電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)及其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究（三）

魏增來(lái)，練嘉容

（中國(guó)傳媒大學(xué)，北京 100024）

（接第4期）

3.3 混合再生（Hybrid Regenerative）式系統(tǒng)

混合再生式系統(tǒng)顧名思義，是基于再生式系統(tǒng)和回路嵌入式系統(tǒng)的基本原理并相互結(jié)合而來(lái)的。相比較于純粹的再生式系統(tǒng)，它可以有效降低獨(dú)立回路的數(shù)量，增大部分通道的回路增益，提高性價(jià)比和安裝調(diào)試的便捷度；同時(shí)，區(qū)別于回路嵌入式系統(tǒng)，它又可以在一定程度上保持廳堂固有的聲學(xué)特征，而不是完全重新“合成再造”一個(gè)全新的聲學(xué)環(huán)境。這類混合再生系統(tǒng)既有傳聲器拾取舞臺(tái)直達(dá)聲，又有傳聲器在混響場(chǎng)拾取混響聲，分別經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)揚(yáng)聲器重放，從而使目標(biāo)聲場(chǎng)的聲學(xué)條件發(fā)生改變。其基本原理示意如圖20所示，通常的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)圖21。

圖20 混合再生系統(tǒng)基本原理示意圖

圖21 混合再生系統(tǒng)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)框圖

3.3.1 Active Field Control（AFC主動(dòng)聲場(chǎng)控制系統(tǒng)）

1987年，日本雅馬哈公司便開(kāi)始了AFC主動(dòng)聲場(chǎng)控制技術(shù)相關(guān)的研究和具體案例嘗試工作，并于2003年在美國(guó)推出了第一代集成方式的處理器AFC1，此后，經(jīng)過(guò)不斷迭代，目前已升級(jí)到第四代產(chǎn)品AFC4。

AFC的學(xué)術(shù)理念基于廳堂空間內(nèi)的聲能密度公式

其中，W是聲源功率，V是房間體積，α是平均吸收系數(shù)，T60為混響時(shí)間，Er為擴(kuò)散聲場(chǎng)的能量密度）。由式中可知，Er與T60成正相關(guān)性，即可以通過(guò)增加Er來(lái)擴(kuò)展T60。

AFC的系統(tǒng)構(gòu)成及基本工作原理如圖22所示，它主要由以下四個(gè)部分組成：

圖22 AFC系統(tǒng)構(gòu)成及基本工作原理示意圖

1）輸入部分，利用傳聲器拾取樂(lè)器或擴(kuò)散聲場(chǎng)信息；

2）反射合成部分，使用波動(dòng)濾波器（flu-FIR）修正聲學(xué)條件；

3）均衡部分，用于校正所選廳堂區(qū)域的聲學(xué)頻率特性；

4）功率放大及輸出部分，用于將處理完畢的信號(hào)饋送至揚(yáng)聲器并重放。

AFC首先基于再生式系統(tǒng)概念，主動(dòng)利用系統(tǒng)的聲學(xué)反饋來(lái)增加擴(kuò)散聲場(chǎng)的能量密度，從而在保持房間原始聲學(xué)特性和自然聽(tīng)感的同時(shí)，控制調(diào)整混響時(shí)間。同時(shí)，它又通過(guò)在反饋回路上嵌入波動(dòng)FIR濾波器，實(shí)現(xiàn)更大的控制能力。波動(dòng)FIR濾波處理的工作原理具體如圖23-A所示，增加每個(gè)抽頭的能量，即相當(dāng)于降低了此前聲能計(jì)算公式中的平均吸聲系數(shù)α，而圖23-B中對(duì)抽頭間隙進(jìn)行擴(kuò)展，則相當(dāng)于增大了廳堂體積V。

