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（二）

魏增來，練嘉容

（中國(guó)傳媒大學(xué)，北京 100024）

（接上期）

3 系統(tǒng)分類及主要典型系統(tǒng)簡(jiǎn)介

從目前筆者查閱到的公開資料來看，電子聲學(xué)環(huán)境可變技術(shù)還未形成廣為業(yè)界普遍認(rèn)可的分類方式，目前較為常見的一種分類方法是以采集源信號(hào)的不同來劃分，并結(jié)合傳聲器/揚(yáng)聲器關(guān)系以及信號(hào)處理方式而予以界定。據(jù)此，可將目前供應(yīng)于商用市場(chǎng)的此種技術(shù)分為三大類：再生（Regenerative）方式、回路嵌入（In-Line）方式和混合再生（Hybrid Regenerative）方式。

3.1 再生式系統(tǒng)

再生式系統(tǒng)是指以傳聲器（多為全指向）拾取廳堂內(nèi)以擴(kuò)散混響聲能為主的聲場(chǎng)信息（通常為大于聲源臨界距離處的聲場(chǎng)信息），并經(jīng)傳聲器-處理器-功率放大器-揚(yáng)聲器環(huán)路重放以“再生”反射聲及其后續(xù)的一系列擴(kuò)散聲能，提升廳堂內(nèi)聲場(chǎng)的總體擴(kuò)散能量和聲壓，從而加大混響時(shí)間的電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)。其基本原理見圖5，通常的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖6。這種再生基于廳堂內(nèi)早已存在的混響聲場(chǎng)（或者說擴(kuò)散聲場(chǎng)）能量，主動(dòng)利用聲學(xué)反饋，通過盡可能高的回路增益（鑒于反饋環(huán)路的存在，其增益通常較低）來增加聲能擴(kuò)散、進(jìn)而延長(zhǎng)聲衰變時(shí)間。因此，該類系統(tǒng)響應(yīng)較為自然，但需要采用一定的措施避免因?yàn)榉答伓鸬穆暼旧?，如可通過足夠數(shù)量的獨(dú)立通道回路來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。

3.1.1 Multi-Channel Reverberation（MCR，多通道混響）系統(tǒng)

1969年，飛利浦實(shí)驗(yàn)室的N.V.Franssen注冊(cè)了MCR多通道混響概念的專利，之后S.H. de Koning又進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展研究。該系統(tǒng)基于受援共振系統(tǒng)（AR，Assisted Resonance）的基本原理而開發(fā)，但針對(duì)如何在大量布局傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器回路的廳堂內(nèi)應(yīng)對(duì)聲染色和自激這一主要挑戰(zhàn)，提供了另外一種思路。

針對(duì)這一主要挑戰(zhàn)，主動(dòng)聲場(chǎng)增強(qiáng)系統(tǒng)一定要控制住其峰值增益，使其不大于單位增益（Unity Gain，或稱一元化增益）1。對(duì)于只有幾赫茲的窄帶頻寬來說，這一點(diǎn)相對(duì)容易做到，能將其信號(hào)增益盡可能接近于單位增益，以提高回路的效率。正是基于這個(gè)原因，在AR方式中，采用了非常狹窄的通道頻帶和較大的通道增益，但對(duì)于較寬的頻帶，因?yàn)樾盘?hào)構(gòu)成的復(fù)雜性，即便整個(gè)頻帶平均增益不大，個(gè)別頻點(diǎn)的增益卻可能超出可控范圍，因此只有保證了足夠大的峰值與平均值之差，才有可能確保個(gè)別頻點(diǎn)的增益不會(huì)引起自激。

此前的研究數(shù)據(jù)表明，平均來講，音樂廳回路傳輸函數(shù)的最高峰值與平均值之差大約為10 dB，這就意味著廳堂的平均回路傳輸增益曲線至少應(yīng)該比單位增益低10 dB以上。同時(shí)，為了防止可聽聞的聲染色，傳輸函數(shù)的峰值應(yīng)低于單位增益7 dB，因此，平均回路傳輸增益曲線應(yīng)該比單位增益低17 dB，以杜絕回路振蕩和染色，而且這時(shí)，還需要對(duì)頻率進(jìn)行仔細(xì)均衡。回路傳輸增益及其平均增益曲線示意見圖7。

圖5 再生式系統(tǒng)基本原理圖

圖6 再生式系統(tǒng)常見結(jié)構(gòu)框圖

基于上述基本理論，在MCR系統(tǒng)中，只要將每個(gè)通道的增益保持于-21 dB之下（巧合的是，這幾乎就是古典音樂的峰值因數(shù)Crest Factor），就可以使用全帶寬通道。通過在廳堂內(nèi)仔細(xì)布局傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器回路，使之具備相對(duì)較低的回路傳輸增益函數(shù)，這樣就可以在全頻帶時(shí)保證足夠大的峰值與平均值之差，從而在通道數(shù)增加時(shí)也就不會(huì)冒著聲染色和自激的風(fēng)險(xiǎn)了。在這種情況下，如果希望將一個(gè)廳堂內(nèi)的聲能加倍（混響時(shí)間也會(huì)因此而加長(zhǎng)），大概需要100多個(gè)通道。而現(xiàn)在技術(shù)的發(fā)展，可以運(yùn)用功能強(qiáng)大的參量均衡器和延時(shí)等手段去除聲染色，所以針對(duì)一個(gè)中型廳堂，通道回路數(shù)量可以控制在50個(gè)左右，甚至更少。

