觀演環(huán)境聲場聲效控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

孟子厚 戴璐 李志雄 徐偉掌 張婧穎 何穆

[摘要]綜述國內(nèi)專業(yè)音響行業(yè)對聲場控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，包括中國傳媒大學的理論和實驗研究、音王公司基于物理仿真的聲場控制技術(shù)研發(fā)和聲場聲效補償和調(diào)諧技術(shù)、勵豐公司基于閉環(huán)控制的聲場控制技術(shù)的研發(fā)、飛達公司的電影音響低音增感技術(shù)的試驗研究，以及傳媒大學、音王公司、飛達公司等在電影全景聲聲場和聲效技術(shù)上的應(yīng)用研究等。

[關(guān)鍵詞]觀演環(huán)境;聲場控制技術(shù);可變混響技術(shù);實驗研究;應(yīng)用

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.03.006

1引言

隨著中國經(jīng)濟社會的發(fā)展，文化設(shè)施的建設(shè)也納入了社會基礎(chǔ)建設(shè)的范疇，除了大型的地標性的文化設(shè)施，地區(qū)性、社區(qū)性的文化觀演設(shè)施的建設(shè)是未來文化設(shè)施建設(shè)的主要任務(wù)。根據(jù)國家文化設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的要求，在未來一段時間內(nèi)，縣級以上的建制地區(qū)都要建成“四館”設(shè)施，這其中就包括演藝場館的建設(shè)。這類文化演藝場館建設(shè)中，綜合性的多功能場館是未來基層演藝場館建設(shè)的主要形態(tài)，但是多功能演藝場館所需要的聲場聲效控制技術(shù)嚴重滯后于建設(shè)需求。針對這種情況，需要研究在多功能場館中用重放聲構(gòu)建音樂廳、歌劇院、戲劇場、影院等演藝空間的聲場和聲效的技術(shù);需要研究創(chuàng)新性的、適用的聲場構(gòu)建和聲效控制技術(shù)理論、方法和關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備，從而推動相關(guān)行業(yè)技術(shù)進步，打破國外在此技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，推動中國專業(yè)音響制造業(yè)從“大”向“強”的轉(zhuǎn)變，為各類聲音藝術(shù)觀演提供更加靈活、適用、新穎、生動的藝術(shù)科技創(chuàng)作手段。

為了配合國內(nèi)文化設(shè)施建設(shè)的需求，專業(yè)音響行業(yè)的相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)早在十幾年前就開始在跟蹤消化國外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展適合國情的聲場控制技術(shù)研究。其中主要的工作有華南理工大學建筑物理專業(yè)（簡稱“華南理工”）、中國傳媒大學傳播聲學研究所（簡稱“傳媒大學”）、音王電聲股份有限公司（簡稱“音王”）、廣州勵豐文化科技股份有限公司（簡稱“勵豐”）、廣州飛達音響股份有限公司（簡稱“飛達”）等。在前期工作中，傳媒大學、華南理工、音王、勵豐等開展了聲場構(gòu)建原理性仿真和實驗研究。在實驗研究基礎(chǔ)上建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的聲場構(gòu)建模型、低音增感模型，場景視覺心理對聲效感知的影響模型等。勵豐開展了聲場和電聲系統(tǒng)的智能化檢測與調(diào)試研究，音王與傳媒大學進行了聲場補償和非線性調(diào)諧技術(shù)的研究。傳媒大學和飛達公司進行了低音增感的機理試驗，在此基礎(chǔ)上設(shè)計研發(fā)低音增感的核心技術(shù)和處理器。傳媒大學廣播電視數(shù)字化工程中心研發(fā)了用于聲場處理的多通道實時卷積處理器，開展了對聲場聲效綜合處理和復(fù)用的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)平臺的研發(fā)。

經(jīng)過十幾年的自主研發(fā)工作，國內(nèi)專業(yè)音響行業(yè)的相關(guān)企業(yè)在多功能演藝場館的聲場控制技術(shù)上已經(jīng)取得了明顯的進步，產(chǎn)生了多項成果，研發(fā)了多項聲場控制系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備，并有了初步的工程應(yīng)用。從技術(shù)水平和初步的應(yīng)用效果來看，目前國內(nèi)在聲場控制系統(tǒng)上的技術(shù)水平正在逐漸趕超國外類似系統(tǒng)，既有自己的技術(shù)創(chuàng)新，且針對國內(nèi)文化設(shè)施建設(shè)的適用性，性價比是國外類似系統(tǒng)所無法相比的。當然，這項技術(shù)的全面推廣應(yīng)用，還有一些技術(shù)問題需要繼續(xù)研究解決。預(yù)計未來5年至10年，多功能演藝場館的建設(shè)和對聲場聲效控制系統(tǒng)和技術(shù)的需求將迎來一個高潮。為了使得社會和行業(yè)了解國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的水平和現(xiàn)狀，筆者對該領(lǐng)域的主要工作做以下綜述，供相關(guān)建設(shè)、設(shè)計等單位參考。

