孟子厚 戴璐 李志雄 徐偉掌 張婧穎 何穆

[摘要]綜述國內(nèi)專業(yè)音響行業(yè)對聲場控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，包括中國傳媒大學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究、音王公司基于物理仿真的聲場控制技術(shù)研發(fā)和聲場聲效補(bǔ)償和調(diào)諧技術(shù)、勵(lì)豐公司基于閉環(huán)控制的聲場控制技術(shù)的研發(fā)、飛達(dá)公司的電影音響低音增感技術(shù)的試驗(yàn)研究，以及傳媒大學(xué)、音王公司、飛達(dá)公司等在電影全景聲聲場和聲效技術(shù)上的應(yīng)用研究等。

[關(guān)鍵詞]觀演環(huán)境;聲場控制技術(shù);可變混響技術(shù);實(shí)驗(yàn)研究;應(yīng)用

文章編號(hào)：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.03.006

1引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，文化設(shè)施的建設(shè)也納入了社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)的范疇，除了大型的地標(biāo)性的文化設(shè)施，地區(qū)性、社區(qū)性的文化觀演設(shè)施的建設(shè)是未來文化設(shè)施建設(shè)的主要任務(wù)。根據(jù)國家文化設(shè)施建設(shè)規(guī)劃的要求，在未來一段時(shí)間內(nèi)，縣級(jí)以上的建制地區(qū)都要建成“四館”設(shè)施，這其中就包括演藝場館的建設(shè)。這類文化演藝場館建設(shè)中，綜合性的多功能場館是未來基層演藝場館建設(shè)的主要形態(tài)，但是多功能演藝場館所需要的聲場聲效控制技術(shù)嚴(yán)重滯后于建設(shè)需求。針對這種情況，需要研究在多功能場館中用重放聲構(gòu)建音樂廳、歌劇院、戲劇場、影院等演藝空間的聲場和聲效的技術(shù);需要研究創(chuàng)新性的、適用的聲場構(gòu)建和聲效控制技術(shù)理論、方法和關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備，從而推動(dòng)相關(guān)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，打破國外在此技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，推動(dòng)中國專業(yè)音響制造業(yè)從“大”向“強(qiáng)”的轉(zhuǎn)變，為各類聲音藝術(shù)觀演提供更加靈活、適用、新穎、生動(dòng)的藝術(shù)科技創(chuàng)作手段。

為了配合國內(nèi)文化設(shè)施建設(shè)的需求，專業(yè)音響行業(yè)的相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)早在十幾年前就開始在跟蹤消化國外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上開展適合國情的聲場控制技術(shù)研究。其中主要的工作有華南理工大學(xué)建筑物理專業(yè)（簡稱“華南理工”）、中國傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所（簡稱“傳媒大學(xué)”）、音王電聲股份有限公司（簡稱“音王”）、廣州勵(lì)豐文化科技股份有限公司（簡稱“勵(lì)豐”）、廣州飛達(dá)音響股份有限公司（簡稱“飛達(dá)”）等。在前期工作中，傳媒大學(xué)、華南理工、音王、勵(lì)豐等開展了聲場構(gòu)建原理性仿真和實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聲場構(gòu)建模型、低音增感模型，場景視覺心理對聲效感知的影響模型等。勵(lì)豐開展了聲場和電聲系統(tǒng)的智能化檢測與調(diào)試研究，音王與傳媒大學(xué)進(jìn)行了聲場補(bǔ)償和非線性調(diào)諧技術(shù)的研究。傳媒大學(xué)和飛達(dá)公司進(jìn)行了低音增感的機(jī)理試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)低音增感的核心技術(shù)和處理器。傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化工程中心研發(fā)了用于聲場處理的多通道實(shí)時(shí)卷積處理器，開展了對聲場聲效綜合處理和復(fù)用的關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)平臺(tái)的研發(fā)。

經(jīng)過十幾年的自主研發(fā)工作，國內(nèi)專業(yè)音響行業(yè)的相關(guān)企業(yè)在多功能演藝場館的聲場控制技術(shù)上已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)步，產(chǎn)生了多項(xiàng)成果，研發(fā)了多項(xiàng)聲場控制系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備，并有了初步的工程應(yīng)用。從技術(shù)水平和初步的應(yīng)用效果來看，目前國內(nèi)在聲場控制系統(tǒng)上的技術(shù)水平正在逐漸趕超國外類似系統(tǒng)，既有自己的技術(shù)創(chuàng)新，且針對國內(nèi)文化設(shè)施建設(shè)的適用性，性價(jià)比是國外類似系統(tǒng)所無法相比的。當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)的全面推廣應(yīng)用，還有一些技術(shù)問題需要繼續(xù)研究解決。預(yù)計(jì)未來5年至10年，多功能演藝場館的建設(shè)和對聲場聲效控制系統(tǒng)和技術(shù)的需求將迎來一個(gè)高潮。為了使得社會(huì)和行業(yè)了解國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的水平和現(xiàn)狀，筆者對該領(lǐng)域的主要工作做以下綜述，供相關(guān)建設(shè)、設(shè)計(jì)等單位參考。

2國外相關(guān)技術(shù)概況

聲場控制任務(wù)的核心是控制聲場的混響時(shí)間，早后期反射聲的構(gòu)成比例，用重放聲的手段模擬出不同演出環(huán)境所需要的混響時(shí)間和空間感等。通過電聲手段改變廳堂聲場環(huán)境的方法已經(jīng)使用了幾十年，早在1965年，AR系統(tǒng)利用赫姆霍茲共振方法改變了一座廳堂的混響時(shí)間，之后有電聲公司或研究機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的聲學(xué)原理開發(fā)了數(shù)種基于重放聲的可變混響系統(tǒng)，并一直改進(jìn)優(yōu)化至今。目前市場上主流的聲場控制系統(tǒng)有：