在揚(yáng)聲器與傳聲器的布局上，傳聲器安裝在聲源的混響聲場(chǎng)中，并使之與揚(yáng)聲器（特別是同回路的揚(yáng)聲器）的間距大于該揚(yáng)聲器的臨界距離，這樣能夠減小各放大通道之間的相關(guān)性，從而獲得更加穩(wěn)定的系統(tǒng)反饋響應(yīng)。MCR技術(shù)原理示意如圖8所示。但由于每支傳聲器拾取的信號(hào)只饋送給一只揚(yáng)聲器，每個(gè)聲道都需要單獨(dú)調(diào)整其反饋前增益，因此其安裝和調(diào)試工作很繁瑣復(fù)雜；此外，數(shù)量眾多的傳聲器和揚(yáng)聲器使彼此處于混響半徑之外的難度非常大，所以回授前增益很難提高，并有可能產(chǎn)生與此相關(guān)的聲染色。

3.1.2 CARMEN系統(tǒng)

1998年，法國(guó)CSTB（建筑科學(xué)與技術(shù)中心）研發(fā)了另外一種采用MCR理念的系統(tǒng)CARMEN系統(tǒng)，其原理最早由Guicking提出。它通過采用多個(gè)集成后的傳聲器-揚(yáng)聲器模塊（在CARMEN系統(tǒng)里稱之為細(xì)胞CELL）按一定布局進(jìn)行排列，構(gòu)建了所謂的“虛擬墻”，并模擬“墻體”對(duì)聲音傳播的影響進(jìn)而改變聲學(xué)環(huán)境條件。CARMEN系統(tǒng)中，每套細(xì)胞（或稱單位）都是一個(gè)獨(dú)立的有源單元回路，包括一支對(duì)揚(yáng)聲器輻射不敏感的指向性傳聲器、一個(gè)電子處理器、一臺(tái)功率放大器和一只距傳聲器可以比較近的揚(yáng)聲器（傳聲器通常被放置在距相應(yīng)揚(yáng)聲器1 m的位置）。每個(gè)單元實(shí)時(shí)拾取廳堂內(nèi)自然傳播的聲能，并根據(jù)需要在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行渲染和重放，調(diào)整每只揚(yáng)聲器的重放能量，即相當(dāng)于調(diào)整墻面的吸聲系數(shù)，這樣就模擬了“虛擬墻”面對(duì)聲波的作用，以達(dá)到調(diào)整室內(nèi)聲學(xué)條件的目的。從這個(gè)原理來看，它相對(duì)較好地保留了聲音在大廳中傳播的自然屬性。其單元細(xì)胞構(gòu)成及工作原理如圖9所示。

圖7 回路傳輸增益（平均及非平均狀態(tài)）

圖8 MCR技術(shù)原理示意圖

通常，CARMEN系統(tǒng)由20～30個(gè)獨(dú)立的單元組成，這些單元由一個(gè)公共控制器管理，可調(diào)的參數(shù)包括：混響時(shí)間（T30）、明晰度（C80）、覆蓋聲壓（SPL），早期衰變時(shí)間（EDT）、音色平衡等。如果不需要進(jìn)行混響時(shí)間的增強(qiáng)，則需要的單元數(shù)可以更少。CARMEN系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖10所示。當(dāng)有24個(gè)單元時(shí)，混響時(shí)間可能增加約100%，同時(shí)可以通過如增強(qiáng)橫向反射等方法來創(chuàng)建一些空間效應(yīng)?；谶@種原理，CARMEN系統(tǒng)能夠在較小的變化范圍內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)自然的聲場(chǎng)，基本不會(huì)引入人工混響痕跡。此外，對(duì)于糟糕的建筑條件，例如扇形大廳缺乏早期橫向反射，或天花吊頂過低而缺乏空間感等問題，也可以通過這種虛擬墻壁進(jìn)行聲學(xué)上的重塑。但為了獲得最適合的聲場(chǎng)效果，需非常謹(jǐn)慎地根據(jù)建筑條件仔細(xì)選擇大廳中的單元位置。

