可变混响系统的分析与构建

戴璐

(宁波音王电声股份有限公司 国家博士后工作站，宁波315104)

1 引言

声音由振动产生，以波的形式通过弹性介质进行传播，在传播过程中，声波受到各种因素的影响而发生改变，比如吸收、反射、折射、衍射等，这属于物理声学范畴。声音同样也可以看作是由人耳接收并传递给大脑而进行感知的一个刺激量，这属于心理声学的范畴。而室内声学涉及了物理声学和心理声学两个方面。

“厅堂音质与其说是科学，不如说是艺术(Architectural Acoustics As An Art)”。1966年，德国哥廷根大学的Schroeder在其《建筑声学》一书中将音乐厅音质归结为三方面问题：物理的、心理的以及美学的或优选的问题。人们意识到，厅堂音质中存在的诸多问题并不是纯粹的物理学范畴内就能解决的，还需要借助生理和心理等领域的知识，客观声场与主观听感之间的关系成为了研究的核心[1]。

近年来很多地方也纷纷兴建地区性“大剧院”或“艺术中心”。由于建设投资有限或考虑到单一专业型剧场利用率不高等因素，地方政府更热衷于建设一个独立的能够适应音乐、歌舞、戏剧演出、电影放映甚至会议、报告使用的多功能剧场。

然而，国内绝大多数的“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应是可以根据演出节目的不同种类和需求，厅堂内声场可变的，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。不同类型节目所要求的最佳混响时间的典型值如表1所示[2-4]。

表1 各种节目类型的最佳混响时间

真正意义上的多功能剧场是指观众厅的混响时间可变，厅堂的声学环境与使用目的相适应才。改变厅堂声场的方法有两种，一种是通过物理的方法改变厅堂的容积和墙壁上的反射、吸声特性。另外一种是通过电声的手段来模拟墙面的反射声或扩散声，来改变现有厅堂的声场特性。

这两种方法都各有优缺点，比如通过物理的方法改变厅堂声场特性，可以根据实际需要情况增加或减少吸声量，改变混响时间和空间感知，具有自然的听感，缺点是造价昂贵，操作复杂，后期维护成本较高。通过电声方法改变厅堂听感的方法造价成本相对便宜，操作简单，安装和维护也比较方便，缺点是受到固有物理空间的影响，只能增强混响感，而不能减弱混响感，也容易引起电声啸叫和不自然感。

通过电声手段改变厅堂声场环境的方法已经使用了几十年了，早在1965年的AR系统利用赫姆霍兹共振方法改变了一座厅堂的混响时间，之后各电声公司或声学研究机构根据不同的声学原理开发了数种电子可变混响系统，并一直改进优化至今，现代电子混响系统的共同点有：使用心型或超心形传声器拾取舞台直达声或观众区的反射声，扬声器在观众厅或者舞台上进行反射声重放；利用电子设备提高声场内的声能或改善声能分布；具有基本延时效果；重放扬声器通常选择紧凑型/小型扬声器；具有硬件处理器及和可视化软件操作平台等。电子声场控制系统的发展历史和技术特点如表2和表3所示。

表2 电子声场控制系统的发展历史

表3 电子混响系统各自的技术特点

其中VRAS是将MCR和ACS两种系统的优势结合并进行优化而来，并在2005年被Meyer Sound收购，改名为”Constellation”；LARES为E-acoustic的前身。

2 可变混响控制系统

目前主流的电子可变混响系统主要有声场控制系统ACS、多通道混响系统MCR、可变室内声学系统VRAS、电子声学系统(E-coustic)、多功能创新声学引擎系统(VIVACE)、多功能演艺声场控制系统技术简介CDC.Revb[5-10]。

2.1 声控制系统(ACS)

该系统是以直达声为对象，使用多通道指向性传声器拾取信号，将拾取到的均匀覆盖所有位置的声源信号进行特殊处理，形成早期反射声和混响声，营造出一个可变的声学环境。其主要功能有：

(1)为观众厅提供早期(或近次)反射声；

(2)改变(延长)观众厅的混响时间，并可优化混响时间的频率特性；

(3)提供舞台返送，使舞台上的演员、演奏员能真实地听到观众厅的实际声效；

(4)替代舞台声反射罩。

电声控制系统(ACS)主要由传声器以及信号处理矩阵组成，传声器主要负责拾取直达声。其系统框图如图1所示。

图1 ACS系统框图

2.2 多通道混响系统(MCR)

MCR系统是以“扩散声场”为对象，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大于厅堂混响半径(特别是同声道的传声器)，使各声道间的相关性最小，其系统框图如图2所示。

MCR系统的主要原理是运用大量的放大通道有效地提高混响声能，从而改变或者延长混响时间。系统增益的大小取决于放大声道的数目只有严格控制系统增益才能保证系统的稳定性，并保持良好的音质。

图2 MCR系统框图

2.3 可变室内声学系统(VRAS)

VRAS系统最基本的是“耦合房间”——电声耦合的概念，其核心是以一个“数字电子混响器”代替“真实的耦合空间”。这种非直连式系统可以控制局部和整体室内声学特性，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，且该系统比MCR系统相比，声道数目要求少得多，VRAS的系统框图如图3所示。数字信号处理器包括：输入交叉耦合矩阵、多通道混响器、反馈交叉耦合矩阵、输出交差耦合矩阵。传声器无方向地布置在观众厅内，主要拾取大厅内的混响声。

图3 VRAS 系统框图

传声器信号馈送给输入交叉耦合矩阵，输出一路直接接连到输出(输出耦合矩阵)，另一路接入混响器网络(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，最后送回室内扬声器。

