探討可變混響技術的聲學參量變化規律

楊志剛

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200041）

1 可變混響技術應用的必要性

1.1 多功能是劇院運營的需要

劇院建筑具有三大特點，機電設備（舞臺機械、舞臺燈光、音視頻系統以及空調水泵等）多，體量（大廳、觀眾廳、舞臺空間以及后勤空間等）比較大，投資大（動輒幾億、十幾億甚至幾十億）。機電設備多和體量比較大，使得劇院運營成本非常高。如果一個劇場只是單一功能，則利用率會偏低，后期的運營成本更大，大量投資起不到應有的作用。因此，國內劇場一般都是多功能的，主要是為了提高利用率、增加經濟和社會效益。

1.2 專業音樂廳也有多功能的需求

音樂包括聲樂和器樂兩大類，按表達形式和旋律風格來分，音樂的種類比較多（如歌唱類聲樂，搖滾樂、爵士樂等流行樂；交響樂類純音樂等），不同的音樂對音質要求也不相同。即使是交響樂等純音樂，浪漫時期的旋律結構與古典時期有所不同，其對音質要求也不同。不同的樂隊指揮和演奏者對同一音樂的理解不同，對音質要求也不一樣。

1.3 不同的使用功能要求音質參量可變

為適應多功能需求，要求廳堂音質參量可變。其中，混響時間是最主要的音質參量之一。通過對不同表演類型的長期觀察、測量與評價，參照美國聲學專家Beranek著的《音樂廳和歌劇院》（第二版）以及近年來新建交響樂廳混響時間變大的趨勢，給出不同使用功能混響時間范圍的建議值（見表1）。

所謂可變混響技術，是指可以調節廳堂音質參量的方法和措施。一個廳堂要滿足不同使用功能，并且使不同使用功能都具有良好的聲學效果，就有必要采用音質參量可以調節的技術。由于早期的廳堂音質設計只有混響時間單一的參數指標，因此，可變混響技術就泛指廳堂音質參量的可變技術。

2 五種可變混響技術聲學參量的變化規律

根據音質參量調節方式的不同，可以把可變混響技術的實現方法分為五類，分別為改變吸聲量、改變體積、增設耦合空間、增設音樂反聲罩和電聲可變混響技術等。當然，也可以兩種或兩種以上方法一同使用，如改變體積的同時也可以改變吸聲量，增設耦合空間的同時也可以改變吸聲量等。

表1 不同使用功能的混響時間建議值

為了全面了解五種可變混響技術的聲學參量變化規律，以蘇州文化藝術中心1 200座大劇院為原型進行計算機模擬分析，并做全面地對比分析。選取的聲學參量參照國際標準ISO3382和GB/T36075.1-2018《聲學 室內聲學參量測量 第一部分：觀演空間》的建議（見表2）以及常用的混響時間T30和雙耳聽覺相關系數（1-IACCE3）。

采用的模擬軟件為ODEON 15.15 Combined。初始狀態為交響樂模式（有樂罩），混響時間T30控制在2 s左右（見圖1）。聲源設置在舞臺邊緣向內3 m的中心線上，距離舞臺地面高1.5 m。在觀眾席共設置16個測點，均離舞臺地面高1.2 m，聲源和測點布置見圖2。計算機模擬的所有參量均為空場狀態，除了IACCE3為500 Hz、1 kHz、2 kHz三個倍頻帶的平均值外，其他參量均為500 Hz和1 kHz的中頻平均值。LEV是根據2003年Soulodre、Lavoie和Norcross通過大量實驗數據推導的公式計算而來的：LEV=0.5G(Late,mid)+10 log[1-IACC(Late,mid)]，其中GLate=G-10 log(1+C80/10)。

2.1 改變吸聲量

根據賽賓公式，混響時間與吸聲量成反比，增加吸聲量，可以降低混響時間。改變吸聲量的措施主要有可調吸聲簾幕和其他可調吸聲構造（如翻板式、圓旋轉式、升降式等）。其中，可調吸聲簾幕因結構簡單、占用空間較少、造價比較低等優點，應用非常廣泛。

吸聲簾幕一般布置在后墻的情況比較多。同時，由于中間位置多為燈控室、音控室的觀察窗和追光的開窗，因此，只能布置在后墻兩邊，后墻吸聲的計算機模型見圖3（紅色區域為吸聲材料布置位置）。表3為增加吸聲量前后音質參量的變化情況（計算機模擬分析）。為了驗證計算機模擬結果的可靠性，表4采用無錫大劇院（圖4）和山東濰坊音樂廳（圖5）部分音質參量的實測數據加以驗證。

