指向性傳聲器“負責”拾取舞臺上或樂池的一部分信號，通常1支傳聲器覆蓋5 m2～10 m2的舞臺面積。每支傳聲器拾取的信號經處理后由矩陣器分配給各通道。

美國加州大峽谷學院劇場2004年建成（見圖3），觀眾座席925座；混響時間：1.0 s～2.3 s，分8級控制。ACS系統采用18支超心形指向性傳聲器，18個通道的早期反射聲和混響矩陣模塊和各種不同類型揚聲器66只。

5.4 可變室內聲學系統（VRAS）

可變室內聲學系統（Variable Room Acoustics Systems）是1993年由新西蘭M.A.Poletti提出的，后經美國LCS（LEVEL CONTROL SYSTEMS）公司研發生產的。2005年被美國 Meyer 公司收購，VRAS 改名為“Constellation”。endprint

VRAS最基本的是“耦合房間”─ 電聲耦合的理念，其核心是以一個專門設計制作具有單一性質的“數字式電子混響器”代替“真實的耦合空間”。數字聲頻信號處理器主要包括有：輸入交叉耦合矩陣，多通道混響器，反饋交叉耦合矩陣，輸出交叉耦合矩陣。這種新型的非直連式系統與以前的系統相比，可自然地控制局部和整體室內聲學特征，系統的混響增益與響度增益無關，能更好地抑制可能出現的聲染色以獲得高質量的聲音重放。

VRAS使用了一些“傳聲器-揚聲器獨立寬帶聲道”，與MCR系統類同，傳聲器布置在觀眾廳內主要拾取大廳內的混響聲。傳聲器拾取的信號饋送給輸入交叉耦合矩陣，矩陣輸出一路直接連到輸出（或輸出耦合矩陣），另一路接入混響器網絡（其中含有延遲、增益調節和阻尼濾波等），網絡的輸出經過環路增益調節反饋到輸入，產生輸入信號的再生混響（混響器基本上是由N個具有不同延遲時間和反饋增益的梳狀濾波器構成，它們通過反饋矩陣交叉耦合），然后把它們送回室內的揚聲器。VRAS中的“多通道混響器”是一種專門設計的組件，它區別于通常的“標準混響器”，具有單一的性質且功率增益隨頻率的變化是平坦的，是防止系統出現聲染色和不穩定的關鍵。如果某些大廳需要更強的早期反射聲能，VRAS可以提供ER（早期反射）子系統。ER子系統含有一個反射處理器，其原理與VRAS混響器的原理類似。

捷克布拉格議會中心建于1980年，觀眾廳座位3 300座（見圖4），多功能使用以會議為主兼做交響樂演出等。大廳改建使用了VRAS系統以增加混響時間和提供早期反射聲，該系統完成于2001年8月。使用VRAS系統后，觀眾廳混響時間的變化是：

63 Hz～125 Hz頻段，由原來的1.7 s～1.8 s增至2.4 s；

500 Hz～1 000 Hz頻段，由原來的1.5 s～1.6 s增至2.1 s。

5.5 電子聲學優化（E-coustic ）系統

1988年，David Griesinger和Steve Barbar提出了“通過時變人工混響改進室內聲學”，電子聲學優化系統就是以此理論為基礎的，當時已成功設計和集成了用于聲學優化的組件和系統。1995年LARES公司成立，對此系統在軟、硬件方面不斷的改進和完善，形成了今天全新的第三代聲學處理技術。

E-coustic 系統采用了全新的數字處理平臺即“獨立時變混響器”（見圖5），并結合神經科學和聲學領域的研究成果（聲音品質與人類感知的相互關系）推導出新的聲學算法，可以精確模擬出“房間”所有的關鍵聲學參數。時變混響器能夠在房間傳遞函數中拓寬諧振峰，從而直接為系統額外增加至少6 dB的穩定性。即每個通道的平均環路增益能夠達到-12 dB，比一般的非時變系統高出8 dB，故廳內的傳聲器和揚聲器可以放置在彼此較近的地方，而不會出現聲反饋帶來聲染色。與其他電聲可變混響系統相比，采用 E-coustic 系統可減少傳聲器的使用數量。

E-coustic 系統中最主要的硬件部分是全新的 Mainframe III （聲學處理器）和 Matrix （矩陣）處理器，它們提供了具有極其靈活性的聲學處理能力的系統。Mainframe III有4個獨立的聲學處理引擎，運行全新的聲頻算法（源于對物理聲學和人類神經學的最新研究）。每個聲學處理器對直達聲、反射聲及混響的聲音能量進行獨立控制，同時能夠調整所有的關鍵聲頻參數（如平均自由程、早期衰變時間等）。ECS-MADI 數字音頻接口提供 128 通道 24 bit AES/EBU 音頻傳輸。Matrix處理器具有512 個輸入 / 輸出通道，內部處理通道超過 8 000 個。信號通過一個 512 路點對點路由矩陣分配發送。在每個輸入、交點和輸出上都可對信號增益、延時和七段參數均衡進行調節。Matrix 處理器強大的處理能力不僅可以充分滿足聲學優化配置，還提供了多個專用通道，供電影環繞聲以及復雜的聲像移動場景的效果聲使用。

據LARES公司稱，E-coustic 系統在全世界各地的音樂廳、歌劇院、教堂、運動場及室外廣場采用固定安裝或流動系統的應用案例超過 400 個，例如：阿姆斯特丹市政歌劇院、柯普萊交響音樂廳、波士頓大學蔡氏表演中心、意大利會議宮——沙拉歐羅巴、多倫多埃爾金劇院（見圖6）和德意志國家歌劇院等。