綜上所述，再生系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于重復(fù)利用（或者叫再生）了廳堂內(nèi)已有的聲學(xué)響應(yīng)，從技術(shù)上講更像通過反射板的增減來改變吸聲系數(shù)的機(jī)械方式，不會(huì)在廳堂內(nèi)增加的聲學(xué)響應(yīng)中添加人造成分，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)也不會(huì)帶來聲染色，因此，聽感相對(duì)較為自然。但它與生俱來的劣勢(shì)也源于此，即其能量的增強(qiáng)受限于早已存在之能量的可用放大量，能量增加越多，系統(tǒng)發(fā)生聲染色和自激等不穩(wěn)定現(xiàn)象的可能性也越大。該類系統(tǒng)調(diào)試的復(fù)雜性往往體現(xiàn)于如何在大量放大通道回路下克服聲染色問題，尤其是希望混響時(shí)間的調(diào)整范圍較大的情況，這時(shí)通道回路數(shù)量可能會(huì)變得很難具有實(shí)用性。同時(shí)，它在控制、調(diào)整包括早期反射聲在內(nèi)的其他聲學(xué)參數(shù)方面也受到了較大的限制。因此，針對(duì)本身已具有較多自然擴(kuò)散聲能，且希望對(duì)這種固有聲學(xué)環(huán)境在較小的調(diào)整范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化改善的廳堂，該類系統(tǒng)較為適用。此外，利用這種方式延長(zhǎng)混響時(shí)間，其實(shí)本質(zhì)上就意味著聲能必須被加大，即所謂“l(fā)onger means louder & louder means longer”，或者說“響度越大、能量越多、混響越長(zhǎng)”，這種強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系也使得混響衰變斜率隨著回路增益而改變。

圖9 CARMEN單元細(xì)胞構(gòu)成及虛擬墻工作原理

圖10 CARNMEN系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖11 回路嵌入（In-Line）式系統(tǒng)的基本原理示意圖

3.2 回路嵌入（In-Line）式系統(tǒng)

回路嵌入式系統(tǒng)是指主要基于廳堂內(nèi)的直達(dá)聲，通過在系統(tǒng)通道回路內(nèi)嵌入具有特定算法的處理器（以混響效果器為主），直接合成廳堂所需的反射聲及其擴(kuò)散聲能，進(jìn)而調(diào)整以混響時(shí)間為主的眾多聲場(chǎng)參數(shù)的電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)?；芈非度耄↖n-Line）式系統(tǒng)的基本原理示意見圖11，通常的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖12。

該類系統(tǒng)通常采用指向性（心形或超心形）傳聲器，直接拾取以聲源直達(dá)聲為主的信息，饋入處理器進(jìn)行特定處理，再經(jīng)揚(yáng)聲器在廳堂內(nèi)按需重放，以模擬早期、后期反射聲和混響聲，并以此達(dá)到改變空間聲學(xué)效果的目的。因?yàn)閭髀暺鞅M可能靠近聲源，所以在獲得同樣輔助增加聲能的情況下，傳聲器-揚(yáng)聲器回路增益可以一直保持在盡可能低的狀態(tài)，這樣就能較好地避免聲染色和自激嘯叫現(xiàn)象。在強(qiáng)吸聲廳堂內(nèi)，這種基于直達(dá)聲直接“合成”的聲能幾乎可以完全控制最終的聲場(chǎng)效果，而在已經(jīng)具有一定反射聲能的廳堂，其最終聲場(chǎng)效果則由這些原有反射聲能和系統(tǒng)“合成”的反射聲能共同決定，這時(shí)，如果兩者差異較大，則會(huì)產(chǎn)生很奇怪的聽覺效果。同時(shí)，對(duì)于超出傳聲器覆蓋區(qū)域（通常即為表演區(qū)域）的聲源，該類系統(tǒng)的應(yīng)用效果也會(huì)受到一定的限制。在這類系統(tǒng)的早期發(fā)展階段，它通常提供了一種相對(duì)單向的響應(yīng)，即從表演者向聽眾席區(qū)域生產(chǎn)聲能，以進(jìn)一步將聲學(xué)反饋?zhàn)钚』：笃陔S著數(shù)字音頻信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，更多的措施可以被應(yīng)用于去除回路內(nèi)傳聲器與揚(yáng)聲器之間的相關(guān)性，因此，該類系統(tǒng)也可以在傳聲器布局區(qū)域?qū)崿F(xiàn)一定的主動(dòng)響應(yīng)，如針對(duì)舞臺(tái)區(qū)域的所謂“電子反聲罩”系統(tǒng)。

回路嵌入式系統(tǒng)特地研發(fā)了混響算法，并在具備足夠能力的DSP硬件上予以運(yùn)行。近年來，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，相關(guān)聲學(xué)算法也隨之不斷得到驗(yàn)證和改進(jìn)，使得該類系統(tǒng)的性能也隨之快速提升，并越來越常見于當(dāng)前的商用市場(chǎng)。此外，在某些此類系統(tǒng)中，還采用了時(shí)變處理技術(shù)（Time Variant Processing）對(duì)混響算法的延時(shí)以及信號(hào)音調(diào)等進(jìn)行了可容忍度下的最小化實(shí)時(shí)性微調(diào)，以進(jìn)一步去除通道輸出和輸入間的相關(guān)性。雖然有研究顯示，這種做法在一些時(shí)候可能會(huì)被聽感輕微覺察，但它更好地抑制了反饋，避免了獨(dú)立通道數(shù)量受限時(shí)的聲染色和系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。但如果系統(tǒng)具備足夠多的獨(dú)立通道，則其自身便具有了一定的去染色能力。

3.2.1 Acoustic Control System（ACS聲學(xué)控制系統(tǒng)）

ACS由荷蘭Delft大學(xué)的Van Berkhout教授研發(fā)并于1987年正式發(fā)布。它放棄了再生系統(tǒng)所謂的“響度越大、能量越多、混響越長(zhǎng)”的基本理念，而以直達(dá)聲為基礎(chǔ)，通過在傳聲器-功率放大器-揚(yáng)聲器回路中嵌入的處理器，直接模擬合成早期反射聲和混響聲，并通過揚(yáng)聲器加載在廳堂空間內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)整室內(nèi)聲學(xué)條件的目的。

