專利名稱：：廳堂聲學環境仿真系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種利用電子擴聲設備仿真建筑聲學環境的裝置，具體來說，涉及一種利用電子聲學的方法，在一個固定的廳堂中，通過拾音話筒、DSP數字音頻處理器及擴聲揚聲器仿真多種類型的聲學環境。
背景技術：
：廳堂的音質是建筑聲學的綜合主觀效果，自從Sabine的早期著作對廳堂混響時間參數的決定因素提出準確科學論證以來，聲學專家在房間聲學上深入研究得到更多決定房間建筑聲學效果的重要參數，他們對音質的主觀印象起著作用。主要有以下幾個方面混響時間RT60、早期衰變時間EDT、明晰度因子C80、低音比BR、強度因子G等。混響時間RT60是廳堂建筑聲學的最重要參數之一，不同類型廳堂的最佳混響時間各不相同，根據我國的《劇場建筑設計規范》JGJ-57-2000/J67-2001。不同表演形式對廳堂的最佳混響時間(頻率500~1000Hz)要求推薦如下推薦值(秒)歌舞1.2~1.5s話劇0.9~1.2s戲曲1.0~1.4s混響時間頻率特性比值推薦如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>單就混響時間而言，不同表演類型的最佳混響時間各不相同，為了解決這些問題，滿足不同藝術表演的需要，國際上主要采用兩種處理方式。其一、采用多廳專業劇場方式，每個廳按不同的表演形式設計成相應的專業劇場，不同的劇場具有不同的建筑聲學環境。如中國國家大劇院，設有一座歌劇院、一座音樂廳及一座戲劇場。其二，采用多功能劇場方式，劇場的建聲環境可以按不同的演出需要做相應的變化。如上海大劇院，其大劇場具有混響時間可調功能。對于采用多功能劇場的方式，需要對多功能劇場的建筑聲學參數進行調整，以適應不同的專業演出要求。目前對劇場進行聲學環境調整的方法主要是機械的方式，如改變廳堂的空間體積、改變廳堂表面的吸聲系統、改變廳堂反射面的布置方式等。但是，這種采用機械的方式進行建筑聲學參數的調整，其調整幅度有限，而且調整的過程復雜，工程的造價較高。隨著我國文化建設的不斷深入，近幾年來全國許多省、市也在紛紛興建地區的"大劇院"或"藝術中心"。但多數實際上就是一座多功能劇場，以滿足某一種文藝演出為主(如歌劇)并兼顧其他演出形式(如演唱會、戲曲等)的使用。不過，當前我國絕大多數的這種"多功能劇場"僅僅是使用意義上的多功能，而不是真正意義上的多功能劇場，它們不具備建筑聲學環境的調整功能。
發明內容針對以上的不足，本發明提出了廳堂聲學環境仿真系統，本發明通過電子擴聲設備改變一個固定廳堂的建筑聲學環境，包括混響時間、早期反射聲能與混響聲能比、側向反射聲能比等，從而把廳堂的聲學環境仿真出不同類型的廳堂效果，如音樂廳、歌劇院、戲劇場、會堂等，滿足不同專業演出的擴聲需求。廳堂聲學環境仿真系統包括多通道拾音話筒、多通道信號處理器、多通道擴聲揚聲器和計算機控制系統。多通道拾音話筒包括舞臺區的拾音話筒和觀眾區的拾音話筒，舞臺區的拾音話筒主要拾取現場表演的直達聲信號，作為信號處理器實現模擬反射聲的信號源，同時也作為實現模擬混響聲的信號源，觀眾區的拾音話筒主要拾取廳堂的混響聲，作為信號處理器實現模擬混響聲的主要信號源；多通道信號處理器利用話筒拾取的表演直達聲信號和廳堂的混響聲信號，模擬不同廳堂類型的反射聲和混響聲，再利用揚聲器進行擴聲還原，從而達到廳堂聲學環境仿真的效果；多通道擴聲揚聲器包括舞臺區的擴聲揚聲器和觀眾廳的擴聲揚聲器，舞臺區的擴聲揚聲器主要實現電子反聲罩的模擬以及混響聲場的模擬，觀眾區的擴聲揚聲器主要實現混響聲場的模擬以及早期反射聲的模擬；計算機控制系統用于設置各種聲學參數，以及系統調試和模式預置和調用。