VIVACE电子可变声场系统及在大连国际会议中心剧场的应用

周 泉

（大连艺声电子工程有限公司，辽宁 大连 116021）

VIVACE电子可变声场系统及在大连国际会议中心剧场的应用

周 泉

（大连艺声电子工程有限公司，辽宁 大连 116021）

阐述VIVACE电子可变声场系统是采用电声方法改变室内声学环境以及能够实现3D空间音频效果的声学仿真系统，并以大连国际会议中心剧场为例，给出了建声和VIVACE系统的实施方案。

VIVACE 电子可变声场系统； 卷积算法；多功能剧场；建声设计； 移动声源；3D声音效果

1 引言

在国人文化修养不断提高的今天，种类繁多的文化场所纷纷兴建，拥有大剧院、音乐厅成为城市文化的标志。一个剧院能用于音乐、歌舞、戏剧、交响乐等多种演出形式是业主方的期望，然而不同类型的演出形式需要不同的最佳混响时间。以往的多功能剧场采用建声方式，实现一个折中的、固定的混响时间，即使采用复杂的机械结构实现混响时间可变，可调范围小，只是一定意义上的多用途剧场，剧场的声学环境并不能与多种演出形式的需要真正匹配。而在具备一定声学环境的多用途剧场中，利用VIVACE(Versatile and innovative acoustic engine，多功能创新声学引擎)电子可变声场系统（以下简称VIVACE系统）建造一个真正意义上的多功能剧场成为可能。

2 VIVACE系统原理及功能

2.1 什么是VIVACE系统

VIVACE电子可变声场系统是采用电声方法改变室内声学环境以及能够实现3D空间音频效果的声学仿真系统。VIVACE系统是德国萨尔氏斯泰克媒体集团（SALZBRENNER STAGETEC MEDIAGROUP）和德国Mueller-BBM International GmbH国际有限公司（以下简称MBBM公司），结合STAGETEC公司卓越的数字硬件经验和MBBM公司的声学领域权威算法技术的结晶。“VIVACE”源自意大利语，是活泼的意思。

采用电声方法实现可变声场已经有50多年的历史了，然而要获得没有“声染色”实现忠实于自然混响效果的电声方法却非常困难，随着电子科技的迅猛发展，复杂的算法已经不会成为计算机处理能力的瓶颈，于是更加科学的VIVACE电子可变声场系统得以实现。它融合了当今世界多种电子可变混响系统的优点，在全频段（20 Hz ～ 20 kHz）采用高精度脉冲响应的采集和MBBM专利的卷积算法，既确保细节的准确性，又克服了通常数学算法生成的混响效果产生的识别听觉失真，生成的声场混响效果更加纯净自然，接近真实的物理状态。

使用VIVACE系统须具备两个基本条件：一是房间的起始混响时间（中频500 Hz和1 000 Hz）相对较短；二是电声部分为数字调音台（或相应的音频处理设备），具有MADI和多通道输出接口。国内新建的剧院、音乐厅和多功能厅等文化场馆，其建筑声学的设计越来越受到建设部门的重视，在项目初期便已介入，力保在符合美观要求的同时，构建一个混响时间合适、避免声缺陷的声学环境；而且，随着数字音频技术飞速发展，硬件的配置上，中国已与世界发达国家处于同等水平。

2.2 VIVACE系统的基本原理

VIVACE系统的卷积过程可以用：a ×(b1× b2) = c表述， 其中，a为靠近舞台口的传声器拾取项目厅堂声信号，含厅堂的声学特性参数；b1为通过处理器将传声器拾取的声信号与目标厅堂的声学特性参数进行卷积运算；b2为卷积后的信号通过功率放大器馈送大厅的扬声器以三维声学特性投射到观众厅；c为获得的目标脉冲响应，亦即近似于目标厅堂的声学特性。

