应用电子声场增强系统的室内声场测量初步研究_江小婳.pdf

2022年第46卷第12期21Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础文献引用格式：江小婳，陈建华，姚石，等.应用电子声场增强系统的室内声场测量初步研究 J.电声技术，2022，46（12）：21-24.JIANG X H，CHEN J H，YAO S，et al.Preliminary research on methods of measurement for main characteristics of electronic sound field enhancement systemJ.Audio Engineering，2022，46（12）：21-24.中图分类号：TN912.1 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.12.005应用电子声场增强系统的室内声场测量初步研究江小婳，陈建华，姚 石，张 桐（中广电广播电影电视设计研究院有限公司，北京 100045）摘要：从有关系统对建筑声学参量的具体表现的量值获取出发，根据现场测量和对标准制定过程的研究，探讨应用电子声场增强系统的室内声场有关建筑声学参量测试方法，为后续进一步研究提供参考。关键词：电子声场增强系统；声场测试；脉冲响应Preliminary Research on Methods of Measurement for Main Characteristics of Electronic Sound Field Enhancement SystemJIANG Xiaohua,CHEN Jianhua,YAO Shi,ZHANG Tong(Radio Film&Television Design and Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100045,China)Abstract:Starting from how to obtain the quantity value of the specific performance of the relevant system on the building acoustic parameters,this paper discusses the measurement method of the building acoustic parameters related to the indoor sound field using the electronic sound field enhancement system based on the field measurement and the study of the standard formulation process,and provides a reference for further research.Keywords:electronic sound field enhancement system;acoustic measurement;impulse response0 引 言电子声场增强系统，根据不同的研发团队和技术路线，也被称为电子可变混响系统、电子声学优化系统、声场控制系统等等。其目的和作用，主要是通过电声的手段改变室内建筑声学参量，实现特定的声场效果。近年来，电子声场增强系统在一些多用途类的厅堂内已有多个应用案例。然而，各种系统的演进过程和功能定位并不相同。本文仅从如何获得有关系统对建筑声学参量的具体表现的量值获取出发进行探讨，为系统设计指标的验证提供参考方法。1 电子声场增强系统的发展最早的使用电声设备改变室内声学参量的系统出现在 20 世纪 50 年代。其原理是先拾取舞台区域的直达声和早期反射声，然后通过录放音装置进行多次重放，最后通过扬声器向观众区域进行扩声。而后，这种技术发展成为基于数字多抽头延时原理的 ERES 系统。之后诞生了基于受援共振方式的 AR 系统。该系统是一个多声道的“窄带”系统，每个声道包括一个电容传声器、移频器、功率放大器及扬声器。AR系统使用亥姆霍兹共振器，将传声器置于共振腔体内，不同的共振器尺寸激励不同频率的共振4。多声道混响方式 MCR 在 AR 系统的基础上发展起来。但是 AR 方式是以房间的基准振动为主，而 MCR 方式则以扩散场为对象，传声器设置在观众厅内，通过控制每个通道的拾音位置、增益，从而保持良好的声音质量而不带来音色的改变。随着技术的发展，现在可以运用参量均衡器和延时等手段去除声染色，从而减少通道的回路数量。20 世纪 80 年代，ACS 系统发布。该系统以直基金项目：科技部 2018“声学环境感知与声场智能集成控制技术研究”课题项目（2018YFB1403801）。