从建筑声学的角度分析电声可变混响技术——以E-Coustic电声优化系统为例

杨志刚

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

现代厅堂一般都有多功能要求（简称多用途厅堂），如既要满足会议、话剧等语言清晰度较高的要求，也要满足交响乐、室内乐、合唱、独奏等音乐丰满度较高的要求，同时还要满足戏剧、歌剧、歌舞剧等兼顾语言清晰度和音乐丰满度的要求。为了达到最佳的音质效果，不同的功能需要不同的声学条件。其中，混响时间是评价音质优劣的重要指标。因此，通常把调整和优化声学条件的技术称为可变混响技术。

可变混响技术分为建声可变混响技术和电声可变混响技术。电声可变混响技术是通过合理布置包含特定算法的电声系统，包括传声器、信号处理单元、功放和扬声器等系统，利用信号处理技术调整接收点的反射声序列（包括能量大小和延时），从而达到改变厅堂音质效果的目的。

电声可变混响技术的优点是对音质产生更加显著的调节作用；通过设置多种预置模式，可实现厅堂音质的“即时切换”，使舞台表演更加丰富灵活；无需占用额外的空间，节省建设成本。缺点是只能增加而无法减少混响时间；若系统调节不当，易带来声染色和“电声味”，破坏声音的真实、自然听感。

1 电声可变混响技术的发展简介

1953年，荷兰飞利浦公司研发的AS（Ambiophony System）系统是最早的电声主动控制可变混响系统。1964年，伦敦皇家节日音乐厅采用的AR（Assisted Resonance）系统是电声可变混响技术最早应用成功的案例之一，解决了该音乐厅中低频混响时间不足的问题。之后相继涌现出十余种算法不同的电声可变混响系统（表1），其中大部分系统至今仍在实践中不断发展与进步。

电声可变混响系统在国内推广和应用比较多的是E-Coustic、VIVACE和Constellation。国内在电声可变混响技术方面的成果之一是可变声学环境系统REAS（Room Electrical Acoustics System）。

2017年，笔者在易科国际深圳总部多功能厅进行培训学习时，对多功能厅的E-Coustic Systems声学优化系统印象比较深刻，混响调节效果感觉显著。E-Coustic Systems技术已经应用在数百个空间，是世界上使用最广泛的声学增强系统之一。E-Coustic Systems采用专利信号处理技术，克服了将传声器和扬声器一起使用的基本物理问题——声反馈。经过沟通，笔者于2018年5月24日，专程到易科国际深圳总部的多功能厅进行建筑声学参量的测量，希望能从建筑声学的角度发现E-Coustic Systems听感比较好的原因。

表1 国外不同公司的电声可变混响技术

图1 多功能厅平面图

图2 多功能厅剖面图

图3 多功能厅室内图1

图4 多功能厅室内图2

2 多功能厅的建筑概况

易科国际深圳总部的多功能厅平均长、宽、高分别为17 m、11.6 m、4.8 m，面积约180 m2，体积约864 m3。共设100个座位，地面铺地毯，墙面布置宽频带的吸声材料。多功能厅的平面图、剖面图见图1、图2，室内图见图3、图4。

3 多功能厅声学参量测试结果及分析

测试的软件和主要设备为丹麦B＆K7841——DIRAC Room Acoustics Software建声测试分析软件、B＆K4292无指向球面声源、B＆K2734测试功率放大器、B＆K1704-A-002信号放大器、B＆K4101A头戴式双耳传声器、列支敦士登NTI传声器M2230、德国SENNHEISER MKH800无线测试传声器（用于测侧向反射因子LF）、SENNHEISER SKP500无线发射系统、SENNHEISER EW500无线接收系统等。

多功能厅本身的混响时间控制得比较短，仅约0.39 s，且混响特性比较平直。因此，多功能厅显然进行了专门的建筑声学设计和计算，在墙面和顶面合理地配置吸声材料或构造，为电声可变混响技术的应用提供良好的基础条件。以下分别从丰满度与清晰度、响度和空间感等方面进行分析。

3.1 丰满度与清晰度

从E-Coustic系统未开启和开启后的测试数据（表2）可以看出：

（1）混响时间T30得到明显提升。

（2）早期衰变时间EDT变化比较小，平均仅增加约0.1 s；音乐明晰度C80平均下降约3 dB；语言清晰度仅下降约0.04 dB，几乎没什么变化。

从E-Coustic系统开启后的不同使用模式的测试数据（表2）可以看出：

（1）混响时间T30随设置的模式有明显的变化。

表2 不同使用状态下部分声学参量的中频500 Hz数据汇总表

（2）早期衰变时间EDT、音乐明晰度C80和语言清晰度变化都比较小。

说明E-Coustic系统开启后的不同使用模式混响时间的延长，主要是通过调节后期反射声能实现的，早期衰变时间EDT基本没有变化。可以看出，该系统的设计者把语言清晰度放在很重要的位置，即使混响时间明显提升，良好的语言清晰度也基本保持不变。T30、EDT和C80、D50不同使用状态下的频率特性曲线见图5～图8。

3.2 响度

从测试数据中的响度值G（见表2和图9）可以看出，开启E-Coustic系统后，G值相对会议模式增加0.2 dB，相对其他模式增加约0.4 dB。总的来说，响度增加比较小，基本上感觉不到墙面或顶面上的某个扬声器发出的声能。每一个扬声器单独的输出信号十分微弱，人耳基本听不到单个扬声器的响度。但是，来自房间不同方向、多个扬声器微弱声能的叠加，使听者感受到音量还是增大了。