借助a ×(b1 ×b2) = c 数学关系表达式，结合图1便可对VIVACE系统的基本原理和信号卷积过程（或“声学指纹”技术）有一个基本的了解。

图1 VIVACE系统的信号卷积过程

图2 VIVACE卷积的应用界面

2.3 VIVACE系统的功能

世界著名的歌剧院、音乐厅、戏剧场馆等都有自己独特而听感舒适的声学特性参数，就如同人的指纹一样，新建场馆则渴望自己的声学环境也拥有近似于著名剧场的声学特征。MBBM公司对这些著名的场馆做了深入研究，将测得的声学特性参数存储在VIVACE软件的记忆库中。在新建项目时，根据使用者的需求来调用，瞬间还原这些经典场馆的声学特征。图2是VIVACE卷积的应用界面，在“impulsantwortsatz”（脉冲响应率）中，根据音乐曲风类型，很方便地选出适合的厅堂场馆，量身定制室内声学状态。

由于在房间固有的模式中，不同的频段的参数并非完美，因而VIVACE系统具备实时纠正房间失衡的混响特性的作用，图3给出了经过VIVACE系统处理前后混响时间的变化。需要说明的是，VIVACE系统只能在房间自身的混响时间上增大混响时间而不能减小混响时间，也就是说对于一个基础混响时间很长或建声很糟糕的“坏房”，则不具备使用VIVACE系统的条件。

在以往的几种有代表性的电子可变声场系统如AR（受援共振系统）、MCR（多通道混响系统）、VRAS（可变室内声学系统）中，声源的早期反射和混响是不能被独立考虑的两个物理过程。而现今的VIVACE系统，可以通过软件人工分离出早期反射声和混响声，通过对所测量的脉冲响应进行卷积计算，采用不同的算法控制，改善了语言的可懂度或音乐的明晰度。

VIVACE系统具有4个声学引擎支持4个独立的听众分区，如设定主观众区、池座、楼座、楼座下区域，见图4。每个区域可以独立调整，满足细分优化不同声学条件的特别要求。

VIVACE系统还提供了被称之为移动声源3D效果的特殊功能。所谓移动声源（Source moving）就是以用户自定义的音频效果素材（如汽车引擎声、蜜蜂飞行、特效音等）为变量，以自动或预存的空间轨迹在3D空间的声学环境中移动，见图5。系统支持16个声像同时移动，实时处理而没有任何时间间隙或延迟。声源变化的轨迹和时间码均可进行控制或设计，也可通过外部时间码同步控制。利用这项功能，可以制作栩栩如生的环绕声效果或超现实的声音特效，还可以为演员在舞台上的动作生成自动跟踪声效。

除此之外，VIVACE的系统软件还有Preference EQ（参量均衡器）、具备输入的FIR滤波器或12段IIR滤波器、自动反馈抑制、dynamics（动态处理器）等功能。

最终用户使用的界面非常简单，只有定义的场景键。场景键有三种定义方式：根据演出形式，选用著名音乐厅名字，直观的混响时间。用户只需在选中场景键后点击开始（START），系统便可自动运行。

图3 使用VIVACE系统处理前后混响时间的变化

图4 具有专利的卷积处理功能的4个独立区域

图5 VIVACE系统移动声源的3D效果

图6 VIVACE系统组成架构

2.3 VIVACE系统组成构架

VIVACE系统是以数字调音台为基础，在以往主扩系统构架中增加一台VIVACE主机和少量的舞台区域的专用拾音传声器，VIVACE系统组成架构见图6，信号处理流程见图7。调音台的矩阵基站须具备多通道输出端口，以便主机处理后的效果声场信号通过功放送给相应位置上的效果扬声器。VIVACE系统采用的调音系统不局限于某个品牌，只要是具有多通道处理能力，配置有标准的MADI接口即可实现，当然采用同为SALZBRENNER STAGETEC MEDIAGROUP集团出品的调音台系统会有更好的匹配度。

