可變混響系統的分析與構建

戴璐

(寧波音王電聲股份有限公司 國家博士后工作站，寧波315104)

1 引言

聲音由振動產生，以波的形式通過彈性介質進行傳播，在傳播過程中，聲波受到各種因素的影響而發生改變，比如吸收、反射、折射、衍射等，這屬于物理聲學范疇。聲音同樣也可以看作是由人耳接收并傳遞給大腦而進行感知的一個刺激量，這屬于心理聲學的范疇。而室內聲學涉及了物理聲學和心理聲學兩個方面。

“廳堂音質與其說是科學，不如說是藝術(Architectural Acoustics As An Art)”。1966年，德國哥廷根大學的Schroeder在其《建筑聲學》一書中將音樂廳音質歸結為三方面問題：物理的、心理的以及美學的或優選的問題。人們意識到，廳堂音質中存在的諸多問題并不是純粹的物理學范疇內就能解決的，還需要借助生理和心理等領域的知識，客觀聲場與主觀聽感之間的關系成為了研究的核心[1]。

近年來很多地方也紛紛興建地區性“大劇院”或“藝術中心”。由于建設投資有限或考慮到單一專業型劇場利用率不高等因素，地方政府更熱衷于建設一個獨立的能夠適應音樂、歌舞、戲劇演出、電影放映甚至會議、報告使用的多功能劇場。

然而，國內絕大多數的“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應是可以根據演出節目的不同種類和需求，廳堂內聲場可變的，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。不同類型節目所要求的最佳混響時間的典型值如表1所示[2-4]。

表1 各種節目類型的最佳混響時間

真正意義上的多功能劇場是指觀眾廳的混響時間可變，廳堂的聲學環境與使用目的相適應才。改變廳堂聲場的方法有兩種，一種是通過物理的方法改變廳堂的容積和墻壁上的反射、吸聲特性。另外一種是通過電聲的手段來模擬墻面的反射聲或擴散聲，來改變現有廳堂的聲場特性。

這兩種方法都各有優缺點，比如通過物理的方法改變廳堂聲場特性，可以根據實際需要情況增加或減少吸聲量，改變混響時間和空間感知，具有自然的聽感，缺點是造價昂貴，操作復雜，后期維護成本較高。通過電聲方法改變廳堂聽感的方法造價成本相對便宜，操作簡單，安裝和維護也比較方便，缺點是受到固有物理空間的影響，只能增強混響感，而不能減弱混響感，也容易引起電聲嘯叫和不自然感。

通過電聲手段改變廳堂聲場環境的方法已經使用了幾十年了，早在1965年的AR系統利用赫姆霍茲共振方法改變了一座廳堂的混響時間，之后各電聲公司或聲學研究機構根據不同的聲學原理開發了數種電子可變混響系統，并一直改進優化至今，現代電子混響系統的共同點有：使用心型或超心形傳聲器拾取舞臺直達聲或觀眾區的反射聲，揚聲器在觀眾廳或者舞臺上進行反射聲重放；利用電子設備提高聲場內的聲能或改善聲能分布；具有基本延時效果；重放揚聲器通常選擇緊湊型/小型揚聲器；具有硬件處理器及和可視化軟件操作平臺等。電子聲場控制系統的發展歷史和技術特點如表2和表3所示。

表2 電子聲場控制系統的發展歷史

表3 電子混響系統各自的技術特點

其中VRAS是將MCR和ACS兩種系統的優勢結合并進行優化而來，并在2005年被Meyer Sound收購，改名為”Constellation”；LARES為E-acoustic的前身。

2 可變混響控制系統

目前主流的電子可變混響系統主要有聲場控制系統ACS、多通道混響系統MCR、可變室內聲學系統VRAS、電子聲學系統(E-coustic)、多功能創新聲學引擎系統(VIVACE)、多功能演藝聲場控制系統技術簡介CDC.Revb[5-10]。

2.1 聲控制系統(ACS)