·MCR（Multi-Channel Reverberation）多通道混響系統(tǒng)，F(xiàn)ranssen（Philips），1969

·ACS（Acoustic Control Systems）聲學(xué)控制系統(tǒng)，DeVries，1987

·LARES fLexicon Acoustic Reinforcement andEnhancement System），Griesinger，Barbar，1988

·VRAS（Variable Room Acoustic System）可變室內(nèi)聲學(xué)系統(tǒng)，Poletti，1993

·VIVACE多功能創(chuàng)新聲學(xué)引擎，Muller BBM和Sallzbrenner Stagetec，2008

其中，VRAS是將MCR和ACS兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢結(jié)合并進(jìn)行優(yōu)化而來，并在2005年被Meyer Sound收購，改名為Constellation;LARES為E-Coustic的前身。各類系統(tǒng)的主要原理如下：

（1）ACS（聲控制系統(tǒng)）

以原信號(hào)與系統(tǒng)脈沖響應(yīng)的卷積來附加混響主要是傳聲器拾取舞臺(tái)、樂池多點(diǎn)位的信號(hào)，信號(hào)進(jìn)入前置放大器，進(jìn)行通道均衡，輸出信號(hào)進(jìn)入前期反射聲處理矩陣。再進(jìn)入混響聲處理矩陣，分別分送給對應(yīng)的揚(yáng)聲器。每只傳聲器覆蓋5m²～10m²的舞臺(tái)面積。揚(yáng)聲器的大體布局為：用于音樂會(huì)演出的舞臺(tái)反射罩揚(yáng)聲器在舞臺(tái)空間的上空或四周，前期反射聲場揚(yáng)聲器在觀眾廳前半部的上空或側(cè)墻，混響聲揚(yáng)聲器在觀眾廳的后半部上空或側(cè)墻，舞臺(tái)返送揚(yáng)聲器靠近臺(tái)口并朝向舞臺(tái)。

（2）MCR（多通道混響系統(tǒng)）

以“擴(kuò)散聲場”為對象，主要原理是運(yùn)用大量的放大通道有效地提高混響聲能，從而改變或者延長混響時(shí)間。如果聲源的聲功率保持不變，改變混響聲場的聲壓級(jí)，混響時(shí)間將會(huì)發(fā)生變化?；祉憰r(shí)間的增加與聲壓平方的增加成正比，系統(tǒng)增益的大小取決于放大聲道的數(shù)目。通過需要的混響時(shí)間的變化，可估計(jì)出所需通道的數(shù)目。

（3）VRAS（可變室內(nèi)聲學(xué)系統(tǒng)）

利用電聲耦合，以一個(gè)專門設(shè)計(jì)制作具有單一性質(zhì)的“數(shù)字式電子混響器”代替“真實(shí)的耦合空間”信號(hào)處理器：輸入交叉耦合矩陣、多通道混響器、反饋交叉耦合矩陣、輸出交叉耦合矩陣。傳聲器信號(hào)饋送給輸入交叉耦合矩陣，輸出一路直接連輸出，另一路接入混響器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過環(huán)路增益調(diào)節(jié)反饋到輸入，產(chǎn)生輸入信號(hào)的再生混響，最后送回室內(nèi)揚(yáng)聲器。

（4）VIVACE（多功能創(chuàng)新聲學(xué)引擎）

采用卷積算法，系統(tǒng)中包含在許多著名廳堂所采集的室內(nèi)聲學(xué)特性參數(shù)，利用所采集的參數(shù)將項(xiàng)目廳堂卷積為目標(biāo)廳堂的聲學(xué)特性參數(shù)。系統(tǒng)可以有多個(gè)獨(dú)立處理引擎可以對大廳多個(gè)不同的聲學(xué)區(qū)域進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化。（混響時(shí)間、混響電平、頻率特性、反射密度、瞬態(tài)響應(yīng)的調(diào)整以及對早期反射聲、混響聲進(jìn)行獨(dú)立控制。）傳聲器數(shù)量比較少，一般有4支～12支。

（5）E-coustic（電子聲學(xué)系統(tǒng)）

通過時(shí)變?nèi)斯せ祉懜倪M(jìn)室內(nèi)聲學(xué)，推出專有的聲學(xué)算法，可以精確模擬“房間”所有關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)。系統(tǒng)的硬件采用聲學(xué)處理器和矩陣處理器，聲學(xué)處理器有4個(gè)獨(dú)立的聲學(xué)處理引擎，每個(gè)聲學(xué)處理器對直達(dá)聲、反射聲及混響的聲音能量進(jìn)行獨(dú)立的控制，同時(shí)能夠調(diào)整所有的關(guān)鍵聲頻參數(shù)。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：傳聲器和揚(yáng)聲器可以放置在彼此較近的地方，不會(huì)出現(xiàn)聲反饋帶來的聲染色;同時(shí)，系統(tǒng)可以減少傳聲器的使用數(shù)量。

如上所述，目前市面上比較常見的國外團(tuán)隊(duì)開發(fā)的電子可調(diào)混響系統(tǒng)，其技術(shù)和產(chǎn)品都已經(jīng)經(jīng)歷了十幾年的沉淀和更新?lián)Q代，各項(xiàng)技術(shù)趨于穩(wěn)定，且在國外多個(gè)廳堂里使用。

