探讨可变混响技术的声学参量变化规律

杨志刚

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

1 可变混响技术应用的必要性

1.1 多功能是剧院运营的需要

剧院建筑具有三大特点，机电设备（舞台机械、舞台灯光、音视频系统以及空调水泵等）多，体量（大厅、观众厅、舞台空间以及后勤空间等）比较大，投资大（动辄几亿、十几亿甚至几十亿）。机电设备多和体量比较大，使得剧院运营成本非常高。如果一个剧场只是单一功能，则利用率会偏低，后期的运营成本更大，大量投资起不到应有的作用。因此，国内剧场一般都是多功能的，主要是为了提高利用率、增加经济和社会效益。

1.2 专业音乐厅也有多功能的需求

音乐包括声乐和器乐两大类，按表达形式和旋律风格来分，音乐的种类比较多（如歌唱类声乐，摇滚乐、爵士乐等流行乐；交响乐类纯音乐等），不同的音乐对音质要求也不相同。即使是交响乐等纯音乐，浪漫时期的旋律结构与古典时期有所不同，其对音质要求也不同。不同的乐队指挥和演奏者对同一音乐的理解不同，对音质要求也不一样。

1.3 不同的使用功能要求音质参量可变

为适应多功能需求，要求厅堂音质参量可变。其中，混响时间是最主要的音质参量之一。通过对不同表演类型的长期观察、测量与评价，参照美国声学专家Beranek著的《音乐厅和歌剧院》（第二版）以及近年来新建交响乐厅混响时间变大的趋势，给出不同使用功能混响时间范围的建议值（见表1）。

所谓可变混响技术，是指可以调节厅堂音质参量的方法和措施。一个厅堂要满足不同使用功能，并且使不同使用功能都具有良好的声学效果，就有必要采用音质参量可以调节的技术。由于早期的厅堂音质设计只有混响时间单一的参数指标，因此，可变混响技术就泛指厅堂音质参量的可变技术。

2 五种可变混响技术声学参量的变化规律

根据音质参量调节方式的不同，可以把可变混响技术的实现方法分为五类，分别为改变吸声量、改变体积、增设耦合空间、增设音乐反声罩和电声可变混响技术等。当然，也可以两种或两种以上方法一同使用，如改变体积的同时也可以改变吸声量，增设耦合空间的同时也可以改变吸声量等。

表1 不同使用功能的混响时间建议值

为了全面了解五种可变混响技术的声学参量变化规律，以苏州文化艺术中心1 200座大剧院为原型进行计算机模拟分析，并做全面地对比分析。选取的声学参量参照国际标准ISO3382和GB/T36075.1-2018《声学 室内声学参量测量 第一部分：观演空间》的建议（见表2）以及常用的混响时间T30和双耳听觉相关系数（1-IACCE3）。

采用的模拟软件为ODEON 15.15 Combined。初始状态为交响乐模式（有乐罩），混响时间T30控制在2 s左右（见图1）。声源设置在舞台边缘向内3 m的中心线上，距离舞台地面高1.5 m。在观众席共设置16个测点，均离舞台地面高1.2 m，声源和测点布置见图2。计算机模拟的所有参量均为空场状态，除了IACCE3为500 Hz、1 kHz、2 kHz三个倍频带的平均值外，其他参量均为500 Hz和1 kHz的中频平均值。LEV是根据2003年Soulodre、Lavoie和Norcross通过大量实验数据推导的公式计算而来的：LEV=0.5G(Late,mid)+10 log[1-IACC(Late,mid)]，其中GLate=G-10 log(1+C80/10)。

2.1 改变吸声量

根据赛宾公式，混响时间与吸声量成反比，增加吸声量，可以降低混响时间。改变吸声量的措施主要有可调吸声帘幕和其他可调吸声构造（如翻板式、圆旋转式、升降式等）。其中，可调吸声帘幕因结构简单、占用空间较少、造价比较低等优点，应用非常广泛。

吸声帘幕一般布置在后墙的情况比较多。同时，由于中间位置多为灯控室、音控室的观察窗和追光的开窗，因此，只能布置在后墙两边，后墙吸声的计算机模型见图3（红色区域为吸声材料布置位置）。表3为增加吸声量前后音质参量的变化情况（计算机模拟分析）。为了验证计算机模拟结果的可靠性，表4采用无锡大剧院（图4）和山东潍坊音乐厅（图5）部分音质参量的实测数据加以验证。

