魏增来，练嘉容

（中国传媒大学，北京 100024）

（接第4期）

3.3 混合再生（Hybrid Regenerative）式系统

混合再生式系统顾名思义，是基于再生式系统和回路嵌入式系统的基本原理并相互结合而来的。相比较于纯粹的再生式系统，它可以有效降低独立回路的数量，增大部分通道的回路增益，提高性价比和安装调试的便捷度；同时，区别于回路嵌入式系统，它又可以在一定程度上保持厅堂固有的声学特征，而不是完全重新“合成再造”一个全新的声学环境。这类混合再生系统既有传声器拾取舞台直达声，又有传声器在混响场拾取混响声，分别经过处理后通过扬声器重放，从而使目标声场的声学条件发生改变。其基本原理示意如图20所示，通常的系统结构框图可见图21。

图20 混合再生系统基本原理示意图

图21 混合再生系统常见结构框图

3.3.1 Active Field Control（AFC主动声场控制系统）

1987年，日本雅马哈公司便开始了AFC主动声场控制技术相关的研究和具体案例尝试工作，并于2003年在美国推出了第一代集成方式的处理器AFC1，此后，经过不断迭代，目前已升级到第四代产品AFC4。

AFC的学术理念基于厅堂空间内的声能密度公式

其中，W是声源功率，V是房间体积，α是平均吸收系数，T60为混响时间，Er为扩散声场的能量密度）。由式中可知，Er与T60成正相关性，即可以通过增加Er来扩展T60。

AFC的系统构成及基本工作原理如图22所示，它主要由以下四个部分组成：

图22 AFC系统构成及基本工作原理示意图

1）输入部分，利用传声器拾取乐器或扩散声场信息；

2）反射合成部分，使用波动滤波器（flu-FIR）修正声学条件；

3）均衡部分，用于校正所选厅堂区域的声学频率特性；

4）功率放大及输出部分，用于将处理完毕的信号馈送至扬声器并重放。

AFC首先基于再生式系统概念，主动利用系统的声学反馈来增加扩散声场的能量密度，从而在保持房间原始声学特性和自然听感的同时，控制调整混响时间。同时，它又通过在反馈回路上嵌入波动FIR滤波器，实现更大的控制能力。波动FIR滤波处理的工作原理具体如图23-A所示，增加每个抽头的能量，即相当于降低了此前声能计算公式中的平均吸声系数α，而图23-B中对抽头间隙进行扩展，则相当于增大了厅堂体积V。

图23 fluc-FIR滤波器的工作原理示意图

为保证足够的回路增益，进一步提高系统稳定性，AFC采用了两种TVC（Time Varying Control，时变控制）技术：EMR（Electric Microphone Rotator传声器电子旋转器，图24）和fluc-FIR（波动FIR滤波器，图25），分别应用于系统构成的第一部分和第二部分中。其中具有专利技术的EMR可以针对某一扬声器通道，周期性地切换不同的传声器输入，以降低扬声器与传声器之间长时间的相关性，避免形成固定的正反馈回路，从而获得较好的回授前增益。为了使听感自然，这个切换周期频率通常设置在0.4 Hz～3.0 Hz之间。此外，每个传声器均使用VCA（压控放大器）进行电平控制，以保证系统输入信号在传声器间切换时的平滑和自然。波动FIR滤波器通过在时间轴上以不同的频率调变和一定范围的时间变化来周期性地移动每个FIR抽头，以平滑FIR滤波器的频率响应，并防止由普通FIR滤波器引起的染色问题。其时间变化范围决定于滤波器的抽头间距，而调变频率则依赖于如何保证自然的主观听觉感受。

图24 EMR原理概念示意图

图25 fluc-FIR滤波器原理概念示意图

通过上述两种时变控制技术，AFC系统可以大大减少啸叫点并提高回路增益在整个频率范围内的平顺度，其对回路增益的改善优化效果如图26所示。

图26 AFC两种时变技术对回路增益的优化效果

AFC是再生式系统和回路嵌入式系统的结合，因此，实际应用中的典型系统如图27所示。系统第一部分通过4支～8支远离舞台的、布置于混响半径之外天花上的传声器拾取声源扩散的声音，然后经EMR和fluc-FIR处理后通过扬声器重放，用以控制厅堂中的混响。原则上讲，这些扬声器需要布局在主要听音区的临界距离之外，包括从天花位置向下辐射或侧墙位置向天花辐射，从而形成更好的扩散声场，这样，厅堂内无论从声源还是受众的位置都可以保证AFC系统的有效性。系统的第二部分则利用4支～8支传声器在靠近舞台的天花上布置，拾取声源直达声，经常规FIR滤波器处理后，通过安装于侧墙的扬声器重放，以增强侧向反射声，此部分扬声器需仔细考虑安装位置，尽量避免在听众区产生扬声器听感定位。同时，对于早期反射声，不采用波动滤波技术，以保持常规FIR滤波器处理所包含的反射声有益信息。