3.3 空间感

从测试数据（表3和图11～图12）可以看出，开启E-Coustic系统后，双耳听觉互相关系数IACC和侧向反射因子LF基本没有变化。

图5 不同使用状态下T30频率特性曲线

图6 不同使用状态下EDT频率特性曲线

图7 不同使用状态下C80频率特性曲线

图8 不同使用状态下D50频率特性曲线

图9 不同使用状态下G频率特性曲线

图10 不同混响状态下IACC频率特性曲线

图11 不同混响状态下LF频率特性曲线图

表3 不同使用状态下中频500 Hz的IACC和LF汇总表

表4 视在声源宽度ASW和环绕感LEV汇总表

表5 采用耦合空间交响乐厅音质参量的实测数据变化[1]

图12 中间位置测点的声能衰变曲线图

图13 采用耦合空间的巴黎爱乐音乐厅

空间感包括早期声引致的视在声源宽度ASW和后期混响声引致的环绕感LEV。ASW通常用双耳互相关系数来评价，LEV用来评价。从表4可以看出，ASW基本没有变化，LEV确实得到增强。但从数据看也不是混响时间越长，LEV就越大，没有明显的规律性。

3.4 亲切感

开启E-Coustic系统后，ITDG都是9 ms，没有变化。

4 测试数据简要分析

在常规的厅堂中，混响时间变长，清晰度或明晰度会降低。从E-Coustic系统开启后的不同使用模式的测试数据可以看出，虽然混响时间T30明显增大，但是清晰度或明晰度却没有明显降低，基本没有变化。从中间位置测点的声能衰变曲线图（图12）可以看出，呈现出双折线（混响时间越长，双折线越明显），这是采用耦合空间厅堂的典型特征。从表5也可以看出，设有耦合空间的英国伯明翰交响乐厅和美国梅耶森交响乐厅，中频混响时间T30明显增大，早期衰变时间EDT变化很小，明晰度C80不降反升。2015年建成的巴黎爱乐音乐厅也采用了耦合空间（图13），同时具备高清晰度和长混响时间的丰满度。

可以看出，E-Coustic系统建立的模型明显借鉴了采用耦合空间厅堂的双折线特征。E-Coustic系统开启后的不同使用模式混响时间的延长，主要是通过调节后期反射声能来实现的，早期衰变时间EDT基本没有变化。声能衰变曲线呈典型的“双折线”（拐点约出现在-20 dB处），即早期衰减比较快，保证高清晰度；后期衰减比较慢，保证长混响时间。

图14 E-Coustic Systems采用的扬声器

5 多功能厅成功的关键

（1）设计了一个良好的建声环境——混响时间短，且频率特性非常平直的空间。只有空间初始条件相对“沉寂”，才能对后面建立相对“活跃”的虚拟空间提供足够的裕量，毕竟电声可变混响技术只能延长混响时间而不能缩短。

（2）声音听起来比较“自然”，没有明显的“电声味”。扬声器的特性要求应该是参照了世界三大顶级音乐厅（维也纳金色大厅、阿姆斯特丹音乐厅、波士顿交响乐厅）的高扩散性，即覆盖角度比较大且能量比较小。三大顶级音乐厅之所以音质效果非常好，与它们的高扩散性（顶部的藻井格、墙面的雕塑等）引致的声场均匀有很大关系。

如图14所示，E-Coustic Systems采用的LSH-100是全频高输出同轴扬声器，可以提供宽广的110°覆盖。LIN-250标称覆盖角度为-6 dB 120°水平/-6 dB 120°垂直。LCF-599和LCF-499频率覆盖（水平×垂直）：500 Hz 115°锥形、1 kHz 100°锥形、2 kHz 135°锥形、4 kHz 110°锥形、8 kHz 135°锥形。E-Coustic Systems采用的扬声器的覆盖角度都很大，最小的频率覆盖角度也大于100°，如同扩散体的宽角度扩散。由于声能经过扩散体扩散后能量均匀分散、比较小，因此，要求任意一个扬声器单独的输出信号十分微弱，一般不在人耳的声压可听阈范围内，这也就是响度G设置增加比较小的缘故。但多个扬声器输出信号的叠加效果，使得来自空间不同方向的反射声能大小和延时发生明显改变，从而达到改变厅堂音质效果的目的。

（3）没有“声反馈”和“声染色”等声缺陷。E-Coustic Systems采用专利信号处理技术，克服了将传声器和扬声器一起使用的基本物理问题——声反馈。这种专利信号处理技术就是能量的衰变，即早期声能增加比较少、后期（约200 ms以后）声能才逐渐增加。声能通过延时错位，从而有效地避免声反馈。

高频2 000 Hz以上混响时间超过2 s，人耳就能感觉到声音非常嘹亮，感觉有明显“金属音”。相对于自然声，通过扬声器出来的声能，“金属音”的感觉更加严重。因此，为了降低高频的金属音，混响时间必须要减小。从前文的图5可以看出，频率越高，混响时间越小，显然系统对高频混响时间有意做了一定削减。

爱沙尼亚的诺基亚音乐厅采用Constellation可变混响系统的测量结果（图15）和E-Coustic Systems的T30高频衰减特性相同。

图15 采用Constellation可变混响系统的测量结果

6 改进建议

从图5可以看出，只有低频125 Hz混响时间与系统设置最接近，其他频率混响时间都比设定值偏小。而通常所说的混响时间一般指中频（500 Hz、1 000 Hz）混响，因此，建议取500 Hz和1 000 Hz混响时间的平均值作为设定值。

建议交响乐演出状态，在台口两侧设置两组覆盖全场的扬声器，以提高视在声源宽度ASW，其它演出状态需关闭。