2國外相關(guān)技術(shù)概況

聲場控制任務(wù)的核心是控制聲場的混響時間，早后期反射聲的構(gòu)成比例，用重放聲的手段模擬出不同演出環(huán)境所需要的混響時間和空間感等。通過電聲手段改變廳堂聲場環(huán)境的方法已經(jīng)使用了幾十年，早在1965年，AR系統(tǒng)利用赫姆霍茲共振方法改變了一座廳堂的混響時間，之后有電聲公司或研究機構(gòu)根據(jù)不同的聲學原理開發(fā)了數(shù)種基于重放聲的可變混響系統(tǒng)，并一直改進優(yōu)化至今。目前市場上主流的聲場控制系統(tǒng)有：

·MCR（Multi-Channel Reverberation）多通道混響系統(tǒng)，F(xiàn)ranssen（Philips），1969

·ACS（Acoustic Control Systems）聲學控制系統(tǒng)，DeVries，1987

·LARES fLexicon Acoustic Reinforcement andEnhancement System），Griesinger，Barbar，1988

·VRAS（Variable Room Acoustic System）可變室內(nèi)聲學系統(tǒng)，Poletti，1993

·VIVACE多功能創(chuàng)新聲學引擎，Muller BBM和Sallzbrenner Stagetec，2008

其中，VRAS是將MCR和ACS兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢結(jié)合并進行優(yōu)化而來，并在2005年被Meyer Sound收購，改名為Constellation;LARES為E-Coustic的前身。各類系統(tǒng)的主要原理如下：

（1）ACS（聲控制系統(tǒng)）

以原信號與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的卷積來附加混響主要是傳聲器拾取舞臺、樂池多點位的信號，信號進入前置放大器，進行通道均衡，輸出信號進入前期反射聲處理矩陣。再進入混響聲處理矩陣，分別分送給對應(yīng)的揚聲器。每只傳聲器覆蓋5m²～10m²的舞臺面積。揚聲器的大體布局為：用于音樂會演出的舞臺反射罩揚聲器在舞臺空間的上空或四周，前期反射聲場揚聲器在觀眾廳前半部的上空或側(cè)墻，混響聲揚聲器在觀眾廳的后半部上空或側(cè)墻，舞臺返送揚聲器靠近臺口并朝向舞臺。

（2）MCR（多通道混響系統(tǒng)）

以“擴散聲場”為對象，主要原理是運用大量的放大通道有效地提高混響聲能，從而改變或者延長混響時間。如果聲源的聲功率保持不變，改變混響聲場的聲壓級，混響時間將會發(fā)生變化?；祉憰r間的增加與聲壓平方的增加成正比，系統(tǒng)增益的大小取決于放大聲道的數(shù)目。通過需要的混響時間的變化，可估計出所需通道的數(shù)目。

（3）VRAS（可變室內(nèi)聲學系統(tǒng)）

利用電聲耦合，以一個專門設(shè)計制作具有單一性質(zhì)的“數(shù)字式電子混響器”代替“真實的耦合空間”信號處理器：輸入交叉耦合矩陣、多通道混響器、反饋交叉耦合矩陣、輸出交叉耦合矩陣。傳聲器信號饋送給輸入交叉耦合矩陣，輸出一路直接連輸出，另一路接入混響器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過環(huán)路增益調(diào)節(jié)反饋到輸入，產(chǎn)生輸入信號的再生混響，最后送回室內(nèi)揚聲器。

（4）VIVACE（多功能創(chuàng)新聲學引擎）

采用卷積算法，系統(tǒng)中包含在許多著名廳堂所采集的室內(nèi)聲學特性參數(shù)，利用所采集的參數(shù)將項目廳堂卷積為目標廳堂的聲學特性參數(shù)。系統(tǒng)可以有多個獨立處理引擎可以對大廳多個不同的聲學區(qū)域進行聲學優(yōu)化。（混響時間、混響電平、頻率特性、反射密度、瞬態(tài)響應(yīng)的調(diào)整以及對早期反射聲、混響聲進行獨立控制。）傳聲器數(shù)量比較少，一般有4支～12支。

（5）E-coustic（電子聲學系統(tǒng)）

通過時變?nèi)斯せ祉懜倪M室內(nèi)聲學，推出專有的聲學算法，可以精確模擬“房間”所有關(guān)鍵聲學參數(shù)。系統(tǒng)的硬件采用聲學處理器和矩陣處理器，聲學處理器有4個獨立的聲學處理引擎，每個聲學處理器對直達聲、反射聲及混響的聲音能量進行獨立的控制，同時能夠調(diào)整所有的關(guān)鍵聲頻參數(shù)。此系統(tǒng)的優(yōu)點是：傳聲器和揚聲器可以放置在彼此較近的地方，不會出現(xiàn)聲反饋帶來的聲染色;同時，系統(tǒng)可以減少傳聲器的使用數(shù)量。

如上所述，目前市面上比較常見的國外團隊開發(fā)的電子可調(diào)混響系統(tǒng)，其技術(shù)和產(chǎn)品都已經(jīng)經(jīng)歷了十幾年的沉淀和更新?lián)Q代，各項技術(shù)趨于穩(wěn)定，且在國外多個廳堂里使用。

