可变室内声学系统十问

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可变室内声学系统十问
& s$ y( Z# V0 s2 U4 } 一、什么是可变室内声学系统

    简单地说，利用电声的方法实现室内声学特性可变(或增强)称作可变室内声学系统。“可变”主要包括有：改变室内的混响时间并控制它的频率特性 (亦即可调整高、低频率点的混响时间数值)； 形成所需的近次反射声；改善声场的不均匀度、清晰度和扩散度；并能达到舞台反射罩(音罩)的效果等。实践表明,可变室内声学系统对于多功能厅堂的音质控制是可行和有效的。可变室内声学系统也被称作立体声混响系统、室内声学增强系统和声场控制系统等。    二、近代典型实用的可变室内声学系统有哪几种

7 m5 Z8 e) M, y3 J    近代典型实用的系统有: 荷兰飞利浦公司的多声道混响系统(MCR),荷兰ACS公司的声控制系统(ACS)和美国LCS公司的可变室内声学系统(VRAS)等。
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% l9 \6 B7 J5 q1 m6 k    三、可变室内声学系统的简史
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$ T: Q# _# a( j  J/ J) y( S: E    利用电声的方法实现室内声学可变(或增强)的实用系统源于20世纪50年代。第一套立体混响装置是1954年实现的,后来不断出现了许多不同控制方法的系统,如Vermulen在飞利浦设计的“立体混响系统”,RCA实验室的Harry Olson提出的“声学电子厅堂”以及ERES、DELTA、SIAP、MCR、ACS系统和近期出现的CARMEM、VRAS、EMCR系统等等。

    可变室内声学系统自问世已有近50年的发展历史。50年来,伴随科学技术的发展与进步(特别是电子技术的迅猛发展),它已从开始的实验装置发展到完善的系统设备。目前它已在世界上许多发达国家的剧院，尤其是多功能剧院中得到了广泛的应用。

   

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四、MCR、ACS和VRAS三种系统有何主要异同
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, ^' O) D& _4 j2 B: P    MCR（Multiple－Channel Reverberation ）即多通道混响系统 是荷兰飞利浦公司20世纪60年代的产物，该系统是通过一系列“宽带传声器和扬声器独立声道”来增加室内混响时间。MCR是以扩散场为对象，传声器布置在观众厅内而不直接拾取舞台上的信号。每个扬声器处于每个传声器的厅堂混响半径以外，特别是同声道的传声器的混响半径以外，这样可以使各声道间的相关性最小，总放大量是各声道放大量之和（能量之和）。系统中严格控制每个声道的回路增益，因而确保了系统的稳定性和音质的自然感，自20世纪90年代MCR已完成由模拟系统到数字系统的转变。
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    ACS（Acoustic Control System） 即声控制系统，是由荷兰ACS公司与荷兰Delft技术大学于20世纪80年代合作开发的电声声场控制系统。ACS是以直达声场为对象，因而传声器布置在舞台口上方直接拾取舞台上的信号，利用原信号与系统脉冲响应的卷积来附加混响。每只指向性传声器“负责”拾取舞台上或乐池的一部分信号，通常一只传声器覆盖5至10平方米的舞台面积，每只传声器拾取的信号经处理后由矩阵器分配给各通道扬声器。ACS的“中心”设备是两个信号处理矩阵器，亦即前期（或近次）反射声信号处理矩阵和混响声信号处理矩阵。每个矩阵器均有两个独立的输出信道，混响处理矩阵的信号来自前期反射声处理矩阵，ACS目前还主要是模拟系统。