圖12 回路嵌入式系統(tǒng)常見結(jié)構(gòu)框圖

ACS特別強(qiáng)調(diào)了早期反射聲，用以提高聲音明晰度、增強(qiáng)聲源位置呈現(xiàn)以及空間感；同時(shí)，其合成的混響聲能除了延長(zhǎng)混響時(shí)間外，還可以提升聽感的光芒、色彩和溫暖度。該系統(tǒng)通常采用18支～24支指向性傳聲器對(duì)舞臺(tái)及樂池的演出信號(hào)進(jìn)行高分辨率的拾取，每支傳聲器大約負(fù)責(zé)5 ㎡～10 ㎡的拾音區(qū)域，并以距離聲源位置相對(duì)最近的傳聲器信號(hào)為主。所拾取的直達(dá)聲首先經(jīng)過早期反射聲處理矩陣，一方面根據(jù)該直達(dá)聲傳聲器在廳堂環(huán)境中的位置產(chǎn)生相關(guān)的早期反射聲，并通過相關(guān)位置的揚(yáng)聲器重放加載到廳堂觀眾席的聲學(xué)空間內(nèi)；另一方面，經(jīng)過正確的時(shí)間分布處理后，形成以早期反射聲能為主的聲場(chǎng)，并通過位于表演區(qū)域的揚(yáng)聲器陣列重放，提高演員之間的互相感知度，從而起到舞臺(tái)反聲罩的作用。此后，信號(hào)還要經(jīng)過多個(gè)混響聲處理矩陣，以合成后期反射聲（混響聲），再同樣通過特定位置的揚(yáng)聲器加載到整個(gè)廳堂空間內(nèi)，包括單獨(dú)為舞臺(tái)提供的混響聲返送信號(hào)。所有處理過程中，各主要參數(shù)（延時(shí)、電平、頻譜響應(yīng)及其衰變、信號(hào)混合、濾波等）均可以進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，在處理算法上，還引入了建筑聲學(xué)、空間聲學(xué)的基本理論，如不同材質(zhì)對(duì)聲波傳輸?shù)挠绊懸约安煌曉粗g的干涉等，通過這些手段，可以在時(shí)間和空間上生成較為自然的合成聲場(chǎng)。ACS系統(tǒng)原理信號(hào)流程框圖如圖13所示，典型應(yīng)用的傳聲器及揚(yáng)聲器布局如圖14所示。

圖13 ACS系統(tǒng)信號(hào)流程框圖

圖14中黑色示意的傳聲器主要位于舞臺(tái)大幕前區(qū)上方開孔位置及樂池頂部?jī)蓚?cè)，用于拾取表演直達(dá)聲；紅色示意的揚(yáng)聲器用做舞臺(tái)側(cè)向及后向虛擬反聲罩，提高演員之間的聽感融合；黃色示意的揚(yáng)聲器主要用于早期反射聲，包括同樣位于大幕前區(qū)上方開孔位置的虛擬頂部反射和來自于側(cè)墻的橫向反射；藍(lán)色示意的揚(yáng)聲器主要用于為觀眾廳提供混響聲；位于面光橋的綠色標(biāo)注揚(yáng)聲器則以向舞臺(tái)提供混響聲能、進(jìn)一步增強(qiáng)演員的廳堂感為主要目的。

圖14 ACS系統(tǒng)典型應(yīng)用中傳聲器、揚(yáng)聲器布局及功能示意圖

3.2.2 Lexicon Acoustic Reinforcement and Enhancement System（LARES，萊斯康聲學(xué)增強(qiáng)系統(tǒng)）

LARES由Lexicon公司的David Griesinger和Steve Barbar于1988年推出，最早成功安裝在多倫多的Elgin劇院。該系統(tǒng)中，以性能優(yōu)異的Lexicon 480L多通道混響效果器為處理核心，通常使用靠近舞臺(tái)的2支～8支傳聲器拾取聲源直達(dá)聲并分配給多個(gè)嵌入了Lexicon效果器的處理通道，分別進(jìn)行處理并混合，最終發(fā)送到位于觀眾廳和舞臺(tái)上的揚(yáng)聲器中。