該系統是以直達聲為對象，使用多通道指向性傳聲器拾取信號，將拾取到的均勻覆蓋所有位置的聲源信號進行特殊處理，形成早期反射聲和混響聲，營造出一個可變的聲學環境。其主要功能有：

(1)為觀眾廳提供早期(或近次)反射聲；

(2)改變(延長)觀眾廳的混響時間，并可優化混響時間的頻率特性；

(3)提供舞臺返送，使舞臺上的演員、演奏員能真實地聽到觀眾廳的實際聲效；

(4)替代舞臺聲反射罩。

電聲控制系統(ACS)主要由傳聲器以及信號處理矩陣組成，傳聲器主要負責拾取直達聲。其系統框圖如圖1所示。

圖1 ACS系統框圖

2.2 多通道混響系統(MCR)

MCR系統是以“擴散聲場”為對象，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大于廳堂混響半徑(特別是同聲道的傳聲器)，使各聲道間的相關性最小，其系統框圖如圖2所示。

MCR系統的主要原理是運用大量的放大通道有效地提高混響聲能，從而改變或者延長混響時間。系統增益的大小取決于放大聲道的數目只有嚴格控制系統增益才能保證系統的穩定性，并保持良好的音質。

圖2 MCR系統框圖

2.3 可變室內聲學系統(VRAS)

VRAS系統最基本的是“耦合房間”——電聲耦合的概念，其核心是以一個“數字電子混響器”代替“真實的耦合空間”。這種非直連式系統可以控制局部和整體室內聲學特性，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，且該系統比MCR系統相比，聲道數目要求少得多，VRAS的系統框圖如圖3所示。數字信號處理器包括：輸入交叉耦合矩陣、多通道混響器、反饋交叉耦合矩陣、輸出交差耦合矩陣。傳聲器無方向地布置在觀眾廳內，主要拾取大廳內的混響聲。

圖3 VRAS 系統框圖

傳聲器信號饋送給輸入交叉耦合矩陣，輸出一路直接接連到輸出(輸出耦合矩陣)，另一路接入混響器網絡(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，最后送回室內揚聲器。

2.4 電子聲學系統(E-coustic)

該系統的原理是通過時變人工混響改進室內聲學。該系統的聲學處理器有4個獨立的聲學處理引擎，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的控制，同時能夠調整所有的關鍵聲學參數(如：早期反射聲等)，結構框架如圖4所示。時變混響系統能夠在房間傳輸函數中拓寬諧振峰，為系統增加了穩定性，因此，傳聲器和揚聲器可以放置在彼此較近的地方，不會出現聲反饋帶來聲染色。同時系統可以減少傳聲器的使用數量。其獨立的聲學處理器對直達聲、反射聲及混響的聲能量進行獨立控制，同時能夠調整如平均自由程、早期衰變時間等參數。

圖4 E-acoustic系統聲學引擎

2.5 多功能創新聲學引擎系統(VIVACE)

VIVACE電子可變聲場系統在全頻段(20Hz～20kHZ)采用脈沖響應采集和專利卷積算法生成聲場混響效果，系統使用的兩個基本條件是：

(1)房間起始混響時間(500Hz和1000Hz)相對較短；

(2)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。

該系統中包含世界上許多著名廳堂所采集的室內聲學特性參數，利用“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卷積。系統的卷積過程可通過式(1)來描述，其卷積過程示意圖如圖5所示。

a*(b1*b2)=c

(1)

其中a：靠近舞臺口的傳聲器拾取項目廳堂聲信號，b1：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：卷積后信號通過功率放大器饋送給大廳的揚聲器以三維聲學特性投射到觀眾區域，c：獲得的目標脈沖響應。

圖5 VIVACE系統的信號卷積過程

2.6 多功能演藝聲場控制系統技術簡介CDC.Revb

多功能演藝聲場控制系統CDC.Revb的研發是結合多年的室內聲學理論研究及最新的心理聲學成果，經過大量聽感實驗和理論基礎研究工作的論證，應用了現代多聲道環繞技術和最先進的實時信號處理技術。

