電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)及其在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究（一）

魏增來，練嘉容

（中國傳媒大學(xué)，北京 100024）

1 電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)的發(fā)展背景

在多年舞臺藝術(shù)發(fā)展及審美提升過程中，人類逐漸認(rèn)知到演出聲學(xué)環(huán)境與藝術(shù)呈現(xiàn)形式之間需具備足夠好的匹配性與適用性，即針對不同的節(jié)目類型應(yīng)有不同的、與之相匹配的聲學(xué)環(huán)境，聲學(xué)環(huán)境與演出種類相契合，才能提供更為良好的最終聽感效果。如古典音樂一般在音樂廳演出，話劇等戲劇則多在戲劇場演出，便是因為這些場地的聲學(xué)條件各不相同，能充分契合演出形式和內(nèi)容，更好地展示出其藝術(shù)表現(xiàn)力。

為了獲得期望的聲學(xué)環(huán)境條件，受人類技術(shù)發(fā)展水平的限制，早期對于建筑結(jié)構(gòu)、聲學(xué)處理等方面，全部通過物理聲學(xué)方式，但鑒于聲學(xué)傳播、擴(kuò)散等環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，大多難以在建筑最終竣工之前準(zhǔn)確預(yù)估其聲場效果，因此，不得不在不完美的聲場環(huán)境中進(jìn)行表演，或花費(fèi)巨大的物力、財力去整改整個建筑的相關(guān)聲學(xué)條件，以達(dá)到期望的效果。在這個過程中，人們也一直努力探尋一種更簡便、更經(jīng)濟(jì)的方法，以靈活地實現(xiàn)藝術(shù)呈現(xiàn)形式與聲學(xué)環(huán)境的最佳匹配。20世紀(jì)中期后，隨著電子技術(shù)與聲音技術(shù)的融合，電聲學(xué)也逐漸成為一個新興的細(xì)分領(lǐng)域并得到迅速發(fā)展，這也就為上述目標(biāo)的實現(xiàn)帶來了一個全新的方向。

在人類對聲學(xué)的認(rèn)知過程中，混響時間一直被當(dāng)做影響人耳聽感的重要因素，從而成為建筑聲學(xué)中最核心的參數(shù)之一。經(jīng)過多年探索發(fā)現(xiàn)，語言、音樂、話劇、歌劇、音樂劇等都有其最佳的混響時間，因此，幾十年來，首先從混響時間入手，以電聲方式進(jìn)行多樣嘗試，稱之為電子可變混響系統(tǒng)。但隨著對于建筑聲學(xué)認(rèn)知的不斷深入，逐步認(rèn)識到早期反射聲、早后期聲能比、早期衰變時間、初始時間間隙等其他聲學(xué)參數(shù)也對最終聽覺有較大影響，因此，伴隨著近年來音頻技術(shù)與信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，上述所謂“電子可變混響系統(tǒng)”也逐步擴(kuò)展其關(guān)注并調(diào)整客觀參量的內(nèi)容，并更名為電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)。

2 電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)概覽

聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)的實現(xiàn)方式主要有物理方式與電子方式兩種，相比較而言，電子方式造價更低、調(diào)整范圍更寬、性價比更高、實現(xiàn)起來也更為容易，因此，該類方式也日益得到更多的重視，并隨著IT技術(shù)所帶來的信號處理能力的飛速提升，在近年來取得了長足的發(fā)展。

2.1 定義及主要特點(diǎn)

所謂電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)，是指采用電聲設(shè)備，通過電聲聲場控制技術(shù)及相關(guān)信號處理算法來控制、調(diào)整廳堂內(nèi)的混響時間和其他聲學(xué)特性的電聲系統(tǒng)。在其發(fā)展早期，又被稱為主動聲學(xué)增強(qiáng)系統(tǒng)或電子可變混響系統(tǒng)。

電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)不再像常規(guī)的物理聲學(xué)可變系統(tǒng)那樣完全基于賽賓公式或依林公式計算混響時間，而將其實現(xiàn)方法的理論基礎(chǔ)進(jìn)一步擴(kuò)展到相關(guān)的建筑聲學(xué)及電聲學(xué)領(lǐng)域。其總體優(yōu)點(diǎn)是所需費(fèi)用較低；混響時間可調(diào)范圍較大（可以是廳堂基礎(chǔ)混響時間的2～3倍）；并大都可以在主處理設(shè)備中預(yù)先設(shè)定多個相應(yīng)參數(shù)預(yù)設(shè)模式，從而根據(jù)使用需要隨時調(diào)取，使用操作非常方便，能夠快速滿足不同表演類型所需的室內(nèi)聲學(xué)條件。除此之外，它不僅能夠調(diào)整混響時間，而且還可以通過增加近次反射聲能、擴(kuò)散聲能，調(diào)整直達(dá)聲、反射聲和混響能量的最佳比例，以及對混響聲能頻率特性進(jìn)行調(diào)整等手段對室內(nèi)聲場進(jìn)行“修正或優(yōu)化”。雖然優(yōu)點(diǎn)多多，但它也存在著較為明顯的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)為它并不是通過實際建筑結(jié)構(gòu)或吸聲特性的改變而改變相應(yīng)廳堂的聲學(xué)環(huán)境特性，而是通過電聲模擬的方式來實現(xiàn)目的，因此可能會產(chǎn)生模擬的精細(xì)度不足以及聲染色等聽覺效果不自然的現(xiàn)象，即所謂的“電聲味”。

