电声可变混响系统的发展与应用

【摘 要】 电声可变混响系统自问世以来已有60年的发展历史，仍在不断寻求新的技术改善、优化室内声学环境，以满 足真正的使用需求，近期出现的一些电声可变混响系统被更多的音乐家们所认同，并得到较广泛的应用。

【关键词】 最佳混响时间；声场控制；声染色；信号卷积；专业型剧场

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.007

【Abstract】It has been sixty years since the acoustic variable reverberation system coming into being. Up to now， people have been constantly seeking new technology to prefer the system， to improve and optimize the indoor acoustical environment in order to meet the needs of real use. Happily， some latest arisen of acoustic variable reverberation systems were approved by more musicians and have been more widely used around the world.

【Key Words】best reverberation time； sound field control； sound dyeing； signal convolution； professional theater

1 问题的提出

不同使用目的的厅堂，为获得良好的音质效果对大厅混响时间的要求也各不相同。换句话说，要有一个“合适”的混响时间与之相适应，这个“合适”的混响时间就称作最佳混响时间。

厅堂的最佳混响时间，通常是对中频500 Hz和1 000 Hz而言的。它是依据对大量的厅堂进行主观音质评价，结合声学测定结果，经统计分析确定的经验值，因此，在国内外有关文献中所推荐的最佳值会有一定的出入，常给出一个范围。需要注意的是，混响时间是厅堂音质评价的重要指标，但不是唯一的指标。其他声学属性还包括：明晰度、空间感、亲切感和温暖感等。

为了保证各类节目演出具有最佳的视觉和听觉效果，国内外建造了许多“专业型”剧场，如戏剧场、歌剧院和音乐厅等。这些“专业型” 剧场需要进行专门的建筑声学设计以获得良好的音质效果，譬如厅内混响时间可以分别是1.2 s，1.6 s和2.0 s等。除单一功能的专业型剧场外，还有众多的能满足音乐、歌舞、戏剧演出乃至会议使用的多功能剧场。

多功能剧场即多种使用目的的剧场，是以满足某一种文艺演出形式为主（如歌剧）并兼做其他演出（如演唱会、戏曲等）使用。多功能剧场观众厅的混响时间常选取一个“中间值”，例如1.4 s，显然这对于语言类节目嫌长，而对于音乐类节目又嫌短。

中国绝大多数的 “多功能剧场”仅仅是使用意义上的多功能厅，而不是真正意义上的多功能剧场。所谓真正意义上的多功能剧场是指观众厅的混响时间必须是可变的，只有声学环境与使用目的相适应才能保证良好的音质效果。

2 实现厅堂混响时间可变的基本方式

实现剧场观众厅混响时间可变基本上有两种方式：“建声方式”与“电声方式”。

建声方式是一种传统的技术措施，它是通过改变室内的容积或改变墙壁、天花板等部位的吸声材料与结构，亦即改变室内的总吸声量来实现调整混响时间的目的。这种方式的优点是“全建声”效果；缺点是费用高，可调混响时间的范围小（一般观众厅要改变0.5 s需要付出很大努力），而且还存在使用中的安全性、可靠性和方便性的问题。

电声方式是采用电声系统设备，通过电声声场控制技术来控制室内的混响时间和其他声学特性。这种方式的优点是所花费用较低，混响时间可调范围大（可以是2～3倍），可预先设定，使用方便。它不仅实现了混响时间可变，而且还可以对室内声场进行“修正或优化”，如增加近次反射声、声扩散，调整直达声、反射声和混响能量的最佳比例，以及对混响时间频率特性进行调整等。

需要指出的是，有人把这种方式混同于“歌舞厅的混响效果器”，这是不对的。电声可变混响系统是以优化室内声学环境为目的，它所建立的声场具有完全自然的时间特性和空间特性，是真正意义的三维声学空间，可以说是用现代的电声技术来创造一个忠实自然的“人造”声学环境。