圖23 fluc-FIR濾波器的工作原理示意圖

為保證足夠的回路增益，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，AFC采用了兩種TVC（Time Varying Control，時(shí)變控制）技術(shù)：EMR（Electric Microphone Rotator傳聲器電子旋轉(zhuǎn)器，圖24）和fluc-FIR（波動(dòng)FIR濾波器，圖25），分別應(yīng)用于系統(tǒng)構(gòu)成的第一部分和第二部分中。其中具有專利技術(shù)的EMR可以針對(duì)某一揚(yáng)聲器通道，周期性地切換不同的傳聲器輸入，以降低揚(yáng)聲器與傳聲器之間長(zhǎng)時(shí)間的相關(guān)性，避免形成固定的正反饋回路，從而獲得較好的回授前增益。為了使聽(tīng)感自然，這個(gè)切換周期頻率通常設(shè)置在0.4 Hz～3.0 Hz之間。此外，每個(gè)傳聲器均使用VCA（壓控放大器）進(jìn)行電平控制，以保證系統(tǒng)輸入信號(hào)在傳聲器間切換時(shí)的平滑和自然。波動(dòng)FIR濾波器通過(guò)在時(shí)間軸上以不同的頻率調(diào)變和一定范圍的時(shí)間變化來(lái)周期性地移動(dòng)每個(gè)FIR抽頭，以平滑F(xiàn)IR濾波器的頻率響應(yīng)，并防止由普通FIR濾波器引起的染色問(wèn)題。其時(shí)間變化范圍決定于濾波器的抽頭間距，而調(diào)變頻率則依賴于如何保證自然的主觀聽(tīng)覺(jué)感受。

圖24 EMR原理概念示意圖

圖25 fluc-FIR濾波器原理概念示意圖

通過(guò)上述兩種時(shí)變控制技術(shù)，AFC系統(tǒng)可以大大減少嘯叫點(diǎn)并提高回路增益在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的平順度，其對(duì)回路增益的改善優(yōu)化效果如圖26所示。

圖26 AFC兩種時(shí)變技術(shù)對(duì)回路增益的優(yōu)化效果

AFC是再生式系統(tǒng)和回路嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合，因此，實(shí)際應(yīng)用中的典型系統(tǒng)如圖27所示。系統(tǒng)第一部分通過(guò)4支～8支遠(yuǎn)離舞臺(tái)的、布置于混響半徑之外天花上的傳聲器拾取聲源擴(kuò)散的聲音，然后經(jīng)EMR和fluc-FIR處理后通過(guò)揚(yáng)聲器重放，用以控制廳堂中的混響。原則上講，這些揚(yáng)聲器需要布局在主要聽(tīng)音區(qū)的臨界距離之外，包括從天花位置向下輻射或側(cè)墻位置向天花輻射，從而形成更好的擴(kuò)散聲場(chǎng)，這樣，廳堂內(nèi)無(wú)論從聲源還是受眾的位置都可以保證AFC系統(tǒng)的有效性。系統(tǒng)的第二部分則利用4支～8支傳聲器在靠近舞臺(tái)的天花上布置，拾取聲源直達(dá)聲，經(jīng)常規(guī)FIR濾波器處理后，通過(guò)安裝于側(cè)墻的揚(yáng)聲器重放，以增強(qiáng)側(cè)向反射聲，此部分揚(yáng)聲器需仔細(xì)考慮安裝位置，盡量避免在聽(tīng)眾區(qū)產(chǎn)生揚(yáng)聲器聽(tīng)感定位。同時(shí)，對(duì)于早期反射聲，不采用波動(dòng)濾波技術(shù)，以保持常規(guī)FIR濾波器處理所包含的反射聲有益信息。

圖27 實(shí)際應(yīng)用中典型AFC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 Variable Room Acoustic System（VRAS可變室內(nèi)聲學(xué)系統(tǒng)）/ Constellation

VRAS系統(tǒng)是由新西蘭聲學(xué)專家M.A.Poletti研發(fā)，美國(guó)LCS（Level Control Systems）公司生產(chǎn)的多聲道電子聲學(xué)可變系統(tǒng)，它在當(dāng)年結(jié)合了MCR系統(tǒng)與ACS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，并在二者基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。該系統(tǒng)于1993年推出，并于2005年被美國(guó)Meyer Sound公司收購(gòu)，更名為Constellation。

