電子聲學優化系統在慈溪大劇院多用途小劇場的應用

汪道瀾

[摘要]從多用途廳堂使用所遇到的聲學環境問題出發，簡述電子聲學優化系統的使用原因、使用場景、基本原理及系統特點，以及運用在慈溪大劇院多用途小劇場中的系統鏈路、揚聲器及傳聲器的布局及調試。

[關鍵詞]多用途劇場;聲學優化系統;時變混響;混響時問

文章編號：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.09.003

1項目概述

慈溪大劇院是慈溪至今單體投資最大的文化公共建筑設施，需滿足國內外歌舞劇、戲曲、話劇、音樂會等多種表演形式使用要求;并在觀演的舒適性與視聽效果上達到國內同級、同類文化設施的先進水平。

其中，多用途小劇場需要滿足演出和各類發布會、客戶答謝會、開業慶典、大會等會議、活動的使用要求。因此，小劇場采用移動座椅和升降舞臺來改變舞臺與觀眾席間的空間關系，滿足多種舞臺空間應用需求。頂面采用全開放式形式，排布了用于吊掛各種揚聲器、燈光設備的桁架（見圖1），墻面采用面塊板作縱橫經緯的分割，內襯吸聲棉，在活躍空間氣氛的同時，營造出一個親切、沉浸、靈活多變的表演空間。針對場地使用情況的多變，在不破壞原有建筑結構的同時，在廳堂內安裝了一套電子聲學優化系統（Enhancement Acoustic System，以下簡稱：“E-coustic系統”），來滿足小劇場的“多功能”聲學需求。

2電子聲學優化系統

電子聲學優化系統是通過電子聲學組件來調節所感知的聲學環境，從而根據表演類型對固有建筑聲場進行創建、調節或優化，以滿足不同表演類型對聲學環境的需求，保證良好的音質效果。它不同于擴聲系統，作用各不相同。

2.1電子聲學優化系統的作用

傳統劇場、音樂廳的聲學特性往往是固有不變的，是由它的建筑結構、墻面材料所決定的。這類聲學特性通常只針對某種演出形式，甚至某一個樂隊、某一位作曲家的作品，以使音樂風格有最佳的聽感。例如大家熟知的維也納金色大廳，無論是精細計算后的分割包廂，還是墻面女神柱的排列都是為交響樂而設計的，對于演講等語言類表演來說就不合適。無論是古典主義藝術，還是浪漫主義藝術，每個時期都有著各自獨特、并相互匹配的建筑和音樂風格。音樂家的創作也考慮表演場所，例如音樂從原始的單音發展到復音，就有很大一部分原因是由于演出場所的改變，貴族家庭也有了欣賞室內樂的需求，表演不只在教堂進行。

隨著時代的發展，現代的演藝廳堂往往要滿足多種用途，如現代交響樂、歌劇、舞劇、話劇、戲曲，有的甚至還要用于會議、電影放映，但不同表演或節目源通常有著相互沖突的聲學環境要求。混響時間和混響能量（Reverb Level）是不同廳堂音質評價的重要指標，圖2是不同用途的廳堂所適合的混響時間。混響時間是指當室內聲場達到穩態，聲源停止發聲后，聲壓級降低60dB所需的時間，記作T60或RT（Reverberation Time）。混響時間長，混響能量大則聲音飽滿、渾厚，具有混響感，但語言清晰度減弱。所以，可以通過改變混響時間來滿足廳堂不同的使用情況。

那么，需要解決的問題就是如何實現混響時間的改變。目前，改變混響時間的方式有兩種。

一種是通過建聲手段。根據賽賓公式：T60=O.161V/A=0.161V（as）（V）為混響體積，A為吸聲量，a為吸聲系數，s為樣件面積）可知，對其中的任意變量進行改變，都可改變混響時間。劇場中，時常通過改變室內的體積或改變墻壁、天花板等部位的吸聲材料與結構改變室內總吸聲量，從而達到調整混響時間的目的。采用建聲方式，聽感更加自然。但是這種方式通常造價極高，且可調混響時間的范圍很小，設想在其他條件都不變的情況下，體積增大一倍，混響時間才能增大一倍，所以一般觀眾廳要改變0.5s的混響時間需要付出很大努力，并且這種方式的安全性和使用便捷性也是需要考慮的問題。

