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摘要：随着电子技术与声音技术的融合，电声学也逐渐成为一个新兴的细分领域并得到迅速发展，可变混响电子建筑声学采用先进的电子处理技术、微型驱动单元技术，通过电子手段来改变房间声学特性的想法，实现表演厅堂对不同类型的演出要求声学条件。

关键词：可变混响；建筑声学；多用途剧场；电子声学；

一、现代室内建筑声学概述

现代室内建筑声学科学始于19世纪90年代和20世纪初美国物理学家塞宾在福格艺术博物馆的演讲室里做的混响实验，并由此产生了他著名的混响时间公式：

T= ，式中T为混响时间，V为厅堂体积，A=） ，S为表面积，为吸声系数；

塞宾将厅堂混响时间定义为：声能衰减60dB所需要的时间。对于特定频率的混响时间是室内声音达到稳定状态，声源停止发声后残余声音在房间内反复经吸声材料吸收，平均声能密度自原始值衰变到百万分之一所需的时间，用T60或者RT表示。混响时间是评价建筑声学的重要参数，混响时间过短，声音发干，枯燥无味，不亲切自然；混响时间过长，会使声音含混不清；合适时声音圆润动听。

人们在确定房间特定用途的首选混响时间方面做了大量的研究工作。下表列出了对于不同的表演类型最合适的混响时间：

表演类型：混响时间（秒）;

管风琴音乐：>2.5秒;浪漫主义古典音乐：1.8-2.2秒;早期古典音乐：1.6-1.8秒

歌剧：1.3-1.8秒;室内乐演奏： 1.4-1.7秒;戏剧：0.7-1.0秒;电影播放：0.4-0.7秒

二、可变房间声学概述

厅堂的设计由于对不同类型的演出要求不同的声学条件而变得复杂。在某些情况下，厅堂是为了特定的表演而建造的，比如歌剧院，但在许多情况下，一个场地在经济上不可能只举办一种类型的表演，因此必须为多用途提供一系列的声学条件。

有许多技术被用来提供可变的声学效果。混响时间可以通过改变房间的吸声量来改变：例如通过在墙面上拖动吸声窗帘或幕布；使用铰链式翻板，一边是反射性的，另一边是吸声性的；或者吸声材料的部分可以用可打开百叶窗覆盖。可变吸收的缺点是会导致声压级的变化，过多的吸收可能会严重降低响度，并减少横向反射和扩散。

控制房间声学的第二个手段是调整房间容积，比如通过可升降的天花板来改变房间的容积。然而，这种技术造价高昂，并且在一般的剧院中并不实用。一种更简便的技术是将额外的声学空间与主厅堂分开，比如利用厅堂天花板上的空间，在天花板上设置可开关的百叶窗，就可以实现房间混响的有效改变。这种技术曾被用于新西兰的Bruce Mason剧院，天花板上的百叶窗关闭时混响时间为1.1秒，打开后为1.7秒。有人指出，在某些情况下，额外容积的耦合会导致听众认为混响的声音来自于房间外，这表明了额外的容积会导致声场缺乏扩散性，从而造成听感不自然。

声学专家和建筑师通过传统建筑声学的技术来改变房间的声学特性也做过很多尝试，一般来说这类厅堂的造价都相当昂贵，并且声学可调整的程度有限，一般混响时间可调整的幅度不超过1秒。由此，随着电子科技的发展，电声专家产生了通过电子手段来改变房间声学特性的想法。

三、电子可变房间声学

电子可变房间声学系统从系统架构上类似于扩声系统，但试图增强房间的自然声学，而不仅仅是直达声。系统通常包括许多个扬声器，使用延迟来创造自然房间中不存在的反射，并可以使用电子混响器来增加辐射信号的氛围感。使用任何电声系统的主要风险是：从扬声器到传声器之间形成的声能反馈。系统在过高增益下会产生 "振铃 "或 "啸叫 "的声音。因此必须保持一个合理的稳定余量，以避免这些问题。

电子声学增强系统的发展有两个方向。在第一种情况下，声学增强系统是一种更复杂的扩声系统，即用一个或多个定向传声器感应舞台上的声源，并尽可能地靠近它们，拾取直达声信号，处理后通过扬声器扩散到房间。该系统通过使用指向性传声器和扬声器来避免从扬声器到传声器的反馈。时变处理技术经常被用来避免声反馈。这些类型的系统已被称为直连式或非再生系统。 使用直连式这个术语是因为源信号直接从源头传输到终端，没有反馈，在概念上是一条直线。直连式系统的优点是可以产生足够的早期反射能量，但由于其针对舞台表演区域拾取声源，无法提供一个全局的建筑声学响应。