图27 实际应用中典型AFC系统的结构示意图

3.3.2 Variable Room Acoustic System（VRAS可变室内声学系统）/ Constellation

VRAS系统是由新西兰声学专家M.A.Poletti研发，美国LCS（Level Control Systems）公司生产的多声道电子声学可变系统，它在当年结合了MCR系统与ACS系统的优势，并在二者基础上进行了优化。该系统于1993年推出，并于2005年被美国Meyer Sound公司收购，更名为Constellation。

VRAS首先使用混合再生方式控制后期声能量。布置于厅堂内的全指向传声器所拾取的自然声场信息分为两路，一路直接输出至扬声器，再生与本空间属性密切相关的混响声能，另一路经由一个专门的、用于替换真实耦合空间的“数字电子混响器”处理耦合后再送至扬声器，即“合成”出想模拟的空间厅堂的特性。此外，鉴于上述传声器大范围地布置在整个厅堂空间内，它在控制舞台上声源的早期声能方面存在着较大的局限，因此，VRAS又通过另一组回路嵌入式系统来对早期声能进行更好控制。它在靠近舞台处布置一定数量的传声器，以使系统得到的目标区域内所有声源位置的总能量尽量接近，然后使用不包括混响声能在内的早期声能（ER）发生器来处理这些信号，并按相应的路由分配至不同的扬声器，为所有座位提供相对平均的早期声能，其中侧向扬声器也可以用来分配这些能量，以协助声源定位并增强空间感。

该系统的数字声频信号处理器主要由输入交叉耦合矩阵、多通道声学处理器、反馈交叉耦合矩阵和输出交叉耦合矩阵组成，能够提供压缩、限幅、均衡、延时、增益、阻尼滤波、梳状滤波等多种参数调整功能，此外，还具备多通道三维声像控制器以提供三维声像下的声音重放。

早期反射ER系统虽然可以实现对早期声能相关参量的较好控制，如侧向声能、明晰度等，但其表现依赖于声源距离、传声器指向以及扬声器特性等众多因素，因此，相较于再生式系统而言，使用常规分析所得到的系统特性的可验证性相对较低。Poletti（VRAS研发者）认为，可以将控制早期声能和后期声能的这两个系统综合起来考虑，通过合并功率增益来对整个系统进行观察分析。

VRAS系统通过研究发现，能量增益越大，早期衰变时间EDT的衰变斜率与混响时间RT的衰变斜率越接近，而能量增益幅度越小，则EDT相比较于RT来说衰变越快。如果以RMS电压均方值表述，Poletti经过计算后得出系统的合并功率输出，其中μE为每个早期反射通道的回路增益函数，μR为每个混响声能通道的回路增益函数，NE和NR分别为两类通道的数量，即为合并的回路增益G，M为传声器-扬声器回路总数。由这个公式可见，早期反射或后期混响这两类系统混合发挥作用时，整个合并功率增益与相关的回路增益密切相关。其合并功率输出分析示意如图28所示。

图28 VRAS系统合并功率输出分析示意图

由于系统的稳定性受制于所有扬声器与所有传声器之间的合并反馈，所以，如果μE=μR，则整个合并功率增益的上限就来自于所有早期反射通道和后期混响通道的回路数之和NE+NR，而如果μE或μR等于0，则系统稳定性就会分别降至由NE通道的早期反射系统或NR通道的后期混响系统决定，因此，在保持一元化恒定合并回路增益G的情况下，早期反射回路增益μE和混响回路增益μR可以彼此交互，以控制早期声衰变增益和后期混响增益之比，进而影响早期声衰变时间（EDT）和混响时间（RT）的比值，这是VRAS系统一个很重要的理论观点。

此外，基于本文此前关于回路增益G的相关论述可知，即使平均回路增益小于1，鉴于房间声场干涉叠加的复杂性，个别频率的回路增益仍然可能超过1而产生自激，而且这种自激反馈无论再生式系统还是非再生的嵌入式系统都有可能发生，所以VRAS系统中，将这两种处理器都进行了一元化处理。所谓一元化，就是指如果一个信号处理设备的频幅响应统一不变的话，它可以被称之为具有“全通”属性，其在不同频率上的功率增益恒定。由这样的处理设备组合起来的多通道系统也因此具有不同频率上的功率增益恒定性，这时，此类系统就可以称之为一元化系统，相比较于不含此类一元化处理器的多通道系统，它更好地保证了系统的稳定性。而VRAS系统所采用的多通道混响器因为相关专利算法即具备这种一元化属性，其功率增益随频率的变化是平坦的，因此，与MCR系统相比，VRAS系统所要求的声道数目要少得多，性价比更高。

