探討可變混響技術(shù)的聲學(xué)參量變化規(guī)律

楊志剛

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200041）

1 可變混響技術(shù)應(yīng)用的必要性

1.1 多功能是劇院運(yùn)營(yíng)的需要

劇院建筑具有三大特點(diǎn)，機(jī)電設(shè)備（舞臺(tái)機(jī)械、舞臺(tái)燈光、音視頻系統(tǒng)以及空調(diào)水泵等）多，體量（大廳、觀眾廳、舞臺(tái)空間以及后勤空間等）比較大，投資大（動(dòng)輒幾億、十幾億甚至幾十億）。機(jī)電設(shè)備多和體量比較大，使得劇院運(yùn)營(yíng)成本非常高。如果一個(gè)劇場(chǎng)只是單一功能，則利用率會(huì)偏低，后期的運(yùn)營(yíng)成本更大，大量投資起不到應(yīng)有的作用。因此，國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)一般都是多功能的，主要是為了提高利用率、增加經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.2 專業(yè)音樂廳也有多功能的需求

音樂包括聲樂和器樂兩大類，按表達(dá)形式和旋律風(fēng)格來(lái)分，音樂的種類比較多（如歌唱類聲樂，搖滾樂、爵士樂等流行樂；交響樂類純音樂等），不同的音樂對(duì)音質(zhì)要求也不相同。即使是交響樂等純音樂，浪漫時(shí)期的旋律結(jié)構(gòu)與古典時(shí)期有所不同，其對(duì)音質(zhì)要求也不同。不同的樂隊(duì)指揮和演奏者對(duì)同一音樂的理解不同，對(duì)音質(zhì)要求也不一樣。

1.3 不同的使用功能要求音質(zhì)參量可變

為適應(yīng)多功能需求，要求廳堂音質(zhì)參量可變。其中，混響時(shí)間是最主要的音質(zhì)參量之一。通過對(duì)不同表演類型的長(zhǎng)期觀察、測(cè)量與評(píng)價(jià)，參照美國(guó)聲學(xué)專家Beranek著的《音樂廳和歌劇院》（第二版）以及近年來(lái)新建交響樂廳混響時(shí)間變大的趨勢(shì)，給出不同使用功能混響時(shí)間范圍的建議值（見表1）。

所謂可變混響技術(shù)，是指可以調(diào)節(jié)廳堂音質(zhì)參量的方法和措施。一個(gè)廳堂要滿足不同使用功能，并且使不同使用功能都具有良好的聲學(xué)效果，就有必要采用音質(zhì)參量可以調(diào)節(jié)的技術(shù)。由于早期的廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)只有混響時(shí)間單一的參數(shù)指標(biāo)，因此，可變混響技術(shù)就泛指廳堂音質(zhì)參量的可變技術(shù)。

2 五種可變混響技術(shù)聲學(xué)參量的變化規(guī)律

根據(jù)音質(zhì)參量調(diào)節(jié)方式的不同，可以把可變混響技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法分為五類，分別為改變吸聲量、改變體積、增設(shè)耦合空間、增設(shè)音樂反聲罩和電聲可變混響技術(shù)等。當(dāng)然，也可以兩種或兩種以上方法一同使用，如改變體積的同時(shí)也可以改變吸聲量，增設(shè)耦合空間的同時(shí)也可以改變吸聲量等。

表1 不同使用功能的混響時(shí)間建議值

為了全面了解五種可變混響技術(shù)的聲學(xué)參量變化規(guī)律，以蘇州文化藝術(shù)中心1 200座大劇院為原型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，并做全面地對(duì)比分析。選取的聲學(xué)參量參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3382和GB/T36075.1-2018《聲學(xué) 室內(nèi)聲學(xué)參量測(cè)量 第一部分：觀演空間》的建議（見表2）以及常用的混響時(shí)間T30和雙耳聽覺相關(guān)系數(shù)（1-IACCE3）。

