VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)及在大連國際會議中心劇場的應(yīng)用

周 泉

（大連藝聲電子工程有限公司，遼寧 大連 116021）

VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)及在大連國際會議中心劇場的應(yīng)用

周 泉

（大連藝聲電子工程有限公司，遼寧 大連 116021）

闡述VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)是采用電聲方法改變室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境以及能夠?qū)崿F(xiàn)3D空間音頻效果的聲學(xué)仿真系統(tǒng)，并以大連國際會議中心劇場為例，給出了建聲和VIVACE系統(tǒng)的實施方案。

VIVACE 電子可變聲場系統(tǒng)； 卷積算法；多功能劇場；建聲設(shè)計； 移動聲源；3D聲音效果

1 引言

在國人文化修養(yǎng)不斷提高的今天，種類繁多的文化場所紛紛興建，擁有大劇院、音樂廳成為城市文化的標(biāo)志。一個劇院能用于音樂、歌舞、戲劇、交響樂等多種演出形式是業(yè)主方的期望，然而不同類型的演出形式需要不同的最佳混響時間。以往的多功能劇場采用建聲方式，實現(xiàn)一個折中的、固定的混響時間，即使采用復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)混響時間可變，可調(diào)范圍小，只是一定意義上的多用途劇場，劇場的聲學(xué)環(huán)境并不能與多種演出形式的需要真正匹配。而在具備一定聲學(xué)環(huán)境的多用途劇場中，利用VIVACE(Versatile and innovative acoustic engine，多功能創(chuàng)新聲學(xué)引擎)電子可變聲場系統(tǒng)（以下簡稱VIVACE系統(tǒng)）建造一個真正意義上的多功能劇場成為可能。

2 VIVACE系統(tǒng)原理及功能

2.1 什么是VIVACE系統(tǒng)

VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)是采用電聲方法改變室內(nèi)聲學(xué)環(huán)境以及能夠?qū)崿F(xiàn)3D空間音頻效果的聲學(xué)仿真系統(tǒng)。VIVACE系統(tǒng)是德國薩爾氏斯泰克媒體集團（SALZBRENNER STAGETEC MEDIAGROUP）和德國Mueller-BBM International GmbH國際有限公司（以下簡稱MBBM公司），結(jié)合STAGETEC公司卓越的數(shù)字硬件經(jīng)驗和MBBM公司的聲學(xué)領(lǐng)域權(quán)威算法技術(shù)的結(jié)晶?！癡IVACE”源自意大利語，是活潑的意思。

采用電聲方法實現(xiàn)可變聲場已經(jīng)有50多年的歷史了，然而要獲得沒有“聲染色”實現(xiàn)忠實于自然混響效果的電聲方法卻非常困難，隨著電子科技的迅猛發(fā)展，復(fù)雜的算法已經(jīng)不會成為計算機處理能力的瓶頸，于是更加科學(xué)的VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)得以實現(xiàn)。它融合了當(dāng)今世界多種電子可變混響系統(tǒng)的優(yōu)點，在全頻段（20 Hz ～ 20 kHz）采用高精度脈沖響應(yīng)的采集和MBBM專利的卷積算法，既確保細節(jié)的準(zhǔn)確性，又克服了通常數(shù)學(xué)算法生成的混響效果產(chǎn)生的識別聽覺失真，生成的聲場混響效果更加純凈自然，接近真實的物理狀態(tài)。

使用VIVACE系統(tǒng)須具備兩個基本條件：一是房間的起始混響時間（中頻500 Hz和1 000 Hz）相對較短；二是電聲部分為數(shù)字調(diào)音臺（或相應(yīng)的音頻處理設(shè)備），具有MADI和多通道輸出接口。國內(nèi)新建的劇院、音樂廳和多功能廳等文化場館，其建筑聲學(xué)的設(shè)計越來越受到建設(shè)部門的重視，在項目初期便已介入，力保在符合美觀要求的同時，構(gòu)建一個混響時間合適、避免聲缺陷的聲學(xué)環(huán)境；而且，隨著數(shù)字音頻技術(shù)飛速發(fā)展，硬件的配置上，中國已與世界發(fā)達國家處于同等水平。