VRAS首先使用混合再生方式控制后期聲能量。布置于廳堂內(nèi)的全指向傳聲器所拾取的自然聲場(chǎng)信息分為兩路，一路直接輸出至揚(yáng)聲器，再生與本空間屬性密切相關(guān)的混響聲能，另一路經(jīng)由一個(gè)專門的、用于替換真實(shí)耦合空間的“數(shù)字電子混響器”處理耦合后再送至揚(yáng)聲器，即“合成”出想模擬的空間廳堂的特性。此外，鑒于上述傳聲器大范圍地布置在整個(gè)廳堂空間內(nèi)，它在控制舞臺(tái)上聲源的早期聲能方面存在著較大的局限，因此，VRAS又通過(guò)另一組回路嵌入式系統(tǒng)來(lái)對(duì)早期聲能進(jìn)行更好控制。它在靠近舞臺(tái)處布置一定數(shù)量的傳聲器，以使系統(tǒng)得到的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有聲源位置的總能量盡量接近，然后使用不包括混響聲能在內(nèi)的早期聲能（ER）發(fā)生器來(lái)處理這些信號(hào)，并按相應(yīng)的路由分配至不同的揚(yáng)聲器，為所有座位提供相對(duì)平均的早期聲能，其中側(cè)向揚(yáng)聲器也可以用來(lái)分配這些能量，以協(xié)助聲源定位并增強(qiáng)空間感。

該系統(tǒng)的數(shù)字聲頻信號(hào)處理器主要由輸入交叉耦合矩陣、多通道聲學(xué)處理器、反饋交叉耦合矩陣和輸出交叉耦合矩陣組成，能夠提供壓縮、限幅、均衡、延時(shí)、增益、阻尼濾波、梳狀濾波等多種參數(shù)調(diào)整功能，此外，還具備多通道三維聲像控制器以提供三維聲像下的聲音重放。

早期反射ER系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)早期聲能相關(guān)參量的較好控制，如側(cè)向聲能、明晰度等，但其表現(xiàn)依賴于聲源距離、傳聲器指向以及揚(yáng)聲器特性等眾多因素，因此，相較于再生式系統(tǒng)而言，使用常規(guī)分析所得到的系統(tǒng)特性的可驗(yàn)證性相對(duì)較低。Poletti（VRAS研發(fā)者）認(rèn)為，可以將控制早期聲能和后期聲能的這兩個(gè)系統(tǒng)綜合起來(lái)考慮，通過(guò)合并功率增益來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行觀察分析。

VRAS系統(tǒng)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，能量增益越大，早期衰變時(shí)間EDT的衰變斜率與混響時(shí)間RT的衰變斜率越接近，而能量增益幅度越小，則EDT相比較于RT來(lái)說(shuō)衰變?cè)娇?。如果以RMS電壓均方值表述，Poletti經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出系統(tǒng)的合并功率輸出，其中μE為每個(gè)早期反射通道的回路增益函數(shù)，μR為每個(gè)混響聲能通道的回路增益函數(shù)，NE和NR分別為兩類通道的數(shù)量，即為合并的回路增益G，M為傳聲器-揚(yáng)聲器回路總數(shù)。由這個(gè)公式可見(jiàn)，早期反射或后期混響這兩類系統(tǒng)混合發(fā)揮作用時(shí)，整個(gè)合并功率增益與相關(guān)的回路增益密切相關(guān)。其合并功率輸出分析示意如圖28所示。

圖28 VRAS系統(tǒng)合并功率輸出分析示意圖

由于系統(tǒng)的穩(wěn)定性受制于所有揚(yáng)聲器與所有傳聲器之間的合并反饋，所以，如果μE=μR，則整個(gè)合并功率增益的上限就來(lái)自于所有早期反射通道和后期混響通道的回路數(shù)之和NE+NR，而如果μE或μR等于0，則系統(tǒng)穩(wěn)定性就會(huì)分別降至由NE通道的早期反射系統(tǒng)或NR通道的后期混響系統(tǒng)決定，因此，在保持一元化恒定合并回路增益G的情況下，早期反射回路增益μE和混響回路增益μR可以彼此交互，以控制早期聲衰變?cè)鲆婧秃笃诨祉懺鲆嬷?，進(jìn)而影響早期聲衰變時(shí)間（EDT）和混響時(shí)間（RT）的比值，這是VRAS系統(tǒng)一個(gè)很重要的理論觀點(diǎn)。