國內(nèi)目前已經(jīng)有數(shù)座大型劇場安裝有國外聲場控制系統(tǒng)，典型的有青島影都大劇院、敦煌大劇院、天橋藝術(shù)中心、大連國際會議中心、廣西文化藝術(shù)中心等。這些進口的系統(tǒng)雖然技術(shù)比較成熟，但是造價昂貴、操作復(fù)雜，在國內(nèi)大多水土不服，很多系統(tǒng)從竣工之日開始就基本成了擺設(shè)，很少使用。而且昂貴的造價不適合國內(nèi)大量的基層中小型多功能劇場的實際情況和演出需求。因此，立足國內(nèi)文化設(shè)施建設(shè)的特點和需求，在消化參考國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)適合國內(nèi)劇場建設(shè)需求的聲場控制系統(tǒng)是十分必要的。

3聲場控制技術(shù)總體研究概況

聲場控制技術(shù)的核心是環(huán)境的混響控制，也就是可變混響技術(shù)?？勺兓祉懠夹g(shù)有兩個途徑，一是通過物理手段進行混響控制，但是成本太高，除非超大型的演出場館可以承擔，一般的演出場館難以承擔高額的造價。二是通過電聲重放的手段進行混響的模擬，這種技術(shù)比較切實可行，易于推廣，也是未來多功能場館聲場控制的主流。通過物理手段進行混響控制主要有三種方法：調(diào)節(jié)室內(nèi)的吸聲量、改變空間體積、利用耦合空間。第一種方法的改變量有限，早期北京建筑設(shè)計院的項端祈先生等在這方面有過研究和實際的工程案例。第二種方法實際的可行性不大，國際上也只有一、兩例成功的案例。第三種利用耦合空間來改變混響的辦法，國際上有許多成功的案例，最顯著的就是新加坡濱海藝術(shù)中心的音樂廳，混響時間的調(diào)節(jié)可以從1s到4s以上。國內(nèi)目前還沒有建成的成功案例，但是新建的北部灣大學音樂廳的聲學裝修擬采用耦合空間控制混響的方案。

對利用耦合空間調(diào)節(jié)混響時間的研究，國內(nèi)最早是由華南理工大學的吳碩賢院士開展的，并得到了國家自然科學基金課題的支持。王福津在2000年前后開始對國外聲場控制技術(shù)的研究和應(yīng)用進行了考察，介紹了相關(guān)的技術(shù)。浙江大學建筑系張三明在國內(nèi)最早嘗試利用電聲重放模擬廳堂早期反射聲，進行了原理性試驗研究。中國傳媒大學傳播聲學研究所自2003年開始就開展了有關(guān)混響感知、設(shè)計和控制等方面的研究，并得到了數(shù)項基金課題的支持，十幾年的研究取得和積累了一定的研究成果。國內(nèi)專業(yè)音響企業(yè)中，開展聲場控制技術(shù)研發(fā)，并已經(jīng)有原型系統(tǒng)和初步工程應(yīng)用的主要是廣州勵豐文化科技股份有限公司、音王音響股份有限公司、廣州飛達音響股份有限公司等。其中，音王和勵豐各自推出了原理不同的聲場控制系統(tǒng)，飛達開展了利用低音增感技術(shù)來控制聲場感知效果的技術(shù)研究。綜合國內(nèi)相關(guān)的企業(yè)和院校在聲場控制技術(shù)上的研究格局，如圖1所示。

國內(nèi)聲場控制技術(shù)的研究可以大致歸納為四個方面：聲場構(gòu)建的創(chuàng)新原理研究、聲場智能感知與調(diào)諧控制技術(shù)研究、聲場信號綜合處理平臺與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)、視聽場景聲效補償與控制技術(shù)研究等。除了前述提到的吳碩賢院士、王福津老師、張三明教授等的研究工作，對聲場構(gòu)建的原理與方法研究主要有中國傳媒大學傳播聲學研究所的理論研究，和音王公司、勵豐公司的實驗和工程研究。傳媒大學在聲場效果和混響感知方面的研究得到兩項國家自然科學基金課題：“10474005中國民族器樂最佳聽聞的室內(nèi)聲學研究”和“10874155主觀混響感的因素分析及聽覺心理研究”的資助，十幾年來投入了數(shù)十名研究生資源在此方向上，以這些工作的成果為核心編撰成《混響的感知與設(shè)計》（孟子厚，戴璐著，中國建筑工業(yè)出版社，2018年2月），這對聲場聲效理論和技術(shù)研究具有實用參考價值。

基于不同的聲場構(gòu)建的理論模型，勵豐和音王分別獨立推出了自己的聲場控制系統(tǒng)：基于閉環(huán)控制的聲場控制系統(tǒng)，和基于物理聲場仿真和多通道實時卷積技術(shù)的聲場控制系統(tǒng)。在混響感的生成技術(shù)上，低音部分是個比較困難的問題，音王和勵豐公司也分別獨立進行了低音混響的技術(shù)研究。結(jié)合電影院的聲場效果感知的特殊需求，飛達公司和傳媒大學和作進行了低音增感的原理性試驗研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了低音增感處理器。