2.2 VIVACE系統(tǒng)的基本原理

VIVACE系統(tǒng)的卷積過程可以用：a ×(b1× b2) = c表述， 其中，a為靠近舞臺口的傳聲器拾取項目廳堂聲信號，含廳堂的聲學(xué)特性參數(shù)；b1為通過處理器將傳聲器拾取的聲信號與目標(biāo)廳堂的聲學(xué)特性參數(shù)進行卷積運算；b2為卷積后的信號通過功率放大器饋送大廳的揚聲器以三維聲學(xué)特性投射到觀眾廳；c為獲得的目標(biāo)脈沖響應(yīng)，亦即近似于目標(biāo)廳堂的聲學(xué)特性。

借助a ×(b1 ×b2) = c 數(shù)學(xué)關(guān)系表達式，結(jié)合圖1便可對VIVACE系統(tǒng)的基本原理和信號卷積過程（或“聲學(xué)指紋”技術(shù)）有一個基本的了解。

圖1 VIVACE系統(tǒng)的信號卷積過程

圖2 VIVACE卷積的應(yīng)用界面

2.3 VIVACE系統(tǒng)的功能

世界著名的歌劇院、音樂廳、戲劇場館等都有自己獨特而聽感舒適的聲學(xué)特性參數(shù)，就如同人的指紋一樣，新建場館則渴望自己的聲學(xué)環(huán)境也擁有近似于著名劇場的聲學(xué)特征。MBBM公司對這些著名的場館做了深入研究，將測得的聲學(xué)特性參數(shù)存儲在VIVACE軟件的記憶庫中。在新建項目時，根據(jù)使用者的需求來調(diào)用，瞬間還原這些經(jīng)典場館的聲學(xué)特征。圖2是VIVACE卷積的應(yīng)用界面，在“impulsantwortsatz”（脈沖響應(yīng)率）中，根據(jù)音樂曲風(fēng)類型，很方便地選出適合的廳堂場館，量身定制室內(nèi)聲學(xué)狀態(tài)。

由于在房間固有的模式中，不同的頻段的參數(shù)并非完美，因而VIVACE系統(tǒng)具備實時糾正房間失衡的混響特性的作用，圖3給出了經(jīng)過VIVACE系統(tǒng)處理前后混響時間的變化。需要說明的是，VIVACE系統(tǒng)只能在房間自身的混響時間上增大混響時間而不能減小混響時間，也就是說對于一個基礎(chǔ)混響時間很長或建聲很糟糕的“壞房”，則不具備使用VIVACE系統(tǒng)的條件。

在以往的幾種有代表性的電子可變聲場系統(tǒng)如AR（受援共振系統(tǒng)）、MCR（多通道混響系統(tǒng)）、VRAS（可變室內(nèi)聲學(xué)系統(tǒng)）中，聲源的早期反射和混響是不能被獨立考慮的兩個物理過程。而現(xiàn)今的VIVACE系統(tǒng)，可以通過軟件人工分離出早期反射聲和混響聲，通過對所測量的脈沖響應(yīng)進行卷積計算，采用不同的算法控制，改善了語言的可懂度或音樂的明晰度。

VIVACE系統(tǒng)具有4個聲學(xué)引擎支持4個獨立的聽眾分區(qū)，如設(shè)定主觀眾區(qū)、池座、樓座、樓座下區(qū)域，見圖4。每個區(qū)域可以獨立調(diào)整，滿足細分優(yōu)化不同聲學(xué)條件的特別要求。

VIVACE系統(tǒng)還提供了被稱之為移動聲源3D效果的特殊功能。所謂移動聲源（Source moving）就是以用戶自定義的音頻效果素材（如汽車引擎聲、蜜蜂飛行、特效音等）為變量，以自動或預(yù)存的空間軌跡在3D空間的聲學(xué)環(huán)境中移動，見圖5。系統(tǒng)支持16個聲像同時移動，實時處理而沒有任何時間間隙或延遲。聲源變化的軌跡和時間碼均可進行控制或設(shè)計，也可通過外部時間碼同步控制。利用這項功能，可以制作栩栩如生的環(huán)繞聲效果或超現(xiàn)實的聲音特效，還可以為演員在舞臺上的動作生成自動跟蹤聲效。

