從建筑聲學(xué)的角度分析電聲可變混響技術(shù)
——以E-Coustic電聲優(yōu)化系統(tǒng)為例

楊志剛

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

現(xiàn)代廳堂一般都有多功能要求（簡稱多用途廳堂），如既要滿足會議、話劇等語言清晰度較高的要求，也要滿足交響樂、室內(nèi)樂、合唱、獨奏等音樂豐滿度較高的要求，同時還要滿足戲劇、歌劇、歌舞劇等兼顧語言清晰度和音樂豐滿度的要求。為了達到最佳的音質(zhì)效果，不同的功能需要不同的聲學(xué)條件。其中，混響時間是評價音質(zhì)優(yōu)劣的重要指標。因此，通常把調(diào)整和優(yōu)化聲學(xué)條件的技術(shù)稱為可變混響技術(shù)。

可變混響技術(shù)分為建聲可變混響技術(shù)和電聲可變混響技術(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)，包括傳聲器、信號處理單元、功放和揚聲器等系統(tǒng)，利用信號處理技術(shù)調(diào)整接收點的反射聲序列（包括能量大小和延時），從而達到改變廳堂音質(zhì)效果的目的。

電聲可變混響技術(shù)的優(yōu)點是對音質(zhì)產(chǎn)生更加顯著的調(diào)節(jié)作用；通過設(shè)置多種預(yù)置模式，可實現(xiàn)廳堂音質(zhì)的“即時切換”，使舞臺表演更加豐富靈活；無需占用額外的空間，節(jié)省建設(shè)成本。缺點是只能增加而無法減少混響時間；若系統(tǒng)調(diào)節(jié)不當，易帶來聲染色和“電聲味”，破壞聲音的真實、自然聽感。

1 電聲可變混響技術(shù)的發(fā)展簡介

1953年，荷蘭飛利浦公司研發(fā)的AS（Ambiophony System）系統(tǒng)是最早的電聲主動控制可變混響系統(tǒng)。1964年，倫敦皇家節(jié)日音樂廳采用的AR（Assisted Resonance）系統(tǒng)是電聲可變混響技術(shù)最早應(yīng)用成功的案例之一，解決了該音樂廳中低頻混響時間不足的問題。之后相繼涌現(xiàn)出十余種算法不同的電聲可變混響系統(tǒng)（表1），其中大部分系統(tǒng)至今仍在實踐中不斷發(fā)展與進步。

電聲可變混響系統(tǒng)在國內(nèi)推廣和應(yīng)用比較多的是E-Coustic、VIVACE和Constellation。國內(nèi)在電聲可變混響技術(shù)方面的成果之一是可變聲學(xué)環(huán)境系統(tǒng)REAS（Room Electrical Acoustics System）。

2017年，筆者在易科國際深圳總部多功能廳進行培訓(xùn)學(xué)習(xí)時，對多功能廳的E-Coustic Systems聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)印象比較深刻，混響調(diào)節(jié)效果感覺顯著。E-Coustic Systems技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)百個空間，是世界上使用最廣泛的聲學(xué)增強系統(tǒng)之一。E-Coustic Systems采用專利信號處理技術(shù)，克服了將傳聲器和揚聲器一起使用的基本物理問題——聲反饋。經(jīng)過溝通，筆者于2018年5月24日，專程到易科國際深圳總部的多功能廳進行建筑聲學(xué)參量的測量，希望能從建筑聲學(xué)的角度發(fā)現(xiàn)E-Coustic Systems聽感比較好的原因。

表1 國外不同公司的電聲可變混響技術(shù)

圖1 多功能廳平面圖

圖2 多功能廳剖面圖

圖3 多功能廳室內(nèi)圖1

圖4 多功能廳室內(nèi)圖2

2 多功能廳的建筑概況

易科國際深圳總部的多功能廳平均長、寬、高分別為17 m、11.6 m、4.8 m，面積約180 m2，體積約864 m3。共設(shè)100個座位，地面鋪地毯，墻面布置寬頻帶的吸聲材料。多功能廳的平面圖、剖面圖見圖1、圖2，室內(nèi)圖見圖3、圖4。

3 多功能廳聲學(xué)參量測試結(jié)果及分析

測試的軟件和主要設(shè)備為丹麥B＆K7841——DIRAC Room Acoustics Software建聲測試分析軟件、B＆K4292無指向球面聲源、B＆K2734測試功率放大器、B＆K1704-A-002信號放大器、B＆K4101A頭戴式雙耳傳聲器、列支敦士登NTI傳聲器M2230、德國SENNHEISER MKH800無線測試傳聲器（用于測側(cè)向反射因子LF）、SENNHEISER SKP500無線發(fā)射系統(tǒng)、SENNHEISER EW500無線接收系統(tǒng)等。

