电子声学优化系统在慈溪大剧院多用途小剧场的应用
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作者:汪道澜
[摘要]从多用途厅堂使用所遇到的声学环境问题出发，简述电子声学优化系统的使用原因、使用场景、基本原理及系统特点，以及运用在慈溪大剧院多用途小剧场中的系统链路、扬声器及传声器的布局及调试。
[关键词]多用途剧场;声学优化系统;时变混响;混响时问
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.09.003
1项目概述
慈溪大剧院是慈溪至今单体投资最大的文化公共建筑设施，需满足国内外歌舞剧、戏曲、话剧、音乐会等多种表演形式使用要求;并在观演的舒适性与视听效果上达到国内同级、同类文化设施的先进水平。
其中，多用途小剧场需要满足演出和各類发布会、客户答谢会、开业庆典、大会等会议、活动的使用要求。因此，小剧场采用移动座椅和升降舞台来改变舞台与观众席间的空间关系，满足多种舞台空间应用需求。顶面采用全开放式形式，排布了用于吊挂各种扬声器、灯光设备的桁架（见图1），墙面采用面块板作纵横经纬的分割，内衬吸声棉，在活跃空间气氛的同时，营造出一个亲切、沉浸、灵活多变的表演空间。针对场地使用情况的多变，在不破坏原有建筑结构的同时，在厅堂内安装了一套电子声学优化系统（Enhancement Acoustic System，以下简称：“E-coustic系统”），来满足小剧场的“多功能”声学需求。
2电子声学优化系统
电子声学优化系统是通过电子声学组件来调节所感知的声学环境，从而根据表演类型对固有建筑声场进行创建、调节或优化，以满足不同表演类型对声学环境的需求，保证良好的音质效果。它不同于扩声系统，作用各不相同。
2.1电子声学优化系统的作用
传统剧场、音乐厅的声学特性往往是固有不变的，是由它的建筑结构、墙面材料所决定的。这类声学特性通常只针对某种演出形式，甚至某一个乐队、某一位作曲家的作品，以使音乐风格有最佳的听感。例如大家熟知的维也纳金色大厅，无论是精细计算后的分割包厢，还是墙面女神柱的排列都是为交响乐而设计的，对于演讲等语言类表演来说就不合适。无论是古典主义艺术，还是浪漫主义艺术，每个时期都有着各自独特、并相互匹配的建筑和音乐风格。音乐家的创作也考虑表演场所，例如音乐从原始的单音发展到复音，就有很大一部分原因是由于演出场所的改变，贵族家庭也有了欣赏室内乐的需求，表演不只在教堂进行。
随着时代的发展，现代的演艺厅堂往往要满足多种用途，如现代交响乐、歌剧、舞剧、话剧、戏曲，有的甚至还要用于会议、电影放映，但不同表演或节目源通常有着相互冲突的声学环境要求。混响时间和混响能量（Reverb Level）是不同厅堂音质评价的重要指标，图2是不同用途的厅堂所适合的混响时间。混响时间是指当室内声场达到稳态，声源停止发声后，声压级降低60dB所需的时间，记作T60或RT（Reverberation Time）。混响时间长，混响能量大则声音饱满、浑厚，具有混响感，但语言清晰度减弱。所以，可以通过改变混响时间来满足厅堂不同的使用情况。
那么，需要解决的问题就是如何实现混响时间的改变。目前，改变混响时间的方式有两种。
一种是通过建声手段。根据赛宾公式：T60=O.161V/A=0.161V（as）（V）为混响体积，A为吸声量，a为吸声系数，s为样件面积）可知，对其中的任意变量进行改变，都可改变混响时间。剧场中，时常通过改变室内的体积或改变墙壁、天花板等部位的吸声材料与结构改变室内总吸声量，从而达到调整混响时间的目的。采用建声方式，听感更加自然。但是这种方式通常造价极高，且可调混响时间的范围很小，设想在其他条件都不变的情况下，体积增大一倍，混响时间才能增大一倍，所以一般观众厅要改变0.5s的混响时间需要付出很大努力，并且这种方式的安全性和使用便捷性也是需要考虑的问题。
第二种改变混响时间的方式便是通过电声方式。即采用电声设备，通过电声声场控制技术来控制室内的混响时间和其他声学特性。它不仅实现了混响时间可变，而且还可以对室内声场进行“修正或优化”，如增加早期反射声、声扩散，调整反射声和混响能量的最佳比例，以及对混响时间频率特性进行调整等。这种方式相对建声方式不仅使用起来更加方便，在造价方面也可节省不少。国际上已有不少电子声学优化系统，各家的系统结构都不同。笔者着重对E coustic系统进行介绍。
2.2E-coustic系统原理及特点
E-coustic系统以“通过时变人工混响改进室内声学”为理论基础，采用“独立时变混响器”，并结合神经科学和声学领域的研究成果（声音品质与人类感知的相互关系）推导出的新的声学算法，精确模拟出“房间”的关键声学参数。
E-Coustlc系统在房间内接近声源的位置布置少量传声器，实时拾取声源，并对其进行时变多通道混响的处理，据此调整场地声学参数，并通过整个系统在场地的侧墙、后墙、顶部均布置一定数量的扬声器，实现所需要的混响效果。可以对每只扬声器的延时、直达能量、早期能量和后期能量进行单独的控制，所以每一个扬声器的处理方式都是按照声源的自然传播来选择的。但是这种通过反向采样来进行延时调整的方式，都会存在一个问题，即数字系统中时间延时改变带来的相应音高变化。E-coustic系统的特殊算法可以把这种变调最小化，并且优化能量时间曲线，使扬声器间达到最佳的耦合和最小的离散回声。
