电子声学环境可变系统及其在中国的应用现状及发展趋势研究（一）

2021-04-25魏增来练嘉容

演艺科技 2021年3期

魏增来，练嘉容

（中国传媒大学，北京 100024）

1 电子声学环境可变系统的发展背景

在多年舞台艺术发展及审美提升过程中，人类逐渐认知到演出声学环境与艺术呈现形式之间需具备足够好的匹配性与适用性，即针对不同的节目类型应有不同的、与之相匹配的声学环境，声学环境与演出种类相契合，才能提供更为良好的最终听感效果。如古典音乐一般在音乐厅演出，话剧等戏剧则多在戏剧场演出，便是因为这些场地的声学条件各不相同，能充分契合演出形式和内容，更好地展示出其艺术表现力。

为了获得期望的声学环境条件，受人类技术发展水平的限制，早期对于建筑结构、声学处理等方面，全部通过物理声学方式，但鉴于声学传播、扩散等环节的复杂性，大多难以在建筑最终竣工之前准确预估其声场效果，因此，不得不在不完美的声场环境中进行表演，或花费巨大的物力、财力去整改整个建筑的相关声学条件，以达到期望的效果。在这个过程中，人们也一直努力探寻一种更简便、更经济的方法，以灵活地实现艺术呈现形式与声学环境的最佳匹配。20世纪中期后，随着电子技术与声音技术的融合，电声学也逐渐成为一个新兴的细分领域并得到迅速发展，这也就为上述目标的实现带来了一个全新的方向。

在人类对声学的认知过程中，混响时间一直被当做影响人耳听感的重要因素，从而成为建筑声学中最核心的参数之一。经过多年探索发现，语言、音乐、话剧、歌剧、音乐剧等都有其最佳的混响时间，因此，几十年来，首先从混响时间入手，以电声方式进行多样尝试，称之为电子可变混响系统。但随着对于建筑声学认知的不断深入，逐步认识到早期反射声、早后期声能比、早期衰变时间、初始时间间隙等其他声学参数也对最终听觉有较大影响，因此，伴随着近年来音频技术与信息处理技术的飞速发展，上述所谓“电子可变混响系统”也逐步扩展其关注并调整客观参量的内容，并更名为电子声学环境可变系统。

2 电子声学环境可变系统概览

声学环境可变系统的实现方式主要有物理方式与电子方式两种，相比较而言，电子方式造价更低、调整范围更宽、性价比更高、实现起来也更为容易，因此，该类方式也日益得到更多的重视，并随着IT技术所带来的信号处理能力的飞速提升，在近年来取得了长足的发展。

2.1 定义及主要特点

所谓电子声学环境可变系统，是指采用电声设备，通过电声声场控制技术及相关信号处理算法来控制、调整厅堂内的混响时间和其他声学特性的电声系统。在其发展早期，又被称为主动声学增强系统或电子可变混响系统。

电子声学环境可变系统不再像常规的物理声学可变系统那样完全基于赛宾公式或依林公式计算混响时间，而将其实现方法的理论基础进一步扩展到相关的建筑声学及电声学领域。其总体优点是所需费用较低；混响时间可调范围较大（可以是厅堂基础混响时间的2～3倍）；并大都可以在主处理设备中预先设定多个相应参数预设模式，从而根据使用需要随时调取，使用操作非常方便，能够快速满足不同表演类型所需的室内声学条件。除此之外，它不仅能够调整混响时间，而且还可以通过增加近次反射声能、扩散声能，调整直达声、反射声和混响能量的最佳比例，以及对混响声能频率特性进行调整等手段对室内声场进行“修正或优化”。虽然优点多多，但它也存在着较为明显的缺点，主要体现为它并不是通过实际建筑结构或吸声特性的改变而改变相应厅堂的声学环境特性，而是通过电声模拟的方式来实现目的，因此可能会产生模拟的精细度不足以及声染色等听觉效果不自然的现象，即所谓的“电声味”。

2.2 初始的基本理论基础

其中，W为声源的辐射功率，A为厅堂总吸声量，T60为混响时间，V为室内体积，P为声压，ρ为介质密度，c为声速。

进而可以得出：

即混响时间与平方声压成正相关，因此，如果声源辐射功率不变，那么，通过提高厅堂内的总体声压，即可加长混响时间。同时，随着混响时间的增加，声音清晰度、强度等其他听觉感受也会发生变化。

T60=P²V/(25ρcW)公式对于不带有“传声器-功率放大器-扬声器声能放大通路”的自然声场和带有该类声能放大通路的主动声场均适用，由此就会产生被动（Passive）状态（不使用传声器-功率放大器-扬声器通路）和主动（Active）状态（使用传声器-功率放大器-扬声器通路）两种情况，主动状态下，因为存在有传声器-功率放大器-扬声器通路的辅助，相比较于被动状态而言，其声能量以及声压会有所增强，这时，公式（2）中除了混响时间T和声压P不同之外，其他参量均保持不变。如果将主动状态与被动状态下的两个公式相除，则会获得这个传声器-功率放大器-扬声器声能放大通路的增益g：

由此可见，厅堂中的传声器-功率放大器-扬声器声能放大通路增益可以帮助提高混响时间。

研究证明，在同一个放大回路中，接入更多的传声器和扬声器并不能增大其回路增益，如果想获得更大的总体放大量，则需要采用更多且相互独立的传声器-功率放大器-扬声器回路。针对一套具有N个独立放大回路的系统，其总放大量可以认为是这N个通路放大量之和（以相对简便的能量叠加替代振幅叠加），此时开启这些主动声学增强通路后，总的混响时间也可以近似地以公式Tact=Tpas（1+Ng2）进行表述了。由这个公式可以看出，对于一个特定厅堂，如果想在原有自然混响时间的基础上进行调整增加，可以通过如下两个方法予以实现：设置更多的独立放大回路；或者增大回路的传输增益。