除此之外，VIVACE的系統(tǒng)軟件還有Preference EQ（參量均衡器）、具備輸入的FIR濾波器或12段IIR濾波器、自動反饋抑制、dynamics（動態(tài)處理器）等功能。

最終用戶使用的界面非常簡單，只有定義的場景鍵。場景鍵有三種定義方式：根據(jù)演出形式，選用著名音樂廳名字，直觀的混響時間。用戶只需在選中場景鍵后點擊開始（START），系統(tǒng)便可自動運行。

圖3 使用VIVACE系統(tǒng)處理前后混響時間的變化

圖4 具有專利的卷積處理功能的4個獨立區(qū)域

圖5 VIVACE系統(tǒng)移動聲源的3D效果

圖6 VIVACE系統(tǒng)組成架構(gòu)

2.3 VIVACE系統(tǒng)組成構(gòu)架

VIVACE系統(tǒng)是以數(shù)字調(diào)音臺為基礎(chǔ)，在以往主擴系統(tǒng)構(gòu)架中增加一臺VIVACE主機和少量的舞臺區(qū)域的專用拾音傳聲器，VIVACE系統(tǒng)組成架構(gòu)見圖6，信號處理流程見圖7。調(diào)音臺的矩陣基站須具備多通道輸出端口，以便主機處理后的效果聲場信號通過功放送給相應(yīng)位置上的效果揚聲器。VIVACE系統(tǒng)采用的調(diào)音系統(tǒng)不局限于某個品牌，只要是具有多通道處理能力，配置有標(biāo)準(zhǔn)的MADI接口即可實現(xiàn)，當(dāng)然采用同為SALZBRENNER STAGETEC MEDIAGROUP集團出品的調(diào)音臺系統(tǒng)會有更好的匹配度。

（1）VIVACE主機

VIVACE主機是系統(tǒng)的核心部件，主機前面板上未設(shè)任何操作，內(nèi)部裝有兩個并聯(lián)的高端處理器，承載著VIVACE RA電子聲學(xué)軟件；完全熱備份雙配置的兩組音頻處理接口，冗余配置的MADI接口，多達64個單獨的輸入通道，總流程128個獨立的輸出通道，時間碼同步接口；全冗余無縫切換的雙電源。

（2）拾音傳聲器

VIVACE系統(tǒng)采用的拾音傳聲器為吊裝式，要求低噪聲、高靈敏度的電容式心形指向小振膜錄音級，頻響不劣于50 Hz～16 kHz，靈敏度不低于12 mV/Pa，最大聲壓級(0.5%THD時)不小于138 dB，等效輸入噪聲不劣于16 dBA。VIVACE系統(tǒng)推薦使用的拾音傳聲器有：Sennheiser MKH40、MICROTECH GEFELL BM190、Schoeps CCM4/21/22、Neumann KM 140、DPA4028、Audio M1255c，但并不局限于推薦的品牌。VIVACE系統(tǒng)的拾音傳聲器由于需要通道數(shù)比較少，且位置比較靠近舞臺，因此，可以提供更高的信噪比，保持較低的系統(tǒng)背景噪聲。

（3）效果揚聲器及配套音頻功率放大器

VIVACE使用的效果揚聲器并無太多限制，實際選擇中，高靈敏度和準(zhǔn)確的動態(tài)響應(yīng)比輸出功率更加重要，低音單元在8英寸以上的緊湊型揚聲器都可以實現(xiàn)。劇場原有設(shè)計的環(huán)繞聲效果揚聲器基本都可以勝任，VIVACE系統(tǒng)推薦使用的效果揚聲器：L-Acoustics 8 XTi、D&B Ci80、Adamson Point 8-P、K&F Sona-5、KEF Ci 200.3，但并不局限于推薦的品牌。