这样的系统最大的问题在于解决声反馈，提高传声增益，传声器因拾取到扬声器的声音，形成正反馈，而产生回授环路。E-coustic系统的传声器就在扬声器旁，也不会发生啸叫，它是如何解决这一问题的呢？该系统的每支传声器在拾取到音源后，都会被4个独立的虚拟声学处理器进行处理（如图3），这种时变混响的方式可以拓宽房间传递函数的共振峰，为系统直接增加至少6dB的稳定性。 E-coustic系统的规模没有限制，迄今为止最小系统安装在6m×8m的排练室里;最大的系统有700多个输出通道。
3慈溪大剧院多用途小剧场的E-CoilStic系统方案
慈溪大剧院的多功能小剧场为标准的鞋盒式，无眺台和二层楼座。宽×深×高约为20.5m×30.1m×15.4m。平面、剖面图见图4和图5。
3.1信号链路
声源被舞台上方的传声器拾取后进入话放，话放将模拟信号转换为MADI数字信号发送给矩阵处理器（EcsMatrix Processor），矩阵将信号分配到E-coustic系统的核心——声学处理主机（ECS Mainframe III）。1支传声器的声源被4个虚拟声学处理器处理，按照所预设的厅堂混响来调节所拾取声源的直达声、反射声及混响声音能量的比例。经过主机处理后的数字信号再返回到ECSMatrix处理器，矩阵处理器具有512个输入/输出通道，它不仅仅只是对声学优化系统进行通道的配置，还可以对输入、交点和输出上的信号进行增益、延时和七段参数均衡调节。处理完后的MADI信号再通过AO-32进行DA转换器，分配给相应的功率放大器和扬声器。信号链路如图6所示。
除了声学优化系统外，因为ECS Matrix内部强大的处理能力，可处理超过8000个通道，所以E-coustic系统还可供电影环绕声以及复杂的声像移动场景的效果声使用，无需再额外配备扬声器。最终系统的整体控制通过Crestron的中控系统来实现，系统开关、模式选择、混响能量调节都可通过控制面板一键操作。
3.2系统传声器及扬声器的布局
3.2.1扬声器布局原则
E-coustic系统的扬声器是以一种交叉间隔方式铺设布置，任何两个相邻的扬声器的输入都来自不同输出。这样可以保证扬声器之间没有相干声的干涉，可显著增加系统的扩散，减少声染色。若以这种方式布局，最少需要4路输出通道，所以，这也是用于这类安装方式的最小通道数。E-coustic系统的音箱与日常使用的点声源不同，它的指向角度每一个频段都是以锥形覆盖，且在500Hz～8000Hz范围内覆盖角度变化很小。常规扬声器指向角度却会随着频率的变化而产生很大变化，如图7、图8。
3.2.2传声器及扬声器具体布局方式
根据场地形状、观众席舞台区域大小，传声器、扬声器布局如图9、图10。
舞台处的拾音传声器为心形指向性，心形传声器对直达能量的灵敏度要比全指向高出三倍，这样在需要拾取同样反馈能量的情况下，心形传声器可以增加约1.7倍的拾音距离，这样既保证了环路增益（自扬声器的平均传声器输出/自声源的平均传声器输出），又可最大程度地保证舞台美观。传声器布置在舞台最前方和中部的位置，共4支，这样可以拾取到舞台上任意位置的声源，从而进入系统进行处理。
舞台区域共有20只ECS-440和3只ECS-LCF-599全频扬声器完全覆盖舞台表演区域，保证舞台区与观众席有一样的声学环境，增强表演者的临场感。
由于顶部高约11m，所以，共布置了9只ECS-LCF-599，既满足能量的要求，又可均匀地覆盖观众。除此之外，顶部还布置了6只ECS-LSB-S30超低频扬声器，来增强打击乐、低音提琴等乐器的低频部分，从而改变观众席自顶部的声学因素和声场环境。
小剧场两侧各安装8只ECS-440侧面扬声器，分为上下两层，模拟来自左右两侧的不同早期反射声、混响声等。后墙共安装8只ECS-440，亦分为两层，每层4只。覆盖整个观众区域，增强厅堂整体的混响包围感。
3.3系统调试及最终效果
E-Coustic系统与扩声系统一样，调试的第一步便是把扬声器的频率响应曲线调平直，从单只到单组再到全场，对房间的固有声学问题进行一定的修复。然后，以舞台中间为基点，测量各处扬声器和基准点之间的距离，方便计算延时。之后就可以播放测试信号，用舞台上的传声器调节每只扬声器的延时量及其他声学参数，这一步是完全根据数据来调节的。对于听感上的细节调试，比如哪个频段增加多大的早期反射声量，则需要结合测试数据和人耳主观听感进行调整，所以说E-coustic系统对调试人员的要求很高。在该项目调试中，声源除选取电声回放的人声和音乐外，还请来上海交响乐团的四重奏，来模拟正式演出场景（见图11）。这样的声源是多声道的、有空间感的，所做出的模式预设更加准确。
E-coustic系统都可根据该厅堂的使用情况做不同的预设，并且其控制面板也可定制与项目配套的背景（如图12）。根据慈溪大剧院多用途小剧场可能使用的场景，对其做了6种预设，以便场地使用。其中，Nice room模式，对ECS扬声器进行早期反射声的增强，只加入少量的混响声能，使得厅堂在此模式下，拥有更高的语言清晰度和声场均匀度，适合会议、讲座等场合使用。混响时间的模式包括1.3s、1.5s、3.8s等，可根据多用途小剧场不同的使用場景来进行选择。
每一种混响时间都可调节其混响声能量并营造不同的声场环境，来匹配更多的表演形式，为听众带来舒适的视听体验。
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