第二種改變混響時間的方式便是通過電聲方式。即采用電聲設備，通過電聲聲場控制技術來控制室內的混響時間和其他聲學特性。它不僅實現了混響時間可變，而且還可以對室內聲場進行“修正或優化”，如增加早期反射聲、聲擴散，調整反射聲和混響能量的最佳比例，以及對混響時間頻率特性進行調整等。這種方式相對建聲方式不僅使用起來更加方便，在造價方面也可節省不少。國際上已有不少電子聲學優化系統，各家的系統結構都不同。筆者著重對E coustic系統進行介紹。

2.2E-coustic系統原理及特點

E-coustic系統以“通過時變人工混響改進室內聲學”為理論基礎，采用“獨立時變混響器”，并結合神經科學和聲學領域的研究成果（聲音品質與人類感知的相互關系）推導出的新的聲學算法，精確模擬出“房間”的關鍵聲學參數。

E-Coustlc系統在房間內接近聲源的位置布置少量傳聲器，實時拾取聲源，并對其進行時變多通道混響的處理，據此調整場地聲學參數，并通過整個系統在場地的側墻、后墻、頂部均布置一定數量的揚聲器，實現所需要的混響效果。可以對每只揚聲器的延時、直達能量、早期能量和后期能量進行單獨的控制，所以每一個揚聲器的處理方式都是按照聲源的自然傳播來選擇的。但是這種通過反向采樣來進行延時調整的方式，都會存在一個問題，即數字系統中時間延時改變帶來的相應音高變化。E-coustic系統的特殊算法可以把這種變調最小化，并且優化能量時間曲線，使揚聲器間達到最佳的耦合和最小的離散回聲。

這樣的系統最大的問題在于解決聲反饋，提高傳聲增益，傳聲器因拾取到揚聲器的聲音，形成正反饋，而產生回授環路。E-coustic系統的傳聲器就在揚聲器旁，也不會發生嘯叫，它是如何解決這一問題的呢？該系統的每支傳聲器在拾取到音源后，都會被4個獨立的虛擬聲學處理器進行處理（如圖3），這種時變混響的方式可以拓寬房間傳遞函數的共振峰，為系統直接增加至少6dB的穩定性。

E-coustic系統的規模沒有限制，迄今為止最小系統安裝在6m×8m的排練室里;最大的系統有700多個輸出通道。

3慈溪大劇院多用途小劇場的E-CoilStic系統方案

慈溪大劇院的多功能小劇場為標準的鞋盒式，無眺臺和二層樓座。寬×深×高約為20.5m×30.1m×15.4m。平面、剖面圖見圖4和圖5。

3.1信號鏈路

聲源被舞臺上方的傳聲器拾取后進入話放，話放將模擬信號轉換為MADI數字信號發送給矩陣處理器（EcsMatrix Processor），矩陣將信號分配到E-coustic系統的核心——聲學處理主機（ECS Mainframe III）。1支傳聲器的聲源被4個虛擬聲學處理器處理，按照所預設的廳堂混響來調節所拾取聲源的直達聲、反射聲及混響聲音能量的比例。經過主機處理后的數字信號再返回到ECSMatrix處理器，矩陣處理器具有512個輸入/輸出通道，它不僅僅只是對聲學優化系統進行通道的配置，還可以對輸入、交點和輸出上的信號進行增益、延時和七段參數均衡調節。處理完后的MADI信號再通過AO-32進行DA轉換器，分配給相應的功率放大器和揚聲器。信號鏈路如圖6所示。

除了聲學優化系統外，因為ECS Matrix內部強大的處理能力，可處理超過8000個通道，所以E-coustic系統還可供電影環繞聲以及復雜的聲像移動場景的效果聲使用，無需再額外配備揚聲器。最終系統的整體控制通過Crestron的中控系統來實現，系統開關、模式選擇、混響能量調節都可通過控制面板一鍵操作。

