電子聲學環境可變系統及其在中國的應用現狀及發展趨勢研究（一）

魏增來，練嘉容

（中國傳媒大學，北京 100024）

1 電子聲學環境可變系統的發展背景

在多年舞臺藝術發展及審美提升過程中，人類逐漸認知到演出聲學環境與藝術呈現形式之間需具備足夠好的匹配性與適用性，即針對不同的節目類型應有不同的、與之相匹配的聲學環境，聲學環境與演出種類相契合，才能提供更為良好的最終聽感效果。如古典音樂一般在音樂廳演出，話劇等戲劇則多在戲劇場演出，便是因為這些場地的聲學條件各不相同，能充分契合演出形式和內容，更好地展示出其藝術表現力。

為了獲得期望的聲學環境條件，受人類技術發展水平的限制，早期對于建筑結構、聲學處理等方面，全部通過物理聲學方式，但鑒于聲學傳播、擴散等環節的復雜性，大多難以在建筑最終竣工之前準確預估其聲場效果，因此，不得不在不完美的聲場環境中進行表演，或花費巨大的物力、財力去整改整個建筑的相關聲學條件，以達到期望的效果。在這個過程中，人們也一直努力探尋一種更簡便、更經濟的方法，以靈活地實現藝術呈現形式與聲學環境的最佳匹配。20世紀中期后，隨著電子技術與聲音技術的融合，電聲學也逐漸成為一個新興的細分領域并得到迅速發展，這也就為上述目標的實現帶來了一個全新的方向。

在人類對聲學的認知過程中，混響時間一直被當做影響人耳聽感的重要因素，從而成為建筑聲學中最核心的參數之一。經過多年探索發現，語言、音樂、話劇、歌劇、音樂劇等都有其最佳的混響時間，因此，幾十年來，首先從混響時間入手，以電聲方式進行多樣嘗試，稱之為電子可變混響系統。但隨著對于建筑聲學認知的不斷深入，逐步認識到早期反射聲、早后期聲能比、早期衰變時間、初始時間間隙等其他聲學參數也對最終聽覺有較大影響，因此，伴隨著近年來音頻技術與信息處理技術的飛速發展，上述所謂“電子可變混響系統”也逐步擴展其關注并調整客觀參量的內容，并更名為電子聲學環境可變系統。

2 電子聲學環境可變系統概覽

聲學環境可變系統的實現方式主要有物理方式與電子方式兩種，相比較而言，電子方式造價更低、調整范圍更寬、性價比更高、實現起來也更為容易，因此，該類方式也日益得到更多的重視，并隨著IT技術所帶來的信號處理能力的飛速提升，在近年來取得了長足的發展。

2.1 定義及主要特點

所謂電子聲學環境可變系統，是指采用電聲設備，通過電聲聲場控制技術及相關信號處理算法來控制、調整廳堂內的混響時間和其他聲學特性的電聲系統。在其發展早期，又被稱為主動聲學增強系統或電子可變混響系統。

電子聲學環境可變系統不再像常規的物理聲學可變系統那樣完全基于賽賓公式或依林公式計算混響時間，而將其實現方法的理論基礎進一步擴展到相關的建筑聲學及電聲學領域。其總體優點是所需費用較低；混響時間可調范圍較大（可以是廳堂基礎混響時間的2～3倍）；并大都可以在主處理設備中預先設定多個相應參數預設模式，從而根據使用需要隨時調取，使用操作非常方便，能夠快速滿足不同表演類型所需的室內聲學條件。除此之外，它不僅能夠調整混響時間，而且還可以通過增加近次反射聲能、擴散聲能，調整直達聲、反射聲和混響能量的最佳比例，以及對混響聲能頻率特性進行調整等手段對室內聲場進行“修正或優化”。雖然優點多多，但它也存在著較為明顯的缺點，主要體現為它并不是通過實際建筑結構或吸聲特性的改變而改變相應廳堂的聲學環境特性，而是通過電聲模擬的方式來實現目的，因此可能會產生模擬的精細度不足以及聲染色等聽覺效果不自然的現象，即所謂的“電聲味”。