2022年第46卷第12期22声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA达声为基础，传声器主要拾取舞台和乐池区域的直达声信号，通过在通路中嵌入处理器，利用原信号与系统脉冲响应的卷积来附加混响，从而在系统中直接模拟合成早期反射声和混响声，再通过矩阵将信号分配给各通道扬声器。除了能够给观众厅加载早期反射声和混响声之外，ACS 系统还能替代“舞台反声罩”的功能。通过安装在台口、舞台侧墙以及面光桥等区域的扬声器，系统能够给舞台和乐池的演员及演奏者提供更贴近观众厅的声场感知3。20 世纪 90 年代后，VRAS 系统出现。该系统最基本的理念是电声耦合，其核心是以“数字式电子混响器”代替“真实的耦合空间”。VRAS 系统将观众厅内传声器拾取的信号馈送到输入交叉耦合矩阵，再由矩阵分别连接到输出耦合矩阵和混响器网络中，经由不同延时和反馈增益的梳状滤波器，通过反馈矩阵交叉耦合，形成再生混响。同一时期还出现了另一种声学性能改进系统SIAP。该系统打破了扬声器功能的划分界限，将早期反射声与后期反射声按厅堂声学要求进行整合，使每只扬声器完整地重放所有补充反射成分。为了明确声源定位，保证声场的明晰度和清晰度，系统的处理器为每个输入/输出组合声场不同的反射模式。同时，每个处理阶段都可以实现频率校正，且每个输出都有自己的延时设置3。进入 21 世纪，电子声学增强系统进入国内，开始在一些工程项目中应用。其中包括在 LARES 的基础上进行了优化整合的E-coustics系统，基于“房间脉冲卷积合成”概念的 Vivace 系统，基于 VRAS算法的 Constellation 系统，以及一些企业和研究团队研发的声效系统。本文的声场测试研究主要也是针对目前应用较多的这几个系统。2 测量标准及系统测量项目目前，针对室内声学参量的测量标准和规范有室内混响时间测量规范（GB/T 500762013）、声学 室内声学参量测量 第1部分：观演空间（GB/T 36075.12018）、声学 室内声学参量测量 第 2部分：普通房间混响时间（GB/T 36075.22018）、声学 室内声学参量测量 第 3 部分：开放式办公室（GB/T 36075.32018），针对扩声系统的测量标准有 厅堂扩声特性测量方法（GB/T 49592011）。随着电子声场增强系统的出现和应用，亟待制定一套适用于此类系统的性能测试方法，从而获取系统带来的建筑声学参量和厅堂扩声系统的量值变化。基于此，笔者与同事以及南京大学、中国电子技术标准化研究院、深圳易科声光科技股份有限公司的老师共同制定了 电子声场增强系统主要性能测量方法（T/SUCA 0372022）。标准包括前言、范围、规范性引用文件、术语、测量条件、主要性能测量方法以及测量报告 6 个章节。测量项目包括混响时间、早期衰变时间、早期侧向声能比、明晰度、清晰度、重心时间、强度因子、后期侧向声能比、系统总噪声级、语言传输指数、传输频率特性、传声增益、最大声压级以及声场不均匀度，共计 14 个参量。其中，混响时间、早期衰变时间、早期侧向声能比、明晰度、清晰度、重心时间、强度因子及后期侧向声能比主要是关于系统对室内建筑声学参量的表现，而系统总噪声级、语言传输指数、传输频率特性、传声增益、最大声压级和声场不均匀度主要是关于系统对厅堂原有扩声系统的影响，即在启用电子声场增强系统的情况下，扩声系统的相关指标测量。选择这些测量项目，主要是基于以下三点考虑。首先，各系统的硬件组成和工作原理不尽相同，从可操作性和研究意义方面，纯电路域的测量都不具有参考性。而建筑声学指标的测量，能够在系统间形成一个相对可以比拟的参考。其次，对于任意一个空间，最常用的声学参量是混响时间。除此之外，早期衰变时间、早期侧向声能比、明晰度、清晰度、重心时间、强度因子、后期侧向声能比这些参量，也是衡量一个空间内声学环境的重要参量，同时也是对于系统在空间内是否发挥作用的客观考量。最后，对于使用扩声系统的空间，还应关注在使用电子声场增强系统的情况下对原有的扩声系统性能指标的影响。为了进行量化比对，可以通过相关的扩声系统指标在系统启用前后的测量，得到相应的数据。3 测试系统与方法3.1 测试系统室内声学测量系统包括扬声装置、声音采集装置、分析装置以及信号发生装置。其中，声音采集装置与分析装置电连通，分析装置与信号发生装置2022年第46卷第12期23Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础连接，信号发生装置与扬声装置连接。如图 1 所示。扬声装置声音采集装置分析装置信号发生装置图 1 测试系统连接示意图声音采集装置为多音头测试电容传声器，具有4 个声学特性一致的新型指向性电容传声器音头，安装在固定支架上，分别指向左前上方、右前下方、左后下方、右后上方。传声器使用单根多芯电缆传输信号，多芯电缆通过转换器转化为 4 条单通道话筒线，接入分析装置的音频输入接口。