國內(nèi)目前已經(jīng)有數(shù)座大型劇場安裝有國外聲場控制系統(tǒng)，典型的有青島影都大劇院、敦煌大劇院、天橋藝術(shù)中心、大連國際會(huì)議中心、廣西文化藝術(shù)中心等。這些進(jìn)口的系統(tǒng)雖然技術(shù)比較成熟，但是造價(jià)昂貴、操作復(fù)雜，在國內(nèi)大多水土不服，很多系統(tǒng)從竣工之日開始就基本成了擺設(shè)，很少使用。而且昂貴的造價(jià)不適合國內(nèi)大量的基層中小型多功能劇場的實(shí)際情況和演出需求。因此，立足國內(nèi)文化設(shè)施建設(shè)的特點(diǎn)和需求，在消化參考國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)適合國內(nèi)劇場建設(shè)需求的聲場控制系統(tǒng)是十分必要的。

3聲場控制技術(shù)總體研究概況

聲場控制技術(shù)的核心是環(huán)境的混響控制，也就是可變混響技術(shù)?？勺兓祉懠夹g(shù)有兩個(gè)途徑，一是通過物理手段進(jìn)行混響控制，但是成本太高，除非超大型的演出場館可以承擔(dān)，一般的演出場館難以承擔(dān)高額的造價(jià)。二是通過電聲重放的手段進(jìn)行混響的模擬，這種技術(shù)比較切實(shí)可行，易于推廣，也是未來多功能場館聲場控制的主流。通過物理手段進(jìn)行混響控制主要有三種方法：調(diào)節(jié)室內(nèi)的吸聲量、改變空間體積、利用耦合空間。第一種方法的改變量有限，早期北京建筑設(shè)計(jì)院的項(xiàng)端祈先生等在這方面有過研究和實(shí)際的工程案例。第二種方法實(shí)際的可行性不大，國際上也只有一、兩例成功的案例。第三種利用耦合空間來改變混響的辦法，國際上有許多成功的案例，最顯著的就是新加坡濱海藝術(shù)中心的音樂廳，混響時(shí)間的調(diào)節(jié)可以從1s到4s以上。國內(nèi)目前還沒有建成的成功案例，但是新建的北部灣大學(xué)音樂廳的聲學(xué)裝修擬采用耦合空間控制混響的方案。

對利用耦合空間調(diào)節(jié)混響時(shí)間的研究，國內(nèi)最早是由華南理工大學(xué)的吳碩賢院士開展的，并得到了國家自然科學(xué)基金課題的支持。王福津在2000年前后開始對國外聲場控制技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了考察，介紹了相關(guān)的技術(shù)。浙江大學(xué)建筑系張三明在國內(nèi)最早嘗試?yán)秒娐曋胤拍M廳堂早期反射聲，進(jìn)行了原理性試驗(yàn)研究。中國傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所自2003年開始就開展了有關(guān)混響感知、設(shè)計(jì)和控制等方面的研究，并得到了數(shù)項(xiàng)基金課題的支持，十幾年的研究取得和積累了一定的研究成果。國內(nèi)專業(yè)音響企業(yè)中，開展聲場控制技術(shù)研發(fā)，并已經(jīng)有原型系統(tǒng)和初步工程應(yīng)用的主要是廣州勵(lì)豐文化科技股份有限公司、音王音響股份有限公司、廣州飛達(dá)音響股份有限公司等。其中，音王和勵(lì)豐各自推出了原理不同的聲場控制系統(tǒng)，飛達(dá)開展了利用低音增感技術(shù)來控制聲場感知效果的技術(shù)研究。綜合國內(nèi)相關(guān)的企業(yè)和院校在聲場控制技術(shù)上的研究格局，如圖1所示。

國內(nèi)聲場控制技術(shù)的研究可以大致歸納為四個(gè)方面：聲場構(gòu)建的創(chuàng)新原理研究、聲場智能感知與調(diào)諧控制技術(shù)研究、聲場信號(hào)綜合處理平臺(tái)與關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)、視聽場景聲效補(bǔ)償與控制技術(shù)研究等。除了前述提到的吳碩賢院士、王福津老師、張三明教授等的研究工作，對聲場構(gòu)建的原理與方法研究主要有中國傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所的理論研究，和音王公司、勵(lì)豐公司的實(shí)驗(yàn)和工程研究。傳媒大學(xué)在聲場效果和混響感知方面的研究得到兩項(xiàng)國家自然科學(xué)基金課題：“10474005中國民族器樂最佳聽聞的室內(nèi)聲學(xué)研究”和“10874155主觀混響感的因素分析及聽覺心理研究”的資助，十幾年來投入了數(shù)十名研究生資源在此方向上，以這些工作的成果為核心編撰成《混響的感知與設(shè)計(jì)》（孟子厚，戴璐著，中國建筑工業(yè)出版社，2018年2月），這對聲場聲效理論和技術(shù)研究具有實(shí)用參考價(jià)值。

基于不同的聲場構(gòu)建的理論模型，勵(lì)豐和音王分別獨(dú)立推出了自己的聲場控制系統(tǒng)：基于閉環(huán)控制的聲場控制系統(tǒng)，和基于物理聲場仿真和多通道實(shí)時(shí)卷積技術(shù)的聲場控制系統(tǒng)。在混響感的生成技術(shù)上，低音部分是個(gè)比較困難的問題，音王和勵(lì)豐公司也分別獨(dú)立進(jìn)行了低音混響的技術(shù)研究。結(jié)合電影院的聲場效果感知的特殊需求，飛達(dá)公司和傳媒大學(xué)和作進(jìn)行了低音增感的原理性試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了低音增感處理器。