采用的模擬軟件為ODEON 15.15 Combined。初始狀態(tài)為交響樂模式（有樂罩），混響時(shí)間T30控制在2 s左右（見圖1）。聲源設(shè)置在舞臺(tái)邊緣向內(nèi)3 m的中心線上，距離舞臺(tái)地面高1.5 m。在觀眾席共設(shè)置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，均離舞臺(tái)地面高1.2 m，聲源和測(cè)點(diǎn)布置見圖2。計(jì)算機(jī)模擬的所有參量均為空?qǐng)鰻顟B(tài)，除了IACCE3為500 Hz、1 kHz、2 kHz三個(gè)倍頻帶的平均值外，其他參量均為500 Hz和1 kHz的中頻平均值。LEV是根據(jù)2003年Soulodre、Lavoie和Norcross通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)的公式計(jì)算而來(lái)的：LEV=0.5G(Late,mid)+10 log[1-IACC(Late,mid)]，其中GLate=G-10 log(1+C80/10)。

2.1 改變吸聲量

根據(jù)賽賓公式，混響時(shí)間與吸聲量成反比，增加吸聲量，可以降低混響時(shí)間。改變吸聲量的措施主要有可調(diào)吸聲簾幕和其他可調(diào)吸聲構(gòu)造（如翻板式、圓旋轉(zhuǎn)式、升降式等）。其中，可調(diào)吸聲簾幕因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間較少、造價(jià)比較低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。

吸聲簾幕一般布置在后墻的情況比較多。同時(shí)，由于中間位置多為燈控室、音控室的觀察窗和追光的開窗，因此，只能布置在后墻兩邊，后墻吸聲的計(jì)算機(jī)模型見圖3（紅色區(qū)域?yàn)槲暡牧喜贾梦恢茫?。?為增加吸聲量前后音質(zhì)參量的變化情況（計(jì)算機(jī)模擬分析）。為了驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的可靠性，表4采用無(wú)錫大劇院（圖4）和山東濰坊音樂廳（圖5）部分音質(zhì)參量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。

表2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3382和GB/T36075.1-2018建議的聲學(xué)參量

表3 增加吸聲量前后音質(zhì)參量的變化（計(jì)算機(jī)模擬分析）

圖1 初始狀態(tài)計(jì)算機(jī)模擬內(nèi)景圖

圖2 聲源和測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 后墻吸聲的計(jì)算機(jī)模型內(nèi)景圖

圖4 無(wú)錫大劇院（吸聲簾幕布置在頂部）

結(jié)論：增加吸聲量（布置在后墻），混響感變小，明晰度增大，主觀聲級(jí)變小，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感降低。

圖5 山東濰坊音樂廳（吸聲簾幕布置在上部側(cè)墻和部分前后墻）

圖6 頂部提升3 m的計(jì)算機(jī)模型內(nèi)景圖

圖7 深圳南山文體中心大劇院（吊頂可升降）

2.2 改變體積

根據(jù)賽賓公式，混響時(shí)間與體積成正比，增加體積，可以提高混響時(shí)間。由于改變體積多數(shù)采用機(jī)械升降的方式，造價(jià)比較高，需要舞臺(tái)機(jī)械和建筑結(jié)構(gòu)緊密配合，因此在國(guó)內(nèi)應(yīng)用得比較少。在國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)，增加體積多采用提升頂部的方法，圖6為頂部提升3 m的計(jì)算機(jī)模型。國(guó)內(nèi)已知的采用這種方法的有深圳南山文體中心大劇院（7塊可升降吊頂，見圖7）、北京電視臺(tái)劇場(chǎng)（可升降面光橋，見圖8和圖9）、上海音樂學(xué)院歌劇院（幅度約2 m的可升降吊頂，見圖10）和蘇州文博中心大劇院（幅度約5 m的可升降吊頂）等。計(jì)算機(jī)模擬分析數(shù)據(jù)見表5，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證見表6。

結(jié)論：增加體積（頂部提升），混響感增大，明晰度減小，主觀聲級(jí)變小，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感略有降低。

計(jì)算機(jī)模擬的主觀聲級(jí)G值變化比較小，主要是因?yàn)榕_(tái)口附近吊頂并沒有提升，而深圳南山文體中心大劇院提升的是靠近臺(tái)口的7塊吊頂。因此，在增加體積時(shí)，盡可能采用提高遠(yuǎn)離聲源的吊頂（中后吊頂），這樣主觀聲級(jí)下降會(huì)比較小。