配套的音頻功率放大器只需與選用的效果揚聲器的阻抗功率相互匹配，采用多通道的音頻功率放大器將會減小系統(tǒng)規(guī)模和降低造價。需要注意的是，音頻功率放大器的輸入類型不論采用數(shù)字或是模擬均要和調(diào)音臺的輸出接口匹配。

（4）軟件構(gòu)成

VIVACE系統(tǒng)的基本軟件有三個：VIVACE RA電子聲學(xué)軟件，安裝在VIVACE主機內(nèi)；VIVACE REMOTE軟件和VIVACE SWITCH軟件，安裝在用戶的界面控制計算機里，為用戶提供開啟和場景切換的操作，界面控制計算機和VIVACE主機之間通過IP地址網(wǎng)絡(luò)連接或無線WIFI進行遙控。

圖7 VIVACE系統(tǒng)信號處理流程

3 VIVACE系統(tǒng)在大連國際會議中心劇場的應(yīng)用

3.1 大連國際會議中心項目的基本概況

大連國際會議中心包括1 600座席的中心劇院和可容納2 000人的宴會大廳；建筑面積約14.68×104m2，建筑總高度59 m；采用核心筒支撐鋼結(jié)構(gòu)，大范圍使用鋁合金板，包括核心區(qū)域中心劇場，從池座、樓座、高空天棚等都是鋼結(jié)構(gòu)。

大連國際會議中心劇場VIVACE方案是由原有的擴聲方案深化而來的，由于VIVACE系統(tǒng)在國內(nèi)沒有應(yīng)用先例，無可借鑒的經(jīng)驗。方案論證歷經(jīng)多次，在德國MBBM公司和總設(shè)計方奧地利藍天組的積極倡導(dǎo)以及國內(nèi)專家顧問的合力推舉下最終得以通過，當(dāng)然深化后的方案沒有過多增加設(shè)備造價是主要前提。

3.2 不可忽略的建聲條件

對于劇場建聲處理，內(nèi)部裝修在劇院的建筑中是非常另類的。為達到設(shè)計要求即起始混響時間控制在1.4 s左右，廳內(nèi)做了大量的吸聲處理，整個劇場墻面全部為進口陽極氧化A5系穿孔鋁板，在鋁板后面配備電動吸聲幕簾及弧形聲學(xué)隔墻，在幕簾前面安裝效果揚聲器，見圖8；除此之外，劇場設(shè)計中還采用了地板吸聲及隔聲結(jié)構(gòu)（見圖9）、打孔座椅吸聲等措施。對于聲擴散的處理，天花裝有具有聲學(xué)擴散作用的曲面GRG（GlassFiber Reinforced Gypsum，玻璃纖維增強石膏）浮云，見圖10；觀眾席共三層樓座，攔河為三維曲面造型的石膏板，其上分布著9種不同規(guī)格4 000個GRG圓柱擴散體，達到漫反聲效果，其中最大擴散體內(nèi)隱藏有效果揚聲器，這一設(shè)計既保證了聲學(xué)要求，又起到了美觀效果，可謂一箭雙雕。劇場的建聲施工嚴(yán)格執(zhí)行程序，經(jīng)測試平均混響時間達到設(shè)計要求的1.4 s～1.6 s。

圖8 墻體吸聲結(jié)構(gòu)

圖9 地面結(jié)構(gòu)

圖10 劇場內(nèi)部聲學(xué)裝修（天花裝有GRG浮云，攔河為具有圓柱擴散體的三維曲面石膏板）

圖12 大連國際會議中心劇院3D-VIVACE聲壓級分布圖

圖11 效果揚聲器的分布

3.3 效果揚聲器布局

VIVACE系統(tǒng)共使用89只效果揚聲器（使用了87個通道，天花的3只低音揚聲器采用一個通道），分布在觀眾席后墻、攔河、天棚和樓座下，具體位置詳見圖11（圖中紅色部分為揚聲器的位置；二、三樓揚聲器位置圖略），聲壓級效果見圖12。

3.4 VIVACE系統(tǒng)硬件配置

在劇場音響系統(tǒng)的原設(shè)計中已采用有STAGETEC公司的CRESCENDO調(diào)音臺和NEXUS數(shù)字矩陣，這是能夠增強音響系統(tǒng)功能采用VIVACE系統(tǒng)的另一個必要條件，見圖13。

