音乐厅音频系统设计与优化案例

引言

本文会集中讨论初始设计概念以及如何在现场对系统进行优化。系统设计从对子系统覆盖分区之间的交叉区域处理开始,并考虑了测量点应置于何处来使分区交叉区域的融合处理得以实现。我们会使用一些图例来显示音乐厅的平面分区情况和预期的测试话筒摆放位置,实测数据会使用在系统设计和优化处理过程中相同的术语来标识。

1. 系统设计

系统设计从一些已知的特定条件和可选项开始,每一个音频系统设计都会得到诸如空间尺寸、设备安装条件、预算和视觉要求等基础需求。最初的特定需求包括扬声器采用隐蔽安装方式,安装位置在台口最外侧并使用透声布遮盖。指定的扬声器安装位置太过靠外,以至于对于大部分坐席来说从各自区域“看不到”这些扬声器。换句话说,在左侧坐席的听众会从右侧的扬声器获得比左侧扬声器更多的高频覆盖。这个从视觉效果出发的要求经过设计团队的不懈努力得以解决,主扩声系统的扬声器被允许改变安装位置,这些扬声器在新的安装位置可以被看到并且(最重要的一点)被听到。这一点在设计进程中被首先确定,并且成为这个案例获得成功的重要关键。

音乐厅采用了较为少见的环形内场坐席设计,因此坐席最宽的区域接近纵深的中点。由于扬声器的覆盖区域随着投射距离的增加而变宽,这种坐席布局方式对于扩声系统设计来说是一个非常大的挑战。因此,我们需要使用侧补扩声系统来对坐席最宽的部分来进行覆盖,同时避免在坐席中后区域出现覆盖区域过大的问题。此外,由于左/右主扩扬声器之间的距离仍然过宽,因此需要使用中置扬声器。前区补声系统负责前区覆盖和声像定位,同时还在挑台下使用了补声扬声器来扩展主扩声系统的覆盖范围和提高在该区域的直达声与混响声比例。最后一个子系统是一串吊挂安装的心型指向中置次低频扬声器阵列。

这个音乐厅音频系统的设计目标是实现多个子系统结合提供均匀的覆盖。前区补声系统覆盖前两排坐席,并与主扩扬声器和/或中置扬声器结合覆盖第三排坐席。中置扬声器对从第三排至第八排坐席的中央区域的三角阴影区进行覆盖。在覆盖示意图中,每个子系统的覆盖范围都按照特定的字母标注。例如,主扩声系统和补声系统的交叉区域标注为AB(主扩声系统=A,补声系统=B)。包含多个子系统的扬声器阵列也采用同样的标注方式(例如,包含10个模块的主扩扬声器阵列按照分组被标注为ABCDE)。

系统清单:

L/R主扩声系统(ABCDE):10个在垂直轴向上采用非对称耦合设计的点声源扬声器模块。扬声器模块的水平覆盖角度为90°,在垂直轴向上采用均匀指向安装方式。L/R侧补声系统(SF):位于主扩扬声器阵列侧方的单只非对称耦合点声源扬声器,覆盖角度为水平80°和垂直50°。中置补声系统(CF):采用非耦合安装方式的单只扬声器模块,与其侧方的L/R主扩扬声器和下方的前区补声系统的覆盖区域形成部分交叉。扬声器覆盖角度为水平90°,在垂直轴向上指向特定区域。前区补声系统(FF):8个安装在台口的扬声器模块组成对称非耦合线声源。扬声器模块的覆盖角度为90°(H)x 90°(V)。前区补声系统在与主扩声系统和中置补声系统在覆盖交叉区域形成非对称、非耦合关系。挑台下补声系统(UB):4个安装在挑台下方天花的对称非耦合点声源扬声器。扬声器覆盖角度为80°(H)x 50°(V)。挑台下补声系统与主扩声系统在覆盖交叉区域形成非对称、非耦合关系。低频系统(LF):由5个扬声器模块组成的心型指向扬声器阵列,吊装在舞台上方。在100Hz频段,次低频扬声器阵列与主扩声系统行程非对称、非耦合关系。

2. 设计优化

系统设计的优化分为两个阶段:验证和校正。前一个阶段的主要工作是确保系统设计能够满足使用功能需求,第二个阶段的主要工作是对扬声器的布局、角度和间隔以及用于系统调试的信号处理器设置等细节调整。