/ u9 V& s! p, p  e, t& a; H    VRAS(Variable Room Acoustics Systems) 即可变室内声学系统是20世纪90年代后期,国际上出现的一种新型的室内声学增强系统。它是由新西兰声学专家M.A.Poletti研发，美国LCS(LEVEL CONTROL SYSTEMS)开发生产的多声道电子混响系统。
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+ O3 F. k1 Y0 {( u6 @' v+ w' o$ N/ i    VRAS继承了以往几十年来“诸家”室内增强系统的技术与经验，并就现有系统（如MCR，ACS等）所存在的一些不足与问题有针对性地进行了改进。VRAS最基本的是“耦合房间”─ 电声耦合的理念，其核心是以一个专门设计制作具有单一性质的“数字式电子混响器”代替“真实的耦合空间”，这种新型的非直连式系统与以前的系统相比可自然地控制着局部和整体室内声学特征，系统的混响增益与响度增益无关，能更好的抑制可能出现的声染色，得到更高质量的声音重放。并且VRAS所要求的声道数目(与MCR系统相比)要少得多，具有更高的性能价格比。
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) s8 p. P3 q+ X    五、典型系统的应用实例
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* _2 t/ u9 k3 p    法国里昂（Lyon）音乐厅的MCR系统
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. Z, ^9 q+ `7 g1 y0 _  w    里昂音乐厅是40年前建造的，观众厅容积22,000立方米，观众座席2078人。主要用途是交响乐、轻音乐、芭蕾舞剧和歌剧等。由于当时厅内音质效果不是很好，室内曾改过几次包括天花和侧墙等。但几经改动，仍不够满意，特别是舞台上的声音不佳（舞台空间较高）。1993年开始设计、安装MCR系统，首先是从舞台上开始的MCR取得了成功，剧院和使用者都感到了满意，随后才把MCR再推向观众厅。该系统最终完成是在1997年11月，这是一套模拟系统，共有46个声道，舞台上14个声道相当舞台反射罩，观众厅32个声道。观众厅空场中频混响时间的变化从开始的1.65秒增至2.15秒，分四级控制。
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# s7 Q" ]8 i; e2 M. L# D    香港葵青剧院的ACS系统
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" R8 H2 N8 r7 D9 O    葵青剧院是香港新建的多功能剧院于1999年11月正式开幕。使用功能主要是话剧、戏曲、室内乐、歌剧和交响乐等。剧院观众座席900人，剧院开始设计时就纳入了ACS系统，主要解决观众厅池座的近次反射声和实现观众厅混响时间可变，中频混响时间的变化范围是从开始的1.1秒增至2.5秒，分八级控制。该系统使用了18只传声器和44只扬声器（或音箱）。MCR系统的实际应用已有30余年的历史，MCR已完成由模拟系统到数字系统的转变，在欧洲许多国家新建或改造的多功能剧场、音乐厅等场所得到了广泛的使用。在近20年的时间里在世界范围（主要是欧洲和美国）有40多个新建或改造的多功能剧场安装使用了ACS系统。且VRAS系统在美国的一些剧院和教堂中也得到了使用。

    六、“电声方式”与“机械方式”实现混响时间可变有何主要异同

* z! U% b0 M/ n" x9 e    实现室内混响时间可变基本上有两种，一是“机械方式”，二是“电声方式”。
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7 e0 ^5 L6 s8 v6 n    机械方式（又称无源控制）是一种传统的技术措施，它是通过改变厅内的容积或改变墙壁、天花板等部位的吸声材料与结构，亦即改变室内的总吸声量来达到调正混响时间的目的，这种方式的优点是“全建声”效果。

    电声方式（又称有源控制）是采用电声设备，通过电声声场控制技术来控制厅堂的混响时间或其他声学特性。从某种意义上说“电声方式”比“机械方式”更灵活、更方便。它不仅实现了混响时间可变,而且还可以对声场进行“修正”，如近次反射声、声扩散以及混响时间频率特性的调整等（这些对“机械方式”是困难的）。特别是“电声方式”可调整的混响时间范围大（可以是2－3倍），而“机械方式”要改变0.5秒已需要付出很大努力。

7 m+ M6 H9 v2 S' Q8 {3 a7 A    七、可变室内声学系统与歌舞厅的混响效果器有何不同
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6 Z' U$ O9 _' P    从使用目的、音质效果和系统构成等诸方面来看，两者截然不同。歌舞厅的混响效果器是接入扩声系统的，把原信号与加工处理后的信号经混合一并由扩声系统送出。其使用目的主要是为音响效果“营造”一种气氛，就听感的音质而言会觉察出有明显的失真(但这往往是可以接受的)。