深化后的VIVACE系統(tǒng)，增加一套主備雙通道的VIVACE主機，見圖14；增加4支VIVACE專用心形電容吊裝傳聲器（德國MG BM190），安裝在舞臺的表演區(qū)域，見圖15。

深化后重新調(diào)整了揚聲器的布局，保持原有設(shè)計中觀眾區(qū)域的樓座補聲揚聲器、擋墻效果揚聲器和天花效果揚聲器，增加了22只德國K&F SONA 5緊湊型揚聲器及相應(yīng)的德國K.M.EDA428四通道音頻功率放大器，安裝在挑臺欄桿處，稱之為“攔河揚聲器”，隱藏在圓柱擴散體中（見圖16）。這不同于標(biāo)準(zhǔn)劇院觀眾席效果揚聲器的布置，屬于VIVACE系統(tǒng)特有的。

在調(diào)音數(shù)字系統(tǒng)NEXUS基站中配置了相應(yīng)的輸出通道板卡，使所有效果揚聲器與多通道功率放大器以及調(diào)音臺NEXUS基站板卡一一對應(yīng)。

3.5 VIVACE系統(tǒng)的調(diào)試

VIVACE的主處理器和備份處理器都配有調(diào)試用顯示器，雙通道的冗余熱備份設(shè)計使主備的切換完全不被感知。在正常工作時無需開啟全部程序，在電源開啟時會自動運行，只要觀察主機上的VIVACE字母由紅色變成藍色就說明系統(tǒng)一切正常。

系統(tǒng)的調(diào)試需要在全部靜場中進行，因而常常要等到深夜才進入最佳工作環(huán)境。首先，測試和調(diào)整每個揚聲器的電平，將所有硬件配置參數(shù)錄入系統(tǒng)中，在舞臺區(qū)放置測試揚聲器模擬信號源播放VIVACE特有的測試信號，測試觀眾席內(nèi)所有的測試點（具有代表性的座位點）；最后，對軟件界面編排，精細調(diào)整每種狀態(tài)。在配合廠家整個調(diào)試過程中，充分體會到德國工程師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度。

VIVACE系統(tǒng)在界面控制計算機里，用戶界面最終生成6個場景鍵，其中有4個直觀的時間模式，分別是1.6 s、1.75 s、1.9 s和2.1 s；還有一個獨唱模式，使用時只需按亮相應(yīng)的場景鍵即可，見圖17。

圖13 將原音響系統(tǒng)升級為VIVACE系統(tǒng)

圖15 VIVACE專用心形電容傳聲器的吊裝位置

圖16 隱藏在擴散體內(nèi)的攔河效果揚聲器

圖14 VIVACE主機整合在音控室的調(diào)音臺基站機柜中

3.6 主客觀的評價

承接大連國際會議中心劇場音頻工程的大連藝聲電子工程有限公司，在系統(tǒng)建成后曾先后兩次邀請了國內(nèi)音響行業(yè)幾位專家參與現(xiàn)場VIVACE系統(tǒng)效果的體驗和觀摩。

演示中采用了小提琴獨奏、小型管弦樂隊演奏，男女人聲獨唱等節(jié)目。通過在遙控計算機上開啟和關(guān)閉VIVACE系統(tǒng)做現(xiàn)場比較，試聽的結(jié)果令人驚喜和滿意。在VIVACE開啟狀態(tài)下，由房間的自然混響轉(zhuǎn)換成VIVACE系統(tǒng)生成的虛擬電子混響，沒有以往電子處理的染色痕跡，非常真實自然。樂隊演奏依舊層次分明透明度好，無絲毫的模糊或渾濁的現(xiàn)象，在觀眾席的各個區(qū)域，高中低頻聲部平衡沒有某個位置的頻段缺失或突出；男女人聲獨唱更加清亮和圓潤有親切感，由于混響時間的變長（演示時選用了2.1 s）使演唱更加具有溫暖和空間感，并沒有因為開啟而增加聲音響度，聲像的方位感也沒有任何偏移，符合VIVACE系統(tǒng)所追求的自然鮮活的聲音概念。

