AFC技術原理及應用分析

康 帥，魏增來

（中國傳媒大學，北京 100024）

對于不同用途的劇場而言，有著不同的建筑聲學參數要求，其聲學條件直接影響演出人員和聽眾對聲音的主觀感受。一般情況下，劇場建成后，其聲學條件是不可改變的，雖然部分劇場設置了物理聲學可變系統，但其聲學條件并非連續可調，且調整范圍有限，同時造價十分昂貴。然而，不同的演出類型對于廳堂聲學環境的需求差異較大，即便是同類演出也會因為內容的差異而對聲學環境提出差異化的需求，如管風琴音樂會比普通交響音樂會需要更長的混響時間等。因此，為提升廳堂對于不同演出的兼容性，突破聲學環境的條件限制，主動聲場控制(Active Field Control，AFC)技術應運而生，并逐漸成為業界研究的焦點。隨著數字信號處理技術的不斷發展，AFC技術逐漸走向成熟，并被用于不同的應用場景，根據用途調整廳堂的聲學環境，使聲場具有可變性和靈活性。

1 AFC技術的基本原理

AFC技術為YAMAHA公司研發推廣的一項通用技術，旨在利用傳聲器-處理器-揚聲器這一電子聲學系統，改變廳堂的固有聲學條件，通過調整早期反射聲、混響時間、早后期聲能比等聲學參數，使廳堂更符合特定演出對于聲學環境的需求，使表演者和觀眾都有更為舒適的主觀感受（見圖1）。AFC系統相比于物理聲學可變系統而言，造價相對較低，聲學參數連續可調，且建設難度較低。近年來，AFC系統在越來越多的廳堂中得以應用，并獲得了令人滿意的聲學效果和觀演評價。

圖1 沒有使用（左圖）和使用AFC系統（右圖）所產生的聲場差異示意圖

AFC技術對廳堂原始聲場的聲學特性進行一定程度的增強或調整。相比于通過添加與原始聲場無關的人工混響方式，該技術在改造廳堂聲學條件的同時，保留了原有的聲音傳播模式，因此聲音效果更為自然、和諧。

該技術主要應用基于直達聲合成反射聲和增強房間初始反射聲兩種聲學處理方式。

（1）基于直達聲合成反射聲稱為“S-SF(Synthesis of Sound Field)”或“in-line”，其原理為基于聲源直達聲直接合成廳堂所需的反射聲，如圖2所示。該系統提供的是一個單向的聲音響應，合成的聲能量僅傳向聽眾區域。但需要注意的是，由于該系統的設置原因，如果表演者走出表演區域，無法產生所需的反射聲，則就會起不到改變廳堂聲學環境的作用。

圖2 基于直達聲合成反射聲的“in-line”系統

（2）增強房間初始反射聲稱為“A-SF(Assistance of Sound Field)”或“regenerative”，即再生系統，其原理為拾取房間的初始反射聲進行再生增強，如圖3所示。該方法利用聲反饋的原理，拾取初始反射聲的傳聲器會再次拾取到通過揚聲器重放的經過增強處理的反射聲能量，因此需避免系統增益過大而產生嘯叫。為避免這一問題，可以通過增加傳聲器通道數量的方式提升系統的增益裕量，同時也能夠更加自由地改變廳堂的聲學條件。

圖3 增強房間初始反射聲的“regenerative”系統

AFC系統通過控制早期反射聲和混響聲來改變廳堂聲學環境，使之與特定演出的聲學需求相契合，提升演出所帶來的沉浸感。在AFC系統設計建造過程中，可以通過增加傳聲器和揚聲器通道、調整傳聲器和揚聲器的安裝位置、調整信號處理參數等方式，形成符合需求的傳聲器和揚聲器廳堂聲學條件。傳聲器的信號處理中包括FIR（Finite Impulse Response，有限長單位脈沖響應）濾波，通過FIR濾波增加早期反射聲，即可使廳堂頻率特性接近真實聲場；在此基礎上增加更多的混響聲，則可以對聲學條件進行精細的調整，甚至再現其他特定廳堂的聲學特性，從而更大程度地提升AFC系統的可控性，在塑造聲場上實現更為豐富的可能性。通過上述處理，AFC系統甚至能夠改善自然廳堂中一些無法解決的聲學問題，對于廳堂的每一個位置加以控制，使位于廳堂任意位置的聽眾均能感受到自然、舒適的聽覺效果。

