電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)在慈溪大劇院多用途小劇場的應(yīng)用

汪道瀾

[摘要]從多用途廳堂使用所遇到的聲學(xué)環(huán)境問題出發(fā)，簡述電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)的使用原因、使用場景、基本原理及系統(tǒng)特點，以及運(yùn)用在慈溪大劇院多用途小劇場中的系統(tǒng)鏈路、揚(yáng)聲器及傳聲器的布局及調(diào)試。

[關(guān)鍵詞]多用途劇場;聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng);時變混響;混響時問

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.09.003

1項目概述

慈溪大劇院是慈溪至今單體投資最大的文化公共建筑設(shè)施，需滿足國內(nèi)外歌舞劇、戲曲、話劇、音樂會等多種表演形式使用要求;并在觀演的舒適性與視聽效果上達(dá)到國內(nèi)同級、同類文化設(shè)施的先進(jìn)水平。

其中，多用途小劇場需要滿足演出和各類發(fā)布會、客戶答謝會、開業(yè)慶典、大會等會議、活動的使用要求。因此，小劇場采用移動座椅和升降舞臺來改變舞臺與觀眾席間的空間關(guān)系，滿足多種舞臺空間應(yīng)用需求。頂面采用全開放式形式，排布了用于吊掛各種揚(yáng)聲器、燈光設(shè)備的桁架（見圖1），墻面采用面塊板作縱橫經(jīng)緯的分割，內(nèi)襯吸聲棉，在活躍空間氣氛的同時，營造出一個親切、沉浸、靈活多變的表演空間。針對場地使用情況的多變，在不破壞原有建筑結(jié)構(gòu)的同時，在廳堂內(nèi)安裝了一套電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)（Enhancement Acoustic System，以下簡稱：“E-coustic系統(tǒng)”），來滿足小劇場的“多功能”聲學(xué)需求。

2電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)

電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)是通過電子聲學(xué)組件來調(diào)節(jié)所感知的聲學(xué)環(huán)境，從而根據(jù)表演類型對固有建筑聲場進(jìn)行創(chuàng)建、調(diào)節(jié)或優(yōu)化，以滿足不同表演類型對聲學(xué)環(huán)境的需求，保證良好的音質(zhì)效果。它不同于擴(kuò)聲系統(tǒng)，作用各不相同。

2.1電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)的作用

傳統(tǒng)劇場、音樂廳的聲學(xué)特性往往是固有不變的，是由它的建筑結(jié)構(gòu)、墻面材料所決定的。這類聲學(xué)特性通常只針對某種演出形式，甚至某一個樂隊、某一位作曲家的作品，以使音樂風(fēng)格有最佳的聽感。例如大家熟知的維也納金色大廳，無論是精細(xì)計算后的分割包廂，還是墻面女神柱的排列都是為交響樂而設(shè)計的，對于演講等語言類表演來說就不合適。無論是古典主義藝術(shù)，還是浪漫主義藝術(shù)，每個時期都有著各自獨(dú)特、并相互匹配的建筑和音樂風(fēng)格。音樂家的創(chuàng)作也考慮表演場所，例如音樂從原始的單音發(fā)展到復(fù)音，就有很大一部分原因是由于演出場所的改變，貴族家庭也有了欣賞室內(nèi)樂的需求，表演不只在教堂進(jìn)行。

隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代的演藝廳堂往往要滿足多種用途，如現(xiàn)代交響樂、歌劇、舞劇、話劇、戲曲，有的甚至還要用于會議、電影放映，但不同表演或節(jié)目源通常有著相互沖突的聲學(xué)環(huán)境要求?；祉憰r間和混響能量（Reverb Level）是不同廳堂音質(zhì)評價的重要指標(biāo)，圖2是不同用途的廳堂所適合的混響時間?；祉憰r間是指當(dāng)室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)，聲源停止發(fā)聲后，聲壓級降低60dB所需的時間，記作T60或RT（Reverberation Time）?；祉憰r間長，混響能量大則聲音飽滿、渾厚，具有混響感，但語言清晰度減弱。所以，可以通過改變混響時間來滿足廳堂不同的使用情況。

那么，需要解決的問題就是如何實現(xiàn)混響時間的改變。目前，改變混響時間的方式有兩種。

一種是通過建聲手段。根據(jù)賽賓公式：T60=O.161V/A=0.161V（as）（V）為混響體積，A為吸聲量，a為吸聲系數(shù)，s為樣件面積）可知，對其中的任意變量進(jìn)行改變，都可改變混響時間。劇場中，時常通過改變室內(nèi)的體積或改變墻壁、天花板等部位的吸聲材料與結(jié)構(gòu)改變室內(nèi)總吸聲量，從而達(dá)到調(diào)整混響時間的目的。采用建聲方式，聽感更加自然。但是這種方式通常造價極高，且可調(diào)混響時間的范圍很小，設(shè)想在其他條件都不變的情況下，體積增大一倍，混響時間才能增大一倍，所以一般觀眾廳要改變0.5s的混響時間需要付出很大努力，并且這種方式的安全性和使用便捷性也是需要考慮的問題。