4基于物理仿真的聲場控制系統(tǒng)——CDC.Revb

音王推出的聲場控制系統(tǒng)CDC.Revb，在2017國際電影電視聲音技術(shù)高端論壇（IFTT）上，受到行業(yè)內(nèi)外專家的好評，榮獲首屆IFTT-CC國際“劁·兿”大獎(jiǎng)。這套系統(tǒng)的技術(shù)原理是基于物理仿真和多通道實(shí)時(shí)卷積技術(shù)的，其算法是在大量的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上形成的，其基本原理是利用舞臺(tái)上空懸掛的傳聲器陣列拾取舞臺(tái)上表演的聲音，通過聲場仿真算法計(jì)算出原有物理廳堂在不同吸聲處理情況下各個(gè)聲音重放位置處的傳遞函數(shù)，然后通過多通道實(shí)時(shí)卷積將舞臺(tái)上各區(qū)域的聲音與傳遞函數(shù)卷積重放，以此來模擬物理廳堂的幾何構(gòu)造不變化的情況下，廳堂在不同的吸聲處理?xiàng)l件下的混響時(shí)間。同時(shí)，該系統(tǒng)也可以等比例放大物理廳堂的尺寸，圍護(hù)結(jié)構(gòu)造型不變，以此來改變廳堂的虛擬體積。

這種算法有別于國外類似的基于卷積技術(shù)的算法，最大限度地保持了原來物理廳堂的特性，虛擬出原來物理廳堂的等比例變形和不同的聲學(xué)裝修所營造出的聲場效果。它所基于的原創(chuàng)研究基礎(chǔ)和技術(shù)特點(diǎn)如下：

原創(chuàng)研究基礎(chǔ)：

·混響感控制因素研究

·音樂聽聞的最佳室內(nèi)聲學(xué)研究

·混響與清晰度關(guān)系的研究

·虛擬空間生成方法研究

·混響感的頻率特性研究

·低頻混響感與處理技術(shù)研究

·自定義陣列分區(qū)拾音技術(shù)研究

·物理空間與虛擬空間耦合技術(shù)研究技術(shù)特點(diǎn)：

·自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

·專利核心聲學(xué)算法和信號(hào)處理技術(shù)

·用于對音樂環(huán)境有較高要求的場合

·與全景聲重放系統(tǒng)的復(fù)用

·基于物理聲學(xué)并運(yùn)用了心理聲學(xué)的原理

·有效增強(qiáng)混響感、空間感和聲場的藝術(shù)表現(xiàn)力

·較高的集成度和靈活的擴(kuò)展能力

·營造虛擬聲學(xué)環(huán)境

CDC.Revb在聲學(xué)功能上的特點(diǎn)，除了控制混響時(shí)間，還可以增強(qiáng)清晰度滿足會(huì)議和話劇表演的需求，可以控制空間感和視在聲源寬度（ASW），滿足各類不同的觀演需求，可以調(diào)節(jié)混響感的頻率特性，并自由進(jìn)行聲場模式之間的切換。CDC.Revb在技術(shù)和工程上的創(chuàng)新特點(diǎn)包括基于物理聲學(xué)和心理聲學(xué)試驗(yàn)的自然聽感，可以在不改變混響時(shí)間的條件下控制混響感，吊掛在舞臺(tái)上方可以自由升降的傳聲器陣列，以及聲場分區(qū)控制、個(gè)性化參數(shù)和數(shù)據(jù)庫等都是此系統(tǒng)特有的技術(shù)。

圖2所示是CDC.Revb的系統(tǒng)組成，包括舞臺(tái)拾音傳聲器陣列、揚(yáng)聲器系統(tǒng)、核心處理器（卷積器）、功率放大器、接口箱、以及按需求選配的調(diào)音臺(tái)、PC端控制軟件、移動(dòng)終端控制App等。核心處理器是由處理能力可達(dá)每秒10¹²次浮點(diǎn)運(yùn)算（TFLOPS）的FPGA構(gòu)建的48路的實(shí)時(shí)卷積處理器，并帶有常規(guī)的音頻處理功能（濾波、延時(shí)、增益控制、矩陣分配等）。CDC.Revb的基本配置是48路聲音通道，在大型場館或需要增加揚(yáng)聲器數(shù)目時(shí)，可以將三臺(tái)核心處理器聯(lián)機(jī)使用，通道可以增加到144路，并且由軟件統(tǒng)一控制。CDC.Revb的移動(dòng)終端控制界面，可以快速在已經(jīng)設(shè)定好的聲場模式間切換，并且可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的增益和直達(dá)聲與后期混響聲的比例，以快速調(diào)節(jié)混響感。

CDC.Revb已經(jīng)完成初版系統(tǒng)的開發(fā)，并且安裝了數(shù)套試驗(yàn)和工程應(yīng)用系統(tǒng)。目前還在做進(jìn)一步的深化完善，進(jìn)行系統(tǒng)的全數(shù)字化提升和揚(yáng)聲器系統(tǒng)的小型化，未來的改進(jìn)版將更加功能豐富，控制和安裝也會(huì)更便捷，也可以適用于在戶外快速搭建虛擬的生態(tài)劇場和音樂廳等。信號(hào)的傳輸將全部實(shí)現(xiàn)基于AES67的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

5基于閉環(huán)控制的聲場控制系統(tǒng)-LemuseREAS 3000

勵(lì)豐是國內(nèi)最早在跟蹤消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上獨(dú)立自主開展聲場控制系統(tǒng)研發(fā)的專業(yè)音響企業(yè)。其推出的數(shù)字聲學(xué)環(huán)境系統(tǒng)“Lemuse REAS 3000”是基于閉環(huán)控制原理來模擬形成虛擬混響，并控制聲場的其他參數(shù)，基本原理如圖3所示。Lemuse REAS 3000的研發(fā)經(jīng)歷了十幾年的時(shí)間，如圖4所示。2010年推出第一版，2014年推出改進(jìn)了的第二版，目前推出了最新的第三版。最新版的特點(diǎn)是核心處理器與10分離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻信號(hào)傳輸、新的控制軟件、快速模式切換等。目前，Lemuse REAS 3000的穩(wěn)定陛、可靠性、集成度等已經(jīng)達(dá)到甚至超過了國外同類的系統(tǒng)，其性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外同類系統(tǒng)。