2 AFC技術的DSP處理架構

AFC技術利用了聲學的反饋循環，廳堂內的聲音由傳聲器拾取，傳送至DSP系統進行處理，通過安裝于舞臺區域和觀眾席的揚聲器進行重放后，再次被傳聲器拾取。這個過程既需要足夠的反饋能量，又不能產生嘯叫，因此需要將反饋能量控制在一定的范圍之內。其處理架構分為輸入、放大、延時矩陣、FIR濾波、通道分配及輸出處理六個部分，如圖4所示，實現對廳堂聲場特性的主動控制。近期， 時變控制(Time-Variant Control，TVC)技術的發展使得AFC技術對聲學環境的改善取得了新的進步，對增益的自動化調整也得到了實踐的驗證。時變控制技術主要由傳聲器電子轉換器(Electronic Microphone Rotator，EMR)和Fluc-FIR(Time-Variant FIR)等技術組成，EMR結構及原理見圖5。

圖4 AFC技術的DSP處理架構框圖

圖5 EMR技術結構及原理圖

（1）聲音信號輸入：根據AFC技術原理，將多支傳聲器布置在廳堂內，拾取聲源的直達聲和早期反射聲。

（2）聲音信號放大：對拾取的聲音信號進行放大處理。

（3）延時矩陣處理：應用EMR技術進行延時矩陣處理，按照一定時間延時的電子旋轉（延時旋轉周期頻率通常在0.4 Hz～3.0 Hz之間），使不同傳聲器交替接收信號，對于傳聲器拾取的聲音信號，經由VCA（Voltage-Controlled Amplifier，壓控放大器）控制，使接收傳聲器的信號之間過渡平滑和自然。EMR的應用效果見圖6。

圖6 EMR技術的應用效果

（4）卷積FIR濾波處理：將多個FIR濾波器與多個反射聲一一對應，使多個反射聲的疊加呈現出平滑的效果，防止出現聲音染色問題，同時，控制疊加濾波的速度和深度，使聽感較為自然。FIR濾波處理可使系統避免梳狀濾波效應，提升頻率特性，根據特定演出的實際聲學環境需求，在現有廳堂聲學條件的基礎上疊加額外的混響效果，使廳堂對于特定演出的空間感、沉浸感得以提升。FIR濾波處理的應用效果見圖7。

圖7 FIR濾波的應用效果

（5）通道分配：AFC系統所使用的揚聲器個數較多，且需要根據其安裝位置進行獨立的參數設定，因此需要進行揚聲器路由分配，將經過處理的傳聲器通道映射到揚聲器通道上。

（6）輸出處理：由于各揚聲器設置均不相同，因此需對每個揚聲器通道進行放大、延時、均衡等處理，補償揚聲器安裝位置所帶來的差異，最終通過布置在觀眾席的眾多揚聲器的擴聲而獲得理想的聲學效果。

3 AFC系統的應用分析

目前，AFC系統的用途較為廣泛，在不同的應用場景下可以發揮不同的作用，還有一些功能的應用尚在研究中，如表1所示。下面通過三個應用實例解析特定廳堂運用AFC系統的設計思路，并探討AFC系統對廳堂聲學條件的增強效果。

表1 AFC系統的應用場景(A類已投入應用，B類在研究中)