第二種改變混響時間的方式便是通過電聲方式。即采用電聲設(shè)備，通過電聲聲場控制技術(shù)來控制室內(nèi)的混響時間和其他聲學(xué)特性。它不僅實現(xiàn)了混響時間可變，而且還可以對室內(nèi)聲場進(jìn)行“修正或優(yōu)化”，如增加早期反射聲、聲擴(kuò)散，調(diào)整反射聲和混響能量的最佳比例，以及對混響時間頻率特性進(jìn)行調(diào)整等。這種方式相對建聲方式不僅使用起來更加方便，在造價方面也可節(jié)省不少。國際上已有不少電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)，各家的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都不同。筆者著重對E coustic系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

2.2E-coustic系統(tǒng)原理及特點

E-coustic系統(tǒng)以“通過時變?nèi)斯せ祉懜倪M(jìn)室內(nèi)聲學(xué)”為理論基礎(chǔ)，采用“獨(dú)立時變混響器”，并結(jié)合神經(jīng)科學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域的研究成果（聲音品質(zhì)與人類感知的相互關(guān)系）推導(dǎo)出的新的聲學(xué)算法，精確模擬出“房間”的關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)。

E-Coustlc系統(tǒng)在房間內(nèi)接近聲源的位置布置少量傳聲器，實時拾取聲源，并對其進(jìn)行時變多通道混響的處理，據(jù)此調(diào)整場地聲學(xué)參數(shù)，并通過整個系統(tǒng)在場地的側(cè)墻、后墻、頂部均布置一定數(shù)量的揚(yáng)聲器，實現(xiàn)所需要的混響效果?？梢詫γ恐粨P(yáng)聲器的延時、直達(dá)能量、早期能量和后期能量進(jìn)行單獨(dú)的控制，所以每一個揚(yáng)聲器的處理方式都是按照聲源的自然傳播來選擇的。但是這種通過反向采樣來進(jìn)行延時調(diào)整的方式，都會存在一個問題，即數(shù)字系統(tǒng)中時間延時改變帶來的相應(yīng)音高變化。E-coustic系統(tǒng)的特殊算法可以把這種變調(diào)最小化，并且優(yōu)化能量時間曲線，使揚(yáng)聲器間達(dá)到最佳的耦合和最小的離散回聲。

這樣的系統(tǒng)最大的問題在于解決聲反饋，提高傳聲增益，傳聲器因拾取到揚(yáng)聲器的聲音，形成正反饋，而產(chǎn)生回授環(huán)路。E-coustic系統(tǒng)的傳聲器就在揚(yáng)聲器旁，也不會發(fā)生嘯叫，它是如何解決這一問題的呢？該系統(tǒng)的每支傳聲器在拾取到音源后，都會被4個獨(dú)立的虛擬聲學(xué)處理器進(jìn)行處理（如圖3），這種時變混響的方式可以拓寬房間傳遞函數(shù)的共振峰，為系統(tǒng)直接增加至少6dB的穩(wěn)定性。

E-coustic系統(tǒng)的規(guī)模沒有限制，迄今為止最小系統(tǒng)安裝在6m×8m的排練室里;最大的系統(tǒng)有700多個輸出通道。

3慈溪大劇院多用途小劇場的E-CoilStic系統(tǒng)方案

慈溪大劇院的多功能小劇場為標(biāo)準(zhǔn)的鞋盒式，無眺臺和二層樓座。寬×深×高約為20.5m×30.1m×15.4m。平面、剖面圖見圖4和圖5。

3.1信號鏈路

聲源被舞臺上方的傳聲器拾取后進(jìn)入話放，話放將模擬信號轉(zhuǎn)換為MADI數(shù)字信號發(fā)送給矩陣處理器（EcsMatrix Processor），矩陣將信號分配到E-coustic系統(tǒng)的核心——聲學(xué)處理主機(jī)（ECS Mainframe III）。1支傳聲器的聲源被4個虛擬聲學(xué)處理器處理，按照所預(yù)設(shè)的廳堂混響來調(diào)節(jié)所拾取聲源的直達(dá)聲、反射聲及混響聲音能量的比例。經(jīng)過主機(jī)處理后的數(shù)字信號再返回到ECSMatrix處理器，矩陣處理器具有512個輸入/輸出通道，它不僅僅只是對聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行通道的配置，還可以對輸入、交點和輸出上的信號進(jìn)行增益、延時和七段參數(shù)均衡調(diào)節(jié)。處理完后的MADI信號再通過AO-32進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換器，分配給相應(yīng)的功率放大器和揚(yáng)聲器。信號鏈路如圖6所示。

除了聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)外，因為ECS Matrix內(nèi)部強(qiáng)大的處理能力，可處理超過8000個通道，所以E-coustic系統(tǒng)還可供電影環(huán)繞聲以及復(fù)雜的聲像移動場景的效果聲使用，無需再額外配備揚(yáng)聲器。最終系統(tǒng)的整體控制通過Crestron的中控系統(tǒng)來實現(xiàn)，系統(tǒng)開關(guān)、模式選擇、混響能量調(diào)節(jié)都可通過控制面板一鍵操作。