Lemuse REAS 3000核心處理器的最大輸入輸出可以到128×128，且有實(shí)時(shí)熱備份傳輸接口，充分保證系統(tǒng)的可靠性。圖5是Lemuse REAS 3000的控制軟件的界面。經(jīng)過十幾年、三代產(chǎn)品的改進(jìn)提升，勵(lì)豐公司的這套聲場控制系統(tǒng)日臻成熟，也積累了多個(gè)劇場的實(shí)際安裝使用的工程經(jīng)驗(yàn)，如泰州大劇院、新加坡茨園民眾多功能俱樂部等。其中，最近安裝的廊坊壹佰劇院，不論從實(shí)際測試和聽感上來看都比較成功，聲場控制效果明顯。根據(jù)現(xiàn)場演出過的藝術(shù)家和專家的評價(jià)，總體效果上難以區(qū)分與國外類似系統(tǒng)的差別，而且有自己的特色。勵(lì)豐公司目前還計(jì)劃繼續(xù)改進(jìn)提升此套系統(tǒng)，主要的研究工作包括：提升聲效生成自然度問題、在有限揚(yáng)聲器數(shù)量下提高混響增益、降低聲染色、進(jìn)一步提升不同場景下的聲效模式切換速度、改進(jìn)早后期混響聲能量獨(dú)立控制功能、增設(shè)傳輸頻率特性調(diào)整功能等。可以期望，這些進(jìn)一步的工作完成后，Lemuse REAS 3000的更新一版的技術(shù)水平、可靠性、實(shí)際的聽感效果將會(huì)達(dá)到同類系統(tǒng)中的國際領(lǐng)先水平。

6聲場聲效低音增感技術(shù)

在聲場聲效的生成與控制中，低音是一個(gè)比較困難和特殊的問題。其困難在于物理和聽感兩個(gè)方面，物理上低音的產(chǎn)生和激發(fā)是相對比較困難的，也難以達(dá)到聲場的均勻。在聽感上，低音的作用可能會(huì)導(dǎo)致正反兩個(gè)方面的生理和心理效應(yīng)。次聲和可聽低音對人生理和心理的影響研究已經(jīng)有多年的經(jīng)驗(yàn)和大量的結(jié)果，但是所研究的低音主要是側(cè)重于人不想聽到的聲音，從主觀層面上希望消失的聲音，而對于電影聲以及專業(yè)擴(kuò)聲領(lǐng)域中的低音是人們在看到視覺信息時(shí)想要聽到和期待聽到的聲音，這種低音對人感知的正面效應(yīng)的試驗(yàn)研究較少。雖然虛擬低音技術(shù)利用了心理聲學(xué)方法從應(yīng)用層面對低音進(jìn)行改善，但是效果并不是很理想。在音王和勵(lì)豐的聲場控制系統(tǒng)的研究中，都對低音作了特殊的處理，低音的混響感難以直接根據(jù)中高頻同樣的算法來產(chǎn)生，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采取不同的處理。通常，低音音量的提升自然會(huì)使人感覺到混響感或空間感的增加，即使實(shí)際的低頻混響時(shí)間并沒有增加。飛達(dá)和傳媒大學(xué)對在劇場和電影院里如何利用低音來增加人的聽覺感知效果方面，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并開發(fā)了用于低音聲場控制的增感低音處理器。

低音增感技術(shù)的原理是基于低頻聲對人的生理和心理影響機(jī)制，試驗(yàn)研究通過控制低音的聲壓級(jí)以及頻率等特性，觀察低音刺激下大腦不同功能區(qū)的能量變化情況，比較低音的物理參數(shù)與腦電波能量激發(fā)和抑制變化之間是否存在規(guī)律性來驗(yàn)證低音增感技術(shù)的可行性。通過主觀聽音試驗(yàn)獲得不同主觀情感增量與低音的頻率范圍、特征參數(shù)等物理參量之間的相關(guān)性，得到以不同增感為因變量，低音的物理參數(shù)為自變量的算法關(guān)系。目前已經(jīng)完成了低音刺激下的腦電波誘發(fā)實(shí)驗(yàn)，得到了在不同頻率特性的低音環(huán)境中人的大腦額葉和顳葉區(qū)的功率譜密度誘發(fā)和抑制的規(guī)律性，與情感感知有關(guān)的導(dǎo)聯(lián)位置易收到刺激信號(hào)的激活和增強(qiáng)，Gamma波的能量有抑制的趨勢，20Hz及其倍頻關(guān)系的低音可能用于低音增感的頻段。表1所示是前期試驗(yàn)研究中得到的在60%閾限條件下低音刺激對腦電波的激活/抑制關(guān)系，其中s1到S10是10種不同組成成分的低音刺激。