VRAS系统的处理器采用了延时反馈网络设计，其中包括可以控制混响时间与频率关系的两极阻尼滤波器。它可以用来实现与频率相关的恒定的系统合成混响时间与厅堂自然混响时间之比，以在不同频率上均获得稳定的合并功率增益，或用来调整或优化处理器再生能量中与厅堂本身声场相左的频率，总之，确保系统的一元化性质。此外，如果需要的话，其中一级阻尼滤波器还可以用做高通滤波器，以控制混响低频。

美国Meyer Sound公司于2005年收购了LCS Audio公司，此后进一步改进了VRAS系统并更名为“Constellation”，它采用Meyer sound D-Mitri处理器为系统处理核心，处理路由能力进一步加大，且人机交互界面得到了加强。可控制调整均衡、延时、矩阵、混响设置、初始反射设置等参数，且容许分别更改早期反射和晚期混响的混合强度，同时能够方便用户根据不同需要提前调好预设，并使用CueStation软件进行控制，其专利的一元化混响处理技术在一定程度上消除了所有频率上的不必要的染色，此外还具有沉浸声处理引擎以及多声道重放模块，可以将声学环境调整与虚拟沉浸声有效地进行结合，该系统和Vivace系统一起对包含厅堂声学环境重构与声音元素重构在内的整个声音情景电声化再现进行了有益的探索。

3.3.3 VIVACE Ⅱ型系统

在第一代VIVACE系统的基础上，德国MBBM及StageTec于2015年又推出了属于混合再生方式的VIVACE II型系统。它结合了再生系统和非再生系统的优点，同时与第一代系统相比，改进了专利的卷积算法，从而进一步提高了系统增益，并把舞台和观众厅作为一体，不需要对舞台上的不同演出位置和不同演出类型做单独调整。此外，它还扩展了DSP处理能力，输入输出通道也得以提升，最高可支持192个输入通道、192个输出通道。相比较于第一代产品，系统更加稳定，产生的声场也更自然，声染色更小。

VIVACE II在多传声器/扬声器再生回路中结合了主动的声音处理及卷积技术，由系统处理器再生出来的辅助声能来源于厅堂内的所有传声器，包括首要的舞台传声器以及厅堂内均匀分布的其他传声器，所有传声器在进行恰当的时间对齐后平均计权。同时系统扬声器重放的再生能量也会被其附近的传声器再次拾取并馈送回信号处理链路，从而确保系统可以有效捕获厅堂本身的自然声学传输特征，而且厅堂的每一个区域都会被完全且同等地纳入整个信号再生和分配环节，避免了舞台区域和观众席区域声学条件分离的现象。VIVACE II的基本工作原理如图29所示。

图29 VIVACE II系统基本工作原理示意图

VIVACE II的信号处理器可以提供最大192路输入及192路输出的交叉节点矩阵，每个通道均可进行电平、压缩、延时以及参量均衡调整，并通过两组并行的信号路径结构满足几乎所有的电声处理流程需要，其信号处理流程可见图30。

图30 VIVACE II系统信号处理流程示意图

图30 中上半部分为四个双通道组成的声学合成卷积处理模组，它们可以按需要接收并处理任意期望馈送至此的传声器信号，然后各自卷积合成四个声学空间并输出。而图30中的下半部分则为再生卷积处理模组，包括最大32个卷积处理层和最大16个早期反射卷积处理层，所有处理层均采用具有VIVACE专利的卷积算法，用于卷积的脉冲响应可以在基于真实厅堂的脉冲响应和中性的脉冲响应间自由选择，其中，后者主要用于增强该厅堂本身的声学特征，而不引入人工或其他不当的声学属性。这种多层的处理结构使得VIVACE主机可以对其总的处理资源进行分配，从而同步实现两个独立厅堂的声学环境调整或一部分用于建立厅堂本身的声学空间，而另一部分用于建立舞台反声罩系统。

同前一代产品一样，除常规指标外，VIVACE II系统对于其重放扬声器没有什么特殊的要求，但最好选用具有较好低频响应的同轴产品作为主天花扬声器，而侧向早期反射声能则建议采用高质量宽频声柱。

除VIVACE II型系统外，基于同样的原理，MBBM及StageTec还提供了一套小型化、简易化的VICELLO系统，主要应用于教室、会议厅等较小体量的场所，以更为经济的投入来满足此类厅堂改善、调整声学环境的需求。

综上所述，混合再生系统结合了再生式和回路嵌入式系统的各自特点，相当于在物理形式上，既可以为厅堂提供不同反射扩散属性的变化，又可以提供另外一个独立的耦合空间，从而能够根据厅堂实际情况予以选择搭配使用。这样既在一定程度上保持了厅堂的固有声学特征，又提供了全新创造的可能，但问题也随之而来，即需要保证固有声学特征与新合成厅堂特征的自然融合。同时，如果厅堂固有声学特征信息不足（即厅堂过干），那么这种自然属性的保持也会很难实现。