4基于物理仿真的聲場控制系統(tǒng)——CDC.Revb

音王推出的聲場控制系統(tǒng)CDC.Revb，在2017國際電影電視聲音技術(shù)高端論壇（IFTT）上，受到行業(yè)內(nèi)外專家的好評，榮獲首屆IFTT-CC國際“劁·兿”大獎。這套系統(tǒng)的技術(shù)原理是基于物理仿真和多通道實時卷積技術(shù)的，其算法是在大量的實驗研究基礎(chǔ)上形成的，其基本原理是利用舞臺上空懸掛的傳聲器陣列拾取舞臺上表演的聲音，通過聲場仿真算法計算出原有物理廳堂在不同吸聲處理情況下各個聲音重放位置處的傳遞函數(shù)，然后通過多通道實時卷積將舞臺上各區(qū)域的聲音與傳遞函數(shù)卷積重放，以此來模擬物理廳堂的幾何構(gòu)造不變化的情況下，廳堂在不同的吸聲處理條件下的混響時間。同時，該系統(tǒng)也可以等比例放大物理廳堂的尺寸，圍護結(jié)構(gòu)造型不變，以此來改變廳堂的虛擬體積。

這種算法有別于國外類似的基于卷積技術(shù)的算法，最大限度地保持了原來物理廳堂的特性，虛擬出原來物理廳堂的等比例變形和不同的聲學裝修所營造出的聲場效果。它所基于的原創(chuàng)研究基礎(chǔ)和技術(shù)特點如下：

原創(chuàng)研究基礎(chǔ)：

·混響感控制因素研究

·音樂聽聞的最佳室內(nèi)聲學研究

·混響與清晰度關(guān)系的研究

·虛擬空間生成方法研究

·混響感的頻率特性研究

·低頻混響感與處理技術(shù)研究

·自定義陣列分區(qū)拾音技術(shù)研究

·物理空間與虛擬空間耦合技術(shù)研究技術(shù)特點：

·自主知識產(chǎn)權(quán)

·專利核心聲學算法和信號處理技術(shù)

·用于對音樂環(huán)境有較高要求的場合

·與全景聲重放系統(tǒng)的復(fù)用

·基于物理聲學并運用了心理聲學的原理

·有效增強混響感、空間感和聲場的藝術(shù)表現(xiàn)力

·較高的集成度和靈活的擴展能力

·營造虛擬聲學環(huán)境

CDC.Revb在聲學功能上的特點，除了控制混響時間，還可以增強清晰度滿足會議和話劇表演的需求，可以控制空間感和視在聲源寬度（ASW），滿足各類不同的觀演需求，可以調(diào)節(jié)混響感的頻率特性，并自由進行聲場模式之間的切換。CDC.Revb在技術(shù)和工程上的創(chuàng)新特點包括基于物理聲學和心理聲學試驗的自然聽感，可以在不改變混響時間的條件下控制混響感，吊掛在舞臺上方可以自由升降的傳聲器陣列，以及聲場分區(qū)控制、個性化參數(shù)和數(shù)據(jù)庫等都是此系統(tǒng)特有的技術(shù)。

圖2所示是CDC.Revb的系統(tǒng)組成，包括舞臺拾音傳聲器陣列、揚聲器系統(tǒng)、核心處理器（卷積器）、功率放大器、接口箱、以及按需求選配的調(diào)音臺、PC端控制軟件、移動終端控制App等。核心處理器是由處理能力可達每秒10¹²次浮點運算（TFLOPS）的FPGA構(gòu)建的48路的實時卷積處理器，并帶有常規(guī)的音頻處理功能（濾波、延時、增益控制、矩陣分配等）。CDC.Revb的基本配置是48路聲音通道，在大型場館或需要增加揚聲器數(shù)目時，可以將三臺核心處理器聯(lián)機使用，通道可以增加到144路，并且由軟件統(tǒng)一控制。CDC.Revb的移動終端控制界面，可以快速在已經(jīng)設(shè)定好的聲場模式間切換，并且可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益和直達聲與后期混響聲的比例，以快速調(diào)節(jié)混響感。

CDC.Revb已經(jīng)完成初版系統(tǒng)的開發(fā)，并且安裝了數(shù)套試驗和工程應(yīng)用系統(tǒng)。目前還在做進一步的深化完善，進行系統(tǒng)的全數(shù)字化提升和揚聲器系統(tǒng)的小型化，未來的改進版將更加功能豐富，控制和安裝也會更便捷，也可以適用于在戶外快速搭建虛擬的生態(tài)劇場和音樂廳等。信號的傳輸將全部實現(xiàn)基于AES67的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

5基于閉環(huán)控制的聲場控制系統(tǒng)-LemuseREAS 3000

勵豐是國內(nèi)最早在跟蹤消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上獨立自主開展聲場控制系統(tǒng)研發(fā)的專業(yè)音響企業(yè)。其推出的數(shù)字聲學環(huán)境系統(tǒng)“Lemuse REAS 3000”是基于閉環(huán)控制原理來模擬形成虛擬混響，并控制聲場的其他參數(shù)，基本原理如圖3所示。Lemuse REAS 3000的研發(fā)經(jīng)歷了十幾年的時間，如圖4所示。2010年推出第一版，2014年推出改進了的第二版，目前推出了最新的第三版。最新版的特點是核心處理器與10分離設(shè)計，實現(xiàn)了全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻信號傳輸、新的控制軟件、快速模式切換等。目前，Lemuse REAS 3000的穩(wěn)定陛、可靠性、集成度等已經(jīng)達到甚至超過了國外同類的系統(tǒng)，其性價比遠遠高于國外同類系統(tǒng)。