表2 國際標準ISO3382和GB/T36075.1-2018建議的聲學參量

表3 增加吸聲量前后音質參量的變化（計算機模擬分析）

圖1 初始狀態計算機模擬內景圖

圖2 聲源和測點布置圖

圖3 后墻吸聲的計算機模型內景圖

圖4 無錫大劇院（吸聲簾幕布置在頂部）

結論：增加吸聲量（布置在后墻），混響感變小，明晰度增大，主觀聲級變小，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感降低。

圖5 山東濰坊音樂廳（吸聲簾幕布置在上部側墻和部分前后墻）

圖6 頂部提升3 m的計算機模型內景圖

圖7 深圳南山文體中心大劇院（吊頂可升降）

2.2 改變體積

根據賽賓公式，混響時間與體積成正比，增加體積，可以提高混響時間。由于改變體積多數采用機械升降的方式，造價比較高，需要舞臺機械和建筑結構緊密配合，因此在國內應用得比較少。在國內劇場，增加體積多采用提升頂部的方法，圖6為頂部提升3 m的計算機模型。國內已知的采用這種方法的有深圳南山文體中心大劇院（7塊可升降吊頂，見圖7）、北京電視臺劇場（可升降面光橋，見圖8和圖9）、上海音樂學院歌劇院（幅度約2 m的可升降吊頂，見圖10）和蘇州文博中心大劇院（幅度約5 m的可升降吊頂）等。計算機模擬分析數據見表5，實測數據驗證見表6。

結論：增加體積（頂部提升），混響感增大，明晰度減小，主觀聲級變小，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感略有降低。

計算機模擬的主觀聲級G值變化比較小，主要是因為臺口附近吊頂并沒有提升，而深圳南山文體中心大劇院提升的是靠近臺口的7塊吊頂。因此，在增加體積時，盡可能采用提高遠離聲源的吊頂（中后吊頂），這樣主觀聲級下降會比較小。

表4 增加吸聲量前后音質參量的變化（實測數據驗證）

表5 增加體積前后音質參量的變化（計算機模擬分析）

表6 增加體積前后音質參量的變化（實測數據驗證）

圖8 北京電視臺劇場（面光橋升起）（攝影：豐其云）

圖9 北京電視臺劇場（面光橋降下）（攝影：豐其云）

圖10 上海音樂學院歌劇院（吊頂可升降）

2.3 增設耦合空間

圖11 增設耦合空間的計算機模型內景圖

圖1 2 英國伯明翰交響樂廳（來源：E c o Mechanical & Electrical Ltd）

圖13 美國梅耶森交響樂廳（來源：http://www.vueaudio.com/）

耦合空間是指廳堂中存在的一些附屬空間（又稱混響室），這些空間使主廳內聲學特性的變化過程呈現非線性衰變（雙折線或多折線）。耦合空間聲場的這種特性使得“長混響”和“高明晰度”這兩個一直被認為相互對立的音質參量得到較好兼容。計算機模型增加的耦合空間設置在舞臺的四周和觀眾廳的側部，耦合開口均開在側面的上部（盡量減少對早期側向反射聲能的影響，見圖11），計算機模擬分析數據見表7。英國伯明翰交響樂廳的耦合空間設置在舞臺的周邊以及側墻的上部（見圖12），美國梅耶森交響樂廳的耦合空間設置在最高坐席的周邊（見圖13），用這兩個音樂廳的實測數據驗證計算機模擬分析的部分聲學參量的可靠性（見表8）。

結論：增設耦合空間（布置在舞臺周邊和觀眾廳側部，耦合開口位于舞臺和觀眾廳的上部），混響時間延長比較多，而早期衰變時間變化比較小，明晰度增大，主觀聲級變小，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感降低。

耦合空間相當于有能耗的延時器。因為進入耦合空間的聲能需要進行多次反射、額外多走許多路程，才能從耦合開口反射出來。行走的路程多了，自然就會產生延時，同時，由于空氣和各界面的吸收，能量一定會產生損耗。由于耦合空間的開口多布置在舞臺和觀眾廳的上部，調節的多是后期反射聲，因此，廳堂早期的能量和衰變曲線并沒有太大變化。但是，后期部分聲能由于延時而造成能耗，所以，后期的總能量變小。因此，明晰度C80和明晰度D50就會提高。