验证过程包括一系列对连贯性、极性、失真、延迟、动态范围和其他方面的独立测试。这些测试并非本文的讨论重点,因此本文当中不会详细描述测试过程,但基于测试结果发现的问题都已被解决。

物理层面的校正包括单个扬声器模块的指向(垂直和水平轴向)、扬声器之间的间隔距离和夹角。电子信号处理方面的校正包括电平、延时、高通和低通滤波器的设置,并且包括两个阶段的均衡调整(单个系统的均衡调整和多个系统结合后的均衡调整)。

在矫正过程中在一些关键区域设置了测试话筒来确定物理层面和信号处理设备的参数设置。这些话筒按照点位和功能分类。

ONAX:位于水平和/或垂直覆盖区域的中央,用于确定扬声器指向、电平和EQ参数设置。例如:ONAX A(主扩声系统)、ONAX SF(侧补声系统)。OFFAX:位于水平覆盖区域的边缘,用于扬声器水平轴向的指向校正。例如:OFFAX A。VTOP:位于垂直覆盖区域的顶端,用于扬声器垂直轴向的指向校正。VBOT:位于垂直覆盖区域的底端,同样用于扬声器垂直轴箱的指向校正。XOVR:位于子系统的覆盖交叉过渡区域,用于对扬声器指向、间距和延时校正。例如:XAB(主扩声系统A和B的覆盖交叉区域)。

3. 单个子系统的设计

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音乐厅的建筑布局看起来很简单,但实际上如Fig 1(A1和A2)所示包含很多个覆盖分区。L/R主扩声系统覆盖了大部分坐席,但前排坐席的一个小部分区域由前区补声系统、中置补声系统和侧补声系统交叉覆盖。从主扩声系统垂直覆盖示意图中可以看到,主扩声系统阵列在中段采用了分离式设计(ABXCDE)来使挑台前沿反射声的影响最小化。

3.1. L/R主扩声系统(ABCDE)

除去需要由侧补声系统覆盖的区域之外,L/R主扩声系统所需的水平覆盖角度应至少不小于60°(前端纵横比为2.0)。由于垂直覆盖角度、功率和预算等原因,我们选择了水平覆盖角度为90°的扬声器,因此我们实际获得的水平覆盖角度大于最低限度要求(也就是说在水平覆盖区域的外缘的衰减幅度小于6 dB)。在对水平轴向上的扬声器指向进行调整后,实现了声能在外墙和坐席中轴线之间均匀分布。由于墙面具备良好的高频吸声性能,因此额外的覆盖角度带来了良好的效果(降低了水平轴向上的声压变化和波动方差幅度)。

由于扬声器安装高度并未受到限制,因此我们可以从三个方面出发来寻找合适的平衡点:声压变化(增加安装高度)、声像变化(降低安装高度)和挑台前沿的波动方差(安装高度居中)。挑台前沿形成的空间缝隙使我们需要使用相对平直的辐射角度来将“微笑和皱眉”效应降至最低(当从高处或低处向一个平面辐射时出现的波形畸变现象)。在对三个方面的因素进行权衡之后,确定了安装高度居中是一个合理的解决方案。

系统设计时首先需要解决的是对主扩声系统采用耦合还是非耦合(例如更高或更低)设计。在不使用挑台下补声扬声器时返回系数较高,几乎达到了2:1(23m / 13m)。在使用了补声扬声器之后这个系数下降至3 dB(18m / 13m),这一结果降低了在本次系统设计中使用分离式主扩声系统设计的需要。由于我们可以将扬声器阵列的安装位置设置在一个合适的高度(例如,扬声器阵列的中线与挑台平齐),因此最终的决定是采用耦合的主扩声系统设计。

扬声器阵列的垂直轴向布局由三个方面的因素决定:覆盖区域上限(开口角度8° @ 纵横比1.8)、缝隙开口角度(10°)和覆盖区域下限(32° @ 纵横比4:1)。上层坐席使用一个由两个子系统组成的点声源阵列(AB)覆盖,下层坐席则使用一个由三个子系统组成的点声源阵列(CDE)覆盖。我们得到的预算足够配置包括10个扬声器模块的侧补声系统,其中4个模块负责覆盖上层坐席,6个模块负责下层坐席的覆盖。由于覆盖纵横比更大的下层坐席需要更宽的扩散角度,因此尽管投射距离小于上层坐席,我们使用的扬声器模块数量却更多。