所述多通道信號處理器包括2個多通道前置放大器，每個放大器具有多個獨立的通道，每個通道包括幻相電源、模擬增益、極性、啞音和數字增益，對話筒拾取信號進行預放大處理；2個輸入多通道均衡器，每個均衡器具有多個獨立的通道，每個通道包括5段參量均衡器，對話筒拾取信號進行均衡濾波處理；2個多通道延時器，每個延時器具有多個獨立的通道，每個通道包括延時器，對話筒拾取信號進行延時處理；1個話筒信號分配矩陣，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器，對話筒拾取信號進行分配；1個反射聲模擬處理器，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器和多通道延時器，利用話筒拾取的信號，模擬出廳堂的反射聲信號；1個混響聲模擬處理器，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器、多通道延時器、多通道信號混合器，利用話筒拾取的信號，模擬出廳堂的混響聲信號；1個音頻信號混合分配矩陣，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器，對模擬出的廳堂反射聲信號和混響聲信號進行混合及分配；2個輸出多通道均衡器，每個均衡器具有多個獨立的通道，每個通道包括3段參量均衡器、高通濾波器及低通濾波器，對輸出的廳堂模擬反射聲信號和混響聲信號進行均衡濾波處理。所述計算機控制系統通過網絡線和DSP系統處理器連接控制計算機，采用TCP/IP通訊協議，該控制系統采用圖形化操作界面，包括主控界面、設置界面和調試界面主控界面用于選擇不同的模擬廳堂環境，采用一鍵式切換，能快速改變廳堂的聲學環境；設置界面實現模式儲存和調用其它分項設置界面的功能，它包括1)混響時間調節界面對電子虛擬空間的參數進行設置，將電子混響空間耦合到實際廳堂，實現改變廳堂混響特性的目的，2)早期反射聲調節界面對電子虛擬反射表面的參數進行設置，改變廳堂的早期反射聲能分布特性，實現對音質的提升，3)早期衰變設置調整界面對電子虛擬反射表面的參數以及虛擬電子反射面的輸出方式進行設置，實現對早期衰變時間的調整，4)明晰度因子調節界面對虛擬空間的混響聲能和早期聲能的輸出量參數進行調整，實現改變廳堂早期聲能比，達到調節明晰度的目的，5)低音比調節界面對虛擬空間的混響聲能的頻率功率分布進行調整，實現改變廳堂低音比的目的，6)強度因子調節界面對電子虛擬空間的通道傳輸頻率特性的調節，優化系統的傳聲增益，實現改變廳堂的強度因子，7)初始延時間隙調節界面對電子虛擬空間的初始延時進行調節，包括早期反射聲能和混響聲能，達到調節初始延時間隙的目的，8)揚聲器路由分配設置界面對電子虛擬空間的通道進行設置，用于分配話筒輸入通道和揚聲器輸出通道，系統調試界面，對電子虛擬空間的話筒輸入通道和揚聲器輸出通道進行調試，使各通道滿足設計要求。本發明的有益效果1、實現觀眾廳的混響時間連續可調本系統利用電子的方式虛擬一個混響空間，在改變原房間的混響時間時可以避免同樣的問題，因為本系統可以隨時更改電子混響空間的參數，使得耦合后原房間的混響聲能衰減曲線的雙斜率特征變的不明顯。即耦合后原房間的混響時間衰減曲線的早期的混響聲能衰減率和后期的混響聲能衰減率可以避免明顯的不一致。