多功能廳本身的混響時間控制得比較短，僅約0.39 s，且混響特性比較平直。因此，多功能廳顯然進行了專門的建筑聲學(xué)設(shè)計和計算，在墻面和頂面合理地配置吸聲材料或構(gòu)造，為電聲可變混響技術(shù)的應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)條件。以下分別從豐滿度與清晰度、響度和空間感等方面進行分析。

3.1 豐滿度與清晰度

從E-Coustic系統(tǒng)未開啟和開啟后的測試數(shù)據(jù)（表2）可以看出：

（1）混響時間T30得到明顯提升。

（2）早期衰變時間EDT變化比較小，平均僅增加約0.1 s；音樂明晰度C80平均下降約3 dB；語言清晰度僅下降約0.04 dB，幾乎沒什么變化。

從E-Coustic系統(tǒng)開啟后的不同使用模式的測試數(shù)據(jù)（表2）可以看出：

（1）混響時間T30隨設(shè)置的模式有明顯的變化。

表2 不同使用狀態(tài)下部分聲學(xué)參量的中頻500 Hz數(shù)據(jù)匯總表

（2）早期衰變時間EDT、音樂明晰度C80和語言清晰度變化都比較小。

說明E-Coustic系統(tǒng)開啟后的不同使用模式混響時間的延長，主要是通過調(diào)節(jié)后期反射聲能實現(xiàn)的，早期衰變時間EDT基本沒有變化?？梢钥闯?，該系統(tǒng)的設(shè)計者把語言清晰度放在很重要的位置，即使混響時間明顯提升，良好的語言清晰度也基本保持不變。T30、EDT和C80、D50不同使用狀態(tài)下的頻率特性曲線見圖5～圖8。

3.2 響度

從測試數(shù)據(jù)中的響度值G（見表2和圖9）可以看出，開啟E-Coustic系統(tǒng)后，G值相對會議模式增加0.2 dB，相對其他模式增加約0.4 dB?？偟膩碚f，響度增加比較小，基本上感覺不到墻面或頂面上的某個揚聲器發(fā)出的聲能。每一個揚聲器單獨的輸出信號十分微弱，人耳基本聽不到單個揚聲器的響度。但是，來自房間不同方向、多個揚聲器微弱聲能的疊加，使聽者感受到音量還是增大了。

3.3 空間感

從測試數(shù)據(jù)（表3和圖11～圖12）可以看出，開啟E-Coustic系統(tǒng)后，雙耳聽覺互相關(guān)系數(shù)IACC和側(cè)向反射因子LF基本沒有變化。

圖5 不同使用狀態(tài)下T30頻率特性曲線

圖6 不同使用狀態(tài)下EDT頻率特性曲線

圖7 不同使用狀態(tài)下C80頻率特性曲線

圖8 不同使用狀態(tài)下D50頻率特性曲線

圖9 不同使用狀態(tài)下G頻率特性曲線

圖10 不同混響狀態(tài)下IACC頻率特性曲線

圖11 不同混響狀態(tài)下LF頻率特性曲線圖

表3 不同使用狀態(tài)下中頻500 Hz的IACC和LF匯總表

表4 視在聲源寬度ASW和環(huán)繞感LEV匯總表

表5 采用耦合空間交響樂廳音質(zhì)參量的實測數(shù)據(jù)變化[1]

圖12 中間位置測點的聲能衰變曲線圖

圖13 采用耦合空間的巴黎愛樂音樂廳

空間感包括早期聲引致的視在聲源寬度ASW和后期混響聲引致的環(huán)繞感LEV。ASW通常用雙耳互相關(guān)系數(shù)來評價，LEV用來評價。從表4可以看出，ASW基本沒有變化，LEV確實得到增強。但從數(shù)據(jù)看也不是混響時間越長，LEV就越大，沒有明顯的規(guī)律性。

3.4 親切感

開啟E-Coustic系統(tǒng)后，ITDG都是9 ms，沒有變化。

4 測試數(shù)據(jù)簡要分析

在常規(guī)的廳堂中，混響時間變長，清晰度或明晰度會降低。從E-Coustic系統(tǒng)開啟后的不同使用模式的測試數(shù)據(jù)可以看出，雖然混響時間T30明顯增大，但是清晰度或明晰度卻沒有明顯降低，基本沒有變化。從中間位置測點的聲能衰變曲線圖（圖12）可以看出，呈現(xiàn)出雙折線（混響時間越長，雙折線越明顯），這是采用耦合空間廳堂的典型特征。從表5也可以看出，設(shè)有耦合空間的英國伯明翰交響樂廳和美國梅耶森交響樂廳，中頻混響時間T30明顯增大，早期衰變時間EDT變化很小，明晰度C80不降反升。2015年建成的巴黎愛樂音樂廳也采用了耦合空間（圖13），同時具備高清晰度和長混響時間的豐滿度。