表2 国际标准ISO3382和GB/T36075.1-2018建议的声学参量

表3 增加吸声量前后音质参量的变化（计算机模拟分析）

图1 初始状态计算机模拟内景图

图2 声源和测点布置图

图3 后墙吸声的计算机模型内景图

图4 无锡大剧院（吸声帘幕布置在顶部）

结论：增加吸声量（布置在后墙），混响感变小，明晰度增大，主观声级变小，空间感中的表观声源宽度基本不变，而听者包围感降低。

图5 山东潍坊音乐厅（吸声帘幕布置在上部侧墙和部分前后墙）

图6 顶部提升3 m的计算机模型内景图

图7 深圳南山文体中心大剧院（吊顶可升降）

2.2 改变体积

根据赛宾公式，混响时间与体积成正比，增加体积，可以提高混响时间。由于改变体积多数采用机械升降的方式，造价比较高，需要舞台机械和建筑结构紧密配合，因此在国内应用得比较少。在国内剧场，增加体积多采用提升顶部的方法，图6为顶部提升3 m的计算机模型。国内已知的采用这种方法的有深圳南山文体中心大剧院（7块可升降吊顶，见图7）、北京电视台剧场（可升降面光桥，见图8和图9）、上海音乐学院歌剧院（幅度约2 m的可升降吊顶，见图10）和苏州文博中心大剧院（幅度约5 m的可升降吊顶）等。计算机模拟分析数据见表5，实测数据验证见表6。

结论：增加体积（顶部提升），混响感增大，明晰度减小，主观声级变小，空间感中的表观声源宽度基本不变，而听者包围感略有降低。

计算机模拟的主观声级G值变化比较小，主要是因为台口附近吊顶并没有提升，而深圳南山文体中心大剧院提升的是靠近台口的7块吊顶。因此，在增加体积时，尽可能采用提高远离声源的吊顶（中后吊顶），这样主观声级下降会比较小。

表4 增加吸声量前后音质参量的变化（实测数据验证）

表5 增加体积前后音质参量的变化（计算机模拟分析）

表6 增加体积前后音质参量的变化（实测数据验证）

图8 北京电视台剧场（面光桥升起）（摄影：丰其云）

图9 北京电视台剧场（面光桥降下）（摄影：丰其云）

图10 上海音乐学院歌剧院（吊顶可升降）

2.3 增设耦合空间

图11 增设耦合空间的计算机模型内景图

图1 2 英国伯明翰交响乐厅（来源：E c o Mechanical & Electrical Ltd）

图13 美国梅耶森交响乐厅（来源：http://www.vueaudio.com/）

耦合空间是指厅堂中存在的一些附属空间（又称混响室），这些空间使主厅内声学特性的变化过程呈现非线性衰变（双折线或多折线）。耦合空间声场的这种特性使得“长混响”和“高明晰度”这两个一直被认为相互对立的音质参量得到较好兼容。计算机模型增加的耦合空间设置在舞台的四周和观众厅的侧部，耦合开口均开在侧面的上部（尽量减少对早期侧向反射声能的影响，见图11），计算机模拟分析数据见表7。英国伯明翰交响乐厅的耦合空间设置在舞台的周边以及侧墙的上部（见图12），美国梅耶森交响乐厅的耦合空间设置在最高坐席的周边（见图13），用这两个音乐厅的实测数据验证计算机模拟分析的部分声学参量的可靠性（见表8）。

结论：增设耦合空间（布置在舞台周边和观众厅侧部，耦合开口位于舞台和观众厅的上部），混响时间延长比较多，而早期衰变时间变化比较小，明晰度增大，主观声级变小，空间感中的表观声源宽度基本不变，而听者包围感降低。

耦合空间相当于有能耗的延时器。因为进入耦合空间的声能需要进行多次反射、额外多走许多路程，才能从耦合开口反射出来。行走的路程多了，自然就会产生延时，同时，由于空气和各界面的吸收，能量一定会产生损耗。由于耦合空间的开口多布置在舞台和观众厅的上部，调节的多是后期反射声，因此，厅堂早期的能量和衰变曲线并没有太大变化。但是，后期部分声能由于延时而造成能耗，所以，后期的总能量变小。因此，明晰度C80和明晰度D50就会提高。