LARES的理念認(rèn)為，聽覺上的寬廣度和空間印象首要決定于側(cè)向反射總能量，而不僅僅是早期側(cè)向反射組分，所以它著重考慮了如何提升側(cè)向反射能量的有效性，當(dāng)然，如果需要早期側(cè)向反射組分，也可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。為此，LARES研究并參照了傳統(tǒng)物理聲學(xué)和建筑聲學(xué)的一些處理方法，如利用頂部天花反射聲的一部分指向側(cè)墻而非觀眾席以加強(qiáng)側(cè)向聲能等，它通過采用性能一致的全指向性揚(yáng)聲器（鑒于箱體結(jié)構(gòu)的物理影響，實(shí)際上通常為寬錐形覆蓋揚(yáng)聲器），與LARES的電子處理部分結(jié)合后，可以合成出包含有足夠側(cè)向能量的、良好的擴(kuò)散聲場(chǎng)。這個(gè)過程中，LARES采用揚(yáng)聲器的“穿插”布局形式以及時(shí)變處理等技術(shù)，進(jìn)一步去除回路輸入/輸出之間以及不同揚(yáng)聲器通道之間的相關(guān)性，使電子增強(qiáng)的聲場(chǎng)更加渾然一體，從而消除揚(yáng)聲器的“定位感”，讓聽眾感覺擴(kuò)散能量來自于四面八方，尤其是在揚(yáng)聲器近距離聆聽時(shí)，降低了打擊樂器等容易引起的該系統(tǒng)與自然聲之間的“雙聲”現(xiàn)象，同時(shí)使之保持了良好的清晰度。LARES系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖15所示。

由于LARES系統(tǒng)采用了時(shí)變處理技術(shù)以及揚(yáng)聲器穿插布局形式，降低了系統(tǒng)通道回路的相關(guān)性，較好地解決了聲染色問題，使反饋前增益增加了6 dB～18 dB，其增加的程度取決于傳聲器數(shù)量、揚(yáng)聲器通道以及Lexicon處理器的數(shù)量。如使用2支傳聲器、4組揚(yáng)聲器通道和1臺(tái)Lexicon 480L Advanced DSP處理器，可以增加15 dB的反饋前增益；而使用2臺(tái)處理器和8組揚(yáng)聲器通道，則改進(jìn)幅度可以提高為18 dB。

此外，Lexicon公司多年致力于音樂錄音方面的經(jīng)驗(yàn)顯示，直達(dá)聲與混響聲之間的比例對(duì)于最終聽感具有決定性的影響（筆者認(rèn)為，這種比例關(guān)系應(yīng)該是聲衰變過程中直達(dá)聲與混響聲的動(dòng)態(tài)比例）。在相同的混響時(shí)間下（即聲音衰變-60 dB的時(shí)間相同），若混響能量過小，聲音會(huì)變得扁平單調(diào)，缺乏生命力；而混響能量過大，則聲音又會(huì)顯得混亂污濁、模糊失真。LARES理念認(rèn)為，上述結(jié)論同樣適用于廳堂聲學(xué)，雖然傳統(tǒng)建筑聲學(xué)中，這種比例關(guān)系主要受制于廳堂尺寸以及具體聽音位置。一般而言，中小型廳堂具有相對(duì)較大的混響能量，但混響時(shí)間卻比較短，而大型廳堂可能具有很長(zhǎng)的混響時(shí)間，但由于廳尺寸較大，混響能量（尤其是早期側(cè)向聲能）則可能會(huì)比較小?；谝陨涎芯?，為獲得合適的直混比以及與演出內(nèi)容相適應(yīng)的混響時(shí)間，LARES系統(tǒng)通過Lexicon公司在混響器領(lǐng)域多年積累的優(yōu)異算法和性能，可以根據(jù)廳堂本身的需求，分別對(duì)聲衰變時(shí)間及混響量進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，或者利用LARES A.R.C（Auto Reverberation Control，自動(dòng)混響控制）技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以配合音樂或語音的需要，而不必在兩者之間進(jìn)行妥協(xié)。同時(shí)，LARES還利用Lexicon在行進(jìn)混響（Running Reverberation）方面的研究成果，進(jìn)一步拓展了A.R.C技術(shù)的應(yīng)用功能，使其甚至可以根據(jù)正在演奏音樂的不同段落自動(dòng)調(diào)整其混響能量配置。

此外，得益于反饋前增益的大幅提升，LARES也可以應(yīng)用于距離傳聲器較近的舞臺(tái)區(qū)域，以解決個(gè)別廳堂存在的舞臺(tái)上反射聲過少致使演奏家互相難以聽聞等問題，即起到了所謂“電子反聲罩”的作用。在這種應(yīng)用下，LARES必須在傳聲器附近產(chǎn)生足夠的補(bǔ)充能量，同時(shí)這種補(bǔ)充能量與直達(dá)聲之間的延時(shí)也必須足夠?。ㄟ@樣才能與舞臺(tái)上實(shí)際的反射聲場(chǎng)相近似），所以此時(shí)必須在樂隊(duì)的上方近距離額外吊裝幾支傳聲器。

圖15 LARES系統(tǒng)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

因?yàn)檩^少的傳聲器數(shù)量及時(shí)變處理等技術(shù)的引入，LARES可以使用較少的通道回路、較大的回路增益來獲得較高的合成能量，因此相比于以前的系統(tǒng)，具有很高的性價(jià)比，同時(shí)得益于Lexicon處理器的優(yōu)異性能及良好音質(zhì)，其在以美國(guó)為主的全世界范圍內(nèi)有大量的實(shí)踐應(yīng)用案例，大大增強(qiáng)了電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)的可接受度，為該類系統(tǒng)的市場(chǎng)化做出了很大貢獻(xiàn)。