3.1 AFC系統在小型多用途廳堂中的應用

對于小型的多用途廳堂，如學校小禮堂，由于用途的多樣性，建筑聲學設計很難面面俱到，實際使用過程中難免出現各式各樣的聲學問題，影響使用效果。以某學校小型禮堂為例，由于其未建設舞臺反聲罩，因此缺乏對舞臺區域聲音的有效擴散，對演員的表演造成困擾。因此，增設了AFC系統，在臺口前區頂部安裝4支界面傳聲器，在舞臺區域固定安裝的吊桿上吊掛12只揚聲器，如圖8所示（圖中上半部分為俯視圖，鑒于其為對稱結構，只截取一半的視圖；下半部分則為完整的側視圖），構成了AFC系統的拾音和擴聲部分。該禮堂的AFC系統構成邏輯如圖9所示，界面傳聲器經過放大、FIR處理、均衡、延時及信號路由后送至擴聲揚聲器，進行聲場的主動控制，可以有效地解決舞臺上聲音的反射及擴散問題，使演員的表演過程變得更為舒適；同時，觀眾區域的聲學環境也得到改善。

圖8 傳聲器和揚聲器位置俯視圖及側視圖

圖9 小禮堂AFC系統框圖

AFC系統建成并經過調校后，進行了基本的聲學測量，以客觀地評估AFC系統的實際效果。對于綜合效果的評測，在舞臺上測量了STearly（早期舞臺支持度，即0.1 s內舞臺區域反射聲能與直達聲能的比值，反映演奏者對自身樂器及周圍演奏者發出聲音感受的參量），圖10顯示了STearly的測量點，包含對臺唇、舞臺中部和后部的測量評價，測量結果如表2所示。經過AFC系統的主動聲學控制，舞臺區域早期聲支持度得到了1 dB的提升，舞臺區域的反射聲能得到了一定程度的增強。

表2 小禮堂STearly的測量結果

圖10 舞臺上傳聲器測量點示意圖

此外，測量舞臺區域和觀眾席的早期反射聲時間，以評價AFC系統對兩個區域聽感的改善情況。具體方法是，分別在舞臺區域和觀眾區設置等距的測量點，如圖11所示，在臺口放置聲源揚聲器，分別測量AFC系統開、關的情況下舞臺區域和觀眾區的早期反射聲時間，測試結果如圖12所示。距離聲源相同的舞臺區域和觀眾席測量點早期反射聲的到達時間值越接近，則兩區域聽感差異越小。測試結果顯示，AFC系統對聲場的控制能夠在一定程度上減小舞臺區域和觀眾區的聲音效果差異，對于演員表演和觀眾欣賞都十分有益。

圖11 聲源揚聲器和測量傳聲器位置示意圖

圖12 AFC系統開關前后舞臺區域和觀眾區席早期反射聲對比

3.2 AFC系統在中型多用途廳堂的應用

上述案例中，AFC系統主要解決小禮堂由于缺乏舞臺反聲罩導致的反射聲不足的問題。下面這個約400座的中型禮堂，同樣因建聲缺陷存在觀眾席嚴重缺乏反射聲和混響聲，導致缺乏環境感和包圍感的問題。因此，設計、安裝了AFC系統，其系統處理邏輯框圖如圖13所示，主要包括ER(早期反射聲增強)和REV(混響聲增強)兩個處理子系統，補償和改進由于房間形狀和內部構造所引發的一系列觀眾區聲學問題，增強禮堂觀眾區的早期反射聲及混響聲，提升演出實際聽感，并與現有建筑構造巧妙結合。該AFC系統的安裝如圖14所示，在臺口上方安裝了4支界面傳聲器，將傳聲器拾取到的聲音信號傳輸至ER和REV處理系統，ER系統處理后的聲音信號通過安裝在觀眾席側墻上的8只揚聲器進行重放，REV系統處理后的聲音信號通過安裝在觀眾席上空的22只揚聲器進行重放。此外，在舞臺上空安裝了8只揚聲器，用于重放ER和REV系統的混合信號，提升舞臺區域的沉浸感。

圖13 AFC系統處理邏輯框圖

圖14 AFC系統傳聲器與揚聲器位置俯視及側視圖

為驗證AFC系統的有效性，設置在不同用途下，對混響時間進行測量并對比，聲源及傳聲器測量點的設置如圖15所示，測量結果見圖16。測量結果顯示，在不同的用途下，AFC系統使廳堂的混響時間有不同幅度的提升；但與未開啟AFC系統比，均有一定程度的提升。對于不同的演出，AFC系統預設不同的處理，為演出帶來更為準確的聲學環境。