3.2系統(tǒng)傳聲器及揚(yáng)聲器的布局

3.2.1揚(yáng)聲器布局原則

E-coustic系統(tǒng)的揚(yáng)聲器是以一種交叉間隔方式鋪設(shè)布置，任何兩個相鄰的揚(yáng)聲器的輸入都來自不同輸出。這樣可以保證揚(yáng)聲器之間沒有相干聲的干涉，可顯著增加系統(tǒng)的擴(kuò)散，減少聲染色。若以這種方式布局，最少需要4路輸出通道，所以，這也是用于這類安裝方式的最小通道數(shù)。E-coustic系統(tǒng)的音箱與日常使用的點聲源不同，它的指向角度每一個頻段都是以錐形覆蓋，且在500Hz～8000Hz范圍內(nèi)覆蓋角度變化很小。常規(guī)揚(yáng)聲器指向角度卻會隨著頻率的變化而產(chǎn)生很大變化，如圖7、圖8。

3.2.2傳聲器及揚(yáng)聲器具體布局方式

根據(jù)場地形狀、觀眾席舞臺區(qū)域大小，傳聲器、揚(yáng)聲器布局如圖9、圖10。

舞臺處的拾音傳聲器為心形指向性，心形傳聲器對直達(dá)能量的靈敏度要比全指向高出三倍，這樣在需要拾取同樣反饋能量的情況下，心形傳聲器可以增加約1.7倍的拾音距離，這樣既保證了環(huán)路增益（自揚(yáng)聲器的平均傳聲器輸出/自聲源的平均傳聲器輸出），又可最大程度地保證舞臺美觀。傳聲器布置在舞臺最前方和中部的位置，共4支，這樣可以拾取到舞臺上任意位置的聲源，從而進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行處理。

舞臺區(qū)域共有20只ECS-440和3只ECS-LCF-599全頻揚(yáng)聲器完全覆蓋舞臺表演區(qū)域，保證舞臺區(qū)與觀眾席有一樣的聲學(xué)環(huán)境，增強(qiáng)表演者的臨場感。

由于頂部高約11m，所以，共布置了9只ECS-LCF-599，既滿足能量的要求，又可均勻地覆蓋觀眾。除此之外，頂部還布置了6只ECS-LSB-S30超低頻揚(yáng)聲器，來增強(qiáng)打擊樂、低音提琴等樂器的低頻部分，從而改變觀眾席自頂部的聲學(xué)因素和聲場環(huán)境。

小劇場兩側(cè)各安裝8只ECS-440側(cè)面揚(yáng)聲器，分為上下兩層，模擬來自左右兩側(cè)的不同早期反射聲、混響聲等。后墻共安裝8只ECS-440，亦分為兩層，每層4只。覆蓋整個觀眾區(qū)域，增強(qiáng)廳堂整體的混響包圍感。

3.3系統(tǒng)調(diào)試及最終效果

E-Coustic系統(tǒng)與擴(kuò)聲系統(tǒng)一樣，調(diào)試的第一步便是把揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)曲線調(diào)平直，從單只到單組再到全場，對房間的固有聲學(xué)問題進(jìn)行一定的修復(fù)。然后，以舞臺中間為基點，測量各處揚(yáng)聲器和基準(zhǔn)點之間的距離，方便計算延時。之后就可以播放測試信號，用舞臺上的傳聲器調(diào)節(jié)每只揚(yáng)聲器的延時量及其他聲學(xué)參數(shù)，這一步是完全根據(jù)數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)的。對于聽感上的細(xì)節(jié)調(diào)試，比如哪個頻段增加多大的早期反射聲量，則需要結(jié)合測試數(shù)據(jù)和人耳主觀聽感進(jìn)行調(diào)整，所以說E-coustic系統(tǒng)對調(diào)試人員的要求很高。在該項目調(diào)試中，聲源除選取電聲回放的人聲和音樂外，還請來上海交響樂團(tuán)的四重奏，來模擬正式演出場景（見圖11）。這樣的聲源是多聲道的、有空間感的，所做出的模式預(yù)設(shè)更加準(zhǔn)確。

E-coustic系統(tǒng)都可根據(jù)該廳堂的使用情況做不同的預(yù)設(shè)，并且其控制面板也可定制與項目配套的背景（如圖12）。根據(jù)慈溪大劇院多用途小劇場可能使用的場景，對其做了6種預(yù)設(shè)，以便場地使用。其中，Nice room模式，對ECS揚(yáng)聲器進(jìn)行早期反射聲的增強(qiáng)，只加入少量的混響聲能，使得廳堂在此模式下，擁有更高的語言清晰度和聲場均勻度，適合會議、講座等場合使用?；祉憰r間的模式包括1.3s、1.5s、3.8s等，可根據(jù)多用途小劇場不同的使用場景來進(jìn)行選擇。

每一種混響時間都可調(diào)節(jié)其混響聲能量并營造不同的聲場環(huán)境，來匹配更多的表演形式，為聽眾帶來舒適的視聽體驗。