杨志刚:从建筑声学的角度分析电声可变混响技术

http://www.audio.hc360.com2020年03月03日11:24 来源:慧聪音响灯光网T|T

  现代厅堂一般都有多功能要求(简称多用途厅堂),如既要满足会议、话剧等语言清晰度较高的要求,也要满足交响乐、室内乐、合唱、独奏等音乐丰满度较高的要求,同时还要满足戏剧、歌剧、歌舞剧等兼顾语言清晰度和音乐丰满度的要求。为了达到最佳的音质效果,不同的功能需要不同的声学条件。其中,混响时间是评价音质优劣的重要指标。因此,通常把调整和优化声学条件的技术称为可变混响技术。

  可变混响技术分为建声可变混响技术和电声可变混响技术。电声可变混响技术是通过合理布置包含特定算法的电声系统,包括传声器、信号处理单元、功放和扬声器等系统,利用信号处理技术调整接收点的反射声序列(包括能量大小和延时),从而达到改变厅堂音质效果的目的。

  电声可变混响技术的优点是对音质产生更加显著的调节作用;通过设置多种预置模式,可实现厅堂音质的“即时切换”,使舞台表演更加丰富灵活;无需占用额外的空间,节省建设成本。缺点是只能增加而无法减少混响时间;若系统调节不当,易带来声染色和“电声味”,破坏声音的真实、自然听感。

  1 电声可变混响技术的发展简介

  1953年,荷兰飞利浦公司研发的AS(Ambiophony System)系统是最早的电声主动控制可变混响系统。1964年,伦敦皇家节日音乐厅采用的AR(Assisted Resonance)系统是电声可变混响技术最早应用成功的案例之一,解决了该音乐厅中低频混响时间不足的问题。之后相继涌现出十余种算法不同的电声可变混响系统(表1),其中大部分系统至今仍在实践中不断发展与进步。

  

  电声可变混响系统在国内推广和应用比较多的是E-Coustic、VIVACE和Constellation。国内在电声可变混响技术方面的成果之一是可变声学环境系统REAS(Room Electrical Acoustics System)。

  2017年,笔者在易科国际深圳总部多功能厅进行培训学习时,对多功能厅的E-Coustic Systems声学优化系统印象比较深刻,混响调节效果感觉显著。E-Coustic Systems技术已经应用在数百个空间,是世界上使用最广泛的声学增强系统之一。E-Coustic Systems采用专利信号处理技术,克服了将传声器和扬声器一起使用的基本物理问题——声反馈。经过沟通,笔者于2018年5月24日,专程到易科国际深圳总部的多功能厅进行建筑声学参量的测量,希望能从建筑声学的角度发现E-Coustic Systems听感比较好的原因。

  2 多功能厅的建筑概况

  易科国际深圳总部的多功能厅平均长、宽、高分别为17 m、11.6 m、4.8 m,面积约180 ㎡2,体积约864 m³。共设100个座位,地面铺地毯,墙面布置宽频带的吸声材料。多功能厅的平面图、剖面图见图1、图2,室内图见图3、图4。

  

  图1 多功能厅平面图

  

  图2 多功能厅剖面图

  

  图3 多功能厅室内图1

  

  图4 多功能厅室内图2

  3 多功能厅声学参量测试结果及分析

  测试的软件和主要设备为丹麦B&K7841——DIRAC Room Acoustics Software建声测试分析软件、B&K4292无指向球面声源、B&K2734测试功率放大器、B&K1704-A-002信号放大器、B&K4101A头戴式双耳传声器、列支敦士登NTI传声器M2230、德国SENNHEISER MKH800无线测试传声器(用于测侧向反射因子LF)、SENNHEISER SKP500无线发射系统、SENNHEISER EW500无线接收系统等。

  多功能厅本身的混响时间控制得比较短,仅约0.39 s,且混响特性比较平直。因此,多功能厅显然进行了专门的建筑声学设计和计算,在墙面和顶面合理地配置吸声材料或构造,为电声可变混响技术的应用提供良好的基础条件。

  以下分别从丰满度与清晰度、响度和空间感等方面进行分析。

  3.1 丰满度与清晰度

  从E-Coustic系统未开启和开启后的测试数据(表2)可以看出:混响时间得到明显提升。

  早期衰变时间EDT变化比较小,平均仅增加约0.1 s;音乐明晰度平均下降约3 dB;语言清晰度仅下降约0.04 dB,几乎没什么变化。

  从E-Coustic系统开启后的不同使用模式的测试数据(表2)可以看出:

  混响时间随设置的模式有明显的变化。

  早期衰变时间EDT、音乐明晰度和语言清晰度变化都比较小。

  

  说明E-Coustic系统开启后的不同使用模式混响时间的延长,主要是通过调节后期反射声能实现的,早期衰变时间EDT基本没有变化。可以看出,该系统的设计者把语言清晰度放在很重要的位置,即使混响时间明显提升,良好的语言清晰度也基本保持不变。、EDT和、不同使用状态下的频率特性曲线见图5~图8。

  

  图5 不同使用状态下频率特性曲线

  

  图6 不同使用状态下EDT频率特性曲线

  

  图7 不同使用状态下频率特性曲线

  

  图8 不同使用状态下频率特性曲线

  3.2 响度

  从测试数据中的响度值G(见表2和图9)可以看出,开启E-Coustic系统后,G值相对会议模式增加0.2 dB,相对其他模式增加约0.4 dB。总的来说,响度增加比较小,基本上感觉不到墙面或顶面上的某个扬声器发出的声能。每一个扬声器单独的输出信号十分微弱,人耳基本听不到单个扬声器的响度。但是,来自房间不同方向、多个扬声器微弱声能的叠加,使听者感受到音量还是增大了。