3 电声可变混响系统简要历史回顾

利用电声的方法实现室内声学可变的实用系统源于20世纪50年代。电声可变混响系统自问世以来，伴随科学技术的发展与进步（特别是电子技术的迅猛发展），从开始的实验装置发展到完善的系统设备，已在国际上许多发达国家的剧院尤其是多功能剧场中得到了较广泛的应用。

第一套立体混响装置是1954年实现的，以后国际上不断出现以不同“机理”、不同“命名”和不同控制方法的电声可变混响系统。具有代表性的系统见表1。

4 认知不同形式的电声可变混响系统

表1中列举了国际上不同时期出现的十几种具有代表性的电声可变混响系统，它们的“机理”（含专利算法）以及系统的构成各不相同，所有这些系统都可以用归一化系统框图来表示，见图1。随着时间的推移，电声可变混响系统在不断地“创新”或称“进步”，可以概括为：

（1）实现房间内声学环境优化与混响时间可变是系统所要达到的最基本的目的；

（2）传声器与扬声器同处在同一房间（或声场）内，系统不可避免地存在声反馈；

（3）努力避免因声反馈而产生的声染色，控制好系统的稳定增益，让使用者和听众都觉察不到“电声味”，保持良好的声音质量是系统追求的最终目标；endprint

（4）尽量简化系统设备配置，降低系统造价；

（5）力求方便系统设备的现场安装、施工和简化系统调试；

（6）扩展应用范围，如“电子”舞台反射罩，多通道声重放，室外广场应用等。

需要指出的是，电声可变系统的稳定性（即无察觉声染色工作状态）取决于系统设计亦即系统设备配置的通道数（或传声器数量）。通常设计方在系统调试中所预设的混响时间范围都较大，如可以是1.2 s～3.5 s，但这并不意味着就是实际的使用范围，譬如在系统设计时，无察觉声染色的混响时间上限是1.8 s。因此，如果想要使用预设值中更长的混响时间而又要保持良好的声音效果（即无察觉声染色），对上述所有系统“惟一”的解决办法（或技术措施），相应地增加系统的传声器数量（通道数）。

5 典型电声可变混响系统简介

5.1 受援共振（AR）系统

受援共振（Assisted Resonance）系统是由Parkin和Morgan于1964年为改进伦敦英国皇家节日音乐厅的音质（主要是增加厅内低频的混响时间）而研发的多通道混响系统。

英国皇家节日音乐厅于1951年建成，厅内容积22 000 m3，观众座席3 000座，大厅原混响时间1.4 s。

AR系统基本上是一个“窄带”系统，每个声道包括一个用声共振器（亥姆霍茨共振器）调谐于某个窄频带的电容传声器、移频器、20 W功率放大器和扬声器；在58 Hz～700 Hz的频率范围内共使用了172个声道。大厅使用该系统后，700 Hz以下的混响时间变化非常明显，以125 Hz为例，混响时间由原来的1.4 s增至2.2 s。它不仅增加了低频的混响时间，也增加了声扩散，非常有效地改进了大厅的音质效果，受到当时许多著名音乐家的赞扬。

AR系统由开始的一种实验装置经过随后几年的不断改进与完善，最终成了永久性的系统设备，它成为多声道电声系统使用时间最长的一个成功案例。后来在美国一些新建的音乐厅（如York，Concord和Scottsdale等）也采用了AR系统，只是在通道数上有所减少。

5.2 多通道混响（ MCR ）系统

荷兰飞利浦公司的Franssen于20世纪60年代提出了通过一系列“传声器-扬声器独立宽带声道”，可以显著增加室内混响时间。多通道混响 （ Multiple-Channel Reverberation）系统就是Franssen理论的商业化实现。MCR系统实际应用有二十余年的历史，当时在欧洲许多国家新建或改造的多功能会议大厅、多功能剧场和音乐厅等场所得到了较广泛的使用。据不完全统计，2000年以前的成功案例有20余个。1995年MCR完成了由模拟系统到数字系统的转变。