表4 增加吸聲量前后音質(zhì)參量的變化（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證）

表5 增加體積前后音質(zhì)參量的變化（計(jì)算機(jī)模擬分析）

表6 增加體積前后音質(zhì)參量的變化（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證）

圖8 北京電視臺(tái)劇場(chǎng)（面光橋升起）（攝影：豐其云）

圖9 北京電視臺(tái)劇場(chǎng)（面光橋降下）（攝影：豐其云）

圖10 上海音樂學(xué)院歌劇院（吊頂可升降）

2.3 增設(shè)耦合空間

圖11 增設(shè)耦合空間的計(jì)算機(jī)模型內(nèi)景圖

圖1 2 英國(guó)伯明翰交響樂廳（來(lái)源：E c o Mechanical & Electrical Ltd）

圖13 美國(guó)梅耶森交響樂廳（來(lái)源：http://www.vueaudio.com/）

耦合空間是指廳堂中存在的一些附屬空間（又稱混響室），這些空間使主廳內(nèi)聲學(xué)特性的變化過程呈現(xiàn)非線性衰變（雙折線或多折線）。耦合空間聲場(chǎng)的這種特性使得“長(zhǎng)混響”和“高明晰度”這兩個(gè)一直被認(rèn)為相互對(duì)立的音質(zhì)參量得到較好兼容。計(jì)算機(jī)模型增加的耦合空間設(shè)置在舞臺(tái)的四周和觀眾廳的側(cè)部，耦合開口均開在側(cè)面的上部（盡量減少對(duì)早期側(cè)向反射聲能的影響，見圖11），計(jì)算機(jī)模擬分析數(shù)據(jù)見表7。英國(guó)伯明翰交響樂廳的耦合空間設(shè)置在舞臺(tái)的周邊以及側(cè)墻的上部（見圖12），美國(guó)梅耶森交響樂廳的耦合空間設(shè)置在最高坐席的周邊（見圖13），用這兩個(gè)音樂廳的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬分析的部分聲學(xué)參量的可靠性（見表8）。

結(jié)論：增設(shè)耦合空間（布置在舞臺(tái)周邊和觀眾廳側(cè)部，耦合開口位于舞臺(tái)和觀眾廳的上部），混響時(shí)間延長(zhǎng)比較多，而早期衰變時(shí)間變化比較小，明晰度增大，主觀聲級(jí)變小，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感降低。

耦合空間相當(dāng)于有能耗的延時(shí)器。因?yàn)檫M(jìn)入耦合空間的聲能需要進(jìn)行多次反射、額外多走許多路程，才能從耦合開口反射出來(lái)。行走的路程多了，自然就會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，同時(shí)，由于空氣和各界面的吸收，能量一定會(huì)產(chǎn)生損耗。由于耦合空間的開口多布置在舞臺(tái)和觀眾廳的上部，調(diào)節(jié)的多是后期反射聲，因此，廳堂早期的能量和衰變曲線并沒有太大變化。但是，后期部分聲能由于延時(shí)而造成能耗，所以，后期的總能量變小。因此，明晰度C80和明晰度D50就會(huì)提高。

2.4 增設(shè)音樂反聲罩

劇院為了演奏交響樂，一般都會(huì)在舞臺(tái)上增設(shè)音樂反聲罩以改善音質(zhì)效果。增設(shè)音樂反聲罩前后音質(zhì)參量的變化情況（計(jì)算機(jī)模擬分析）見表9，哈爾濱大劇院（見圖14）和孝感文化藝術(shù)中心大劇院（見圖15）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證見表10。

表7 增設(shè)耦合空間前后音質(zhì)參量的變化（計(jì)算機(jī)模擬分析）

表8 增設(shè)耦合空間前后音質(zhì)參量的變化（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證）

表9 增設(shè)音樂反聲罩前后音質(zhì)參量的變化（計(jì)算機(jī)模擬分析）

圖14 哈爾濱大劇院

圖15 孝感文化藝術(shù)中心大劇院

結(jié)論：增設(shè)音樂反聲罩，混響感增大，明晰度減小，主觀聲級(jí)變大，空間感中的表觀聲源寬度基本不變，而聽者包圍感增強(qiáng)。

音樂反聲罩就像在聲源的后面加了一個(gè)放大器（或聲能聚攏器）。增加了主觀聲級(jí)，延長(zhǎng)了混響時(shí)間，提高了音樂混響感和舞臺(tái)支持度，便于樂隊(duì)之間的相互聽聞。

2.5 電聲可變混響技術(shù)