（1）VIVACE主机

VIVACE主机是系统的核心部件，主机前面板上未设任何操作，内部装有两个并联的高端处理器，承载着VIVACE RA电子声学软件；完全热备份双配置的两组音频处理接口，冗余配置的MADI接口，多达64个单独的输入通道，总流程128个独立的输出通道，时间码同步接口；全冗余无缝切换的双电源。

（2）拾音传声器

VIVACE系统采用的拾音传声器为吊装式，要求低噪声、高灵敏度的电容式心形指向小振膜录音级，频响不劣于50 Hz～16 kHz，灵敏度不低于12 mV/Pa，最大声压级(0.5%THD时)不小于138 dB，等效输入噪声不劣于16 dBA。VIVACE系统推荐使用的拾音传声器有：Sennheiser MKH40、MICROTECH GEFELL BM190、Schoeps CCM4/21/22、Neumann KM 140、DPA4028、Audio M1255c，但并不局限于推荐的品牌。VIVACE系统的拾音传声器由于需要通道数比较少，且位置比较靠近舞台，因此，可以提供更高的信噪比，保持较低的系统背景噪声。

（3）效果扬声器及配套音频功率放大器

VIVACE使用的效果扬声器并无太多限制，实际选择中，高灵敏度和准确的动态响应比输出功率更加重要，低音单元在8英寸以上的紧凑型扬声器都可以实现。剧场原有设计的环绕声效果扬声器基本都可以胜任，VIVACE系统推荐使用的效果扬声器：L-Acoustics 8 XTi、D&B Ci80、Adamson Point 8-P、K&F Sona-5、KEF Ci 200.3，但并不局限于推荐的品牌。

配套的音频功率放大器只需与选用的效果扬声器的阻抗功率相互匹配，采用多通道的音频功率放大器将会减小系统规模和降低造价。需要注意的是，音频功率放大器的输入类型不论采用数字或是模拟均要和调音台的输出接口匹配。

（4）软件构成

VIVACE系统的基本软件有三个：VIVACE RA电子声学软件，安装在VIVACE主机内；VIVACE REMOTE软件和VIVACE SWITCH软件，安装在用户的界面控制计算机里，为用户提供开启和场景切换的操作，界面控制计算机和VIVACE主机之间通过IP地址网络连接或无线WIFI进行遥控。

图7 VIVACE系统信号处理流程

3 VIVACE系统在大连国际会议中心剧场的应用

3.1 大连国际会议中心项目的基本概况

大连国际会议中心包括1 600座席的中心剧院和可容纳2 000人的宴会大厅；建筑面积约14.68×104m2，建筑总高度59 m；采用核心筒支撑钢结构，大范围使用铝合金板，包括核心区域中心剧场，从池座、楼座、高空天棚等都是钢结构。

大连国际会议中心剧场VIVACE方案是由原有的扩声方案深化而来的，由于VIVACE系统在国内没有应用先例，无可借鉴的经验。方案论证历经多次，在德国MBBM公司和总设计方奥地利蓝天组的积极倡导以及国内专家顾问的合力推举下最终得以通过，当然深化后的方案没有过多增加设备造价是主要前提。

3.2 不可忽略的建声条件

对于剧场建声处理，内部装修在剧院的建筑中是非常另类的。为达到设计要求即起始混响时间控制在1.4 s左右，厅内做了大量的吸声处理，整个剧场墙面全部为进口阳极氧化A5系穿孔铝板，在铝板后面配备电动吸声幕帘及弧形声学隔墙，在幕帘前面安装效果扬声器，见图8；除此之外，剧场设计中还采用了地板吸声及隔声结构（见图9）、打孔座椅吸声等措施。对于声扩散的处理，天花装有具有声学扩散作用的曲面GRG（GlassFiber Reinforced Gypsum，玻璃纤维增强石膏）浮云，见图10；观众席共三层楼座，拦河为三维曲面造型的石膏板，其上分布着9种不同规格4 000个GRG圆柱扩散体，达到漫反声效果，其中最大扩散体内隐藏有效果扬声器，这一设计既保证了声学要求，又起到了美观效果，可谓一箭双雕。剧场的建声施工严格执行程序，经测试平均混响时间达到设计要求的1.4 s～1.6 s。