Lemuse REAS 3000核心處理器的最大輸入輸出可以到128×128，且有實時熱備份傳輸接口，充分保證系統(tǒng)的可靠性。圖5是Lemuse REAS 3000的控制軟件的界面。經(jīng)過十幾年、三代產(chǎn)品的改進提升，勵豐公司的這套聲場控制系統(tǒng)日臻成熟，也積累了多個劇場的實際安裝使用的工程經(jīng)驗，如泰州大劇院、新加坡茨園民眾多功能俱樂部等。其中，最近安裝的廊坊壹佰劇院，不論從實際測試和聽感上來看都比較成功，聲場控制效果明顯。根據(jù)現(xiàn)場演出過的藝術(shù)家和專家的評價，總體效果上難以區(qū)分與國外類似系統(tǒng)的差別，而且有自己的特色。勵豐公司目前還計劃繼續(xù)改進提升此套系統(tǒng)，主要的研究工作包括：提升聲效生成自然度問題、在有限揚聲器數(shù)量下提高混響增益、降低聲染色、進一步提升不同場景下的聲效模式切換速度、改進早后期混響聲能量獨立控制功能、增設(shè)傳輸頻率特性調(diào)整功能等?？梢云谕@些進一步的工作完成后，Lemuse REAS 3000的更新一版的技術(shù)水平、可靠性、實際的聽感效果將會達到同類系統(tǒng)中的國際領(lǐng)先水平。

6聲場聲效低音增感技術(shù)

在聲場聲效的生成與控制中，低音是一個比較困難和特殊的問題。其困難在于物理和聽感兩個方面，物理上低音的產(chǎn)生和激發(fā)是相對比較困難的，也難以達到聲場的均勻。在聽感上，低音的作用可能會導(dǎo)致正反兩個方面的生理和心理效應(yīng)。次聲和可聽低音對人生理和心理的影響研究已經(jīng)有多年的經(jīng)驗和大量的結(jié)果，但是所研究的低音主要是側(cè)重于人不想聽到的聲音，從主觀層面上希望消失的聲音，而對于電影聲以及專業(yè)擴聲領(lǐng)域中的低音是人們在看到視覺信息時想要聽到和期待聽到的聲音，這種低音對人感知的正面效應(yīng)的試驗研究較少。雖然虛擬低音技術(shù)利用了心理聲學方法從應(yīng)用層面對低音進行改善，但是效果并不是很理想。在音王和勵豐的聲場控制系統(tǒng)的研究中，都對低音作了特殊的處理，低音的混響感難以直接根據(jù)中高頻同樣的算法來產(chǎn)生，需要根據(jù)試驗結(jié)果采取不同的處理。通常，低音音量的提升自然會使人感覺到混響感或空間感的增加，即使實際的低頻混響時間并沒有增加。飛達和傳媒大學對在劇場和電影院里如何利用低音來增加人的聽覺感知效果方面，進行了大量的試驗研究，并開發(fā)了用于低音聲場控制的增感低音處理器。

低音增感技術(shù)的原理是基于低頻聲對人的生理和心理影響機制，試驗研究通過控制低音的聲壓級以及頻率等特性，觀察低音刺激下大腦不同功能區(qū)的能量變化情況，比較低音的物理參數(shù)與腦電波能量激發(fā)和抑制變化之間是否存在規(guī)律性來驗證低音增感技術(shù)的可行性。通過主觀聽音試驗獲得不同主觀情感增量與低音的頻率范圍、特征參數(shù)等物理參量之間的相關(guān)性，得到以不同增感為因變量，低音的物理參數(shù)為自變量的算法關(guān)系。目前已經(jīng)完成了低音刺激下的腦電波誘發(fā)實驗，得到了在不同頻率特性的低音環(huán)境中人的大腦額葉和顳葉區(qū)的功率譜密度誘發(fā)和抑制的規(guī)律性，與情感感知有關(guān)的導(dǎo)聯(lián)位置易收到刺激信號的激活和增強，Gamma波的能量有抑制的趨勢，20Hz及其倍頻關(guān)系的低音可能用于低音增感的頻段。表1所示是前期試驗研究中得到的在60%閾限條件下低音刺激對腦電波的激活/抑制關(guān)系，其中s1到S10是10種不同組成成分的低音刺激。

低音的主觀聽感試驗中以15Hz～120Hz范圍內(nèi)的低頻多頻聲和1/3倍頻程窄帶噪聲為低音信號進行愉悅度、喚醒度、優(yōu)勢度、煩惱感、空間感和帶入感6個主觀參量的等級評價。系列范疇法的結(jié)果表示：低音可以增強被試的喚醒程度、提高注意力;使被試感覺到受到低音信號的影響和支配、自身的優(yōu)勢度下降;以及可以引起較為明顯和強烈的煩惱感覺;增強被試對空間感知的判定;以及由于低音的存在使被試更容易被帶入某種情景或感覺中。男女被試在評價低音引起的愉悅程度和受到信號影響、控制的程度有顯著的差異性，這個差異性可能與不同性別對愉悅感以及對自我優(yōu)勢程度級別設(shè)定不同有關(guān)。1/3倍頻程窄帶噪聲信號的結(jié)果可以大致以31.5Hz和63Hz進行劃分，由于人耳對低音的敏感性較低，120Hz以下的窄帶低音信號對主觀情緒感知的影響可能大致分為3個范疇。圖6所示是20種低音刺激信號引起的帶入感的主觀感知試驗結(jié)果。試驗結(jié)果證明了低音可以增強主觀情緒感知，可以應(yīng)用于已有這些情緒感知的場合中，起到進一步增強的作用，或者通過低音來制作想要體現(xiàn)這些主觀情緒感知的音效。