2.2 初始的基本理論基礎

其中，W為聲源的輻射功率，A為廳堂總吸聲量，T60為混響時間，V為室內體積，P為聲壓，ρ為介質密度，c為聲速。

進而可以得出：

即混響時間與平方聲壓成正相關，因此，如果聲源輻射功率不變，那么，通過提高廳堂內的總體聲壓，即可加長混響時間。同時，隨著混響時間的增加，聲音清晰度、強度等其他聽覺感受也會發生變化。

T60=P2V/(25ρcW)公式對于不帶有“傳聲器-功率放大器-揚聲器聲能放大通路”的自然聲場和帶有該類聲能放大通路的主動聲場均適用，由此就會產生被動（Passive）狀態（不使用傳聲器-功率放大器-揚聲器通路）和主動（Active）狀態（使用傳聲器-功率放大器-揚聲器通路）兩種情況，主動狀態下，因為存在有傳聲器-功率放大器-揚聲器通路的輔助，相比較于被動狀態而言，其聲能量以及聲壓會有所增強，這時，公式（2）中除了混響時間T和聲壓P不同之外，其他參量均保持不變。如果將主動狀態與被動狀態下的兩個公式相除，則會獲得這個傳聲器-功率放大器-揚聲器聲能放大通路的增益g：

由此可見，廳堂中的傳聲器-功率放大器-揚聲器聲能放大通路增益可以幫助提高混響時間。

研究證明，在同一個放大回路中，接入更多的傳聲器和揚聲器并不能增大其回路增益，如果想獲得更大的總體放大量，則需要采用更多且相互獨立的傳聲器-功率放大器-揚聲器回路。針對一套具有N個獨立放大回路的系統，其總放大量可以認為是這N個通路放大量之和（以相對簡便的能量疊加替代振幅疊加），此時開啟這些主動聲學增強通路后，總的混響時間也可以近似地以公式Tact=Tpas（1+Ng2）進行表述了。由這個公式可以看出，對于一個特定廳堂，如果想在原有自然混響時間的基礎上進行調整增加，可以通過如下兩個方法予以實現：設置更多的獨立放大回路；或者增大回路的傳輸增益。

2.3 主要挑戰

對于所有主動聲學增強系統的研發設計而言，其面臨的主要挑戰與擴聲系統非常相似，就是聲反饋或自激。對于一個非反饋的聲系統而言，其開放回路增益（GO）可以做到很大，但是針對反饋式聲系統來說（本文中所探討的主動式電子聲學環境可變系統恰恰就是這類安裝在同一個廳堂內的反饋式聲系統），其信號通路不再是開放的，而是形成了環路（LOOP），此時其通道增益就用回路增益G來表示，它包括由傳聲器至功率放大器再至揚聲器的電聲傳輸函數μ以及由揚聲器至傳聲器的聲場傳輸函數β，具體可見圖1所示。當布置于聲場中的傳聲器-功率放大器-揚聲器回路具有足夠大的回路增益G時，某些特定頻率就會產生一定的“鑲邊兒”現象，即聲染色，而當回路增益進一步加大時，這些頻率就會自激嘯叫。

圖1 回路增益示意圖s

圖2 回路傳輸增益函數

上述自激現象之所以始于個別頻率，是因為廳堂內揚聲器到傳聲器之間除了直達聲外還包括有大量的反射聲，直達聲和各種反射聲之間在某些頻率上會產生干涉現象，使得某些頻率增強或減弱，所造成的峰谷之差可能會達數十分貝，這就會造成聲場傳輸函數β以及與之相關的回路增益函數G和頻率之間巨大的相關性。但如果廳堂的尺寸、形狀、面飾材料以及揚聲器和傳聲器的位置最終確定，那也就總體確定了聲場傳輸函數β，此時，回路增益G的變化就主要依賴于電聲傳輸函數μ的變化了。圖2為一個回路傳輸增益函數的示意圖，從圖中可以發現，這個增益函數曲線由眾多不同頻率且幅度差距巨大的峰谷組成，其在期望頻帶寬度的平均值決定了對聲壓的增強能力，進而決定了混響聲能和混響時間的變化量，而其峰值則決定了系統穩定度和聲染色的頻率。很明顯，如果回路內的聲場傳輸函數β固定，那么當回路內功率放大器的輸出電增益加大（即電聲傳輸函數μ增大）時，一旦使得某個峰值頻率的回路增益G大于1，那么，這個頻率便成為自激振蕩頻率。這時如果回路增益略小于1，則這個峰值就會像濾波器一樣，為該頻率產生一個較長的混響時間，但也視增益量的不同，可能會引發一定的聲染色。