可以看出，E-Coustic系統(tǒng)建立的模型明顯借鑒了采用耦合空間廳堂的雙折線特征。E-Coustic系統(tǒng)開啟后的不同使用模式混響時間的延長，主要是通過調(diào)節(jié)后期反射聲能來實現(xiàn)的，早期衰變時間EDT基本沒有變化。聲能衰變曲線呈典型的“雙折線”（拐點約出現(xiàn)在-20 dB處），即早期衰減比較快，保證高清晰度；后期衰減比較慢，保證長混響時間。

圖14 E-Coustic Systems采用的揚聲器

5 多功能廳成功的關(guān)鍵

（1）設(shè)計了一個良好的建聲環(huán)境——混響時間短，且頻率特性非常平直的空間。只有空間初始條件相對“沉寂”，才能對后面建立相對“活躍”的虛擬空間提供足夠的裕量，畢竟電聲可變混響技術(shù)只能延長混響時間而不能縮短。

（2）聲音聽起來比較“自然”，沒有明顯的“電聲味”。揚聲器的特性要求應(yīng)該是參照了世界三大頂級音樂廳（維也納金色大廳、阿姆斯特丹音樂廳、波士頓交響樂廳）的高擴散性，即覆蓋角度比較大且能量比較小。三大頂級音樂廳之所以音質(zhì)效果非常好，與它們的高擴散性（頂部的藻井格、墻面的雕塑等）引致的聲場均勻有很大關(guān)系。

如圖14所示，E-Coustic Systems采用的LSH-100是全頻高輸出同軸揚聲器，可以提供寬廣的110°覆蓋。LIN-250標稱覆蓋角度為-6 dB 120°水平/-6 dB 120°垂直。LCF-599和LCF-499頻率覆蓋（水平×垂直）：500 Hz 115°錐形、1 kHz 100°錐形、2 kHz 135°錐形、4 kHz 110°錐形、8 kHz 135°錐形。E-Coustic Systems采用的揚聲器的覆蓋角度都很大，最小的頻率覆蓋角度也大于100°，如同擴散體的寬角度擴散。由于聲能經(jīng)過擴散體擴散后能量均勻分散、比較小，因此，要求任意一個揚聲器單獨的輸出信號十分微弱，一般不在人耳的聲壓可聽閾范圍內(nèi)，這也就是響度G設(shè)置增加比較小的緣故。但多個揚聲器輸出信號的疊加效果，使得來自空間不同方向的反射聲能大小和延時發(fā)生明顯改變，從而達到改變廳堂音質(zhì)效果的目的。

（3）沒有“聲反饋”和“聲染色”等聲缺陷。E-Coustic Systems采用專利信號處理技術(shù)，克服了將傳聲器和揚聲器一起使用的基本物理問題——聲反饋。這種專利信號處理技術(shù)就是能量的衰變，即早期聲能增加比較少、后期（約200 ms以后）聲能才逐漸增加。聲能通過延時錯位，從而有效地避免聲反饋。

高頻2 000 Hz以上混響時間超過2 s，人耳就能感覺到聲音非常嘹亮，感覺有明顯“金屬音”。相對于自然聲，通過揚聲器出來的聲能，“金屬音”的感覺更加嚴重。因此，為了降低高頻的金屬音，混響時間必須要減小。從前文的圖5可以看出，頻率越高，混響時間越小，顯然系統(tǒng)對高頻混響時間有意做了一定削減。

愛沙尼亞的諾基亞音樂廳采用Constellation可變混響系統(tǒng)的測量結(jié)果（圖15）和E-Coustic Systems的T30高頻衰減特性相同。

圖15 采用Constellation可變混響系統(tǒng)的測量結(jié)果

6 改進建議

從圖5可以看出，只有低頻125 Hz混響時間與系統(tǒng)設(shè)置最接近，其他頻率混響時間都比設(shè)定值偏小。而通常所說的混響時間一般指中頻（500 Hz、1 000 Hz）混響，因此，建議取500 Hz和1 000 Hz混響時間的平均值作為設(shè)定值。

建議交響樂演出狀態(tài)，在臺口兩側(cè)設(shè)置兩組覆蓋全場的揚聲器，以提高視在聲源寬度ASW，其它演出狀態(tài)需關(guān)閉。