MCR系统是以扩散场为对象，因而传声器布置在观众厅内不直接拾取舞台上的信号。每个扬声器和每个传声器之间的距离均处于厅堂混响半径之外（特别是同声道的传声器），这样可以使各声道间的相关性最小，总放大量就是各声道放大量之和（能量之和）。系统中要严格控制每个声道的回路增益，以确保系统的稳定性和声音的自然感。

在一个均衡良好的传输线路中，平均信号和峰值信号的电平差值为10～12 dB，一个放大环路要保持稳定和避免产生声染色，环路增益不应高于-6 dB。因此，从理论上讲，每个声道的回路增益应当是g2 =-17 dB（= 0.02）。在实际应用中，为确保系统的稳定性和防止可能出现的声染色，常把回路增益g2设置在-19 dB（即0.0125）。

设计一个MCR系统，要知道厅堂起始的混响时间（TO）和最终需要达到的最大混响时间（TN）。例如，一个多功能剧场观众厅的起始混响时间TO = 1.2 s，需要的最大混响时间TN = 1.8 s，由下式可计算出所需要的通道数：

N = （TN/TO-1）/g2

g 2为回路增益一般取0.0125

本例需要40个声道。

法国里昂（Lyon）音乐厅是40多年前建造的，观众厅容积22 000 m3，观众座席2 078座。主要用于交响乐、轻音乐和歌剧等。由于当时厅内音质效果不是很好，室内建声曾改过多次，仍不够满意，特别是舞台上的声音不佳（舞台空间较高）。1993年开始设计、安装MCR系统，先从舞台上开始（见图2），实际效果让剧院和使用者都感到满意，随后推向观众厅，于1997年11月完成。该系统是一套模拟系统，共有46个声道，舞台上14个声道相当于舞台声反射罩，观众厅32个声道，观众厅空场中频混响时间的变化量从原来的1.65 s增至2.15 s，分四级控制。

5.3 声控制系统（ACS）

声控制系统（Acoustic Control System）是20世纪80年代由荷兰ACS公司与荷兰Delft大学共同合作开发的电声声场控制系统。据不完全统计，截止到2005年，ACS已在世界各地的50余处剧院、多功能剧场、大学礼堂、议会大厅和教堂等场所应用。

ACS是以直达声场为对象，因而传声器布置在舞台口上方直接拾取舞台上的信号，利用原信号与系统脉冲响应的卷积来附加混响。每支指向性传声器“负责”拾取舞台上或乐池的一部分信号，通常1支传声器覆盖5 m2～10 m2的舞台面积。每支传声器拾取的信号经处理后由矩阵器分配给各通道。

美国加州大峡谷学院剧场2004年建成（见图3），观众座席925座；混响时间：1.0 s～2.3 s，分8级控制。ACS系统采用18支超心形指向性传声器，18个通道的早期反射声和混响矩阵模块和各种不同类型扬声器66只。

5.4 可变室内声学系统（VRAS）

可变室内声学系统（Variable Room Acoustics Systems）是1993年由新西兰M.A.Poletti提出的，后经美国LCS（LEVEL CONTROL SYSTEMS）公司研发生产的。2005年被美国 Meyer 公司收购，VRAS 改名为“Constellation”。endprint

VRAS最基本的是“耦合房间”─ 电声耦合的理念，其核心是以一个专门设计制作具有单一性质的“数字式电子混响器”代替“真实的耦合空间”。数字声频信号处理器主要包括有：输入交叉耦合矩阵，多通道混响器，反馈交叉耦合矩阵，输出交叉耦合矩阵。这种新型的非直连式系统与以前的系统相比，可自然地控制局部和整体室内声学特征，系统的混响增益与响度增益无关，能更好地抑制可能出现的声染色以获得高质量的声音重放。

