電子聲學環境可變系統及其在國內的應用現狀及發展趨勢研究（三）

魏增來，練嘉容

（中國傳媒大學，北京 100024）

（接第4期）

3.3 混合再生（Hybrid Regenerative）式系統

混合再生式系統顧名思義，是基于再生式系統和回路嵌入式系統的基本原理并相互結合而來的。相比較于純粹的再生式系統，它可以有效降低獨立回路的數量，增大部分通道的回路增益，提高性價比和安裝調試的便捷度；同時，區別于回路嵌入式系統，它又可以在一定程度上保持廳堂固有的聲學特征，而不是完全重新“合成再造”一個全新的聲學環境。這類混合再生系統既有傳聲器拾取舞臺直達聲，又有傳聲器在混響場拾取混響聲，分別經過處理后通過揚聲器重放，從而使目標聲場的聲學條件發生改變。其基本原理示意如圖20所示，通常的系統結構框圖可見圖21。

圖20 混合再生系統基本原理示意圖

圖21 混合再生系統常見結構框圖

3.3.1 Active Field Control（AFC主動聲場控制系統）

1987年，日本雅馬哈公司便開始了AFC主動聲場控制技術相關的研究和具體案例嘗試工作，并于2003年在美國推出了第一代集成方式的處理器AFC1，此后，經過不斷迭代，目前已升級到第四代產品AFC4。

AFC的學術理念基于廳堂空間內的聲能密度公式

其中，W是聲源功率，V是房間體積，α是平均吸收系數，T60為混響時間，Er為擴散聲場的能量密度）。由式中可知，Er與T60成正相關性，即可以通過增加Er來擴展T60。

AFC的系統構成及基本工作原理如圖22所示，它主要由以下四個部分組成：

圖22 AFC系統構成及基本工作原理示意圖

1）輸入部分，利用傳聲器拾取樂器或擴散聲場信息；

2）反射合成部分，使用波動濾波器（flu-FIR）修正聲學條件；

3）均衡部分，用于校正所選廳堂區域的聲學頻率特性；

4）功率放大及輸出部分，用于將處理完畢的信號饋送至揚聲器并重放。

AFC首先基于再生式系統概念，主動利用系統的聲學反饋來增加擴散聲場的能量密度，從而在保持房間原始聲學特性和自然聽感的同時，控制調整混響時間。同時，它又通過在反饋回路上嵌入波動FIR濾波器，實現更大的控制能力。波動FIR濾波處理的工作原理具體如圖23-A所示，增加每個抽頭的能量，即相當于降低了此前聲能計算公式中的平均吸聲系數α，而圖23-B中對抽頭間隙進行擴展，則相當于增大了廳堂體積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，進一步提高系統穩定性，AFC采用了兩種TVC（Time Varying Control，時變控制）技術：EMR（Electric Microphone Rotator傳聲器電子旋轉器，圖24）和fluc-FIR（波動FIR濾波器，圖25），分別應用于系統構成的第一部分和第二部分中。其中具有專利技術的EMR可以針對某一揚聲器通道，周期性地切換不同的傳聲器輸入，以降低揚聲器與傳聲器之間長時間的相關性，避免形成固定的正反饋回路，從而獲得較好的回授前增益。為了使聽感自然，這個切換周期頻率通常設置在0.4 Hz～3.0 Hz之間。此外，每個傳聲器均使用VCA（壓控放大器）進行電平控制，以保證系統輸入信號在傳聲器間切換時的平滑和自然。波動FIR濾波器通過在時間軸上以不同的頻率調變和一定范圍的時間變化來周期性地移動每個FIR抽頭，以平滑FIR濾波器的頻率響應，并防止由普通FIR濾波器引起的染色問題。其時間變化范圍決定于濾波器的抽頭間距，而調變頻率則依賴于如何保證自然的主觀聽覺感受。

圖24 EMR原理概念示意圖

圖25 fluc-FIR濾波器原理概念示意圖

通過上述兩種時變控制技術，AFC系統可以大大減少嘯叫點并提高回路增益在整個頻率范圍內的平順度，其對回路增益的改善優化效果如圖26所示。

圖26 AFC兩種時變技術對回路增益的優化效果

AFC是再生式系統和回路嵌入式系統的結合，因此，實際應用中的典型系統如圖27所示。系統第一部分通過4支～8支遠離舞臺的、布置于混響半徑之外天花上的傳聲器拾取聲源擴散的聲音，然后經EMR和fluc-FIR處理后通過揚聲器重放，用以控制廳堂中的混響。原則上講，這些揚聲器需要布局在主要聽音區的臨界距離之外，包括從天花位置向下輻射或側墻位置向天花輻射，從而形成更好的擴散聲場，這樣，廳堂內無論從聲源還是受眾的位置都可以保證AFC系統的有效性。系統的第二部分則利用4支～8支傳聲器在靠近舞臺的天花上布置，拾取聲源直達聲，經常規FIR濾波器處理后，通過安裝于側墻的揚聲器重放，以增強側向反射聲，此部分揚聲器需仔細考慮安裝位置，盡量避免在聽眾區產生揚聲器聽感定位。同時，對于早期反射聲，不采用波動濾波技術，以保持常規FIR濾波器處理所包含的反射聲有益信息。