在演示過程中VIVACE廠家的高級工程師Bjorn先生還現(xiàn)場演示了系統(tǒng)的另一個應(yīng)用，3D聲效移動（3D Source moving）功能，用小蜜蜂和直升飛機作聲源，表演聲音移動的3D飛行效果。在控制計算機上的3D模型里隨心所欲地拖拽聲源，現(xiàn)場便會出現(xiàn)嗡嗡作響飛來飛去的直升機、小蜜蜂，或起落或俯沖與你擦肩而過，讓聽者宛若置身聲音的夢幻場景，興奮之余又為之贊嘆。VIVACE系統(tǒng)的體驗得到了在場專家的一致認(rèn)可。

圖17 大連國際會議中心劇場VIVACE的用戶控制界面

4 結(jié)語

隨著VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)不斷完善，得到越來越多的應(yīng)用。實踐證明，該系統(tǒng)有以下主要特點。

（1）根據(jù)需要改變室內(nèi)的混響時間并控制頻率特性、抑制反饋，改善聲場的不均勻度、動態(tài)處理等，實時糾正房間失衡的混響特性，沒有時間間斷或延遲，沒有音調(diào)變化和染色，獲得真正意義的多功能劇場。

（2）對早期的反射聲和混響聲使用不同的模塊和不同信號處理算法，更加靈活地對脈沖響應(yīng)進行修正。

（3）采用傳聲器的數(shù)量少，使系統(tǒng)處在較低的背景噪聲和更高的系統(tǒng)信噪比；同時，與未采用VIVACE系統(tǒng)的音響系統(tǒng)相比，造價未有大幅增加。

（4） 可配置4個獨立的混響區(qū)域，靈活地對各個區(qū)域進行參數(shù)修正，實現(xiàn)聲音不同區(qū)域的平滑過渡，適應(yīng)大聽音場不同位置的需要。

（5）制作栩栩如生移動聲源的3D動態(tài)效果，支持環(huán)繞聲格式或多信道信號同步或自動演示。

（6）系統(tǒng)擁有雙通道冗余備份，有較高的安全可靠性，包括自我監(jiān)控和自動切換的功能。

（7） 系統(tǒng)設(shè)備配置自由，不會約束使用某個廠家產(chǎn)品。

可見，VIVACE電子可變聲場系統(tǒng)對于多功能廳堂的混響控制是可行和有效的。2013年，在第十屆中國藝術(shù)節(jié)舉辦的“中國十大劇院”評選活動中，安裝有VIVACE可變聲學(xué)系統(tǒng)的大連國際會議中心大劇院榮獲了“最佳聲效劇院”單項獎。隨著人們對聲場和音質(zhì)的更高追求，越來越多的電子可變聲場系統(tǒng)將會進一步發(fā)展和應(yīng)用。

感謝大連藝聲電子工程有限公司技術(shù)總監(jiān)滕文峰先生給予筆者的支持。

[1] 項端祈. 傳統(tǒng)與現(xiàn)代——歌劇院建筑[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002.

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[3] 王福津. 劇院擴聲系統(tǒng)設(shè)計多樣化的思考[J]. 演藝設(shè)備與科技, 2007(2).

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周泉，電子與網(wǎng)絡(luò)工程師，大連藝聲電子工程有限公司工程部部長，在大連國際會議中心音響工程中擔(dān)任項目經(jīng)理。

（編輯 杜 青）

VIVACE Electronic Variable Acoustic Field System and its Application in Dalian International Conference Center Theater

ZHOU Quan
（Dalian Yisheng Electric Engineering Co.,Ltd. , Dalian Liaoning 116021, China）

VIVACE electronic variable acoustic field system is an acoustic simulation system by means of electroacoustic method to change the indoor acoustic condition, and can realize 3D audio effects. Taking Dalian international conference center theater for example, the architectural acoustics and VIVACE system implementation plan were given in this paper.

VIVACE electronic variable acoustic field system; convolution algorithm; multifunction theater; architecture acoustic design; movable sources; 3D sound effect

10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.004