VRAS使用了一些“传声器-扬声器独立宽带声道”，与MCR系统类同，传声器布置在观众厅内主要拾取大厅内的混响声。传声器拾取的信号馈送给输入交叉耦合矩阵，矩阵输出一路直接连到输出（或输出耦合矩阵），另一路接入混响器网络（其中含有延迟、增益调节和阻尼滤波等），网络的输出经过环路增益调节反馈到输入，产生输入信号的再生混响（混响器基本上是由N个具有不同延迟时间和反馈增益的梳状滤波器构成，它们通过反馈矩阵交叉耦合），然后把它们送回室内的扬声器。VRAS中的“多通道混响器”是一种专门设计的组件，它区别于通常的“标准混响器”，具有单一的性质且功率增益随频率的变化是平坦的，是防止系统出现声染色和不稳定的关键。如果某些大厅需要更强的早期反射声能，VRAS可以提供ER（早期反射）子系统。ER子系统含有一个反射处理器，其原理与VRAS混响器的原理类似。

捷克布拉格议会中心建于1980年，观众厅座位3 300座（见图4），多功能使用以会议为主兼做交响乐演出等。大厅改建使用了VRAS系统以增加混响时间和提供早期反射声，该系统完成于2001年8月。使用VRAS系统后，观众厅混响时间的变化是：

63 Hz～125 Hz频段，由原来的1.7 s～1.8 s增至2.4 s；

500 Hz～1 000 Hz频段，由原来的1.5 s～1.6 s增至2.1 s。

5.5 电子声学优化（E-coustic ）系统

1988年，David Griesinger和Steve Barbar提出了“通过时变人工混响改进室内声学”，电子声学优化系统就是以此理论为基础的，当时已成功设计和集成了用于声学优化的组件和系统。1995年LARES公司成立，对此系统在软、硬件方面不断的改进和完善，形成了今天全新的第三代声学处理技术。

E-coustic 系统采用了全新的数字处理平台即“独立时变混响器”（见图5），并结合神经科学和声学领域的研究成果（声音品质与人类感知的相互关系）推导出新的声学算法，可以精确模拟出“房间”所有的关键声学参数。时变混响器能够在房间传递函数中拓宽谐振峰，从而直接为系统额外增加至少6 dB的稳定性。即每个通道的平均环路增益能够达到-12 dB，比一般的非时变系统高出8 dB，故厅内的传声器和扬声器可以放置在彼此较近的地方，而不会出现声反馈带来声染色。与其他电声可变混响系统相比，采用 E-coustic 系统可减少传声器的使用数量。

E-coustic 系统中最主要的硬件部分是全新的 Mainframe III （声学处理器）和 Matrix （矩阵）处理器，它们提供了具有极其灵活性的声学处理能力的系统。Mainframe III有4个独立的声学处理引擎，运行全新的声频算法（源于对物理声学和人类神经学的最新研究）。每个声学处理器对直达声、反射声及混响的声音能量进行独立控制，同时能够调整所有的关键声频参数（如平均自由程、早期衰变时间等）。ECS-MADI 数字音频接口提供 128 通道 24 bit AES/EBU 音频传输。Matrix处理器具有512 个输入 / 输出通道，内部处理通道超过 8 000 个。信号通过一个 512 路点对点路由矩阵分配发送。在每个输入、交点和输出上都可对信号增益、延时和七段参数均衡进行调节。Matrix 处理器强大的处理能力不仅可以充分满足声学优化配置，还提供了多个专用通道，供电影环绕声以及复杂的声像移动场景的效果声使用。

据LARES公司称，E-coustic 系统在全世界各地的音乐厅、歌剧院、教堂、运动场及室外广场采用固定安装或流动系统的应用案例超过 400 个，例如：阿姆斯特丹市政歌剧院、柯普莱交响音乐厅、波士顿大学蔡氏表演中心、意大利会议宫——沙拉欧罗巴、多伦多埃尔金剧院（见图6）和德意志国家歌剧院等。