3.2. 前区补声系统(FF)

位于舞台台口的前区补声系统扬声器采用嵌入式安装方式。扬声器的安装高度依据以下条件决定:在允许的范围内尽量高。水平轴向的扬声器间距根据与初始覆盖区域之间的距离(距离第一排坐席1.15m)和扬声器的水平覆盖角度(90°)决定。覆盖角度为90°的扬声器覆盖宽度乘子为1.4,因此前区补声扬声器的间距应为1.6m(1.15 x 1.4 = 1.6)。前区补声系统覆盖深度大约为扬声器与初始覆盖区间距的2倍(2.3m),这个距离大约是坐席的第二排至第三排区域。因此,我们将第三排坐席视为前区补声扬声器与其他扬声器的覆盖分区交叉过渡区。

3.3. 中置补声系统(CF)

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由于主扩声系统的扬声器安装位置距离舞台台口中轴较远,因此我们必需使用中置补声系统,问题仅在于扬声器数量(1只或2只)。坐席中的阴影区形状为三角形,并与前区补声系统覆盖垂直轴向边缘和L/R主扩声系统的偏轴覆盖区边缘相交。关于中置补声系统扬声器需求的确定过程见Figure 2。唯一可行的扬声器安装位置是舞台前沿上空,我们选择了覆盖角度为80° x 50°并倾斜向下指向的扬声器。实际上我们并不真的需要80°度的水平覆盖角度,但我们的设计概念倾向于在这些交叉过渡区实现边缘模糊化。这种做法的原因在于:(A)在覆盖区的交叉点听感会出现扭曲的现象,相较于在过渡区留有覆盖缝隙的可能性来说形成小范围覆盖区域重叠是一个更安全的做法;(B)中置补声扬声器的声压可以控制在仅足够为所需区域提供覆盖的幅度,同时还可以在渐弱的区域起到声像辅助定位作用。由于安装位置非常高,因此中置补声系统的输出能量几乎与主扩声系统相等。

3.4. 侧补声系统(SF)

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侧补声系统的设计需求确定过程与中置补声系统相近(Figure 4)。由于主扩声系统的覆盖宽度不足以覆盖整个坐席,因此剩余的坐席必需使用侧补声系统来进行覆盖。在这个案例当中使用侧补声系统的好处在于,侧补声系统的垂直轴向覆盖深度可以被限制在两侧墙壁向内收窄之前的区域;如果使用主扩声系统来对这些侧面的区域进行覆盖,则无法避免在墙壁向内收窄的区域由于横向覆盖角度扩散的原因而导致过多的能量被投射至墙面。由于向外指向的主扩声系统会将整个水平覆盖范围前移至仅覆盖侧面坐席的一小部分,使用侧补声系统在垂直轴向上同样可以带来一些好处。这些好处可以视为从获取较佳均匀度方面出发的折中方案:在将主扩声系统指向大幅度前移而导致在整个房间出现较大范围的波动方差和只在与非耦合侧补声系统在覆盖区交叉过渡区域产生波动方差之间选择。尽管侧补声系统的水平覆盖角度超出我们所需,但由于侧补声系统的输出声压较低(譬如,将输出声压限制在足够覆盖侧面坐席所需),因此并不会产生严重的影响。从理论上来看,过宽的水平覆盖角度会导致过多的反射声和声干涉等问题,但实际上只要正确设置侧补声系统的输出声压就可以避免这些问题的出现。

3.5. 挑台下补声系统

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挑台下扬声器的使用需求评估从该区域的间隙比着手(坐席上空高度和坐席深度比例)。在这个案例当中,该区域的间隙比为25%(2.25m / 9m),对挑台下补声系统的使用需求非常高。第二个决定因素是返回系数(主扩扬声器到背墙的距离与挑台前沿的距离之比)为1.65(23m / 14m)。返回系数被纳入考量的原因是,主扩扬声器与挑台前沿的距离对是否使用挑台下扬声器的影响因素之一。主扩扬声器与挑台前沿的距离越近,使用挑台下扬声器的需求越低。这两个系数的综合数值为40%(25% x 1.65),也就是说在这个案例当中我们需要使用挑台下补声扬声器(通常来说,是否使用挑台下扬声器的临界值为综合指数70%)。我们选择了覆盖角度为80° H x 50° V,扬声器在垂直轴向上指向坐席的最后一排(由于纵横比≥2:1),也就是水平夹角为-15°。在这个指向设置下,挑台下扬声器的垂直覆盖区域边缘为-40°(垂直指向轴向的-25°)。扬声器在水平轴向上间距通过覆盖区域的垂直轴向起始点(均线)决定。除了垂直平面的矢量长度必需纳入考量之外(见Figure 4),计算方法与前区补声系统相同。水平覆盖角度80°(横向乘子为1.25)的扬声器与覆盖均线的矢量距离为3.5m。计算结果是扬声器的直线间距应为4.5m,但由于挑台前沿为开口角度6°的弧线,因此实际间距略微减小(间距净尺寸为4.2m)。