2.4 增设音乐反声罩

剧院为了演奏交响乐，一般都会在舞台上增设音乐反声罩以改善音质效果。增设音乐反声罩前后音质参量的变化情况（计算机模拟分析）见表9，哈尔滨大剧院（见图14）和孝感文化艺术中心大剧院（见图15）的实测数据验证见表10。

表7 增设耦合空间前后音质参量的变化（计算机模拟分析）

表8 增设耦合空间前后音质参量的变化（实测数据验证）

表9 增设音乐反声罩前后音质参量的变化（计算机模拟分析）

图14 哈尔滨大剧院

图15 孝感文化艺术中心大剧院

结论：增设音乐反声罩，混响感增大，明晰度减小，主观声级变大，空间感中的表观声源宽度基本不变，而听者包围感增强。

音乐反声罩就像在声源的后面加了一个放大器（或声能聚拢器）。增加了主观声级，延长了混响时间，提高了音乐混响感和舞台支持度，便于乐队之间的相互听闻。

2.5 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，包括拾音的传声器阵列、数字信号处理单元和扬声器阵列等，利用数字信号处理技术实现改变音质的效果。经传声器阵列拾取的自然声信号，经过信号处理单元的运算处理后，再通过扬声器阵列进行适当的复现。扬声器阵列的设计准则是建立“虚拟”的墙体和吊顶，并利用数字信号处理的方式调节扬声器阵列的大小和延时，以取得和真实物理边界相一致的反射声序列，从而实现真实物理边界一样的音质效果。与扩声系统中的电子混响效果器相比，电声可变混响技术建立的声场具有完全真实物理边界的时间特性与空间特性。

表10 增设音乐反声罩前后音质参量的变化（实测数据验证）

表11 增设乐罩和采取电声可变混响技术的音质参量变化规律

电声可变混响技术可以模拟世界著名厅堂（如维也纳金色大厅）的音质效果。事先采集世界著名厅堂主要测点的脉冲信号，然后通过信号处理单元的运算处理，使得现有厅堂的主要测点完全符合世界著名厅堂的脉冲信号，从而具备某著名厅堂的良好音质效果。

与建声可变混响技术相比，电声可变混响技术的应用场合与应用范围更广，音质的可变性更强，且无需大兴土木，方便灵活。缺点是无法降低厅堂原本的混响时间，且可能由于系统稳定性问题而引起声染色。

大连国际会议中心剧院采用的是VIVACE电声可变混响系统，可能由于担心听众能够听出声音明显来自于墙面或顶面的扬声器，造成听感不舒服，所以，电声可变混响技术一般不会把声音的主观声级调得太大，明显比采用乐罩条件的主观声级小（见表11）。采用E-Coustic系统的易科国际深圳总部多功能厅的测试数据中也发现类似规律。由于主观声级比较小，在较大观众厅的中间位置听感并不明显。当然可以把主观声级调高，但距离墙面和顶面比较近（即离扬声器比较近）的观众就能明显听出声音来自就近扬声器。因此，在比较小的场所（如多功能厅、小剧场等），采用电声可变混响技术听感会比较好。

3 结论

从五种可变混响技术音质参量的变化规律（见表12）可以看出，增加吸声量是为了降低混响时间，提高明晰度；增加体积是为了延长混响时间，提高混响感；而增设耦合空间的目的是延长混响时间，提高混响感的同时，也提高（或不降低）明晰度。但是也都会不可避免地带来副作用，主观声级和听者包围感降低。

表12 五种可变混响技术音质参量的变化规律汇总表

增设乐罩与增加体积相比，不仅能起到延长混响时间、提高混响感的目的，同时还能提高主观声级、听者包围感和舞台支持度。

电声可变混响技术可以按需调整反射声序列（只可延长不能缩短混响时间），它可以模拟多种建声可调混响状态，方便灵活，应用场合和范围更广。缺点是无法降低厅堂原本的混响时间，不如建声效果自然，调试不好可能有声染色问题。

由于大家都认识到早期侧向反射声能的重要性，一般不会改变池座侧墙的特性。因此，各种可变混响技术并不会改变表观声源宽度ASW和亲切感ITDG。