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楊志剛:從建筑聲學的角度分析電聲可變混響技術
更新時間:2020-2-17 11:07:22 編輯:溫情 文章來源:楊志剛 調整文字大小:【

現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效果,不同的功能需要不同的聲學條件。其中,混響時間是評價音質優劣的重要指標。因此,通常把調整和優化聲學條件的技術稱為可變混響技術。

可變混響技術分為建聲可變混響技術和電聲可變混響技術。電聲可變混響技術是通過合理布置包含特定算法的電聲系統,包括傳聲器、信號處理單元、功放和揚聲器等系統,利用信號處理技術調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效果的目的。

電聲可變混響技術的優點是對音質產生更加顯著的調節作用;通過設置多種預置模式,可實現廳堂音質的“即時切換”,使舞臺表演更加豐富靈活;無需占用額外的空間,節省建設成本。缺點是只能增加而無法減少混響時間;若系統調節不當,易帶來聲染色和“電聲味”,破壞聲音的真實、自然聽感。

 

1 電聲可變混響技術的發展簡介

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

 

電聲可變混響系統在國內推廣和應用比較多的是E-Coustic、VIVACE和Constellation。國內在電聲可變混響技術方面的成果之一是可變聲學環境系統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學習時,對多功能廳的E-Coustic Systems聲學優化系統印象比較深刻,混響調節效果感覺顯著。E-Coustic Systems技術已經應用在數百個空間,是世界上使用最廣泛的聲學增強系統之一。E-Coustic Systems采用專利信號處理技術,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參量的測量,希望能從建筑聲學的角度發現E-Coustic Systems聽感比較好的原因。

 

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 ㎡2,體積約864 m³。共設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,室內圖見圖3、圖4。


圖1 多功能廳平面圖


圖2 多功能廳剖面圖


圖3 多功能廳室內圖1


圖4 多功能廳室內圖2

 

3 多功能廳聲學參量測試結果及分析

測試的軟件和主要設備為丹麥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(用于測側向反射因子LF)、SENNHEISER SKP500無線發射系統、SENNHEISER EW500無線接收系統等。

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設計和計算,在墻面和頂面合理地配置吸聲材料或構造,為電聲可變混響技術的應用提供良好的基礎條件。

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系統未開啟和開啟后的測試數據(表2)可以看出:混響時間得到明顯提升。
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系統開啟后的不同使用模式的測試數據(表2)可以看出:

混響時間隨設置的模式有明顯的變化。

早期衰變時間EDT、音樂明晰度和語言清晰度變化都比較小。

說明E-Coustic系統開啟后的不同使用模式混響時間的延長,主要是通過調節后期反射聲能實現的,早期衰變時間EDT基本沒有變化?梢钥闯,該系統的設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。、EDT和、不同使用狀態下的頻率特性曲線見圖5~圖8。


圖5 不同使用狀態下頻率特性曲線


圖6 不同使用狀態下EDT頻率特性曲線


圖7 不同使用狀態下頻率特性曲線


圖8 不同使用狀態下頻率特性曲線

3.2 響度

從測試數據中的響度值G(見表2和圖9)可以看出,開啟E-Coustic系統后,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。


圖9 不同使用狀態下G頻率特性曲線

圖10 不同混響狀態下IACC頻率特性曲線

3.3 空間感

從測試數據(表3和圖11~圖12)可以看出,開啟E-Coustic系統后,雙耳聽覺互相關系數IACC和側向反射因子LF基本沒有變化。


圖11 不同混響狀態下LF頻率特性曲線圖

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繞感LEV。ASW通常用雙耳互相關系數來評價, 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。但從數據看也不是混響時間越長,LEV就越大,沒有明顯的規律性。

 

3.4 親切感

開啟E-Coustic系統后,ITDG都是9 ms,沒有變化。

 

4 測試數據簡要分析

在常規的廳堂中,混響時間變長,清晰度或明晰度會降低。從E-Coustic系統開啟后的不同使用模式的測試數據可以看出,雖然混響時間明顯增大,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,中頻混響時間明顯增大,早期衰變時間EDT變化很小,明晰度不降反升。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。



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

可以看出,E-Coustic系統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系統開啟后的不同使用模式混響時間的延長,主要是通過調節后期反射聲能來實現的,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。

 

5 多功能廳成功的關鍵

(1)設計了一個良好的建聲環境——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 dB120°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 kHz110°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,這也就是響度G設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生明顯改變,從而達到改變廳堂音質效果的目的。


圖14 E-Coustic Systems采用的揚聲器

 

(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,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可變混響系統的測量結果(圖15)和E-Coustic Systems的高頻衰減特性相同。


圖15 采用Constellation可變混響系統的測量結果

 

6 改進建議

從圖5可以看出,只有低頻125 Hz混響時間與系統設置最接近,其他頻率混響時間都比設定值偏小。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定值。

建議交響樂演出狀態,在臺口兩側設置兩組覆蓋全場的揚聲器,以提高視在聲源寬度ASW,其它演出狀態需關閉。

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