3.2.3 System for Improved Acoustic Performance（SIAP，聲學(xué)性能改進(jìn)系統(tǒng)）

1991年，以荷蘭學(xué)者Wim Prinssen為主進(jìn)行研發(fā)的SIAP（聲學(xué)性能改進(jìn)系統(tǒng)）正式推出，這同樣是一款回路嵌入式系統(tǒng)，它與ACS具有較為類似的工作原理以及傳聲器/揚(yáng)聲器布局模式，但特別強(qiáng)調(diào)了三個(gè)核心設(shè)計(jì)理念，并為此設(shè)計(jì)優(yōu)化了處理算法。

首先，SIAP將充分利用廳堂自身的自然反射，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)具體應(yīng)用需求，將現(xiàn)有聲學(xué)條件缺失的包括各級(jí)次反射聲在內(nèi)的相關(guān)聲能補(bǔ)齊，實(shí)現(xiàn)廳堂自然聲學(xué)與電子增強(qiáng)聲學(xué)的無縫疊加，從而充分保留廳堂的原有特征。而且各級(jí)次反射聲的“再造”并不是基于前一次反射聲進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整后的重復(fù)，而是在其處理器中依據(jù)嵌入自然聲波傳輸理論的算法對(duì)每一次反射聲波進(jìn)行所謂真正的重構(gòu)。

其次，SIAP研發(fā)者認(rèn)為，將重放揚(yáng)聲器劃分為早期反射聲、后期反射聲等不同功能的理念與自然聲波擴(kuò)散理論相違背，所以，該系統(tǒng)中的揚(yáng)聲器不再進(jìn)行此類功能劃分，而是將早期反射聲與后期反射聲按廳堂聲學(xué)要求進(jìn)行統(tǒng)一整合，每只揚(yáng)聲器都需要完整地重放所有補(bǔ)充反射成分。

第三，SIAP研發(fā)者認(rèn)為，自然聲場(chǎng)中，反射聲延時(shí)由廳堂尺寸、擴(kuò)散面形狀以及吸聲材料等因素決定后會(huì)保持一定，而時(shí)變方式雖然會(huì)提升系統(tǒng)針對(duì)回路反饋的穩(wěn)定性，但它同樣違背上述自然聲波擴(kuò)散理論，這一方面會(huì)使合成反射聲產(chǎn)生人耳可以覺察的音調(diào)漂移（尤其是針對(duì)指揮家、演奏家等具備固定音高且聽覺非常敏感的專業(yè)人員），從而使混響聲聽感變“臟”，同時(shí)也需要使用更多的通道回路來平均這種漂移現(xiàn)象；另一方面，連續(xù)不斷的延時(shí)及音調(diào)變化也會(huì)給聽眾帶來廳堂尺寸、形狀感知等方面的困惑，進(jìn)而影響聲源定位。所以，SIAP采用了時(shí)不變方式，這樣就避免了時(shí)變系統(tǒng)中廳堂聲場(chǎng)衰變與鋼琴等樂器琴弦自然衰變之間的不和諧問題，同時(shí)進(jìn)一步明確了聲源定位，從而充分保證了聲場(chǎng)的明晰度和清晰度，而這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于音樂廳來說又恰恰非常重要。

針對(duì)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，SIAP研發(fā)了非常復(fù)雜的混響算法，它的處理器可以為每個(gè)輸入/輸出組合生成不同的反射模式，反射波的包絡(luò)線也可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行編輯，同時(shí)，每個(gè)處理階段都可以實(shí)現(xiàn)頻率校正，且每個(gè)輸出都有自己的延遲設(shè)置，以確保聲源的正確定位。但這種靈活且強(qiáng)大的可調(diào)控性也進(jìn)一步增加了系統(tǒng)調(diào)試的難度和復(fù)雜性，對(duì)調(diào)試人員的主觀聽辨能力及其與音樂音響審美之間的映射實(shí)現(xiàn)能力提出了很高的要求。SIAP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程如圖16所示。

圖16 SIAP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程框圖

3.2.4 E-coustic System（電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)）

E-coustic System（電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)）是LARES的Audio Technology 換代產(chǎn)品，于1998年正式推出。該系統(tǒng)在LARES基礎(chǔ)上，對(duì)硬件部分進(jìn)行了整合和標(biāo)準(zhǔn)化，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、更富邏輯，設(shè)備構(gòu)成也更為簡(jiǎn)捷、統(tǒng)一、規(guī)范；同時(shí)，對(duì)于軟件部分，E-coustic System在保持Lexicon混響技術(shù)優(yōu)良聽感的基礎(chǔ)上，對(duì)混響和時(shí)變處理算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，系統(tǒng)中每個(gè)聲學(xué)處理器均可對(duì)直達(dá)聲、反射聲及混響的聲音能量進(jìn)行獨(dú)立控制，同時(shí)能夠調(diào)整所有的關(guān)鍵音頻參數(shù)（如平均自由程、早期衰變時(shí)間等）。信號(hào)處理使用獨(dú)立的時(shí)變處理通道，并根據(jù)Lexicon公司David Griesinger針對(duì)寬廣度和包圍感心理聽覺感知方面的研究，強(qiáng)調(diào)后期擴(kuò)散聲能的重要性，其早期聲能增加相對(duì)比較平緩，后期（約200 ms以后）聲能逐漸增加，這樣除帶來更為寬廣和更具包圍感的聽覺效果外，還進(jìn)一步降低了輸入輸出信號(hào)間的相關(guān)性，為系統(tǒng)直接增加了至少6 dB的穩(wěn)定度，同時(shí)相對(duì)降低了應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)傳聲器和揚(yáng)聲器的擺放位置要求，使設(shè)備布局更加靈活。根據(jù)需要，該系統(tǒng)的傳聲器可以靠近聲源或者布置在廳堂的任何地方，在傳聲器的選型上也沒有過多限制。同時(shí)，電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)還根據(jù)大量的系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐，針對(duì)不同使用場(chǎng)景進(jìn)行了細(xì)分，逐漸提供了一系列更具針對(duì)性的產(chǎn)品，包括E-Architecture（建筑）——針對(duì)大型廳堂或復(fù)雜系統(tǒng)；E-Performance（演出）——針對(duì)中小型廳堂；E-Venue （場(chǎng)所）——針對(duì)排練廳這類小型場(chǎng)地等。