此外，基于本文此前關(guān)于回路增益G的相關(guān)論述可知，即使平均回路增益小于1，鑒于房間聲場(chǎng)干涉疊加的復(fù)雜性，個(gè)別頻率的回路增益仍然可能超過(guò)1而產(chǎn)生自激，而且這種自激反饋無(wú)論再生式系統(tǒng)還是非再生的嵌入式系統(tǒng)都有可能發(fā)生，所以VRAS系統(tǒng)中，將這兩種處理器都進(jìn)行了一元化處理。所謂一元化，就是指如果一個(gè)信號(hào)處理設(shè)備的頻幅響應(yīng)統(tǒng)一不變的話，它可以被稱之為具有“全通”屬性，其在不同頻率上的功率增益恒定。由這樣的處理設(shè)備組合起來(lái)的多通道系統(tǒng)也因此具有不同頻率上的功率增益恒定性，這時(shí)，此類系統(tǒng)就可以稱之為一元化系統(tǒng)，相比較于不含此類一元化處理器的多通道系統(tǒng)，它更好地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而VRAS系統(tǒng)所采用的多通道混響器因?yàn)橄嚓P(guān)專利算法即具備這種一元化屬性，其功率增益隨頻率的變化是平坦的，因此，與MCR系統(tǒng)相比，VRAS系統(tǒng)所要求的聲道數(shù)目要少得多，性價(jià)比更高。

VRAS系統(tǒng)的處理器采用了延時(shí)反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其中包括可以控制混響時(shí)間與頻率關(guān)系的兩極阻尼濾波器。它可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)與頻率相關(guān)的恒定的系統(tǒng)合成混響時(shí)間與廳堂自然混響時(shí)間之比，以在不同頻率上均獲得穩(wěn)定的合并功率增益，或用來(lái)調(diào)整或優(yōu)化處理器再生能量中與廳堂本身聲場(chǎng)相左的頻率，總之，確保系統(tǒng)的一元化性質(zhì)。此外，如果需要的話，其中一級(jí)阻尼濾波器還可以用做高通濾波器，以控制混響低頻。

美國(guó)Meyer Sound公司于2005年收購(gòu)了LCS Audio公司，此后進(jìn)一步改進(jìn)了VRAS系統(tǒng)并更名為“Constellation”，它采用Meyer sound D-Mitri處理器為系統(tǒng)處理核心，處理路由能力進(jìn)一步加大，且人機(jī)交互界面得到了加強(qiáng)?？煽刂普{(diào)整均衡、延時(shí)、矩陣、混響設(shè)置、初始反射設(shè)置等參數(shù)，且容許分別更改早期反射和晚期混響的混合強(qiáng)度，同時(shí)能夠方便用戶根據(jù)不同需要提前調(diào)好預(yù)設(shè)，并使用CueStation軟件進(jìn)行控制，其專利的一元化混響處理技術(shù)在一定程度上消除了所有頻率上的不必要的染色，此外還具有沉浸聲處理引擎以及多聲道重放模塊，可以將聲學(xué)環(huán)境調(diào)整與虛擬沉浸聲有效地進(jìn)行結(jié)合，該系統(tǒng)和Vivace系統(tǒng)一起對(duì)包含廳堂聲學(xué)環(huán)境重構(gòu)與聲音元素重構(gòu)在內(nèi)的整個(gè)聲音情景電聲化再現(xiàn)進(jìn)行了有益的探索。

3.3.3 VIVACE Ⅱ型系統(tǒng)

在第一代VIVACE系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，德國(guó)MBBM及StageTec于2015年又推出了屬于混合再生方式的VIVACE II型系統(tǒng)。它結(jié)合了再生系統(tǒng)和非再生系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)與第一代系統(tǒng)相比，改進(jìn)了專利的卷積算法，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)增益，并把舞臺(tái)和觀眾廳作為一體，不需要對(duì)舞臺(tái)上的不同演出位置和不同演出類型做單獨(dú)調(diào)整。此外，它還擴(kuò)展了DSP處理能力，輸入輸出通道也得以提升，最高可支持192個(gè)輸入通道、192個(gè)輸出通道。相比較于第一代產(chǎn)品，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，產(chǎn)生的聲場(chǎng)也更自然，聲染色更小。