低音的主觀聽感試驗(yàn)中以15Hz～120Hz范圍內(nèi)的低頻多頻聲和1/3倍頻程窄帶噪聲為低音信號(hào)進(jìn)行愉悅度、喚醒度、優(yōu)勢度、煩惱感、空間感和帶入感6個(gè)主觀參量的等級(jí)評價(jià)。系列范疇法的結(jié)果表示：低音可以增強(qiáng)被試的喚醒程度、提高注意力;使被試感覺到受到低音信號(hào)的影響和支配、自身的優(yōu)勢度下降;以及可以引起較為明顯和強(qiáng)烈的煩惱感覺;增強(qiáng)被試對空間感知的判定;以及由于低音的存在使被試更容易被帶入某種情景或感覺中。男女被試在評價(jià)低音引起的愉悅程度和受到信號(hào)影響、控制的程度有顯著的差異性，這個(gè)差異性可能與不同性別對愉悅感以及對自我優(yōu)勢程度級(jí)別設(shè)定不同有關(guān)。1/3倍頻程窄帶噪聲信號(hào)的結(jié)果可以大致以31.5Hz和63Hz進(jìn)行劃分，由于人耳對低音的敏感性較低，120Hz以下的窄帶低音信號(hào)對主觀情緒感知的影響可能大致分為3個(gè)范疇。圖6所示是20種低音刺激信號(hào)引起的帶入感的主觀感知試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果證明了低音可以增強(qiáng)主觀情緒感知，可以應(yīng)用于已有這些情緒感知的場合中，起到進(jìn)一步增強(qiáng)的作用，或者通過低音來制作想要體現(xiàn)這些主觀情緒感知的音效。

圖7是飛達(dá)推出的增感低音處理器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯。目前，該增感低音處理器主要針對電影院的聲場聲效控制應(yīng)用，需要對電影的視覺場景和所要表現(xiàn)的情感場景進(jìn)行檢測匹配，當(dāng)然也可以直接應(yīng)用于其他的觀演場所和環(huán)境。飛達(dá)和音王在國內(nèi)電影音響市場上占據(jù)了大半的份額，有數(shù)萬個(gè)銀屏的存量市場和每年數(shù)千個(gè)銀屏的增量市場，增感低音技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

7非線性與諧和性音質(zhì)調(diào)適技術(shù)——Pytha-88處理器

揚(yáng)聲器系統(tǒng)的非線性失真是影響重放音質(zhì)和聲場效果的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是音響領(lǐng)域研究中的一個(gè)難題。傳統(tǒng)的處理手段是在揚(yáng)聲器單元的材料、結(jié)構(gòu)和工藝上進(jìn)行改進(jìn)，但這會(huì)受到其他相關(guān)行業(yè)發(fā)展水平的限制以及經(jīng)濟(jì)成本的大幅遞增。所以，目前工程上基本都是采用均衡器對系統(tǒng)的線性幅頻響應(yīng)進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償，而這種方法本質(zhì)上無法糾正系統(tǒng)的非線性失真，難以真正改善音質(zhì)的失真，會(huì)影響聲場聲效的最終聽感。在專業(yè)音響領(lǐng)域，除了錄音監(jiān)聽，人耳聽覺更多的是追求聲音悅耳好聽，極端的原聲真實(shí)感往往是不切實(shí)際的。要使得聲音好聽，就要保持或增加聲音的樂感，使其具有樂音的特點(diǎn)，其中的核心要素就是協(xié)和性，主要表現(xiàn)為聲音諧波結(jié)構(gòu)的規(guī)律性，而這一點(diǎn)與諧波失真等非線性問題在物理和聽覺心理層面上具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。因此，隨著數(shù)字音頻信號(hào)處理算法和DsP技術(shù)的日趨成熟，以及國內(nèi)外在“數(shù)字預(yù)失真”和“聲音協(xié)和性”等方面的研究積累，通過信號(hào)處理的手段進(jìn)行系統(tǒng)非線性的調(diào)諧，從而提升重放聲音的悅耳感，將為演出用音響系統(tǒng)的音質(zhì)聽感改善提供一種新的思路和技術(shù)方向。

傳媒大學(xué)在多年聲音諧和性研究的基礎(chǔ)上，與音王合作推出了新的非線性與諧和性音質(zhì)處理器Pytha-88。新的處理器針對音響系統(tǒng)中的聲源拾取、揚(yáng)聲器系統(tǒng)以及聽音環(huán)境三大核心環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了“聲音諧和性數(shù)字調(diào)制”、“揚(yáng)聲器系統(tǒng)非線性補(bǔ)償”以及“聲場音質(zhì)自適應(yīng)均衡”三個(gè)音質(zhì)處理功能模塊，它們既可以獨(dú)立使用，也可以調(diào)諧適配級(jí)聯(lián)。每個(gè)功能模塊針對專門的處理對象，分別設(shè)計(jì)了獨(dú)創(chuàng)性的音頻信號(hào)處理核心算法，并通過軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

（1）聲音諧和性數(shù)字調(diào)制模塊依據(jù)人聲和樂器聲這類具有諧波特征的聲學(xué)模型，提出了一種聲音諧和性數(shù)字調(diào)制算法，對舞臺(tái)聲源（語言聲/歌唱聲/樂器聲等）的傳聲器拾音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)對聲源本身的音色增強(qiáng)和聽感協(xié)和性調(diào)制。

（2）揚(yáng)聲器系統(tǒng)非線性補(bǔ)償模塊設(shè)計(jì)了利用多項(xiàng)式模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性系統(tǒng)辨識(shí)方法的揚(yáng)聲器非線性建模，并采用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)設(shè)計(jì)對應(yīng)的非線性控制器，實(shí)現(xiàn)對揚(yáng)聲器系統(tǒng)的非線性失真聽感補(bǔ)償。

（3）聲場音質(zhì)自適應(yīng)均衡模塊設(shè)計(jì)了基于重放揚(yáng)聲器與聽音位置的聲傳輸通道自動(dòng)化測試，并根據(jù)測試反饋分析提供用戶自定義的聲場均衡模式和聽感補(bǔ)償效果預(yù)置，滿足聽音者對環(huán)境聲場的實(shí)際聽感需求。