除此之外，電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)還考慮了關(guān)于混響聽覺感知的細(xì)節(jié)，就是人耳對(duì)高頻混響的心理聲學(xué)特征。較長(zhǎng)的混響時(shí)間就像聲能的倍增器，當(dāng)2000 Hz以上的混響時(shí)間超過2 s時(shí)，相對(duì)于自然聲，人耳對(duì)這種通過擴(kuò)聲系統(tǒng)重放出來的聲能就變得非常敏感，聽覺上感覺非常嘹亮，具有明顯的金屬自鳴音，因此需要減小混響時(shí)間來降低這種感受。圖17所示的就是電子聲學(xué)優(yōu)化系統(tǒng)在不同中頻混響時(shí)間（T30）下的頻率特性曲線圖，可以看出混響時(shí)間越長(zhǎng)，高頻段混響時(shí)間的滾降越快，這就意味著該系統(tǒng)按照上述心理聲學(xué)特征有意地對(duì)高頻混響時(shí)間做了一定的削減調(diào)整。

3.2.5 Vivace系統(tǒng)

Vivace系統(tǒng)是由德國(guó)Muller BBM聲學(xué)公司在匯集了多年建筑聲學(xué)經(jīng)驗(yàn)后，與StageTec公司共同合作研發(fā)生產(chǎn)的電子聲學(xué)環(huán)境可變系統(tǒng)，于2008年正式投放市場(chǎng)。該系統(tǒng)總體思路與傳統(tǒng)的回路嵌入式系統(tǒng)依然類似，只是它基于快速發(fā)展的高速DSP處理技術(shù)，引入了“房間脈沖卷積合成”的概念，并在回路嵌入的處理器中采用了專門研發(fā)的具有自有專利的卷積算法來進(jìn)行信號(hào)處理。該系統(tǒng)首先通過所謂“聲學(xué)指紋”技術(shù)，使用時(shí)間延展脈沖（Time Stretched Pulse，TSP）信號(hào)配合“蜘蛛”傳聲器組合（一般用于中大型廳堂）或IRT十字傳聲器組合（一般用于小型廳堂），提取具有理想聲學(xué)條件廳堂的“高分辨率脈沖響應(yīng)”（High Definition Impulse Response，HDIR），并將其作為目標(biāo)脈沖響應(yīng)，而后利用處理器將想要改造的廳堂中傳聲器拾取的實(shí)時(shí)音頻信號(hào)與上述目標(biāo)脈沖響應(yīng)進(jìn)行卷積，最后通過多通道揚(yáng)聲器系統(tǒng)予以重放，從而得到類似于目標(biāo)廳堂的聲學(xué)環(huán)境效果。

Vivace系統(tǒng)的卷積過程可以用a×(b1×b2)=C進(jìn)行簡(jiǎn)化表述，其中，a為靠近舞臺(tái)口的傳聲器拾取的舞臺(tái)直達(dá)聲信號(hào)（或位于觀眾廳內(nèi)的傳聲器拾取的觀眾廳直達(dá)聲信號(hào)），b1為預(yù)先提取的目標(biāo)脈沖響應(yīng)；b2為卷積后的信號(hào)通過功率放大器饋送至大廳揚(yáng)聲器并投射到觀眾區(qū)的傳輸特性，C為所獲得的本廳堂的聲學(xué)特性參數(shù)，亦即近似于目標(biāo)廳堂的聲學(xué)特性。Vivace的處理示意如圖18所示。