由以上論述可見，主動聲學增強系統所面臨的巨大挑戰就是在保證期望的頻寬范圍內產生均勻的輔助能量以改變混響時間等聲場參數的同時，如何規避回路自激，并減弱聲染色現象。

2.4 早期探索

自20世紀30年代以來，人們便開始對通過電聲改變混響時間的方法展開探索及研究。至1959年，R. Vermeulen提出的環境立體混響聲（Ambiophony）系統取得了第一個市場商用電子主動聲場控制系統的專利。這項技術首先拾取舞臺區域內包括直達聲和早期反射聲在內的聲音信息，然后利用一套安裝了單個錄音磁頭和多個放音磁頭的磁帶輪，來產生多個實際聲場信息的重復，之后通過揚聲器重放，制造反射聲以在廳堂內的觀眾席區域構建一個混響聲場。以當今的眼光來看，這種技術的使用效果并不能滿足期望值，但在1959年，其聽感已經被認為是非常不錯的了，所以，當時這類環境混響聲系統以及后續基于同樣技術原理的ERES系統（基于數字多抽頭延時原理）在歐洲有很多應用案例，包括由飛利浦實驗室實施的米蘭斯卡拉大劇院。

1964年，英國科學與工業研究部的P. H. Parkin以及K. Morgan開發了一套試驗性的受援共振（AR：Assisted Resonance）系統，并安裝于倫敦皇家節日音樂廳。這套系統為主動聲場增強系統領域提供了非常基礎的科學概念，因此，其理論被廣泛收錄在很多相關出版物中。

Parkin和Morgan認為，在同一地點以較大的放大量重放經由傳聲器拾取的信號會導致嚴重的聲染色和自激振蕩，因此，在受援共振系統中構建了多個具有非常窄帶頻寬的傳聲器-功率放大器-揚聲器回路，單個回路均包括傳聲器、前置功率放大器、濾波器、衰減器及揚聲器，其基本原理框圖如圖3所示。該系統中，將指向性傳聲器放置于調整好的亥姆霍茲諧振器或并聯諧振管中，拾取諧振信號后經放大、濾波、相位等處理后送至揚聲器重放，以此模擬早期反射聲和混響聲。鑒于諧振器的尺寸限制，通常在低頻率段（最高頻率為350 Hz），使用亥姆霍茲諧振器中以產生諧振頻率，而在較高頻率段（大于350 Hz），該類諧振器因體積太小而無法實際使用，因此，使用簡單的并聯諧振管代替，諧振器及諧振管如圖4所示。該系統通過單獨調整每個環路的增益和相位，使得每個單獨頻率域增加的能量可以得到有效控制，從而獲得一個穩定且無染色的高能量電平，進而靈活地增加混響時間，方法非常巧妙和直接。每個環路只負責非常窄的頻帶，大量的特窄帶通濾波器利于在提高通道環路增益（即增加了聲能量）的同時控制反饋嘯叫，但也導致了每個環路能控制的范圍只有幾赫茲，所以為了覆蓋目標頻率，需要大量的環路，如倫敦皇家節日音樂廳在58 Hz～700 Hz范圍內的回路便有172個。

圖3 AR系統原理示意框圖

圖4 亥姆霍茲諧振器及并聯諧振管

以上所述的環境立體混響聲以及受援共振技術屬于電子聲學環境可變系統最初始的嘗試，自此以后，基于不同思路的各類探索紛紛展開，下文將就幾種主要的典型系統展開論述。