在第二种类型的系统中，目标是对房间里的所有声源进行平等地增强。系统的传声器通常是全向的，拾取房间内的所有声能。由于传声器处于包括扬声器在内的所有声源的混响场中，再生是此类系统的固有部分。因此，这些系统被称为再生或非直连系统。这类系统提供了混响时间的整体增强，而不是特定位置上的少数声源的增强。

相对于传统建筑声学的方法，使用电声的方式来改变房间的声学特性，建筑整体的造价更低，改变混响时间的幅度也更大，并且可以做到即时响应，快速调整房间的声学特性。

四、1200座剧场电子建筑声学增强系统

4.1剧场建筑概况

1200 座剧场将用于歌剧、舞台剧、戏曲、综艺演出及各类音乐，包括交响乐演出，同时还兼有会议的功能，属于真正意义上的多功能剧场。

观众厅的平面形状接近传统的马蹄形，该平面形式的特点是在保证具有良好视角和视距的条件下，可以容纳较多的观众，并且绝大部分听众均在直达声的覆盖范围内，因视距较短，密切了观众与表演者的交流，有较好的亲切感。

观众厅池座距舞台台口约 28.8 米，池座最大宽度约 31.4 米，观众区包括一个有起坡的池座区和楼座区，以及楼座区向舞台方向延伸的侧向楼座区，形成较好的空间视觉围合感。

观众厅池座后方设有灯控、音控室等附属用房，楼座后方上端设有追光室。舞台台口宽度为16 米，高度为 9.45 米。按照声学设计考虑的吊顶形式及高度，观众厅内的有效体积约为11045 立方米。

4.2剧场功能定位

1200座剧场作为一个多功能的演艺场所，既要满足歌剧、戏曲、综艺演出、舞台剧及各类音乐（包括交响乐）演出，同时还兼有会议的功能。

从声学角度来说，对于不同的使用功能所要求的最佳混响时间是不同的：

交响音乐会（自然声、管弦乐队在舞台上） 1.8—2.2 秒

歌剧（自然声、配有管弦乐队演出） 1.4—1.7 秒

戏曲、综艺（使用扩声系统） 1.2—1.4 秒

音乐剧和音乐会（使用扩声系统） 1.2—1.3 秒

会议（使用扩声系统）1.2 秒

对于上述这些不同的使用功能，观众厅内最佳混响时间的要求是不同的。

前文已阐述了观众听感与建筑声学特性的关联。针对不同的使用方式，如自然声演奏的交响音乐会，剧场应能为舞台上的演奏家和指挥提供足够的声能，同时向观众席传递音乐的演奏内容，需要较强的早期反射和混响能量，从而确保足够的响度以及混响感来确保音乐的艺术性。而对于采用扩声系统的音乐演出，就需要较短的混响时间，以有利于响度的控制及达到音效的平衡感。而对于以语言清晰度为主的会议类活动，更短的混响时间和平直的混响时间频率特性，有利于达到优良的语言清晰度。

4.3电子建筑声学增强系统

电子建筑声学增强系统是对于建筑声学的一种增强，其对如下内容的控制具有一致性：声学处理应该是全面的、发散性的，能够提供近乎线性的混响时间增加，处理过程是全频段的。对于在任何表演区或者听众区域的声音源或声音接收都能提供早期直达声，以及直达声之后的反射声，而且没有任何音调的转移变化，也不应增加一些在物理建筑声学中不可能听到的人工处理痕迹。

全面改变一个房间的声学特性意味着不管声音的接收是在舞台还是观众区，声音源在舞台上或观众区内的任何位置，房间声学特性的变化都必须能被测量以及量化。主动建筑声学应该既能全面的改变整个房间的声学特性，同时也能为表演区和听众区提供足够的早期反射声。

电子声学增强系统为每个处理区域提供非相关的声学信号，并且通过提供足够的侧墙、后墙以及顶部扬声器覆盖，从而为每个声学区域中每个座位提供均匀的声学信号变化。

1200座剧场观众厅及舞台配置了电子建筑声学增强系统，该系统将增加观众厅内的混响时间及改变其他声学参量。系统将主动式声学技术与空间的物理结构相结合，产生自然的声音，具有最佳性能空间的听觉特性。系统是由Mark Poletti博士提出的VRAS算法专利作为核心技术来实现的。

VRAS算法同时结合了上文阐述的直连式系统和再生式系统各自的特点：直连式系统适用于控制局部房间属性，如早期：反射、视源宽度，而再生式系统适用于控制全局房间属性，如混响时间和混响能量包络。

在此混合式算法的基础上，可变声学系统使用了线性的声学环能组件：传声器和扬声器，保证系统的声音还原质量。并通过合理的设计和严谨的系统实施过程来确保系统达到预期的效果。