從圖18可以看出，a和b2中都包含有一定的本廳堂的聲學(xué)特性，尤其是b2，基本代表了本廳堂固有的聲學(xué)傳輸特性。當(dāng)b2越接近于透明傳輸（即越不活躍）時(shí)，所得到的卷積結(jié)果就越接近于目標(biāo)廳堂，而b2越活躍（即廳堂固有聲學(xué)傳輸特性越復(fù)雜）時(shí)，則卷積結(jié)果也越來越背離目標(biāo)廳堂。所以，這個(gè)聲學(xué)環(huán)境調(diào)整的過程，并不能夠完全復(fù)制預(yù)先提取的目標(biāo)廳堂的建筑聲學(xué)特性，而是一個(gè)向聽感得到普遍認(rèn)可的”好”的目標(biāo)廳堂靠近的過程，利用目標(biāo)廳堂中優(yōu)秀的聲學(xué)特性來優(yōu)化當(dāng)前廳堂，優(yōu)化的過程中除了數(shù)學(xué)卷積以外，依然需要實(shí)地測(cè)量以及人耳的試聽，并循環(huán)往復(fù)，不斷調(diào)整改進(jìn)。據(jù)此原理也可以得出，Vivace系統(tǒng)在“合成”聲場(chǎng)的過程中，主要基于自然存在的目標(biāo)，而不是憑空想象去重新創(chuàng)造一個(gè)“聲場(chǎng)”，因此，其人工痕跡相對(duì)較少，聽感也比較自然。此外，Vivace系統(tǒng)還借鑒了前人的一些有益經(jīng)驗(yàn)，如采用時(shí)變處理技術(shù)提升反饋前增益，能夠?qū)⒃缙诜瓷渎暫突祉懧暦蛛x并通過不同的算法予以控制等，同時(shí)其混響衰減包絡(luò)還可以獨(dú)立調(diào)整，調(diào)整手段更為豐富，因此能夠非常靈活方便地改善最終聽覺效果。

圖18 Vivace系統(tǒng)卷積處理過程示意圖

圖19 Vivace系統(tǒng)3D環(huán)繞聲控編輯制作界面

除了針對(duì)聲學(xué)環(huán)境的調(diào)整優(yōu)化外，Vivace系統(tǒng)還可以將用戶自定義的音頻效果素材（如飛機(jī)飛行、滾雷等）按照預(yù)先規(guī)劃并存儲(chǔ)的空間軌跡在包含聲學(xué)環(huán)境信息的3D半球空間內(nèi)進(jìn)行重放，從而提供真實(shí)的3D環(huán)繞效果。聲源重塑與廳堂聲學(xué)條件緊密結(jié)合，即可再生逼真的距離感。利用這項(xiàng)功能，可以制作沉浸式的環(huán)繞聲效果或超現(xiàn)實(shí)的聲音特效，并支持第三方設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)演員在舞臺(tái)上移動(dòng)的自動(dòng)跟蹤。Vivace系統(tǒng)3D環(huán)繞聲的操作控制界面見圖19，其中2號(hào)紅色球即為當(dāng)前正在編輯規(guī)劃的聲源對(duì)象。

Vivace系統(tǒng)研究者認(rèn)為，揚(yáng)聲器重放的內(nèi)容多為細(xì)微的聲場(chǎng)補(bǔ)充能量信號(hào)，因此對(duì)重放揚(yáng)聲器并無過多的品牌和型號(hào)限制。實(shí)際應(yīng)用中，高靈敏度和準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比輸出功率更加重要，所以廳堂原有設(shè)計(jì)的環(huán)繞聲效果揚(yáng)聲器基本均可勝任，聲學(xué)環(huán)境調(diào)整和環(huán)繞聲效果兩項(xiàng)功能可以在揚(yáng)聲器端形成一定的復(fù)用，這進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性價(jià)比，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)安裝實(shí)施工作，并降低了裝修配合難度。

綜上所述，回路嵌入式系統(tǒng)由于通道中混響處理器的嵌入，使得其工作原理類似于為廳堂另外開辟了一個(gè)耦合空間的物理方式，而且這個(gè)耦合空間可以依據(jù)具體算法的不同進(jìn)行較大程度的自由調(diào)整，因此，其變化更為豐富。相比較而言，它也不再受到此前再生式系統(tǒng)所謂的“響度越大、能量越多、混響越長(zhǎng)”概念的限制，而不再依賴廳堂內(nèi)固有的聲學(xué)擴(kuò)散能量，所以可在戶外使用。同時(shí)，近距離拾音和時(shí)變處理等去相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，可以使系統(tǒng)采用較大的回路增益，有效地降低了系統(tǒng)內(nèi)獨(dú)立通道數(shù)量的要求，提高了性價(jià)比，降低了安裝施工難度。值得注意的是，多個(gè)揚(yáng)聲器并不能構(gòu)成多個(gè)獨(dú)立通道，獨(dú)立通道的數(shù)量實(shí)際上等同于獨(dú)立傳聲器的數(shù)量。此外，回路嵌入式系統(tǒng)可調(diào)整的參數(shù)數(shù)量及調(diào)整范圍也進(jìn)一步加大，使該類系統(tǒng)具有更多的功能，即可以通過人工合成，創(chuàng)造出更富有想象力的聲學(xué)空間，并且不易受到廳堂內(nèi)本身聲學(xué)條件變化（如空?qǐng)龌驖M場(chǎng)等）的影響。但也正是因?yàn)榛芈非度胂到y(tǒng)為人工合成的聲場(chǎng)，所以一方面引入了人工痕跡，另一方面可能會(huì)跟廳堂固有聲場(chǎng)之間產(chǎn)生較大的矛盾，使得調(diào)試變得非常復(fù)雜，因此，回路嵌入式系統(tǒng)最好應(yīng)用于相對(duì)較“干”的聲學(xué)空間內(nèi)，這樣更有利于發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

（未完待續(xù)）