圖15 聲源及傳聲器測量點的位置示意圖

圖16 AFC系統不同用于下的混響時間對比

3.3 AFC系統在大型劇場中的應用

從以上兩個案例可以看到，AFC系統對中小型多用途廳堂聲學環境改進的有效性，下面以WIELKI歌劇院應用AFC系統為例，解析AFC系統在大型劇場中應用的效果。這個成功的應用方案可為大型劇場的聲學改進提供借鑒思路。

WIELKI歌劇院是波蘭的國家歌劇院，建于1825—1833年，在1939年由于戰爭幾乎被完全摧毀，1965年重建和修復。WIELKI歌劇院擁有1 828座位（見圖17），其舞臺是歐洲最大的舞臺之一。由于其舞臺規模較大，導致舞臺與樂池之間溝通不暢，且臺上演員的聲音到達觀眾席后響度不足。劇場整體音量較小，雖然大部分觀眾席具備一定的語音清晰度，但對于某些音樂類型來說，缺乏混響感和空間感。此外，眺臺下的觀眾席因缺失由上方來的早期反射聲，導致音量不足。

圖17 WIELKI歌劇院內景

3.3.1 WIELKI歌劇院的AFC系統組成

為解決上述聲場問題，同時保留這座傳統歌劇院的原始建筑結構，設計安裝了AFC系統，并根據既定的歌劇演出聲學需求進行調試。通過一系列的歌劇演出驗證了系統的有效性。

針對該劇場的聲學問題，AFC系統設計了5個子系統，AFC系統構成和主要設備布局見圖18、圖19。

圖18 AFC系統框圖

圖19 AFC系統主要設備布局示意圖

（1）舞臺早期反射聲子系統：增強舞臺上及樂池表演區域的早期反射聲，改善演員及樂手之間的聲音交流效果。

（2）觀眾席早期反射聲子系統：針對觀眾席，增強舞臺后部演員的聲音響度及早期反射聲。

（3）觀眾席混響聲子系統：增強觀眾席的混響聲。

（4）眺臺子系統：增強挑臺下觀眾席的響度。

（5）舞臺流動子系統：根據實際演出需要，增強未被舞臺早期反射聲系統覆蓋的區域。

該AFC系統針對歌劇院的演出形式設置了歌劇、芭蕾舞、管弦音樂會、流行音樂演出、講座等應用模式。其中，演出最多的歌劇和芭蕾舞表演分別預設了3個和2個混響時間，具體數值如表3所示。

表3 歌劇與芭蕾舞演出AFC系統混響時間的預設

除上述預設外，AFC系統還可以進行增益控制，在保持各個子系統相對均衡關系的情況下調整總體增益，同時，亦可對每個子系統進行單獨的增益調整，從而改變整個系統的總體均衡和總體增益。

AFC系統的功能較為豐富，對聲場條件的控制較為靈活，為不同演出適配聲場提供了可能。在上演具有大型布景的歌劇表演時，可結合舞臺流動系統，盡最大可能利用AFC系統實現對聲場的控制和優化。對于舞臺流動子系統的調校，亦可利用上述增益控制等方式，不會大幅增加調校的工作量。

3.3.2 AFC系統的調校及測試比較

進行AFC系統的調校時，在舞臺和樂池共設置了4只揚聲器聲源，以模擬演員和管弦演奏，調試AFC系統并測量其效果。

（1）使用揚聲器聲源調校單個AFC子系統的增益、延時及均衡，隨后調校多個AFC子系統之間的平衡關系。之后，通過歌劇排練進行主觀聽感的進一步調校，此時參考了演員和樂手的建議，同時考慮了實際聲源的方向性和寬度，使AFC系統更加契合歌劇的演出需求。在實際使用中，調整了傳聲器的位置，避免拾取到投影機產生的噪聲；在幕間休息時，需要將舞臺上的傳聲器靜音，避免拾取到更換布景時的噪聲。從實際的聽感可以體驗到，舞臺和觀眾席的響度以及混響有一定程度的改善。