CDC.Revb主要應用領域是對于音樂有較高需求的場所，獨立于擴聲系統，也可以和擴聲系統進行復用，也可和市面上較常用的杜比全景聲格式及其他電影放映格式進行兼容和復用，其主要功能如下：

a)有效增強混響感和清晰度；

b)有效增強空間感和視在聲源寬度；

c)調節混響頻率特性；

d)適合不同演出需求，在不同模式下自由切換聲場模式；

e)提供沉浸式的虛擬聽感。

(1)技術特點

a)舞臺話筒拾音陣列技術

自定義的舞臺話筒陣列拾音技術，話筒陣列分為兩種類型，第一種是針對中小型舞臺的拾音技術，使用了19支強指向性的傳聲器吊掛在舞臺上空，主要是對舞臺中心區域的聲源進行拾取。另外針對比較大型的舞臺，或者是比較大型樂隊的演出情況，可以使用另一種話筒陣列——“豐”字型話筒陣列，它三個子陣列共15只話筒組成，每個子陣列的夾角可以根據具體舞臺尺寸進行調節。六邊形陣列覆蓋舞臺中心區，風字型是覆蓋舞臺左中右三個區域，將聲源劃區域處理，舞臺拾音用話筒陣列如圖6所示。

圖6 豐字型和六邊形舞臺拾音話筒陣列

b)自定義重放格式

多功能演藝聲場控制系統自定義了實用與中小型廳堂的、可與全景聲系統復用的重放格式。觀眾區只有一層時，系統揚聲器共有48只，14個編組，其中44只為全頻音箱，覆蓋整個聽眾區域，4只音箱為低音和補聲音箱，如圖7所示。

觀眾區有二層樓座時，虛擬混響系統的揚聲器系統為44+8+4只、14+2編組的形式，其中44只全頻音箱覆蓋整個聽眾區域，8只全頻音箱對樓座下的聲影區進行補聲，模擬來自天花的反射聲。

圖7 CDC.Revb系統音箱重放格式示意圖

(2)應用

虛擬混響系統是以全景聲電影的放音系統為基礎，無需改變其揚聲器數量或布局，而是作為全景聲電影放音系統的輔助功能，在音樂會、綜藝表演等演出時使用，用于改善室內混響感，營造更為自然舒適的聽覺感受。虛擬混響系統是一套獨立的系統，不具備擴聲或補聲功能。

多功能演藝聲場控制系統是為城市文化中心劇場，多功能劇場，企事業單位，大型社區劇場等應用環境進行研發的，除了可以用在室內之外，也可以用在室外。主要目的是為觀眾提供一種比較親切、舒適的自然聽感和深刻的聽覺感受。除此之外，CDC.Revb還可以用在多功能廳、影劇院、音樂廳、戶外表演，演講，可以增加早期直達聲，提高清晰度，為聽眾營造一種虛擬的感覺，可以給大家帶來一種虛擬劇場的感覺。

3 結束語

目前利用電聲方法的可變混響系統的功能已經不再僅僅是“改變混響時間”這樣單一的功能，系統同時更強調對聲場的綜合控制，優化聽音環境，通過調整直達聲、早期反射聲、后期混響聲等能量的比值及其他聲學參數以營造自然的聲學特性。可變混響系統一般都可與電影放映系統以及擴聲系統復用和融合，不僅在室內，在室外也同樣可以創造獨特的包圍感和空間感等[11-12]。

由于可變混響系統原理復雜，涉及眾多的室內聲學及心理聲學概念和原理，因此對調試人員具有較高的聲學專業背景要求，而現場使用人員也應具有一定的專業背景知識和相關培訓才能進行操作。

伴隨音頻技術與電子技術的迅猛發展，“數字音頻處理技術”的應用使得具有可變或恰當音質廳堂的造價成本大幅降低，在國外已經有了很多成功應用的案例和場景，而在中國，電子聲場控制系統也具有廣闊的應用領域和市場前景。