2、實現模擬早期反射聲功能；3、模擬舞臺反聲罩4、其它功能利用該系統，還可以對廳堂聲學環境的其它參數進行調整，達到改善廳堂音質的目的，可以調整的參數還包括以下部分早期衰變時間EDT雙耳聽覺互相關系數IACC明晰度因子C80強度因子G低音比BR*初始延時間隙ITDG圖1為廳堂聲學環境仿真系統結構圖;圖2為揚聲器及話筒平面布置示意圖;圖3為揚聲器及話筒剖面布置示意圖；圖4為廳堂聲學環境仿真系統原理圖5為廳堂環境仿真系統處理器之多通道前置放大器示意圖；圖6為廳堂環境仿真系統處理器之輸入多通道均衡器示意圖；圖7為廳堂環境仿真系統處理器之多通道延時器示意圖；圖8為廳堂環境仿真系統處理器之話筒信號分配矩陣示意圖；圖9為廳堂環境仿真系統處理器之反射聲模擬處理器示意圖；圖IO為廳堂環境仿真系統處理器之混響聲模擬處理器示意圖；圖11為廳堂環境仿真系統處理器之音頻信號混合分配矩陣示意圖;圖12為廳堂環境仿真系統處理器之輸出多通道均衡器示意圖；圖13為展廳固有混響時間曲線示意圖14為廳堂聲學環境仿真系統未開啟時展廳的脈沖響應示意圖15為會議廳堂模式時混響時間曲線示意圖16為會議廳堂模式時展廳的脈沖響應示意圖17為話劇廳堂模式時混響時間曲線示意圖18為話劇廳堂模式時展廳的脈沖響應示意圖19為歌舞劇廳堂模式時混響時間曲線示意圖20為歌舞劇堂模式時展廳的脈沖響應示意圖21為圖3的圖例。具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步闡述。1、系統的構成說明如圖1所示，廳堂聲學環境仿真系統包括以下四部分-多通道拾音話筒包括舞臺區的拾音話筒和觀眾區的拾音話筒，舞臺區的拾音話筒主要拾取現場表演的直達聲信號，作為信號處理器實現模擬反射聲的信號源，同時也作為實現模擬混響聲的信號源。觀眾區的拾音話筒主要拾取廳堂的混響聲，作為信號處理器實現模擬混響聲的主要信號源。多通道信號處理器是廳堂聲學環境仿真系統的核心部分，利用話筒拾取的表演直達聲信號和廳堂的混響聲信號，模擬不同廳堂類型的反射聲和混響聲，再利用揚聲器進行擴聲還原，從而達到廳堂聲學環境仿真的效果。多通道擴聲揚聲器包括舞臺區的擴聲揚聲器和觀眾廳的擴聲揚聲器，舞臺區的擴聲揚聲器主要實現電子反聲罩的模擬以及混響聲場的模擬，觀眾區的擴聲揚聲器主要實現混響聲場的模擬以及早期反射聲的模擬。計算機控制系統包括計算機硬件和計算機軟件，計算機硬件要求內存不少于1G，工作在WindowsXP或Windows2000系統，計算機軟件為《廳堂聲學環境仿真系統控制軟件》，用于設置各種聲學參數，以及系統調試和模式預置和調用。2、系統設備的布置說明在廳堂中安裝本廳堂聲學環境仿真系統，需要在舞臺區和觀眾區安裝多個獨立的話筒拾音通道和揚聲器擴聲通道，在舞臺區按一定的距離圍繞主舞臺安裝一圈立時揚聲器，揚聲器指向舞臺，在舞臺區的上方按一定的距離安裝若干俯式揚聲器，揚聲器指向舞臺，另外，在觀眾廳墻面也按一定的距離安裝若干立式揚聲器，在觀眾廳吊頂按一定的距離安裝若干俯式揚聲器，揚聲器指向觀眾區。另外，在舞臺區和觀眾區均按一定的距離吊掛若干支拾音話筒，舞臺區的拾音話筒選用指向性話筒，觀眾區的拾音話筒采用無指向性話筒。揚聲器和話筒的布置詳見圖2和圖3。3、系統的詳細結構說明3.1處理器說明廳堂聲學環境仿真系統的原理圖見圖4，其中的廳堂環境仿真系統處理器包括12部分，各部分均采用高速DSP數字音頻處理搭建。多通道前置放大器(廳堂環境仿真系統處理器之1和2)的搭建方法見圖5，具有多個獨立的通道，每個通道包括幻相電源、模擬增益、極性、啞音、數字增益，對話筒拾取信號進行預放大處理。輸入多通道均衡器(廳堂環境仿真系統處理器之3和4)的搭建方法見圖6，具有多個獨立的通道，每個通道包括5段參量均衡器，對話筒拾取信號進行均衡濾波處理。多通道延時器(廳堂環境仿真系統處理器之5和6)的搭建方法見圖7，具有多個獨立的通道，每個通道包括延時器，對話筒拾取信號進行延時處理。