3.6. 低频系统(LF)

如果我们把次低频扬声器分别和L/R摆放在一起会产生什么效果?这种布局方式的好处是低频系统与主扩声系统形成耦合关系,如果把这两个系统摆放在同一个安装平台,我们会获得较小的声像波动(+)和非常糟糕的声压波动(-)。如果将次低频扬声器吊装在主扩声系统上方,那么会以牺牲声像稳定性为代价在声压波动方面得到改善;这种布局方式的问题是由于低频系统与主扩声系统之间为非耦合关系,因此会形成脉冲式波动变化,这种变化通常被称为“功率径”。而采用中置安装的方式,能够有效的将从前之后和从左至右的覆盖区域声压波动降至最低。我们使用了由5个扬声器模块组成的心型指向扬声器阵列,并采用吊装方式安装在舞台台口上方。扬声器阵列向下倾斜指向,其轴向位于两个覆盖平面的中点。最终的结果是,我们以较高的声像定位为代价实现了声压波动的最小化(这是一个我们通常都会接受的折中方案)。这种扬声器布局方式最坏的结果是在侧面的近场区域产生声像和声压波动变化(与采用L/C/R系统设计时,对中置声道进行测算时发现的情况相同)。在预算和视觉要求都允许的情况下,这个问题可以通过增加侧补次低频扬声器来解决;在使用次低频子系统时,必需对其输出声压进行仔细的设置以避免为了保持与中置低频系统响度相同而输出过高的声压。

4. 综合系统设计

这个音频系统是由很多个子系统组合而成。每一个子系统都需要合理的设置指向和输出声压,从而获得准确的覆盖分区划分;此外还需要对子系统的延时进行仔细设置,实现将覆盖分区的交叉过渡区域的脉冲式波动变化最小化。单个子系统的均衡优化只针对该子系统独立进行,随后各子系统结合在一起形成目标频率响应曲线。在本案例当中,主扩声系统的均衡优化按照平坦频响曲线的目标进行,和其他子系统结合后可按照听感对低频部分再进行适当修饰。挑台下补声系统的延时和输出声压设置以同主扩声系统结合形成均一声压覆盖为目标(GOLD)进行;这个子系统的均衡优化幅度很小,通常只是对低频部分进行一些衰减。

对于其覆盖区域来说,侧补声系统在该区域为主覆盖系统(与挑台下补声系统不同),因此这个子系统的输出声压和延时调整均独立进行。输出声压设定基于ONAX SF的频率响应测量结果进行,扬声器夹角和延迟时间设定依据其与低频系统的覆盖交叉区域(XL-SF)确定。这一系统优化过程以在ONAX SF和XL-SF两个区域都能够获得均一声压覆盖(GOLD)为目标。

中置补声系统用于填补前区补声系统以及L/R主扩声系统的覆盖阴影区。这个阴影区为三角形,并且在三个边缘和轴向中央区域都存在覆盖交叉区域(分别用XFF-CF、XL-CF和XR-CF表示)。该系统的输出声压设定在ONAX CF区域进行,扬声器指向则调整至在其覆盖区域内都能够获得均匀的覆盖为准。这个子系统的延时设定是系统优化的最后一个步骤,延时参数以它和主扩声系统在XL-CF区域的关系决定;然后根据其与前区补声系统在XFF-CF区域的关系来确定前区补声系统的延时参数。