Pytha-88從音響系統(tǒng)的非線性失真與人的聽覺心理屬性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性出發(fā)，結(jié)合工程實(shí)踐中音頻傳輸核心環(huán)節(jié)的突出問題，提出了一套非線性音質(zhì)和聲效調(diào)諧技術(shù)，其中涉及的核心算法實(shí)驗(yàn)研究和基于DsP的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，既體現(xiàn)了學(xué)術(shù)研究的價(jià)值，同時(shí)也為演藝場景的音響應(yīng)用關(guān)鍵問題提供了實(shí)際可行的解決方案。目前，國內(nèi)外還沒有見到類似的新概念技術(shù)產(chǎn)品。圖8到圖11分別是Pytha-88的設(shè)計(jì)外觀、處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)置以及Pytha-88的應(yīng)用場景和可以實(shí)現(xiàn)的效果等。

8電影全景聲聲場效果生成技術(shù)研究

近年來，沉浸式音頻技術(shù)的發(fā)展給國內(nèi)電影產(chǎn)業(yè)也帶來變革，數(shù)字影廳沉浸式聲音或全景聲放映已成為當(dāng)今影院的熱門配置。然而全景聲技術(shù)一直長期被國外少數(shù)幾個(gè)生產(chǎn)廠家掌握。國外主流的沉浸式音頻系統(tǒng)主要有杜比全景聲（Dolby Atmos）、DTS-x和Aur03D。近幾年國內(nèi)涌現(xiàn)出的沉浸式音頻還音系統(tǒng)主要有中國多維聲（13.1）、WANOS全景聲系統(tǒng)、音王5228全景聲系統(tǒng)、飛達(dá)六面全景聲系統(tǒng)和Holosound全息聲等，但國內(nèi)的沉浸式音頻系統(tǒng)在沉浸式音頻的制作、編碼、打包、解碼、音頻水印和現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性等方面還未有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，各家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案各具特點(diǎn)、很難在專業(yè)影院進(jìn)行推廣。隨著SMPTE 2098系列國際電影相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，為制版的統(tǒng)一，系統(tǒng)間的兼容提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測所目前計(jì)劃聯(lián)合相關(guān)廠家對SMPTE 2098-1、SMPTE 2098-2和SMPTE 2098-5標(biāo)準(zhǔn)的兼容性、技術(shù)專利壁壘、國產(chǎn)化可行性等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，探索盡早打破國外技術(shù)壟斷、統(tǒng)一制版、系統(tǒng)間互操作和與國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)兼容，形成具有中國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全景聲數(shù)字影院沉浸式音頻標(biāo)準(zhǔn)化體系。未來的自主標(biāo)準(zhǔn)體系將給目前國內(nèi)已有的全景聲技術(shù)和系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)。

按SMPTE 2098的定義，全景聲電影的聲音技術(shù)主要有三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

●沉浸式音頻元數(shù)據(jù)：沉浸式音頻由音頻通道和/或音頻對象組成，內(nèi)容創(chuàng)建者可以利用它們來設(shè)計(jì)具有聽眾上方和周圍的聲音。元數(shù)據(jù)是沉浸式音頻的核心，它能夠?qū)⒃诼曑壣系囊纛l對象和音頻通道成功的渲染到多個(gè)揚(yáng)聲器設(shè)備上。

●沉浸式音頻比特流：沉浸式音頻文件需要特殊的比特流和專門的通道進(jìn)行傳輸，沉浸式音頻比特流是用于傳輸沉浸式音頻文件的工具。

●沉浸式音頻渲染：沉浸式音頻渲染將與畫面相關(guān)的“聲床”和對象元數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)劁秩镜娇捎玫膿P(yáng)聲器上，使得聲音和相關(guān)的視覺元素在空間上匹配。

在前兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)上，國內(nèi)目前還沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，如果按SMPTE 2098的標(biāo)準(zhǔn)體系來制定國內(nèi)的全景聲標(biāo)準(zhǔn)的話，在這兩個(gè)方面也基本上是要采用國際上通用和成熟的技術(shù)，所以，國內(nèi)企業(yè)可以有所作為的就是在第三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)上，做沉浸式音頻渲染，也就是全景聲聲場聲效處理技術(shù)和設(shè)備的研究。

雖然目前國內(nèi)有數(shù)家企業(yè)和創(chuàng)業(yè)公司推出了所謂的全景聲處理器，但是真正有自己的全景聲放音制式、有自己生產(chǎn)配套的全景聲電影音響系統(tǒng)的只有飛達(dá)和音王，而這兩家公司在國內(nèi)國產(chǎn)電影音響市場上的份額占了70%以上，是專業(yè)音響行業(yè)的規(guī)?；?。飛達(dá)的主流全景聲電影聲音處理器FCQA-9631已經(jīng)安裝了數(shù)百個(gè)影廳，與之配套的增感低音處理器型號(hào)為FCQA-9631s。目前，飛達(dá)正在FCQA-9631的基礎(chǔ)上研發(fā)新一代的全景聲處理器，新一代的全景聲處理器除了具有增感低音功能外，輸出的通道數(shù)將大幅增加，以滿足更精細(xì)、更生動(dòng)的聲場聲效渲染的需求。

音王推出了自己的5228全景聲放音制式。這種制式有四層放音揚(yáng)聲器，頂層5只、高度層11只、水平層11只（包括3只主揚(yáng)聲器）、底層4只、還有4只超低音揚(yáng)聲器。這種設(shè)置可以全兼容目前市場上已有的各種全景聲的放音制式，而且有利于后續(xù)的聲音效果的生成與渲染。圖12是5228全景聲系統(tǒng)的配置。音王的5228全景聲處理器技術(shù)的研發(fā)分為三個(gè)階段第一代是一個(gè)聲道兼容擴(kuò)展式處理器，可以兼容市場上已有的各種全景聲放音制式，轉(zhuǎn)換到5228的放音制式下回放，并強(qiáng)化了回放聲場的空間感和包圍感，可以將平面環(huán)繞聲變換到三維空間重放，產(chǎn)生一定的虛擬3D效果。5228處理器的第二代和第三代則是完全的真3D全景聲，第二代是根據(jù)電影場景或聲音元數(shù)據(jù)在傳媒大學(xué)和音王的大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上發(fā)明的3D聲效生成算法制作全景聲音效果，然后通過5228放音系統(tǒng)重放，其性能和處理邏輯如圖13所示。第三代處理器則是在錄音制作階段就運(yùn)用了自己的特定的3D錄音技術(shù)，也就是產(chǎn)生了自主的聲音元數(shù)據(jù)制式。