图8 墙体吸声结构

图9 地面结构

图10 剧场内部声学装修（天花装有GRG浮云，拦河为具有圆柱扩散体的三维曲面石膏板）

图12 大连国际会议中心剧院3D-VIVACE声压级分布图

图11 效果扬声器的分布

3.3 效果扬声器布局

VIVACE系统共使用89只效果扬声器（使用了87个通道，天花的3只低音扬声器采用一个通道），分布在观众席后墙、拦河、天棚和楼座下，具体位置详见图11（图中红色部分为扬声器的位置；二、三楼扬声器位置图略），声压级效果见图12。

3.4 VIVACE系统硬件配置

在剧场音响系统的原设计中已采用有STAGETEC公司的CRESCENDO调音台和NEXUS数字矩阵，这是能够增强音响系统功能采用VIVACE系统的另一个必要条件，见图13。

深化后的VIVACE系统，增加一套主备双通道的VIVACE主机，见图14；增加4支VIVACE专用心形电容吊装传声器（德国MG BM190），安装在舞台的表演区域，见图15。

深化后重新调整了扬声器的布局，保持原有设计中观众区域的楼座补声扬声器、挡墙效果扬声器和天花效果扬声器，增加了22只德国K&F SONA 5紧凑型扬声器及相应的德国K.M.EDA428四通道音频功率放大器，安装在挑台栏杆处，称之为“拦河扬声器”，隐藏在圆柱扩散体中（见图16）。这不同于标准剧院观众席效果扬声器的布置，属于VIVACE系统特有的。

在调音数字系统NEXUS基站中配置了相应的输出通道板卡，使所有效果扬声器与多通道功率放大器以及调音台NEXUS基站板卡一一对应。

3.5 VIVACE系统的调试

VIVACE的主处理器和备份处理器都配有调试用显示器，双通道的冗余热备份设计使主备的切换完全不被感知。在正常工作时无需开启全部程序，在电源开启时会自动运行，只要观察主机上的VIVACE字母由红色变成蓝色就说明系统一切正常。

系统的调试需要在全部静场中进行，因而常常要等到深夜才进入最佳工作环境。首先，测试和调整每个扬声器的电平，将所有硬件配置参数录入系统中，在舞台区放置测试扬声器模拟信号源播放VIVACE特有的测试信号，测试观众席内所有的测试点（具有代表性的座位点）；最后，对软件界面编排，精细调整每种状态。在配合厂家整个调试过程中，充分体会到德国工程师严谨的工作态度。

VIVACE系统在界面控制计算机里，用户界面最终生成6个场景键，其中有4个直观的时间模式，分别是1.6 s、1.75 s、1.9 s和2.1 s；还有一个独唱模式，使用时只需按亮相应的场景键即可，见图17。

图13 将原音响系统升级为VIVACE系统

图15 VIVACE专用心形电容传声器的吊装位置

图16 隐藏在扩散体内的拦河效果扬声器

图14 VIVACE主机整合在音控室的调音台基站机柜中

3.6 主客观的评价

承接大连国际会议中心剧场音频工程的大连艺声电子工程有限公司，在系统建成后曾先后两次邀请了国内音响行业几位专家参与现场VIVACE系统效果的体验和观摩。

演示中采用了小提琴独奏、小型管弦乐队演奏，男女人声独唱等节目。通过在遥控计算机上开启和关闭VIVACE系统做现场比较，试听的结果令人惊喜和满意。在VIVACE开启状态下，由房间的自然混响转换成VIVACE系统生成的虚拟电子混响，没有以往电子处理的染色痕迹，非常真实自然。乐队演奏依旧层次分明透明度好，无丝毫的模糊或浑浊的现象，在观众席的各个区域，高中低频声部平衡没有某个位置的频段缺失或突出；男女人声独唱更加清亮和圆润有亲切感，由于混响时间的变长（演示时选用了2.1 s）使演唱更加具有温暖和空间感，并没有因为开启而增加声音响度，声像的方位感也没有任何偏移，符合VIVACE系统所追求的自然鲜活的声音概念。