5.6 VIVACE系统

VIVACE取自意大利语，意思为“活泼的”。VIVACE系统于2008年是由两家德国公司共同研发并在不断改进中，软件是由Muller BBM声学公司研发；硬件是由Stagetec公司制造，并最终整合成完整的VIVACE系统。

VIVACE系统采用卷积算法，系统软件中还包含了世界上许多著名厅堂所采集的室内声学特性参数，借助专利技术“声学指纹”将项目厅堂卷积为目标厅堂的声学特性参数，设计的算法对舞台信号与之前所采集的脉冲响应进行“折叠”。

系统有4 个独立处理引擎可以对大厅4 个不同的声学“区域”分别进行声学优化与控制。包括对混响时间、混响电平、频率特性、反射密度、瞬态响应的调整；以及对早期反射声、混响声进行独立控制等。系统中的路由矩阵每个交叉点可独立设置电平和时间延时，最大支持192×192输入/输出。相对传统系统，VIVACE系统使用传声器数量少，通常情况下仅需要4支～12 支。此外，VIVACE系统可选配三维声音效果软件，支持现场实时多声道声音效果。

近年来，VIVACE系统在欧洲地区有近20个成功的应用案例。例如，德国格赖茨市政厅、法国巴黎（加尼叶宫）歌剧院、俄罗斯莫斯科民间文学艺术剧院和阿联酋酋长皇宫酒店剧院等。奥地利萨尔茨堡剧院莫扎特岩石剧场（见图7），观众厅座席1 430座；观众厅自然混响时间1.8 s。2011年安装使用VIVACE系统预设的混响时间是2.1 s。endprint

中国大连国际会议中心剧院2012年建成投入使用，观众厅座席1 600座，观众厅自然混响时间1.4 s。VIVACE系统预设的混响时间是1.4 s～3.0 s。

6 结语

近代的电声可变混响系统的使用功能已不局限于“混响时间可变”，同时更加注重改善、优化室内空间的听音环境（或声学环境），亦即采用电声的手段改变项目大厅的声学属性，诸如反射声、声扩散、混响声（含分布）以及调整直达声、反射声和混响能量的最佳比例等。这样的调整常以世界上著名音乐厅、歌剧院（或称目标大厅）的室内声学特性参数做比对，最终使项目大厅的声音效果更加接近目标大厅自然的声学特性。

此外，为满足表演艺术听感的需要，有些系统则给出了针对性的设计与系统配置，使厅内声音更加丰满、自然。莫扎特岩石剧场配置的电声可变混响系统就是一个典型的范例，剧场混响时间的变化量仅为0.3 s。

近代电声可变混响系统在不断扩展应用范围：如“电子”舞台反射罩；厅堂扩声系统与电声可变混响系统的进一步融合；为室外广场音乐会创造如同室内场馆特有的温暖感和环绕感；以及多通道声重放等等。

电声可变混响系统的应用需要得到剧院管理人员特别是音乐家们的认同并感到满意后方可投入使用。国外有人曾大致统计过，自20世纪80年代以来全球在不同场所已安装有700多个电声可变混响系统，但其中有相当数量的系统并不被音乐家们所认同（特别是一些早期的系统），主要问题是声音效果（或音质）的自然度不能令人满意。究其原因，既有某些系统自身不够完善的地方，也有系统在设计、器材配置、安装、调试或使用不当等多方面因素。

可喜的是，近期出现的电声可变混响系统，被音乐家所认同的比例大为增加并得到了较为广泛的使用，其中包括欧、美地区一些有名的剧院，例如：奥地利萨尔茨堡歌剧院、维也纳国家歌剧院、德意志国家歌剧院以及阿姆斯特丹市政歌剧院等。目前，在中国成功的案例还不多。伴随科学技术的发展与进步，采用电声控制系统来改善房间音质会有广阔的应用前景。

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