電聲可變混響技術(shù)是通過合理布置包含特定算法的電聲系統(tǒng)，包括拾音的傳聲器陣列、數(shù)字信號(hào)處理單元和揚(yáng)聲器陣列等，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)改變音質(zhì)的效果。經(jīng)傳聲器陣列拾取的自然聲信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理單元的運(yùn)算處理后，再通過揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)現(xiàn)。揚(yáng)聲器陣列的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是建立“虛擬”的墻體和吊頂，并利用數(shù)字信號(hào)處理的方式調(diào)節(jié)揚(yáng)聲器陣列的大小和延時(shí)，以取得和真實(shí)物理邊界相一致的反射聲序列，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理邊界一樣的音質(zhì)效果。與擴(kuò)聲系統(tǒng)中的電子混響效果器相比，電聲可變混響技術(shù)建立的聲場(chǎng)具有完全真實(shí)物理邊界的時(shí)間特性與空間特性。

表10 增設(shè)音樂反聲罩前后音質(zhì)參量的變化（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證）

表11 增設(shè)樂罩和采取電聲可變混響技術(shù)的音質(zhì)參量變化規(guī)律

電聲可變混響技術(shù)可以模擬世界著名廳堂（如維也納金色大廳）的音質(zhì)效果。事先采集世界著名廳堂主要測(cè)點(diǎn)的脈沖信號(hào)，然后通過信號(hào)處理單元的運(yùn)算處理，使得現(xiàn)有廳堂的主要測(cè)點(diǎn)完全符合世界著名廳堂的脈沖信號(hào)，從而具備某著名廳堂的良好音質(zhì)效果。

與建聲可變混響技術(shù)相比，電聲可變混響技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合與應(yīng)用范圍更廣，音質(zhì)的可變性更強(qiáng)，且無(wú)需大興土木，方便靈活。缺點(diǎn)是無(wú)法降低廳堂原本的混響時(shí)間，且可能由于系統(tǒng)穩(wěn)定性問題而引起聲染色。

大連國(guó)際會(huì)議中心劇院采用的是VIVACE電聲可變混響系統(tǒng)，可能由于擔(dān)心聽眾能夠聽出聲音明顯來(lái)自于墻面或頂面的揚(yáng)聲器，造成聽感不舒服，所以，電聲可變混響技術(shù)一般不會(huì)把聲音的主觀聲級(jí)調(diào)得太大，明顯比采用樂罩條件的主觀聲級(jí)小（見表11）。采用E-Coustic系統(tǒng)的易科國(guó)際深圳總部多功能廳的測(cè)試數(shù)據(jù)中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。由于主觀聲級(jí)比較小，在較大觀眾廳的中間位置聽感并不明顯。當(dāng)然可以把主觀聲級(jí)調(diào)高，但距離墻面和頂面比較近（即離揚(yáng)聲器比較近）的觀眾就能明顯聽出聲音來(lái)自就近揚(yáng)聲器。因此，在比較小的場(chǎng)所（如多功能廳、小劇場(chǎng)等），采用電聲可變混響技術(shù)聽感會(huì)比較好。

3 結(jié)論

從五種可變混響技術(shù)音質(zhì)參量的變化規(guī)律（見表12）可以看出，增加吸聲量是為了降低混響時(shí)間，提高明晰度；增加體積是為了延長(zhǎng)混響時(shí)間，提高混響感；而增設(shè)耦合空間的目的是延長(zhǎng)混響時(shí)間，提高混響感的同時(shí)，也提高（或不降低）明晰度。但是也都會(huì)不可避免地帶來(lái)副作用，主觀聲級(jí)和聽者包圍感降低。

表12 五種可變混響技術(shù)音質(zhì)參量的變化規(guī)律匯總表

增設(shè)樂罩與增加體積相比，不僅能起到延長(zhǎng)混響時(shí)間、提高混響感的目的，同時(shí)還能提高主觀聲級(jí)、聽者包圍感和舞臺(tái)支持度。

電聲可變混響技術(shù)可以按需調(diào)整反射聲序列（只可延長(zhǎng)不能縮短混響時(shí)間），它可以模擬多種建聲可調(diào)混響狀態(tài)，方便靈活，應(yīng)用場(chǎng)合和范圍更廣。缺點(diǎn)是無(wú)法降低廳堂原本的混響時(shí)間，不如建聲效果自然，調(diào)試不好可能有聲染色問題。

由于大家都認(rèn)識(shí)到早期側(cè)向反射聲能的重要性，一般不會(huì)改變池座側(cè)墻的特性。因此，各種可變混響技術(shù)并不會(huì)改變表觀聲源寬度ASW和親切感ITDG。