圖7是飛達推出的增感低音處理器的結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯。目前，該增感低音處理器主要針對電影院的聲場聲效控制應(yīng)用，需要對電影的視覺場景和所要表現(xiàn)的情感場景進行檢測匹配，當然也可以直接應(yīng)用于其他的觀演場所和環(huán)境。飛達和音王在國內(nèi)電影音響市場上占據(jù)了大半的份額，有數(shù)萬個銀屏的存量市場和每年數(shù)千個銀屏的增量市場，增感低音技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟效益十分可觀。

7非線性與諧和性音質(zhì)調(diào)適技術(shù)——Pytha-88處理器

揚聲器系統(tǒng)的非線性失真是影響重放音質(zhì)和聲場效果的一個關(guān)鍵因素，也是音響領(lǐng)域研究中的一個難題。傳統(tǒng)的處理手段是在揚聲器單元的材料、結(jié)構(gòu)和工藝上進行改進，但這會受到其他相關(guān)行業(yè)發(fā)展水平的限制以及經(jīng)濟成本的大幅遞增。所以，目前工程上基本都是采用均衡器對系統(tǒng)的線性幅頻響應(yīng)進行信號補償，而這種方法本質(zhì)上無法糾正系統(tǒng)的非線性失真，難以真正改善音質(zhì)的失真，會影響聲場聲效的最終聽感。在專業(yè)音響領(lǐng)域，除了錄音監(jiān)聽，人耳聽覺更多的是追求聲音悅耳好聽，極端的原聲真實感往往是不切實際的。要使得聲音好聽，就要保持或增加聲音的樂感，使其具有樂音的特點，其中的核心要素就是協(xié)和性，主要表現(xiàn)為聲音諧波結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，而這一點與諧波失真等非線性問題在物理和聽覺心理層面上具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。因此，隨著數(shù)字音頻信號處理算法和DsP技術(shù)的日趨成熟，以及國內(nèi)外在“數(shù)字預(yù)失真”和“聲音協(xié)和性”等方面的研究積累，通過信號處理的手段進行系統(tǒng)非線性的調(diào)諧，從而提升重放聲音的悅耳感，將為演出用音響系統(tǒng)的音質(zhì)聽感改善提供一種新的思路和技術(shù)方向。

傳媒大學在多年聲音諧和性研究的基礎(chǔ)上，與音王合作推出了新的非線性與諧和性音質(zhì)處理器Pytha-88。新的處理器針對音響系統(tǒng)中的聲源拾取、揚聲器系統(tǒng)以及聽音環(huán)境三大核心環(huán)節(jié)，設(shè)計了“聲音諧和性數(shù)字調(diào)制”、“揚聲器系統(tǒng)非線性補償”以及“聲場音質(zhì)自適應(yīng)均衡”三個音質(zhì)處理功能模塊，它們既可以獨立使用，也可以調(diào)諧適配級聯(lián)。每個功能模塊針對專門的處理對象，分別設(shè)計了獨創(chuàng)性的音頻信號處理核心算法，并通過軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)。

（1）聲音諧和性數(shù)字調(diào)制模塊依據(jù)人聲和樂器聲這類具有諧波特征的聲學模型，提出了一種聲音諧和性數(shù)字調(diào)制算法，對舞臺聲源（語言聲/歌唱聲/樂器聲等）的傳聲器拾音信號進行預(yù)處理，實現(xiàn)對聲源本身的音色增強和聽感協(xié)和性調(diào)制。

（2）揚聲器系統(tǒng)非線性補償模塊設(shè)計了利用多項式模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性系統(tǒng)辨識方法的揚聲器非線性建模，并采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)設(shè)計對應(yīng)的非線性控制器，實現(xiàn)對揚聲器系統(tǒng)的非線性失真聽感補償。

（3）聲場音質(zhì)自適應(yīng)均衡模塊設(shè)計了基于重放揚聲器與聽音位置的聲傳輸通道自動化測試，并根據(jù)測試反饋分析提供用戶自定義的聲場均衡模式和聽感補償效果預(yù)置，滿足聽音者對環(huán)境聲場的實際聽感需求。

Pytha-88從音響系統(tǒng)的非線性失真與人的聽覺心理屬性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性出發(fā)，結(jié)合工程實踐中音頻傳輸核心環(huán)節(jié)的突出問題，提出了一套非線性音質(zhì)和聲效調(diào)諧技術(shù)，其中涉及的核心算法實驗研究和基于DsP的系統(tǒng)實現(xiàn)，既體現(xiàn)了學術(shù)研究的價值，同時也為演藝場景的音響應(yīng)用關(guān)鍵問題提供了實際可行的解決方案。目前，國內(nèi)外還沒有見到類似的新概念技術(shù)產(chǎn)品。圖8到圖11分別是Pytha-88的設(shè)計外觀、處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能模塊設(shè)置以及Pytha-88的應(yīng)用場景和可以實現(xiàn)的效果等。