2.4 电子声学系统(E-coustic)

该系统的原理是通过时变人工混响改进室内声学。该系统的声学处理器有4个独立的声学处理引擎，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的控制，同时能够调整所有的关键声学参数(如：早期反射声等)，结构框架如图4所示。时变混响系统能够在房间传输函数中拓宽谐振峰，为系统增加了稳定性，因此，传声器和扬声器可以放置在彼此较近的地方，不会出现声反馈带来声染色。同时系统可以减少传声器的使用数量。其独立的声学处理器对直达声、反射声及混响的声能量进行独立控制，同时能够调整如平均自由程、早期衰变时间等参数。

图4 E-acoustic系统声学引擎

2.5 多功能创新声学引擎系统(VIVACE)

VIVACE电子可变声场系统在全频段(20Hz～20kHZ)采用脉冲响应采集和专利卷积算法生成声场混响效果，系统使用的两个基本条件是：

(1)房间起始混响时间(500Hz和1000Hz)相对较短；

(2)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。

该系统中包含世界上许多著名厅堂所采集的室内声学特性参数，利用“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卷积。系统的卷积过程可通过式(1)来描述，其卷积过程示意图如图5所示。

a*(b1*b2)=c

(1)

其中a：靠近舞台口的传声器拾取项目厅堂声信号，b1：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：卷积后信号通过功率放大器馈送给大厅的扬声器以三维声学特性投射到观众区域，c：获得的目标脉冲响应。

图5 VIVACE系统的信号卷积过程

2.6 多功能演艺声场控制系统技术简介CDC.Revb

多功能演艺声场控制系统CDC.Revb的研发是结合多年的室内声学理论研究及最新的心理声学成果，经过大量听感实验和理论基础研究工作的论证，应用了现代多声道环绕技术和最先进的实时信号处理技术。

CDC.Revb主要应用领域是对于音乐有较高需求的场所，独立于扩声系统，也可以和扩声系统进行复用，也可和市面上较常用的杜比全景声格式及其他电影放映格式进行兼容和复用，其主要功能如下：

a)有效增强混响感和清晰度；

b)有效增强空间感和视在声源宽度；

c)调节混响频率特性；

d)适合不同演出需求，在不同模式下自由切换声场模式；

e)提供沉浸式的虚拟听感。

(1)技术特点

a)舞台话筒拾音阵列技术

自定义的舞台话筒阵列拾音技术，话筒阵列分为两种类型，第一种是针对中小型舞台的拾音技术，使用了19支强指向性的传声器吊挂在舞台上空，主要是对舞台中心区域的声源进行拾取。另外针对比较大型的舞台，或者是比较大型乐队的演出情况，可以使用另一种话筒阵列——“丰”字型话筒阵列，它三个子阵列共15只话筒组成，每个子阵列的夹角可以根据具体舞台尺寸进行调节。六边形阵列覆盖舞台中心区，风字型是覆盖舞台左中右三个区域，将声源划区域处理，舞台拾音用话筒阵列如图6所示。

图6 丰字型和六边形舞台拾音话筒阵列

b)自定义重放格式

多功能演艺声场控制系统自定义了实用与中小型厅堂的、可与全景声系统复用的重放格式。观众区只有一层时，系统扬声器共有48只，14个编组，其中44只为全频音箱，覆盖整个听众区域，4只音箱为低音和补声音箱，如图7所示。

观众区有二层楼座时，虚拟混响系统的扬声器系统为44+8+4只、14+2编组的形式，其中44只全频音箱覆盖整个听众区域，8只全频音箱对楼座下的声影区进行补声，模拟来自天花的反射声。

图7 CDC.Revb系统音箱重放格式示意图

(2)应用

虚拟混响系统是以全景声电影的放音系统为基础，无需改变其扬声器数量或布局，而是作为全景声电影放音系统的辅助功能，在音乐会、综艺表演等演出时使用，用于改善室内混响感，营造更为自然舒适的听觉感受。虚拟混响系统是一套独立的系统，不具备扩声或补声功能。

多功能演艺声场控制系统是为城市文化中心剧场，多功能剧场，企事业单位，大型社区剧场等应用环境进行研发的，除了可以用在室内之外，也可以用在室外。主要目的是为观众提供一种比较亲切、舒适的自然听感和深刻的听觉感受。除此之外，CDC.Revb还可以用在多功能厅、影剧院、音乐厅、户外表演，演讲，可以增加早期直达声，提高清晰度，为听众营造一种虚拟的感觉，可以给大家带来一种虚拟剧场的感觉。

3 结束语

目前利用电声方法的可变混响系统的功能已经不再仅仅是“改变混响时间”这样单一的功能，系统同时更强调对声场的综合控制，优化听音环境，通过调整直达声、早期反射声、后期混响声等能量的比值及其他声学参数以营造自然的声学特性。可变混响系统一般都可与电影放映系统以及扩声系统复用和融合，不仅在室内，在室外也同样可以创造独特的包围感和空间感等[11-12]。

由于可变混响系统原理复杂，涉及众多的室内声学及心理声学概念和原理，因此对调试人员具有较高的声学专业背景要求，而现场使用人员也应具有一定的专业背景知识和相关培训才能进行操作。

伴随音频技术与电子技术的迅猛发展，“数字音频处理技术”的应用使得具有可变或恰当音质厅堂的造价成本大幅降低，在国外已经有了很多成功应用的案例和场景，而在中国，电子声场控制系统也具有广阔的应用领域和市场前景。