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& y3 ~' P3 R8 ]5 h, j  k: Q    而可变室内声学系统与扩声系统是完全独立的两个系统，它的使用目的是为了改变室内声学环境(也可以说是为了改变室内建声特性)。它所建立的声场具有完全自然的时间特性和空间特性，具有空间的相干性，是真正意义的三维声学空间，可以说是用现代的电声技术来创造一个忠实自然的人造声学环境。

' C: W# ]* P# j  T4 V    八、可变室内声学系统的音质效果如何
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    无论是哪一类型的可变室内声学系统，只有严格控制系统增益才能保证系统的稳定性，以保持良好的声音质量而不带来音色的改变。我们知道，在一个均衡良好的传输线路中，平均信号和峰值信号的电平差值约为10～12dB，一个放大环路要保持稳定和防止产生声音染色，环路增益不应高于－5dB。因此，从理论上讲，每个声道的回路增益g2=－17dB(=0.02)，在实际应用中，常把回路增益g2控制在－19dB(即0.0125)。这很像一个高质量的扩声系统。通常扩声系统的稳定增益是指从系统刚刚出现声反馈(或啸叫)的这一点计，再把系统增益调下6dB的值。因为系统的稳定性决不只是维持不“啸叫”为限度，从“啸叫”至“稳定”这段会带来声音的“染色”效应。另外，可变室内声学系统与扩声系统不同的是，它不是以增加观众厅的响度为目的。实践表明，在国外许多剧场使用了可变室内声学系统，而人们几乎察觉不出系统运行的存在。

    九、可变室内声学系统的
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    调试与使用

) P1 l' r8 k$ r3 J' |; m    可变室内声学系统采用计算机和相应的系统软件在现场进行系统调试。可变室内声学系统的使用十分简单、方便，系统调试好并预先设定后无需专业人员进行控制与操作。如上所述它和扩声系统是完全独立的两个系统，系统的控制是由控制“小盒”来完成的。在欧洲，一些剧院控制“小盒”通常分别设在音响控制室、剧院经理室或售票室。经理可根据当日演出的剧目和售出的票数多少，在控制小盒上选取相应的“按键”，即从混响时间分档中选取一个合适的混响时间及座席百分数就可以了。这能使剧院观众厅会获得一个满意的、最佳混响时间，以保证演出具有良好的音响效果。



    十、可变室内声学系统在我国应用的前景如何    除单一功能的专业性剧场如音乐厅、歌剧院外，现今世界剧场发展的主流仍是以能适应音乐、歌舞、戏剧演出乃至包括会议使用的多功能剧场，现代科学技术的发展与进步为剧场满足多种演出条件提供了可能。《演艺器材资讯》2001年第四期发表的宋效曾先生的文章“浅析多功能剧场建设”一文中就明确提到，我国“......各省、市、自治区许多剧场在建或筹建项目都采用了上述模式（指上海大剧院、北京保利剧院），多功能剧场建设成为剧场建设的主体......”。

    问题是，一个真正意义上的多功能剧场，观众厅的声学混响时间必须是可变的，例如一个又演歌舞剧，又演话剧和交响乐的剧场就面临声学的大矛盾，交响乐的混响时间合理度为1.8秒左右，歌舞剧为1.4秒左右，话剧为1.2秒左右。如何使混响时间去适应三个不同的剧种？目前看只有用“可变室内声学系统”是行之有效的方法。只有声学环境与使用目的相适应才能保证良好的音质效果。

( Z. S  O. P2 b4 p5 U    由于以往国内人员对可变室内声学系统的实用技术了解的不够等多种原因，该技术在国内剧场中未得到应用。目前国内已有剧场开始配置或准备采用可变室内声学系统，以形成一个真正意义的多功能剧院，这是非常可喜的。国内有条件改造的已建多功能剧场（或多功能厅），可以通过可变室内声学系统来完善多目的的使用功能。对于新建的多功能剧场（或多功能厅）应用可变室内声学系统在设计观众厅容积时可按每座5～6立方米的标准进行，就可很好地满足音乐的使用要求，因而可以大大减少建筑的容积，进而节省建筑、空调、供暖和照明诸方面的投资。

    实践表明，可变室内声学系统在多功能剧场中的使用，使一般听众意识不到有电声系统在工作，是提高或改善大厅音质的有效手段。