圖27 實際應用中典型AFC系統的結構示意圖

3.3.2 Variable Room Acoustic System（VRAS可變室內聲學系統）/ Constellation

VRAS系統是由新西蘭聲學專家M.A.Poletti研發，美國LCS（Level Control Systems）公司生產的多聲道電子聲學可變系統，它在當年結合了MCR系統與ACS系統的優勢，并在二者基礎上進行了優化。該系統于1993年推出，并于2005年被美國Meyer Sound公司收購，更名為Constellation。

VRAS首先使用混合再生方式控制后期聲能量。布置于廳堂內的全指向傳聲器所拾取的自然聲場信息分為兩路，一路直接輸出至揚聲器，再生與本空間屬性密切相關的混響聲能，另一路經由一個專門的、用于替換真實耦合空間的“數字電子混響器”處理耦合后再送至揚聲器，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廳堂空間內，它在控制舞臺上聲源的早期聲能方面存在著較大的局限，因此，VRAS又通過另一組回路嵌入式系統來對早期聲能進行更好控制。它在靠近舞臺處布置一定數量的傳聲器，以使系統得到的目標區域內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的早期聲能（ER）發生器來處理這些信號，并按相應的路由分配至不同的揚聲器，為所有座位提供相對平均的早期聲能，其中側向揚聲器也可以用來分配這些能量，以協助聲源定位并增強空間感。

該系統的數字聲頻信號處理器主要由輸入交叉耦合矩陣、多通道聲學處理器、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、增益、阻尼濾波、梳狀濾波等多種參數調整功能，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系統雖然可以實現對早期聲能相關參量的較好控制，如側向聲能、明晰度等，但其表現依賴于聲源距離、傳聲器指向以及揚聲器特性等眾多因素，因此，相較于再生式系統而言，使用常規分析所得到的系統特性的可驗證性相對較低。Poletti（VRAS研發者）認為，可以將控制早期聲能和后期聲能的這兩個系統綜合起來考慮，通過合并功率增益來對整個系統進行觀察分析。

VRAS系統通過研究發現，能量增益越大，早期衰變時間EDT的衰變斜率與混響時間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來說衰變越快。如果以RMS電壓均方值表述，Poletti經過計算后得出系統的合并功率輸出，其中μE為每個早期反射通道的回路增益函數，μR為每個混響聲能通道的回路增益函數，NE和NR分別為兩類通道的數量，即為合并的回路增益G，M為傳聲器-揚聲器回路總數。由這個公式可見，早期反射或后期混響這兩類系統混合發揮作用時，整個合并功率增益與相關的回路增益密切相關。其合并功率輸出分析示意如圖28所示。

圖28 VRAS系統合并功率輸出分析示意圖

由于系統的穩定性受制于所有揚聲器與所有傳聲器之間的合并反饋，所以，如果μE=μR，則整個合并功率增益的上限就來自于所有早期反射通道和后期混響通道的回路數之和NE+NR，而如果μE或μR等于0，則系統穩定性就會分別降至由NE通道的早期反射系統或NR通道的后期混響系統決定，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，以控制早期聲衰變增益和后期混響增益之比，進而影響早期聲衰變時間（EDT）和混響時間（RT）的比值，這是VRAS系統一個很重要的理論觀點。

此外，基于本文此前關于回路增益G的相關論述可知，即使平均回路增益小于1，鑒于房間聲場干涉疊加的復雜性，個別頻率的回路增益仍然可能超過1而產生自激，而且這種自激反饋無論再生式系統還是非再生的嵌入式系統都有可能發生，所以VRAS系統中，將這兩種處理器都進行了一元化處理。所謂一元化，就是指如果一個信號處理設備的頻幅響應統一不變的話，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。由這樣的處理設備組合起來的多通道系統也因此具有不同頻率上的功率增益恒定性，這時，此類系統就可以稱之為一元化系統，相比較于不含此類一元化處理器的多通道系統，它更好地保證了系統的穩定性。而VRAS系統所采用的多通道混響器因為相關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系統相比，VRAS系統所要求的聲道數目要少得多，性價比更高。