5. 现场优化数据

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这是一个拥有很多个补声子系统的空间,接下来我们会逐个看一下这些子系统的性能表现,首先是主扩声系统(Fig.5 A1-A4)。如前所述,主扩声系统包含ABCDE五个子系统,图中的曲线显示了在不同位置上各子系统以及整个系统的响应曲线与参考区域(GOLD)响应曲线的对比。在我们完成对所有子系统进行相似的对比工作之后,才会进行多曲线堆叠平均化的步骤。值得注意的是,尽管每一个取样点的房间响应曲线(未经均衡处理)差异非常大,但处理后(均衡后)的结果与参考点(GOLD)的响应曲线非常接近。位于扬声器阵列下端的子系统(E)VHF能量较强,这是由于仅使用了6个扬声器模块覆盖纵横比4:1的坐席导致的问题(另外4个用于覆盖二层坐席)。从频谱上看,ONAX C的曲线斜率最大,这是否正常呢?答案是正常的,原因在于1)这个采样点位于挑台下方,2)子系统C位于扬声器阵列的中间位置。如果这条曲线的斜率不是最大的反而才会让人担心。

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在对其他补声系统进行优化之前,我们对主扩声系统的水平指向设计也进行了验证(Fig.6)。图表B将最外侧的坐席(OFFAX L)与音乐厅中央区域的坐席(XLR)进行了比较。在所有优化过程中都会进行与中央区域坐席的对比,我们看到的是其中一个对比图表。从图表中我们可以看到响应曲线的中高频部分基本吻合,也就是说我们的水平指向设计是合理的。在OFFAX边缘区域(靠近物理墙面),中低频部分的能量相对较强(也出现更多的脉冲式波动变化)。但在其他子系统打开后,XLR区域的中低频响应会得到改善。

挑台下补声系统的响应曲线显示于另外3个图表(C1-3)。我们可以在C1中看到两个子系统同时打开之后的响应曲线。单独的主扩声系统曲线特征非常明显:在挑台下区域下降斜率非常大,并且一致性比较差(出现脉冲式波动变化);挑台下补声系统则能够提供平坦的响应曲线和较佳的一致性。图表C2显示了我们如何在高于400 Hz以上的频段通过轻微的提升来对频谱曲线进行平衡。需要注意的是我们是在没有加入延时的情况下进行的均衡优化,譬如大幅衰减补声系统的中低频能量。所以,对挑台下坐席的覆盖优化完全在于适当的输出声压、指向、使用补声系统和将补声系统放置在合理的位置。最后一个步骤当然是将该区域的响应曲线与参考点(GOLD)的响应曲线进行对比来进行验证。

接下来让我们看一下侧补声系统(图表D1-2)。侧补声系统的优化过程如前述,因此我们不需要再次详细描述了。图表D1显示了交叉覆盖区域的响应曲线,D2则显示了优化后多个子系统同时打开的响应曲线与参考点(GOLD)的响应曲线非常接近。图表E1-2显示了中置补声系统的响应曲线,其中E1显示了单独打开中置补声系统与多个子系统同时打开时在交叉覆盖区域的响应曲线差异,而E2则显示了经过优化后多个子系统同时打开的响应曲线与参考点(GOLD)的响应曲线对比的验证结果。

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Fig.7中的图表F1-3显示了前区补声系统的情况。单独打开前区补声系统的响应曲线显示于F1,此时对前区补声系统的处理包括1个二阶高通滤波器和一个中心频率为18 kHz的低通滤波器。图表F2显示的是主扩声系统、中置补声系统和前区补声系统等3个子系统同时打开的响应曲线。优化后的响应曲线验证结果(与参考点GOLD响应曲线的对比)显示于F3。

这一系列工作的最后一项是对心型指向次低频系统的优化。这一过程是在舞台台口上方进行的,整个过程非常有趣。根据扬声器阵列前端和后端的响应确定延时后,将面向后方的扬声器极性反转,这样就完成了此项工作。

6. 结论

对于合理的安装位置的重要性无须赘言,任何EQ调整工具也无法弥补错误的安装位置带来的问题。本次案例当中的扬声器安装位置合理,因此获得的最终结果是均衡的覆盖、良好的声像定位和非常宽的动态范围。

我们在本次案例分析当中可以看到对覆盖区域进行仔细的分区和对各子系统之间的交叉覆盖区域进行细致的规划,每一个子系统的输出声压设定和均衡优化结果都与参考点(GOLD)的响应曲线非常接近。此外,我们在每一个交叉覆盖区域都进行了相位一致化的工作,将这些区域的脉冲式波动变化程度降至最低。

原作者:Bob Mccarthy 翻译:金磊

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