8電影全景聲聲場效果生成技術(shù)研究

近年來，沉浸式音頻技術(shù)的發(fā)展給國內(nèi)電影產(chǎn)業(yè)也帶來變革，數(shù)字影廳沉浸式聲音或全景聲放映已成為當今影院的熱門配置。然而全景聲技術(shù)一直長期被國外少數(shù)幾個生產(chǎn)廠家掌握。國外主流的沉浸式音頻系統(tǒng)主要有杜比全景聲（Dolby Atmos）、DTS-x和Aur03D。近幾年國內(nèi)涌現(xiàn)出的沉浸式音頻還音系統(tǒng)主要有中國多維聲（13.1）、WANOS全景聲系統(tǒng)、音王5228全景聲系統(tǒng)、飛達六面全景聲系統(tǒng)和Holosound全息聲等，但國內(nèi)的沉浸式音頻系統(tǒng)在沉浸式音頻的制作、編碼、打包、解碼、音頻水印和現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性等方面還未有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，各家系統(tǒng)的實現(xiàn)方案各具特點、很難在專業(yè)影院進行推廣。隨著SMPTE 2098系列國際電影相關(guān)標準的發(fā)布，為制版的統(tǒng)一，系統(tǒng)間的兼容提供了技術(shù)標準指導(dǎo)。中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測所目前計劃聯(lián)合相關(guān)廠家對SMPTE 2098-1、SMPTE 2098-2和SMPTE 2098-5標準的兼容性、技術(shù)專利壁壘、國產(chǎn)化可行性等關(guān)鍵問題進行研究，探索盡早打破國外技術(shù)壟斷、統(tǒng)一制版、系統(tǒng)間互操作和與國際技術(shù)標準兼容，形成具有中國自有知識產(chǎn)權(quán)的全景聲數(shù)字影院沉浸式音頻標準化體系。未來的自主標準體系將給目前國內(nèi)已有的全景聲技術(shù)和系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的平臺。

按SMPTE 2098的定義，全景聲電影的聲音技術(shù)主要有三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

●沉浸式音頻元數(shù)據(jù)：沉浸式音頻由音頻通道和/或音頻對象組成，內(nèi)容創(chuàng)建者可以利用它們來設(shè)計具有聽眾上方和周圍的聲音。元數(shù)據(jù)是沉浸式音頻的核心，它能夠?qū)⒃诼曑壣系囊纛l對象和音頻通道成功的渲染到多個揚聲器設(shè)備上。

●沉浸式音頻比特流：沉浸式音頻文件需要特殊的比特流和專門的通道進行傳輸，沉浸式音頻比特流是用于傳輸沉浸式音頻文件的工具。

●沉浸式音頻渲染：沉浸式音頻渲染將與畫面相關(guān)的“聲床”和對象元數(shù)據(jù)適當?shù)劁秩镜娇捎玫膿P聲器上，使得聲音和相關(guān)的視覺元素在空間上匹配。

在前兩個技術(shù)環(huán)節(jié)上，國內(nèi)目前還沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，如果按SMPTE 2098的標準體系來制定國內(nèi)的全景聲標準的話，在這兩個方面也基本上是要采用國際上通用和成熟的技術(shù)，所以，國內(nèi)企業(yè)可以有所作為的就是在第三個技術(shù)環(huán)節(jié)上，做沉浸式音頻渲染，也就是全景聲聲場聲效處理技術(shù)和設(shè)備的研究。

雖然目前國內(nèi)有數(shù)家企業(yè)和創(chuàng)業(yè)公司推出了所謂的全景聲處理器，但是真正有自己的全景聲放音制式、有自己生產(chǎn)配套的全景聲電影音響系統(tǒng)的只有飛達和音王，而這兩家公司在國內(nèi)國產(chǎn)電影音響市場上的份額占了70%以上，是專業(yè)音響行業(yè)的規(guī)?；?。飛達的主流全景聲電影聲音處理器FCQA-9631已經(jīng)安裝了數(shù)百個影廳，與之配套的增感低音處理器型號為FCQA-9631s。目前，飛達正在FCQA-9631的基礎(chǔ)上研發(fā)新一代的全景聲處理器，新一代的全景聲處理器除了具有增感低音功能外，輸出的通道數(shù)將大幅增加，以滿足更精細、更生動的聲場聲效渲染的需求。

音王推出了自己的5228全景聲放音制式。這種制式有四層放音揚聲器，頂層5只、高度層11只、水平層11只（包括3只主揚聲器）、底層4只、還有4只超低音揚聲器。這種設(shè)置可以全兼容目前市場上已有的各種全景聲的放音制式，而且有利于后續(xù)的聲音效果的生成與渲染。圖12是5228全景聲系統(tǒng)的配置。音王的5228全景聲處理器技術(shù)的研發(fā)分為三個階段第一代是一個聲道兼容擴展式處理器，可以兼容市場上已有的各種全景聲放音制式，轉(zhuǎn)換到5228的放音制式下回放，并強化了回放聲場的空間感和包圍感，可以將平面環(huán)繞聲變換到三維空間重放，產(chǎn)生一定的虛擬3D效果。5228處理器的第二代和第三代則是完全的真3D全景聲，第二代是根據(jù)電影場景或聲音元數(shù)據(jù)在傳媒大學和音王的大量試驗研究基礎(chǔ)上發(fā)明的3D聲效生成算法制作全景聲音效果，然后通過5228放音系統(tǒng)重放，其性能和處理邏輯如圖13所示。第三代處理器則是在錄音制作階段就運用了自己的特定的3D錄音技術(shù)，也就是產(chǎn)生了自主的聲音元數(shù)據(jù)制式。