传声器捕捉的信号转化成（W，X，Y，Z）分量，代表了声场球谐函数展开的 0 阶和 1 阶分量2。信号发生装置包含功率放大器，扬声装置采用全指向正十二面体扬声器，用以提供各个方向均衡的声音、模拟更自然的点声源。3.2 测量方法具体的测量方法可参见已发布的 电子声场增强系统主要性能测量方法（T/SUCA 0372022）。在此，针对其中几项参量，就如何研究和操作的具体步骤进行简要阐述。如前文所述，混响时间参量是最常用的设计和测量指标。几乎每一个空间的声学环境都会涉及该指标。对于混响时间的测量，可以选用脉冲响应反积分法或中断声源法。一般情况下，两种方法的测量结果并没有太大差异。但在一些测试条件并不理想（如超大空间、背景噪声较明显）的环境下，更推荐使用指数正弦波扫频技术通过标准脉冲响应反卷积分进行测量。通过这种方法，同时可获得一部分其他参量的数据。测量的频带应当尽可能宽，从而更好地掌握系统在各频率范围内的表现，至少应包括 125 4 000 Hz（倍频带）或1005 000 Hz（1/3倍频带）1。以尽可能接近无指向性辐射的设备作为声源，在研究过程中，通常使用的是十二面体球型声源。对于演出型厅堂，声源位置在大幕线后 3 m 或舞台中央以及乐池等演奏者可能出现的区域1。测量前，应先进行设备校准和系统校准。对于设备校准，除了声级计的标准声压校准可在现场进行，其余设备在测量前主要检查工作状态以及系统连接状态。“标准”特别强调了对于强度因子的测量，应进行全指向传声器的灵敏度校准。因为系统的服务对象不仅仅是观众，还包括舞台上的演员以及乐池中的演奏者等，所以，如混响时间、早期衰变时间、明晰度、重心时间等分量的测量，要分别在舞台区域和观众厅内进行，根据标准要求分别选取相应的测点进行测量，再将结果分别进行算术平均。而对于一些只针对观众厅的参量如强度因子、早期侧向声能比等，则只在观众厅内进行取点测量。除了系统未启用状态下空间内自然的混响时间测量，声学增强系统按照使用需求和系统设定的各个模式状态均按此方法测量。3.3 测量结果表达基于测量获得的数据，可以得到一组频率特性曲线，如图 2 所示。0.000.501.001.502.002.50T30/s3.003.504.004.505.0063125250500100020004 0008 000频率/Hz自然声1.8 s2.5 s4.5 s图 2 某项目混响时间频率特性曲线通过频率特性曲线，可以比较直观地看到在应用电子声场增强系统的各个模式状态下，混响时间参量的变化情况以及频率特性。在研究过程中，通过脉冲响应波形，可以分析在各模式下能量衰变曲线的变化情况。如图 3图6 所示。图 3 自然声模式下脉冲响应波形及其反积分曲线记录图 4 1.8 s 模式下脉冲响应波形及其反积分曲线记录2022年第46卷第12期24声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA图 5 2.5 s 模式下脉冲响应波形及其反积分曲线记录图 6 4.5 s 模式下脉冲响应波形及其反积分曲线记录通过这组波形，可以进一步研究其他声学参量，如早期衰变时间（Early Decay Time，EDT）是根据声场衰变过程早期部分从 0 至-10 dB 的衰变曲线的斜率所确定的混响时间。早期侧向声能比则是通过 80 ms 内直达声与侧向反射声的能量比得到，而该项指标也仅适用于观众厅区域。4 主观评价的重要作用尽管本文主要讨论的是获得电子声场增强系统客观评价量的目的和方法，但不可否认的是，主观评价量对于这类系统的作用尤为重要，甚至可以说，就目前而言，评定某个案例中系统的功能和质量，普遍还是从听感上予以评定。例如，图 7 所示为 MASON R 先生提出的用于感知评价的空间属性层级2，揭示了定位、声像深度、宽度及包络感等主观因素与空间感知之间的紧密联系。对于主观评价模型的建立，在此不再展开。在实际应用和今后的研究中，相关人员要注重客观评价与主观评价相结合，从而对系统的功能形成一个更为科学的评价体系。图 7 用于主观分析的空间属性分层5 结 语对于电子声场增强系统客观评价量的研究才刚刚起步，本次发布的标准也只是基于团队初步研究的成果。随着声效技术、测量技术、工程技术的发展，以及实际案例和测量数据的积累，这项研究也将持续推进。参考文献：1 深圳市 8K 超高清视频产业协作联盟.电子声场增强系统主要性能测量方法：T/SUCA 0372022EB/OL2022-11-20.https:/ AGNIESZKA R，PAUL G.沉浸式声音：双耳声和多声道音频的艺术与科学 M.冀翔，译.北京：人民邮电出版社，2021.3 魏增来，练嘉容.电子声学环境可变系统及其在国内的应用现状及发展趋势研究（一）J.演艺科技，2021（3）：1-4.4 顾丁.实现多功能剧场观众厅可变混响时间的建声方法与电声方法 J.音响技术，2013（3）：22-25.编辑：郭芳园