2.3 主要挑战

对于所有主动声学增强系统的研发设计而言，其面临的主要挑战与扩声系统非常相似，就是声反馈或自激。对于一个非反馈的声系统而言，其开放回路增益（GO）可以做到很大，但是针对反馈式声系统来说（本文中所探讨的主动式电子声学环境可变系统恰恰就是这类安装在同一个厅堂内的反馈式声系统），其信号通路不再是开放的，而是形成了环路（LOOP），此时其通道增益就用回路增益G来表示，它包括由传声器至功率放大器再至扬声器的电声传输函数μ以及由扬声器至传声器的声场传输函数β，具体可见图1所示。当布置于声场中的传声器-功率放大器-扬声器回路具有足够大的回路增益G时，某些特定频率就会产生一定的“镶边儿”现象，即声染色，而当回路增益进一步加大时，这些频率就会自激啸叫。

图1 回路增益示意图s

图2 回路传输增益函数

上述自激现象之所以始于个别频率，是因为厅堂内扬声器到传声器之间除了直达声外还包括有大量的反射声，直达声和各种反射声之间在某些频率上会产生干涉现象，使得某些频率增强或减弱，所造成的峰谷之差可能会达数十分贝，这就会造成声场传输函数β以及与之相关的回路增益函数G和频率之间巨大的相关性。但如果厅堂的尺寸、形状、面饰材料以及扬声器和传声器的位置最终确定，那也就总体确定了声场传输函数β，此时，回路增益G的变化就主要依赖于电声传输函数μ的变化了。图2为一个回路传输增益函数的示意图，从图中可以发现，这个增益函数曲线由众多不同频率且幅度差距巨大的峰谷组成，其在期望频带宽度的平均值决定了对声压的增强能力，进而决定了混响声能和混响时间的变化量，而其峰值则决定了系统稳定度和声染色的频率。很明显，如果回路内的声场传输函数β固定，那么当回路内功率放大器的输出电增益加大（即电声传输函数μ增大）时，一旦使得某个峰值频率的回路增益G大于1，那么，这个频率便成为自激振荡频率。这时如果回路增益略小于1，则这个峰值就会像滤波器一样，为该频率产生一个较长的混响时间，但也视增益量的不同，可能会引发一定的声染色。

由以上论述可见，主动声学增强系统所面临的巨大挑战就是在保证期望的频宽范围内产生均匀的辅助能量以改变混响时间等声场参数的同时，如何规避回路自激，并减弱声染色现象。

2.4 早期探索

自20世纪30年代以来，人们便开始对通过电声改变混响时间的方法展开探索及研究。至1959年，R. Vermeulen提出的环境立体混响声（Ambiophony）系统取得了第一个市场商用电子主动声场控制系统的专利。这项技术首先拾取舞台区域内包括直达声和早期反射声在内的声音信息，然后利用一套安装了单个录音磁头和多个放音磁头的磁带轮，来产生多个实际声场信息的重复，之后通过扬声器重放，制造反射声以在厅堂内的观众席区域构建一个混响声场。以当今的眼光来看，这种技术的使用效果并不能满足期望值，但在1959年，其听感已经被认为是非常不错的了，所以，当时这类环境混响声系统以及后续基于同样技术原理的ERES系统（基于数字多抽头延时原理）在欧洲有很多应用案例，包括由飞利浦实验室实施的米兰斯卡拉大剧院。

1964年，英国科学与工业研究部的P. H. Parkin以及K. Morgan开发了一套试验性的受援共振（AR：Assisted Resonance）系统，并安装于伦敦皇家节日音乐厅。这套系统为主动声场增强系统领域提供了非常基础的科学概念，因此，其理论被广泛收录在很多相关出版物中。

Parkin和Morgan认为，在同一地点以较大的放大量重放经由传声器拾取的信号会导致严重的声染色和自激振荡，因此，在受援共振系统中构建了多个具有非常窄带频宽的传声器-功率放大器-扬声器回路，单个回路均包括传声器、前置功率放大器、滤波器、衰减器及扬声器，其基本原理框图如图3所示。该系统中，将指向性传声器放置于调整好的亥姆霍兹谐振器或并联谐振管中，拾取谐振信号后经放大、滤波、相位等处理后送至扬声器重放，以此模拟早期反射声和混响声。鉴于谐振器的尺寸限制，通常在低频率段（最高频率为350 Hz），使用亥姆霍兹谐振器中以产生谐振频率，而在较高频率段（大于350 Hz），该类谐振器因体积太小而无法实际使用，因此，使用简单的并联谐振管代替，谐振器及谐振管如图4所示。该系统通过单独调整每个环路的增益和相位，使得每个单独频率域增加的能量可以得到有效控制，从而获得一个稳定且无染色的高能量电平，进而灵活地增加混响时间，方法非常巧妙和直接。每个环路只负责非常窄的频带，大量的特窄带通滤波器利于在提高通道环路增益（即增加了声能量）的同时控制反馈啸叫，但也导致了每个环路能控制的范围只有几赫兹，所以为了覆盖目标频率，需要大量的环路，如伦敦皇家节日音乐厅在58 Hz～700 Hz范围内的回路便有172个。