5.6 VIVACE系統

VIVACE取自意大利語，意思為“活潑的”。VIVACE系統于2008年是由兩家德國公司共同研發并在不斷改進中，軟件是由Muller BBM聲學公司研發；硬件是由Stagetec公司制造，并最終整合成完整的VIVACE系統。

VIVACE系統采用卷積算法，系統軟件中還包含了世界上許多著名廳堂所采集的室內聲學特性參數，借助專利技術“聲學指紋”將項目廳堂卷積為目標廳堂的聲學特性參數，設計的算法對舞臺信號與之前所采集的脈沖響應進行“折疊”。

系統有4 個獨立處理引擎可以對大廳4 個不同的聲學“區域”分別進行聲學優化與控制。包括對混響時間、混響電平、頻率特性、反射密度、瞬態響應的調整；以及對早期反射聲、混響聲進行獨立控制等。系統中的路由矩陣每個交叉點可獨立設置電平和時間延時，最大支持192×192輸入/輸出。相對傳統系統，VIVACE系統使用傳聲器數量少，通常情況下僅需要4支～12 支。此外，VIVACE系統可選配三維聲音效果軟件，支持現場實時多聲道聲音效果。

近年來，VIVACE系統在歐洲地區有近20個成功的應用案例。例如，德國格賴茨市政廳、法國巴黎（加尼葉宮）歌劇院、俄羅斯莫斯科民間文學藝術劇院和阿聯酋酋長皇宮酒店劇院等。奧地利薩爾茨堡劇院莫扎特巖石劇場（見圖7），觀眾廳座席1 430座；觀眾廳自然混響時間1.8 s。2011年安裝使用VIVACE系統預設的混響時間是2.1 s。endprint

中國大連國際會議中心劇院2012年建成投入使用，觀眾廳座席1 600座，觀眾廳自然混響時間1.4 s。VIVACE系統預設的混響時間是1.4 s～3.0 s。

6 結語

近代的電聲可變混響系統的使用功能已不局限于“混響時間可變”，同時更加注重改善、優化室內空間的聽音環境（或聲學環境），亦即采用電聲的手段改變項目大廳的聲學屬性，諸如反射聲、聲擴散、混響聲（含分布）以及調整直達聲、反射聲和混響能量的最佳比例等。這樣的調整常以世界上著名音樂廳、歌劇院（或稱目標大廳）的室內聲學特性參數做比對，最終使項目大廳的聲音效果更加接近目標大廳自然的聲學特性。

此外，為滿足表演藝術聽感的需要，有些系統則給出了針對性的設計與系統配置，使廳內聲音更加豐滿、自然。莫扎特巖石劇場配置的電聲可變混響系統就是一個典型的范例，劇場混響時間的變化量僅為0.3 s。

近代電聲可變混響系統在不斷擴展應用范圍：如“電子”舞臺反射罩；廳堂擴聲系統與電聲可變混響系統的進一步融合；為室外廣場音樂會創造如同室內場館特有的溫暖感和環繞感；以及多通道聲重放等等。

電聲可變混響系統的應用需要得到劇院管理人員特別是音樂家們的認同并感到滿意后方可投入使用。國外有人曾大致統計過，自20世紀80年代以來全球在不同場所已安裝有700多個電聲可變混響系統，但其中有相當數量的系統并不被音樂家們所認同（特別是一些早期的系統），主要問題是聲音效果（或音質）的自然度不能令人滿意。究其原因，既有某些系統自身不夠完善的地方，也有系統在設計、器材配置、安裝、調試或使用不當等多方面因素。

可喜的是，近期出現的電聲可變混響系統，被音樂家所認同的比例大為增加并得到了較為廣泛的使用，其中包括歐、美地區一些有名的劇院，例如：奧地利薩爾茨堡歌劇院、維也納國家歌劇院、德意志國家歌劇院以及阿姆斯特丹市政歌劇院等。目前，在中國成功的案例還不多。伴隨科學技術的發展與進步，采用電聲控制系統來改善房間音質會有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 沈 編著. 擴聲技術[M]. 北京：人民郵電出版社，1982.

[2] （美）白瑞納克 著. 音樂廳和歌劇院（中譯本）[M]. 王季卿，戴根華 等譯. 上海：同濟大學出版社，2002.

[3] 羅祺安，王福津. 赴歐洲技術考察MCR，ACS系統紀要[G]. 2000-03.

[4] 王福津，歐陽鴻. PHILIPS工程集成MCR系統[J]. 電聲技術，2000（8）：22-23.

[5] 王福津. 使用多聲道混響系統改變劇院聲學環境[J]. 演藝器材資訊，2001（2）：22-25.

[6] 王福津. 一種新型的室內聲學增強系統VRAS[J]. 演藝器材資訊， 2001（6）： 16-18.

[7] 王福津. 可變室內聲學系統的發展與現狀[J]. 電聲技術，2002（2）：33-37.

[8] 王福津. 電聲控制系統（ACS）及應用[J]. 演藝設備與科技，2005（5）：23-26.

[9] 王福津. 赴歐洲技術考察VIVACE系統紀要[R]. 2011-07.

[10] VIVACE ROOM ENHANCEMENT SYSTEM[G]. Salzbrenner Stagetec 公司資料，2011.

[11] 電子聲學可變混響系統E-Coustic[G]. 易科（EZPRO）公司資料，2013.

[12] David Griesinger. Improving Room Acoustics Through Time-Variant Synthetic Reverberation[C]. 巴黎：第九十屆音頻工程師協會. 1991-02.endprint