2.2 初始的基本理論基礎(chǔ)

其中，W為聲源的輻射功率，A為廳堂總吸聲量，T60為混響時間，V為室內(nèi)體積，P為聲壓，ρ為介質(zhì)密度，c為聲速。

進(jìn)而可以得出：

即混響時間與平方聲壓成正相關(guān)，因此，如果聲源輻射功率不變，那么，通過提高廳堂內(nèi)的總體聲壓，即可加長混響時間。同時，隨著混響時間的增加，聲音清晰度、強(qiáng)度等其他聽覺感受也會發(fā)生變化。

T60=P2V/(25ρcW)公式對于不帶有“傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器聲能放大通路”的自然聲場和帶有該類聲能放大通路的主動聲場均適用，由此就會產(chǎn)生被動（Passive）狀態(tài)（不使用傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器通路）和主動（Active）狀態(tài)（使用傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器通路）兩種情況，主動狀態(tài)下，因為存在有傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器通路的輔助，相比較于被動狀態(tài)而言，其聲能量以及聲壓會有所增強(qiáng)，這時，公式（2）中除了混響時間T和聲壓P不同之外，其他參量均保持不變。如果將主動狀態(tài)與被動狀態(tài)下的兩個公式相除，則會獲得這個傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器聲能放大通路的增益g：

由此可見，廳堂中的傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器聲能放大通路增益可以幫助提高混響時間。

研究證明，在同一個放大回路中，接入更多的傳聲器和揚(yáng)聲器并不能增大其回路增益，如果想獲得更大的總體放大量，則需要采用更多且相互獨(dú)立的傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器回路。針對一套具有N個獨(dú)立放大回路的系統(tǒng)，其總放大量可以認(rèn)為是這N個通路放大量之和（以相對簡便的能量疊加替代振幅疊加），此時開啟這些主動聲學(xué)增強(qiáng)通路后，總的混響時間也可以近似地以公式Tact=Tpas（1+Ng2）進(jìn)行表述了。由這個公式可以看出，對于一個特定廳堂，如果想在原有自然混響時間的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整增加，可以通過如下兩個方法予以實現(xiàn)：設(shè)置更多的獨(dú)立放大回路；或者增大回路的傳輸增益。

2.3 主要挑戰(zhàn)

對于所有主動聲學(xué)增強(qiáng)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計而言，其面臨的主要挑戰(zhàn)與擴(kuò)聲系統(tǒng)非常相似，就是聲反饋或自激。對于一個非反饋的聲系統(tǒng)而言，其開放回路增益（GO）可以做到很大，但是針對反饋式聲系統(tǒng)來說（本文中所探討的主動式電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)恰恰就是這類安裝在同一個廳堂內(nèi)的反饋式聲系統(tǒng)），其信號通路不再是開放的，而是形成了環(huán)路（LOOP），此時其通道增益就用回路增益G來表示，它包括由傳聲器至功率放大器再至揚(yáng)聲器的電聲傳輸函數(shù)μ以及由揚(yáng)聲器至傳聲器的聲場傳輸函數(shù)β，具體可見圖1所示。當(dāng)布置于聲場中的傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器回路具有足夠大的回路增益G時，某些特定頻率就會產(chǎn)生一定的“鑲邊兒”現(xiàn)象，即聲染色，而當(dāng)回路增益進(jìn)一步加大時，這些頻率就會自激嘯叫。

圖1 回路增益示意圖s

圖2 回路傳輸增益函數(shù)

上述自激現(xiàn)象之所以始于個別頻率，是因為廳堂內(nèi)揚(yáng)聲器到傳聲器之間除了直達(dá)聲外還包括有大量的反射聲，直達(dá)聲和各種反射聲之間在某些頻率上會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，使得某些頻率增強(qiáng)或減弱，所造成的峰谷之差可能會達(dá)數(shù)十分貝，這就會造成聲場傳輸函數(shù)β以及與之相關(guān)的回路增益函數(shù)G和頻率之間巨大的相關(guān)性。但如果廳堂的尺寸、形狀、面飾材料以及揚(yáng)聲器和傳聲器的位置最終確定，那也就總體確定了聲場傳輸函數(shù)β，此時，回路增益G的變化就主要依賴于電聲傳輸函數(shù)μ的變化了。圖2為一個回路傳輸增益函數(shù)的示意圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，這個增益函數(shù)曲線由眾多不同頻率且幅度差距巨大的峰谷組成，其在期望頻帶寬度的平均值決定了對聲壓的增強(qiáng)能力，進(jìn)而決定了混響聲能和混響時間的變化量，而其峰值則決定了系統(tǒng)穩(wěn)定度和聲染色的頻率。很明顯，如果回路內(nèi)的聲場傳輸函數(shù)β固定，那么當(dāng)回路內(nèi)功率放大器的輸出電增益加大（即電聲傳輸函數(shù)μ增大）時，一旦使得某個峰值頻率的回路增益G大于1，那么，這個頻率便成為自激振蕩頻率。這時如果回路增益略小于1，則這個峰值就會像濾波器一樣，為該頻率產(chǎn)生一個較長的混響時間，但也視增益量的不同，可能會引發(fā)一定的聲染色。