  

  图9 不同使用状态下G频率特性曲线

  

  图10 不同混响状态下IACC频率特性曲线

  3.3 空间感

  从测试数据(表3和图11~图12)可以看出,开启E-Coustic系统后,双耳听觉互相关系数IACC和侧向反射因子LF基本没有变化。

  

  

  图11 不同混响状态下LF频率特性曲线图

  空间感包括早期声引致的视在声源宽度ASW和后期混响声引致的环绕感LEV。ASW通常用双耳互相关系数来评价, LEV用

  来评价。从表4可以看出,ASW基本没有变化,LEV确实得到增强。但从数据看也不是混响时间越长,LEV就越大,没有明显的规律性。

  

  3.4 亲切感

  开启E-Coustic系统后,ITDG都是9 ms,没有变化。

  4 测试数据简要分析

  在常规的厅堂中,混响时间变长,清晰度或明晰度会降低。从E-Coustic系统开启后的不同使用模式的测试数据可以看出,虽然混响时间明显增大,但是清晰度或明晰度却没有明显降低,基本没有变化。从中间位置测点的声能衰变曲线图(图12)可以看出,呈现出双折线(混响时间越长,双折线越明显),这是采用耦合空间厅堂的典型特征。从表5也可以看出,设有耦合空间的英国伯明翰交响乐厅和美国梅耶森交响乐厅,中频混响时间明显增大,早期衰变时间EDT变化很小,明晰度不降反升。2015年建成的巴黎爱乐音乐厅也采用了耦合空间(图13),同时具备高清晰度和长混响时间的丰满度。

  

  

  图12 中间位置测点的声能衰变曲线图

  

  图13 采用耦合空间的巴黎爱乐音乐厅

  可以看出,E-Coustic系统建立的模型明显借鉴了采用耦合空间厅堂的双折线特征。E-Coustic系统开启后的不同使用模式混响时间的延长,主要是通过调节后期反射声能来实现的,早期衰变时间EDT基本没有变化。声能衰变曲线呈典型的“双折线”(拐点约出现在-20 dB处),即早期衰减比较快,保证高清晰度;后期衰减比较慢,保证长混响时间。

  5 多功能厅成功的关键

  (1)设计了一个良好的建声环境——混响时间短,且频率特性非常平直的空间。只有空间初始条件相对“沉寂”,才能对后面建立相对“活跃”的虚拟空间提供足够的裕量,毕竟电声可变混响技术只能延长混响时间而不能缩短。

  (2)声音听起来比较“自然”,没有明显的“电声味”。扬声器的特性要求应该是参照了世界三大顶级音乐厅(维也纳金色大厅、阿姆斯特丹音乐厅、波士顿交响乐厅)的高扩散性,即覆盖角度比较大且能量比较小。三大顶级音乐厅之所以音质效果非常好,与它们的高扩散性(顶部的藻井格、墙面的雕塑等)引致的声场均匀有很大关系。

  如图14所示,E-Coustic Systems采用的LSH-100是全频高输出同轴扬声器,可以提供宽广的110°覆盖。LIN-250标称覆盖角度为-6 dB120°水平/-6 dB 120°垂直。LCF-599和LCF-499频率覆盖(水平×垂直):500 Hz 115°锥形、1 kHz 100°锥形、2 kHz 135°锥形、4 kHz110°锥形、8 kHz 135°锥形。E-Coustic Systems采用的扬声器的覆盖角度都很大,最小的频率覆盖角度也大于100°,如同扩散体的宽角度扩散。由于声能经过扩散体扩散后能量均匀分散、比较小,因此,要求任意一个扬声器单独的输出信号十分微弱,一般不在人耳的声压可听阈范围内,这也就是响度G设置增加比较小的缘故。但多个扬声器输出信号的叠加效果,使得来自空间不同方向的反射声能大小和延时发生明显改变,从而达到改变厅堂音质效果的目的。

  

  图14 E-Coustic Systems采用的扬声器

  (3)没有“声反馈”和“声染色”等声缺陷。E-Coustic Systems采用专利信号处理技术,克服了将传声器和扬声器一起使用的基本物理问题——声反馈。这种专利信号处理技术就是能量的衰变,即早期声能增加比较少、后期(约200 ms以后)声能才逐渐增加。声能通过延时错位,从而有效地避免声反馈。

  高频2 000 Hz以上混响时间超过2 s,人耳就能感觉到声音非常嘹亮,感觉有明显“金属音”。相对于自然声,通过扬声器出来的声能,“金属音”的感觉更加严重。因此,为了降低高频的金属音,混响时间必须要减小。从前文的图5可以看出,频率越高,混响时间越小,显然系统对高频混响时间有意做了一定削减。

  爱沙尼亚的诺基亚音乐厅采用Constellation可变混响系统的测量结果(图15)和E-Coustic Systems的高频衰减特性相同。

  

  图15 采用Constellation可变混响系统的测量结果

  6 改进建议

  从图5可以看出,只有低频125 Hz混响时间与系统设置最接近,其他频率混响时间都比设定值偏小。而通常所说的混响时间一般指中频(500 Hz、1 000 Hz)混响,因此,建议取500 Hz和1 000 Hz混响时间的平均值作为设定值。

  建议交响乐演出状态,在台口两侧设置两组覆盖全场的扬声器,以提高视在声源宽度ASW,其它演出状态需关闭。

责任编辑:曾燕平

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