9總結(jié)

以上綜述了國內(nèi)在聲場聲效生成與控制技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)的概況，表2歸納了有關(guān)這方面研究工作的企業(yè)和院校具體涉及的研究領(lǐng)域。各院校主要是開展了許多基礎(chǔ)性和原理性的研究工作，各企業(yè)主要是開展了應(yīng)用研究和系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)。

國內(nèi)的專業(yè)音響行業(yè)一直以來是勞動(dòng)密集型的企業(yè)，技術(shù)含量較低。而聲場控制技術(shù)的研究和應(yīng)用是帶動(dòng)和促進(jìn)相關(guān)企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型和提升的一個(gè)很好的平臺(tái)，勵(lì)豐很早就看到了這一點(diǎn)，戰(zhàn)略性地布局了聲場控制技術(shù)和其他相關(guān)演藝技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，通過十幾年的努力，取得了明顯的效果，也是國內(nèi)最早開展聲場技術(shù)研究的企業(yè)。音王近年來依托國家企業(yè)技術(shù)中心、博士后工作站并且與有關(guān)院校合作，大力投入高新技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)，不但推出了完全自主創(chuàng)新的聲場控制系統(tǒng)，也獨(dú)創(chuàng)性地推出了新概念聲效處理器技術(shù)…一非線性諧和性調(diào)適技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不但在國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)，目前為止在國際上也還沒有見到類似的技術(shù)和產(chǎn)品。音王公司也自主推出了目前放音通道數(shù)最多的全景聲系統(tǒng)以及相應(yīng)的聲效處理器。通過這些戰(zhàn)略性的研究計(jì)劃，音王公司已經(jīng)從勞動(dòng)密集型的代工廠，到收購國外技術(shù)和品牌，正在向著自主創(chuàng)新、技術(shù)先導(dǎo)的技術(shù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型了。飛達(dá)是國內(nèi)最大的電影音響設(shè)備制造商，占據(jù)國內(nèi)電影音響市場的半壁江山，飛達(dá)最早推出了自己的全景聲效果處理器，并在不斷的改型和提升中，同時(shí)依托飛達(dá)的博士后工作站與有關(guān)院校合作，進(jìn)行了低音增感技術(shù)的原理性試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)低音增感處理器。這項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備在國內(nèi)外都還未見類似的技術(shù)和產(chǎn)品，飛達(dá)的研究工作是非常有專業(yè)特色和行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)的。

基礎(chǔ)性研究的成果要轉(zhuǎn)換為應(yīng)用技術(shù)和企業(yè)的市場經(jīng)濟(jì)效益，離不開關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)。各企業(yè)也投入了相當(dāng)多的力量進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)，但是，目前國內(nèi)專業(yè)音響企業(yè)的數(shù)字音頻設(shè)備的研發(fā)能力還都很薄弱，需要一段時(shí)間來建設(shè)和培養(yǎng)，與相關(guān)的院校和專業(yè)公司合作也是一條可行的路線。傳媒大學(xué)傳播聲學(xué)研究所不但在聲場控制技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究上進(jìn)行了多年的全面的研究，近年來由傳媒大學(xué)的（教育部）廣播電視數(shù)字化工程中心與相關(guān)企業(yè)合作，承擔(dān)、參與、指導(dǎo)了多項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，包括聲場控制的關(guān)鍵設(shè)備、聲場檢測和調(diào)諧的關(guān)鍵設(shè)備、低音處理關(guān)鍵設(shè)備、數(shù)字傳輸設(shè)備、音頻通訊設(shè)備和技術(shù)等，在此方面積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)，也正在推進(jìn)聲場控制設(shè)備和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化工作。關(guān)鍵設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化工作也是整合協(xié)調(diào)專業(yè)音響行業(yè)的技術(shù)資源，更有效地提升和推進(jìn)國內(nèi)聲場控制技術(shù)、趕超國際水平的必由之路。

經(jīng)過十幾年的研究和研發(fā)工作，國內(nèi)聲場聲效控制技術(shù)的水平已經(jīng)有了長足的進(jìn)步和提升，不但在基礎(chǔ)研究上有獨(dú)創(chuàng)性的理論和算法，也推出了頗具特色的設(shè)備與系統(tǒng)。雖然目前的設(shè)備和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、操作性等與國外類似系統(tǒng)相比還需要改進(jìn)，但是已經(jīng)可以基本滿足國內(nèi)基層演藝場館建設(shè)的需求，且性價(jià)比是國外設(shè)備和系統(tǒng)所無法替代的。相信經(jīng)過行業(yè)內(nèi)真正從行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的角度出發(fā)扎扎實(shí)實(shí)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的理論和應(yīng)用研究的企業(yè)和院校的努力，在政府管理部門、行業(yè)協(xié)會(huì)，以及場館建設(shè)和設(shè)計(jì)部門的支持下，國內(nèi)聲場控制技術(shù)和相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)的水平，一定會(huì)完全滿足國內(nèi)場館建設(shè)的需求，并達(dá)到國際領(lǐng)先水平。