AFC系統調校結束后，對廳堂進行了聲學測量，通過客觀的方法驗證AFC系統的效果。首先，測量對比舞臺上早期反射聲的增強效果，測量了舞臺上10個位置的早期反射聲和混響聲情況，詳見表4，AFC系統使舞臺區域的聲場條件產生了一定程度的改善。

表4 舞臺參數的測量結果

（2）為了驗證在樂池中的管弦樂隊和舞臺上的演員之間交流改善的效果。樂池中設置的測量點見圖20中的SB點，記錄舞臺上聲源的響度；舞臺上設置的測量點見圖20中的SA1、SA2、SA3點，記錄樂池中聲源的響度。測試結果見圖21，對比舞臺與樂池之間交流效果的變化，AFC系統能夠使樂池中的聲源在舞臺上的響度提升2 dB，舞臺上的聲源在樂池中的響度提升1 dB。

圖20 歌劇院平面及各測量位置點示意圖

圖21 舞臺與樂池之間交流效果的變化對比

（3）為了驗證在舞臺上的聲源向觀眾席輻射的效果變化，在舞臺上SA1、 SA2、SA3點分別設置聲源，在觀眾席中設置P1-1至P1-9、P2-1至P2-5、P3-1至P3-5共19個測量點，具體位置見圖20，測量響度。測量結果見圖22，由此顯示，當AFC系統開啟時，無論聲源位于舞臺哪個區域，觀眾席的聲壓都會得到一定程度的增強，特別是對于眺臺下的測量點，聲源的輻射效果增強十分明顯。

圖22 觀眾席區域輻射效果對比

在不同演出模式下，AFC系統均在一定程度上延長了混響時間，不同的頻段其混響時間的變化量亦不相同，圖23顯示AFC系統在芭蕾模式和歌劇模式針對廳堂固有混響時間的變化對比。所以，AFC系統可以滿足各類演出形式對于聲學條件的獨特需求。

圖23 混響時間對比

4 AFC系統設計及調校中需要考慮的問題

在劇場、多用途廳堂的使用中，AFC系統可以有效地對已有廳堂聲學條件進行調整，以適應不同的演出形式，但也發現了一些問題。因此，針對AFC系統的設計和調校提出以下需要考慮及注意的問題。

（1）原有建筑結構等條件對于AFC系統揚聲器的選型、數量及安裝均有可能造成限制。因此，在設計AFC系統時，需要充分了解廳堂的建筑現狀，使AFC系統與原有建筑結構有機結合。

（2）AFC系統可根據不同演出的需求進行特定設置，更換不同演出設置時應注意系統的穩定性。參數設置完成后，應進行必要的系統測試，確保演出期間系統工作狀態正常。

（3）由于演出隨行的舞臺布景師、音響師、導演等工作人員對于自己劇目熟悉程度更高，在布設舞臺和樂池區域傳聲器時，要與他們討論傳聲器的布設位置，并根據其實際聽感及意見進行調整。

（4）除參考演出隨行人員意見進行AFC系統調校外，還需要參考劇場、多用途廳堂等相關的設計標準。

（5）可嘗試使用具有可變指向性的傳聲器，一方面降低對傳聲器布設位置的要求，另一方面提供較大的靈活性，在更換設置時減少對傳聲器的移動。

（6）對于大型廳堂，現有AFC系統相對較為復雜，包含較多的傳聲器、揚聲器等設備，這對于系統穩定性、系統調校均提出了較大的挑戰。因此，可嘗試優化和簡化AFC系統，使用較少的設備達到較好的效果，降低成本并提升效率。

5 結語

AFC系統為演出場所提供聲場的可變性和靈活性，解決廳堂內存在的一些聲學問題，滿足會議或演出的需要，這些優勢讓AFC系統具備強大的競爭力。AFC系統在國外已有眾多的實踐，并有不少成功的案例，但在國內的實際應用并不多，甚至對此系統還不甚了解并未建立共識。相信通過相關技術知識的普及，AFC系統在國內會有更多的應用。