VIVACE II在多傳聲器/揚(yáng)聲器再生回路中結(jié)合了主動(dòng)的聲音處理及卷積技術(shù)，由系統(tǒng)處理器再生出來(lái)的輔助聲能來(lái)源于廳堂內(nèi)的所有傳聲器，包括首要的舞臺(tái)傳聲器以及廳堂內(nèi)均勻分布的其他傳聲器，所有傳聲器在進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間對(duì)齊后平均計(jì)權(quán)。同時(shí)系統(tǒng)揚(yáng)聲器重放的再生能量也會(huì)被其附近的傳聲器再次拾取并饋送回信號(hào)處理鏈路，從而確保系統(tǒng)可以有效捕獲廳堂本身的自然聲學(xué)傳輸特征，而且廳堂的每一個(gè)區(qū)域都會(huì)被完全且同等地納入整個(gè)信號(hào)再生和分配環(huán)節(jié)，避免了舞臺(tái)區(qū)域和觀眾席區(qū)域聲學(xué)條件分離的現(xiàn)象。VIVACE II的基本工作原理如圖29所示。

圖29 VIVACE II系統(tǒng)基本工作原理示意圖

VIVACE II的信號(hào)處理器可以提供最大192路輸入及192路輸出的交叉節(jié)點(diǎn)矩陣，每個(gè)通道均可進(jìn)行電平、壓縮、延時(shí)以及參量均衡調(diào)整，并通過(guò)兩組并行的信號(hào)路徑結(jié)構(gòu)滿足幾乎所有的電聲處理流程需要，其信號(hào)處理流程可見(jiàn)圖30。

圖30 VIVACE II系統(tǒng)信號(hào)處理流程示意圖

圖30 中上半部分為四個(gè)雙通道組成的聲學(xué)合成卷積處理模組，它們可以按需要接收并處理任意期望饋送至此的傳聲器信號(hào)，然后各自卷積合成四個(gè)聲學(xué)空間并輸出。而圖30中的下半部分則為再生卷積處理模組，包括最大32個(gè)卷積處理層和最大16個(gè)早期反射卷積處理層，所有處理層均采用具有VIVACE專利的卷積算法，用于卷積的脈沖響應(yīng)可以在基于真實(shí)廳堂的脈沖響應(yīng)和中性的脈沖響應(yīng)間自由選擇，其中，后者主要用于增強(qiáng)該廳堂本身的聲學(xué)特征，而不引入人工或其他不當(dāng)?shù)穆晫W(xué)屬性。這種多層的處理結(jié)構(gòu)使得VIVACE主機(jī)可以對(duì)其總的處理資源進(jìn)行分配，從而同步實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立廳堂的聲學(xué)環(huán)境調(diào)整或一部分用于建立廳堂本身的聲學(xué)空間，而另一部分用于建立舞臺(tái)反聲罩系統(tǒng)。

同前一代產(chǎn)品一樣，除常規(guī)指標(biāo)外，VIVACE II系統(tǒng)對(duì)于其重放揚(yáng)聲器沒(méi)有什么特殊的要求，但最好選用具有較好低頻響應(yīng)的同軸產(chǎn)品作為主天花揚(yáng)聲器，而側(cè)向早期反射聲能則建議采用高質(zhì)量寬頻聲柱。

除VIVACE II型系統(tǒng)外，基于同樣的原理，MBBM及StageTec還提供了一套小型化、簡(jiǎn)易化的VICELLO系統(tǒng)，主要應(yīng)用于教室、會(huì)議廳等較小體量的場(chǎng)所，以更為經(jīng)濟(jì)的投入來(lái)滿足此類廳堂改善、調(diào)整聲學(xué)環(huán)境的需求。

綜上所述，混合再生系統(tǒng)結(jié)合了再生式和回路嵌入式系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，相當(dāng)于在物理形式上，既可以為廳堂提供不同反射擴(kuò)散屬性的變化，又可以提供另外一個(gè)獨(dú)立的耦合空間，從而能夠根據(jù)廳堂實(shí)際情況予以選擇搭配使用。這樣既在一定程度上保持了廳堂的固有聲學(xué)特征，又提供了全新創(chuàng)造的可能，但問(wèn)題也隨之而來(lái)，即需要保證固有聲學(xué)特征與新合成廳堂特征的自然融合。同時(shí)，如果廳堂固有聲學(xué)特征信息不足（即廳堂過(guò)干），那么這種自然屬性的保持也會(huì)很難實(shí)現(xiàn)。