9總結(jié)

以上綜述了國內(nèi)在聲場聲效生成與控制技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)的概況，表2歸納了有關(guān)這方面研究工作的企業(yè)和院校具體涉及的研究領(lǐng)域。各院校主要是開展了許多基礎(chǔ)性和原理性的研究工作，各企業(yè)主要是開展了應(yīng)用研究和系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)。

國內(nèi)的專業(yè)音響行業(yè)一直以來是勞動密集型的企業(yè)，技術(shù)含量較低。而聲場控制技術(shù)的研究和應(yīng)用是帶動和促進相關(guān)企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型和提升的一個很好的平臺，勵豐很早就看到了這一點，戰(zhàn)略性地布局了聲場控制技術(shù)和其他相關(guān)演藝技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，通過十幾年的努力，取得了明顯的效果，也是國內(nèi)最早開展聲場技術(shù)研究的企業(yè)。音王近年來依托國家企業(yè)技術(shù)中心、博士后工作站并且與有關(guān)院校合作，大力投入高新技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)，不但推出了完全自主創(chuàng)新的聲場控制系統(tǒng)，也獨創(chuàng)性地推出了新概念聲效處理器技術(shù)…一非線性諧和性調(diào)適技術(shù)，這項技術(shù)不但在國內(nèi)獨創(chuàng)，目前為止在國際上也還沒有見到類似的技術(shù)和產(chǎn)品。音王公司也自主推出了目前放音通道數(shù)最多的全景聲系統(tǒng)以及相應(yīng)的聲效處理器。通過這些戰(zhàn)略性的研究計劃，音王公司已經(jīng)從勞動密集型的代工廠，到收購國外技術(shù)和品牌，正在向著自主創(chuàng)新、技術(shù)先導(dǎo)的技術(shù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型了。飛達是國內(nèi)最大的電影音響設(shè)備制造商，占據(jù)國內(nèi)電影音響市場的半壁江山，飛達最早推出了自己的全景聲效果處理器，并在不斷的改型和提升中，同時依托飛達的博士后工作站與有關(guān)院校合作，進行了低音增感技術(shù)的原理性試驗研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)低音增感處理器。這項技術(shù)和設(shè)備在國內(nèi)外都還未見類似的技術(shù)和產(chǎn)品，飛達的研究工作是非常有專業(yè)特色和行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)的。

基礎(chǔ)性研究的成果要轉(zhuǎn)換為應(yīng)用技術(shù)和企業(yè)的市場經(jīng)濟效益，離不開關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)。各企業(yè)也投入了相當多的力量進行關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)，但是，目前國內(nèi)專業(yè)音響企業(yè)的數(shù)字音頻設(shè)備的研發(fā)能力還都很薄弱，需要一段時間來建設(shè)和培養(yǎng)，與相關(guān)的院校和專業(yè)公司合作也是一條可行的路線。傳媒大學傳播聲學研究所不但在聲場控制技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究上進行了多年的全面的研究，近年來由傳媒大學的（教育部）廣播電視數(shù)字化工程中心與相關(guān)企業(yè)合作，承擔、參與、指導(dǎo)了多項關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，包括聲場控制的關(guān)鍵設(shè)備、聲場檢測和調(diào)諧的關(guān)鍵設(shè)備、低音處理關(guān)鍵設(shè)備、數(shù)字傳輸設(shè)備、音頻通訊設(shè)備和技術(shù)等，在此方面積累了相當?shù)慕?jīng)驗，也正在推進聲場控制設(shè)備和系統(tǒng)的標準化和規(guī)范化工作。關(guān)鍵設(shè)備的標準化和規(guī)范化工作也是整合協(xié)調(diào)專業(yè)音響行業(yè)的技術(shù)資源，更有效地提升和推進國內(nèi)聲場控制技術(shù)、趕超國際水平的必由之路。

經(jīng)過十幾年的研究和研發(fā)工作，國內(nèi)聲場聲效控制技術(shù)的水平已經(jīng)有了長足的進步和提升，不但在基礎(chǔ)研究上有獨創(chuàng)性的理論和算法，也推出了頗具特色的設(shè)備與系統(tǒng)。雖然目前的設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、操作性等與國外類似系統(tǒng)相比還需要改進，但是已經(jīng)可以基本滿足國內(nèi)基層演藝場館建設(shè)的需求，且性價比是國外設(shè)備和系統(tǒng)所無法替代的。相信經(jīng)過行業(yè)內(nèi)真正從行業(yè)技術(shù)進步的角度出發(fā)扎扎實實進行相關(guān)技術(shù)的理論和應(yīng)用研究的企業(yè)和院校的努力，在政府管理部門、行業(yè)協(xié)會，以及場館建設(shè)和設(shè)計部門的支持下，國內(nèi)聲場控制技術(shù)和相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的水平，一定會完全滿足國內(nèi)場館建設(shè)的需求，并達到國際領(lǐng)先水平。