在演示过程中VIVACE厂家的高级工程师Bjorn先生还现场演示了系统的另一个应用，3D声效移动（3D Source moving）功能，用小蜜蜂和直升飞机作声源，表演声音移动的3D飞行效果。在控制计算机上的3D模型里随心所欲地拖拽声源，现场便会出现嗡嗡作响飞来飞去的直升机、小蜜蜂，或起落或俯冲与你擦肩而过，让听者宛若置身声音的梦幻场景，兴奋之余又为之赞叹。VIVACE系统的体验得到了在场专家的一致认可。

图17 大连国际会议中心剧场VIVACE的用户控制界面

4 结语

随着VIVACE电子可变声场系统不断完善，得到越来越多的应用。实践证明，该系统有以下主要特点。

（1）根据需要改变室内的混响时间并控制频率特性、抑制反馈，改善声场的不均匀度、动态处理等，实时纠正房间失衡的混响特性，没有时间间断或延迟，没有音调变化和染色，获得真正意义的多功能剧场。

（2）对早期的反射声和混响声使用不同的模块和不同信号处理算法，更加灵活地对脉冲响应进行修正。

（3）采用传声器的数量少，使系统处在较低的背景噪声和更高的系统信噪比；同时，与未采用VIVACE系统的音响系统相比，造价未有大幅增加。

（4） 可配置4个独立的混响区域，灵活地对各个区域进行参数修正，实现声音不同区域的平滑过渡，适应大听音场不同位置的需要。

（5）制作栩栩如生移动声源的3D动态效果，支持环绕声格式或多信道信号同步或自动演示。

（6）系统拥有双通道冗余备份，有较高的安全可靠性，包括自我监控和自动切换的功能。

（7） 系统设备配置自由，不会约束使用某个厂家产品。

可见，VIVACE电子可变声场系统对于多功能厅堂的混响控制是可行和有效的。2013年，在第十届中国艺术节举办的“中国十大剧院”评选活动中，安装有VIVACE可变声学系统的大连国际会议中心大剧院荣获了“最佳声效剧院”单项奖。随着人们对声场和音质的更高追求，越来越多的电子可变声场系统将会进一步发展和应用。

感谢大连艺声电子工程有限公司技术总监滕文峰先生给予笔者的支持。

[1] 项端祈. 传统与现代——歌剧院建筑[M]. 北京：科学出版社，2002.

[2] 项端祈. 实用建筑声学[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1992.

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[7] （美）唐.戴维斯, 卡路琳.戴维斯. 声系统工程. 中国电子学会, 1989.

周泉，电子与网络工程师，大连艺声电子工程有限公司工程部部长，在大连国际会议中心音响工程中担任项目经理。

（编辑 杜 青）

VIVACE Electronic Variable Acoustic Field System and its Application in Dalian International Conference Center Theater

ZHOU Quan
（Dalian Yisheng Electric Engineering Co.,Ltd. , Dalian Liaoning 116021, China）

VIVACE electronic variable acoustic field system is an acoustic simulation system by means of electroacoustic method to change the indoor acoustic condition, and can realize 3D audio effects. Taking Dalian international conference center theater for example, the architectural acoustics and VIVACE system implementation plan were given in this paper.

VIVACE electronic variable acoustic field system; convolution algorithm; multifunction theater; architecture acoustic design; movable sources; 3D sound effect

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.004