3.2系統傳聲器及揚聲器的布局

3.2.1揚聲器布局原則

E-coustic系統的揚聲器是以一種交叉間隔方式鋪設布置，任何兩個相鄰的揚聲器的輸入都來自不同輸出。這樣可以保證揚聲器之間沒有相干聲的干涉，可顯著增加系統的擴散，減少聲染色。若以這種方式布局，最少需要4路輸出通道，所以，這也是用于這類安裝方式的最小通道數。E-coustic系統的音箱與日常使用的點聲源不同，它的指向角度每一個頻段都是以錐形覆蓋，且在500Hz～8000Hz范圍內覆蓋角度變化很小。常規揚聲器指向角度卻會隨著頻率的變化而產生很大變化，如圖7、圖8。

3.2.2傳聲器及揚聲器具體布局方式

根據場地形狀、觀眾席舞臺區域大小，傳聲器、揚聲器布局如圖9、圖10。

舞臺處的拾音傳聲器為心形指向性，心形傳聲器對直達能量的靈敏度要比全指向高出三倍，這樣在需要拾取同樣反饋能量的情況下，心形傳聲器可以增加約1.7倍的拾音距離，這樣既保證了環路增益（自揚聲器的平均傳聲器輸出/自聲源的平均傳聲器輸出），又可最大程度地保證舞臺美觀。傳聲器布置在舞臺最前方和中部的位置，共4支，這樣可以拾取到舞臺上任意位置的聲源，從而進入系統進行處理。

舞臺區域共有20只ECS-440和3只ECS-LCF-599全頻揚聲器完全覆蓋舞臺表演區域，保證舞臺區與觀眾席有一樣的聲學環境，增強表演者的臨場感。

由于頂部高約11m，所以，共布置了9只ECS-LCF-599，既滿足能量的要求，又可均勻地覆蓋觀眾。除此之外，頂部還布置了6只ECS-LSB-S30超低頻揚聲器，來增強打擊樂、低音提琴等樂器的低頻部分，從而改變觀眾席自頂部的聲學因素和聲場環境。

小劇場兩側各安裝8只ECS-440側面揚聲器，分為上下兩層，模擬來自左右兩側的不同早期反射聲、混響聲等。后墻共安裝8只ECS-440，亦分為兩層，每層4只。覆蓋整個觀眾區域，增強廳堂整體的混響包圍感。

3.3系統調試及最終效果

E-Coustic系統與擴聲系統一樣，調試的第一步便是把揚聲器的頻率響應曲線調平直，從單只到單組再到全場，對房間的固有聲學問題進行一定的修復。然后，以舞臺中間為基點，測量各處揚聲器和基準點之間的距離，方便計算延時。之后就可以播放測試信號，用舞臺上的傳聲器調節每只揚聲器的延時量及其他聲學參數，這一步是完全根據數據來調節的。對于聽感上的細節調試，比如哪個頻段增加多大的早期反射聲量，則需要結合測試數據和人耳主觀聽感進行調整，所以說E-coustic系統對調試人員的要求很高。在該項目調試中，聲源除選取電聲回放的人聲和音樂外，還請來上海交響樂團的四重奏，來模擬正式演出場景（見圖11）。這樣的聲源是多聲道的、有空間感的，所做出的模式預設更加準確。

E-coustic系統都可根據該廳堂的使用情況做不同的預設，并且其控制面板也可定制與項目配套的背景（如圖12）。根據慈溪大劇院多用途小劇場可能使用的場景，對其做了6種預設，以便場地使用。其中，Nice room模式，對ECS揚聲器進行早期反射聲的增強，只加入少量的混響聲能，使得廳堂在此模式下，擁有更高的語言清晰度和聲場均勻度，適合會議、講座等場合使用。混響時間的模式包括1.3s、1.5s、3.8s等，可根據多用途小劇場不同的使用場景來進行選擇。

每一種混響時間都可調節其混響聲能量并營造不同的聲場環境，來匹配更多的表演形式，為聽眾帶來舒適的視聽體驗。