2.4 增設音樂反聲罩

劇院為了演奏交響樂，一般都會在舞臺上增設音樂反聲罩以改善音質效果。增設音樂反聲罩前后音質參量的變化情況（計算機模擬分析）見表9，哈爾濱大劇院（見圖14）和孝感文化藝術中心大劇院（見圖15）的實測數據驗證見表10。

表7 增設耦合空間前后音質參量的變化（計算機模擬分析）

表8 增設耦合空間前后音質參量的變化（實測數據驗證）

表9 增設音樂反聲罩前后音質參量的變化（計算機模擬分析）

圖14 哈爾濱大劇院

圖15 孝感文化藝術中心大劇院

結論：增設音樂反聲罩，混響感增大，明晰度減小，主觀聲級變大，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感增強。

音樂反聲罩就像在聲源的后面加了一個放大器（或聲能聚攏器）。增加了主觀聲級，延長了混響時間，提高了音樂混響感和舞臺支持度，便于樂隊之間的相互聽聞。

2.5 電聲可變混響技術

電聲可變混響技術是通過合理布置包含特定算法的電聲系統，包括拾音的傳聲器陣列、數字信號處理單元和揚聲器陣列等，利用數字信號處理技術實現改變音質的效果。經傳聲器陣列拾取的自然聲信號，經過信號處理單元的運算處理后，再通過揚聲器陣列進行適當的復現。揚聲器陣列的設計準則是建立“虛擬”的墻體和吊頂，并利用數字信號處理的方式調節揚聲器陣列的大小和延時，以取得和真實物理邊界相一致的反射聲序列，從而實現真實物理邊界一樣的音質效果。與擴聲系統中的電子混響效果器相比，電聲可變混響技術建立的聲場具有完全真實物理邊界的時間特性與空間特性。

表10 增設音樂反聲罩前后音質參量的變化（實測數據驗證）

表11 增設樂罩和采取電聲可變混響技術的音質參量變化規律

電聲可變混響技術可以模擬世界著名廳堂（如維也納金色大廳）的音質效果。事先采集世界著名廳堂主要測點的脈沖信號，然后通過信號處理單元的運算處理，使得現有廳堂的主要測點完全符合世界著名廳堂的脈沖信號，從而具備某著名廳堂的良好音質效果。

與建聲可變混響技術相比，電聲可變混響技術的應用場合與應用范圍更廣，音質的可變性更強，且無需大興土木，方便靈活。缺點是無法降低廳堂原本的混響時間，且可能由于系統穩定性問題而引起聲染色。

大連國際會議中心劇院采用的是VIVACE電聲可變混響系統，可能由于擔心聽眾能夠聽出聲音明顯來自于墻面或頂面的揚聲器，造成聽感不舒服，所以，電聲可變混響技術一般不會把聲音的主觀聲級調得太大，明顯比采用樂罩條件的主觀聲級小（見表11）。采用E-Coustic系統的易科國際深圳總部多功能廳的測試數據中也發現類似規律。由于主觀聲級比較小，在較大觀眾廳的中間位置聽感并不明顯。當然可以把主觀聲級調高，但距離墻面和頂面比較近（即離揚聲器比較近）的觀眾就能明顯聽出聲音來自就近揚聲器。因此，在比較小的場所（如多功能廳、小劇場等），采用電聲可變混響技術聽感會比較好。

3 結論

從五種可變混響技術音質參量的變化規律（見表12）可以看出，增加吸聲量是為了降低混響時間，提高明晰度；增加體積是為了延長混響時間，提高混響感；而增設耦合空間的目的是延長混響時間，提高混響感的同時，也提高（或不降低）明晰度。但是也都會不可避免地帶來副作用，主觀聲級和聽者包圍感降低。

表12 五種可變混響技術音質參量的變化規律匯總表

增設樂罩與增加體積相比，不僅能起到延長混響時間、提高混響感的目的，同時還能提高主觀聲級、聽者包圍感和舞臺支持度。

電聲可變混響技術可以按需調整反射聲序列（只可延長不能縮短混響時間），它可以模擬多種建聲可調混響狀態，方便靈活，應用場合和范圍更廣。缺點是無法降低廳堂原本的混響時間，不如建聲效果自然，調試不好可能有聲染色問題。

由于大家都認識到早期側向反射聲能的重要性，一般不會改變池座側墻的特性。因此，各種可變混響技術并不會改變表觀聲源寬度ASW和親切感ITDG。