VRAS系統的處理器采用了延時反饋網絡設計，其中包括可以控制混響時間與頻率關系的兩極阻尼濾波器。它可以用來實現與頻率相關的恒定的系統合成混響時間與廳堂自然混響時間之比，以在不同頻率上均獲得穩定的合并功率增益，或用來調整或優化處理器再生能量中與廳堂本身聲場相左的頻率，總之，確保系統的一元化性質。此外，如果需要的話，其中一級阻尼濾波器還可以用做高通濾波器，以控制混響低頻。

美國Meyer Sound公司于2005年收購了LCS Audio公司，此后進一步改進了VRAS系統并更名為“Constellation”，它采用Meyer sound D-Mitri處理器為系統處理核心，處理路由能力進一步加大，且人機交互界面得到了加強。可控制調整均衡、延時、矩陣、混響設置、初始反射設置等參數，且容許分別更改早期反射和晚期混響的混合強度，同時能夠方便用戶根據不同需要提前調好預設，并使用CueStation軟件進行控制，其專利的一元化混響處理技術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，可以將聲學環境調整與虛擬沉浸聲有效地進行結合，該系統和Vivace系統一起對包含廳堂聲學環境重構與聲音元素重構在內的整個聲音情景電聲化再現進行了有益的探索。

3.3.3 VIVACE Ⅱ型系統

在第一代VIVACE系統的基礎上，德國MBBM及StageTec于2015年又推出了屬于混合再生方式的VIVACE II型系統。它結合了再生系統和非再生系統的優點，同時與第一代系統相比，改進了專利的卷積算法，從而進一步提高了系統增益，并把舞臺和觀眾廳作為一體，不需要對舞臺上的不同演出位置和不同演出類型做單獨調整。此外，它還擴展了DSP處理能力，輸入輸出通道也得以提升，最高可支持192個輸入通道、192個輸出通道。相比較于第一代產品，系統更加穩定，產生的聲場也更自然，聲染色更小。

VIVACE II在多傳聲器/揚聲器再生回路中結合了主動的聲音處理及卷積技術，由系統處理器再生出來的輔助聲能來源于廳堂內的所有傳聲器，包括首要的舞臺傳聲器以及廳堂內均勻分布的其他傳聲器，所有傳聲器在進行恰當的時間對齊后平均計權。同時系統揚聲器重放的再生能量也會被其附近的傳聲器再次拾取并饋送回信號處理鏈路，從而確保系統可以有效捕獲廳堂本身的自然聲學傳輸特征，而且廳堂的每一個區域都會被完全且同等地納入整個信號再生和分配環節，避免了舞臺區域和觀眾席區域聲學條件分離的現象。VIVACE II的基本工作原理如圖29所示。

圖29 VIVACE II系統基本工作原理示意圖

VIVACE II的信號處理器可以提供最大192路輸入及192路輸出的交叉節點矩陣，每個通道均可進行電平、壓縮、延時以及參量均衡調整，并通過兩組并行的信號路徑結構滿足幾乎所有的電聲處理流程需要，其信號處理流程可見圖30。

圖30 VIVACE II系統信號處理流程示意圖

圖30 中上半部分為四個雙通道組成的聲學合成卷積處理模組，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，然后各自卷積合成四個聲學空間并輸出。而圖30中的下半部分則為再生卷積處理模組，包括最大32個卷積處理層和最大16個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可以在基于真實廳堂的脈沖響應和中性的脈沖響應間自由選擇，其中，后者主要用于增強該廳堂本身的聲學特征，而不引入人工或其他不當的聲學屬性。這種多層的處理結構使得VIVACE主機可以對其總的處理資源進行分配，從而同步實現兩個獨立廳堂的聲學環境調整或一部分用于建立廳堂本身的聲學空間，而另一部分用于建立舞臺反聲罩系統。

同前一代產品一樣，除常規指標外，VIVACE II系統對于其重放揚聲器沒有什么特殊的要求，但最好選用具有較好低頻響應的同軸產品作為主天花揚聲器，而側向早期反射聲能則建議采用高質量寬頻聲柱。

除VIVACE II型系統外，基于同樣的原理，MBBM及StageTec還提供了一套小型化、簡易化的VICELLO系統，主要應用于教室、會議廳等較小體量的場所，以更為經濟的投入來滿足此類廳堂改善、調整聲學環境的需求。

綜上所述，混合再生系統結合了再生式和回路嵌入式系統的各自特點，相當于在物理形式上，既可以為廳堂提供不同反射擴散屬性的變化，又可以提供另外一個獨立的耦合空間，從而能夠根據廳堂實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特征，又提供了全新創造的可能，但問題也隨之而來，即需要保證固有聲學特征與新合成廳堂特征的自然融合。同時，如果廳堂固有聲學特征信息不足（即廳堂過干），那么這種自然屬性的保持也會很難實現。