由以上論述可見，主動聲學(xué)增強(qiáng)系統(tǒng)所面臨的巨大挑戰(zhàn)就是在保證期望的頻寬范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的輔助能量以改變混響時間等聲場參數(shù)的同時，如何規(guī)避回路自激，并減弱聲染色現(xiàn)象。

2.4 早期探索

自20世紀(jì)30年代以來，人們便開始對通過電聲改變混響時間的方法展開探索及研究。至1959年，R. Vermeulen提出的環(huán)境立體混響聲（Ambiophony）系統(tǒng)取得了第一個市場商用電子主動聲場控制系統(tǒng)的專利。這項技術(shù)首先拾取舞臺區(qū)域內(nèi)包括直達(dá)聲和早期反射聲在內(nèi)的聲音信息，然后利用一套安裝了單個錄音磁頭和多個放音磁頭的磁帶輪，來產(chǎn)生多個實際聲場信息的重復(fù)，之后通過揚(yáng)聲器重放，制造反射聲以在廳堂內(nèi)的觀眾席區(qū)域構(gòu)建一個混響聲場。以當(dāng)今的眼光來看，這種技術(shù)的使用效果并不能滿足期望值，但在1959年，其聽感已經(jīng)被認(rèn)為是非常不錯的了，所以，當(dāng)時這類環(huán)境混響聲系統(tǒng)以及后續(xù)基于同樣技術(shù)原理的ERES系統(tǒng)（基于數(shù)字多抽頭延時原理）在歐洲有很多應(yīng)用案例，包括由飛利浦實驗室實施的米蘭斯卡拉大劇院。

1964年，英國科學(xué)與工業(yè)研究部的P. H. Parkin以及K. Morgan開發(fā)了一套試驗性的受援共振（AR：Assisted Resonance）系統(tǒng)，并安裝于倫敦皇家節(jié)日音樂廳。這套系統(tǒng)為主動聲場增強(qiáng)系統(tǒng)領(lǐng)域提供了非常基礎(chǔ)的科學(xué)概念，因此，其理論被廣泛收錄在很多相關(guān)出版物中。

Parkin和Morgan認(rèn)為，在同一地點(diǎn)以較大的放大量重放經(jīng)由傳聲器拾取的信號會導(dǎo)致嚴(yán)重的聲染色和自激振蕩，因此，在受援共振系統(tǒng)中構(gòu)建了多個具有非常窄帶頻寬的傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器回路，單個回路均包括傳聲器、前置功率放大器、濾波器、衰減器及揚(yáng)聲器，其基本原理框圖如圖3所示。該系統(tǒng)中，將指向性傳聲器放置于調(diào)整好的亥姆霍茲諧振器或并聯(lián)諧振管中，拾取諧振信號后經(jīng)放大、濾波、相位等處理后送至揚(yáng)聲器重放，以此模擬早期反射聲和混響聲。鑒于諧振器的尺寸限制，通常在低頻率段（最高頻率為350 Hz），使用亥姆霍茲諧振器中以產(chǎn)生諧振頻率，而在較高頻率段（大于350 Hz），該類諧振器因體積太小而無法實際使用，因此，使用簡單的并聯(lián)諧振管代替，諧振器及諧振管如圖4所示。該系統(tǒng)通過單獨(dú)調(diào)整每個環(huán)路的增益和相位，使得每個單獨(dú)頻率域增加的能量可以得到有效控制，從而獲得一個穩(wěn)定且無染色的高能量電平，進(jìn)而靈活地增加混響時間，方法非常巧妙和直接。每個環(huán)路只負(fù)責(zé)非常窄的頻帶，大量的特窄帶通濾波器利于在提高通道環(huán)路增益（即增加了聲能量）的同時控制反饋嘯叫，但也導(dǎo)致了每個環(huán)路能控制的范圍只有幾赫茲，所以為了覆蓋目標(biāo)頻率，需要大量的環(huán)路，如倫敦皇家節(jié)日音樂廳在58 Hz～700 Hz范圍內(nèi)的回路便有172個。

圖3 AR系統(tǒng)原理示意框圖

圖4 亥姆霍茲諧振器及并聯(lián)諧振管

以上所述的環(huán)境立體混響聲以及受援共振技術(shù)屬于電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)最初始的嘗試，自此以后，基于不同思路的各類探索紛紛展開，下文將就幾種主要的典型系統(tǒng)展開論述。