4.4剧场可变声学系统规划

上文提到可变声学系统是对于建筑声学的一种增强，系统的设计基于建筑的基础室内声学的一系列数据。对于1200座剧场，建筑基础声学混响时间为1.2秒，观众厅容积为11045立方米，系统混响半径约为5.5米。

可变系统设计共使用了56只微型传声器和176只扬声器按需求布置于剧场建筑内。舞台及台口表演区悬挂20只心形传声器用于拾取表演的直达声能；在观众厅天花悬挂24只超心形传声器拾取剧场整体的声能；楼座下区域设计12只全向传声器用以拾取楼座下的声场。

所拾取的声能信号均由统一的VRAS房间声学引擎进行处理和矩阵分配。声学处理引擎根据房间的形状和尺寸对所拾取的声能信号进行处理，比如将舞台的直达声能通过增加离散的早期反射能量，并以一定序列的延时发送到剧场不同部位的扬声器中进行扩散。如图所示的是系统整体的框图，包含了拾音、处理、扩散以及控制部分。

图：大剧场可变声学系统连接示意

扬声器布局设计需考虑到系统所要达到的最大可用混响增幅以及扬声器与听众的一个临界距离。首先，扬声器对拾取信号的放大功率决定了系统的整体混响能量的提升，为了达到预期的混响能量增幅，系统设计要计算所有扬声器的总功率需求。其次，为了整体的声学效果自然，系统必须确保剧场内的每一个座位的听众都不会对声源有定位感，即满足剧场内良好的声扩散性，这就要求将系统的总功率分配到一定数量的扬声器中承担，从而减少单只扬声器的辐射功率，消除定位感。而除了混响时间以外，前文叙述过混响时间-频率的特性对于听感也至关重要，需要设计一定数量的低频扬声器用以调整系统混响频率的特性。最后，扬声器的布局也要符合建筑本身的形状，从而与建筑结构融合。扬声器的选型、间距、位置以及使用功率。

4.5系统调试

在完成正确的设计和精确的安装之后，系统的所有调整和预置都在计算机软件中进行，该软件允许同时从多个无线客户端计算机控制系统。系统根据所需的目标混响时间进行校准调试。在调试前，通过先进的自动化软件，系统自动测量记录了所有传声器和扬声器的数据，调试工程师根据这些客观的数据对系统中的传声器和扬声器进行校准。

在系统调试前还需要测量厅堂原始的声学参数：混响时间T20（如图9中System off显示），低频比例（bass ratio），早期衰变时间（EDT），清晰度（C80）。在测量了厅堂原始声学参数后，可变声学系统可以根据不同使用需求调节以下声学参数：混响（混响时间RT，早期衰变时间EDT）；亲切感 （初始时间间隙ITG）；响度（响度因子G）；清晰度（C80）；以及温暖感（低频比例和低频强度）。调试团队针对世界上著名的音乐厅堂的声学特性进行分析，总结出适应不同节目类型的混响时间-频率曲线以及影响主观听感的一些客观声学参数，并针对不同的预设需求去接近目标曲线和目标声学参数。

除了对客观声学参数的调整以外，可变声学系统调试还包括主观优化。主观优化过程包括： 平衡感和侧向能量的调整（包括舞台和观众席）；早期反射能量、密度和衰减；为舞台、剧场左右和挑台等区域设置混响时间和强度。

经过一周的反复测试、调整，可变声学系统可以做到混响时间自1.2秒至5秒的改变，并针对剧场的使用需求编辑了不同的预设。调试后，可变声学可根据不同演出需求，快捷地调整厅堂声学特性，并确保声音自然。即可以通过专业音频测量工具来测量厅堂的客观声学参数，又可以满足主观听感的考验。

可变声学系统控制通过一个简洁、直观的用户界面进行操作，只需要一个按键即可调取预设，实时地改变舞台区以及观众区的混响时间及其他相关的房间声学参数。

五、总结

在多年舞台艺术发展及审美提升过程中，人们逐渐认知到演出声学环境与艺术呈现形式之间需具备足够好的匹配性与适用性，即针对不同的节目类型应有不同的、与之相匹配的声学环境，声学环境与演出种类相契合，才能提供更为良好的最终听感效果。在这个过程中，一直努力探寻一种更简便、有效的方法，改变混响时间的幅度，可以做到即时响应，灵活地实现艺术呈现形式与声学环境的结合，

参考文献：

[1]戴璐. "可变混响系统的分析与构建." 中国传媒大学学报：自然科学版 25.5（2018）：6.

[2]金骁. "国内剧场电声可变混响系统的实际使用情况分析." 演艺科技 7（2020）：3.

[3]尼尔斯·维尔纳·阿德尔曼-拉森. "用于房间的可变声学技术."， CN110520579A. 2019.