話筒信號分配矩陣(廳堂環境仿真系統處理器之7)的搭建方法見圖8，具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器，對話筒拾取信號進行分配。反射聲模擬處理器(廳堂環境仿真系統處理器之8)的搭建方法見圖9，具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器和多通道延時器，利用話筒拾取的信號，模擬出廳堂的反射聲信號。混響聲模擬處理器(廳堂環境仿真系統處理器之9)的搭建方法見圖10，具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器、多通道延時器、多通道信號混合器，利用話筒拾取的信號，模擬出廳堂的混響聲信號。音頻信號混合分配矩陣(廳堂環境仿真系統處理器之10)的搭建方法見圖11，具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器，對模擬出的廳堂反射聲信號和混響聲信號進行混合及分配。輸出多通道均衡器(廳堂環境仿真系統處理器之11和12)的搭建方法見圖12,具有多個獨立的通道，每個通道包括3段參量均衡器、高通濾波器及低通濾波器，對輸出的廳堂模擬反射聲信號和混響聲信號進行均衡濾波處理。3.2控制系統本廳堂聲學環境仿真系統控制計算機通過網絡線和DSP系統處理器連接，采用TCP/IP通訊協議。系統控制軟件采用圖形化操作界面，直觀方便，它包括主控界面、設置界面和調試界面。主控界面用于選擇不同的模擬廳堂環境，采用一鍵式切換，能快速改變廳堂的聲學環境。主設置界面實現模式儲存和調用其它分項設置界面的功能。混響時間調節界面，對電子虛擬空間的參數進行設置，將電子混響空間耦合到實際廳堂，實現改變廳堂混響特性的目的。早期反射聲調節界面，對電子虛擬反射表面的參數進行設置，改變廳堂的早期反射聲能分布特性，實現對音質的提升。早期衰變設置調整界面，對電子虛擬反射表面的參數以及虛擬電子反射面的輸出方式進行設置，實現對早期衰變時間的調整。明晰度因子調節界面，對虛擬空間的混響聲能和早期聲能的輸出量參數進行調整，實現改變廳堂早期聲能比，達到調節明晰度的目的。低音比調節界面，對虛擬空間的混響聲能的頻率功率分布進行調整，實現改變廳堂低音比的目的。強度因子調節界面，對電子虛擬空間的通道傳輸頻率特性的調節，優化系統的傳聲增益，實現改變廳堂的強度因子。初始延時間隙調節界面，對電子虛擬空間的初始延時進行調節，包括早期反射聲能和混響聲能，達到調節初始延時間隙的目的。揚聲器路由分配設置界面，對電子虛擬空間的通道進行設置，用于分配話筒輸入通道和揚聲器輸出通道。系統調試界面，對電子虛擬空間的話筒輸入通道和揚聲器輸出通道進行調試，使各通道滿足設計要求。4、系統實驗在廣州天河工業園勵豐聲光科技有限公司的展廳，我們安裝了一套廳堂聲學環境仿真系統，系統包括16支拾音話筒、15只全頻揚聲器和1只超低頻揚聲器，以及一臺16進16出的大規模DSP數字音頻處理器，控制計算機為一臺WINDOWSXP的手提電腦，展廳的固有混響時間0.4秒，其混響時間曲線見圖13，測量的脈沖響應見圖14。利用廳堂聲學環境仿真系統，設置了三個廳堂仿真模式，分別是會議廳堂、話劇廳堂和歌舞劇廳堂。會議廳堂時測量的混響時間0.8秒，其混響時間曲線見圖15，測量的脈沖響應見圖16;話劇廳堂時測量的混響時間L2秒，其混響時間曲線見圖17，測量的脈沖響應見圖18;歌舞劇堂時測量的混響時間1.5秒，其混響時間曲線見圖19，測量的脈沖響應見圖20。從實驗的結果可以得出，使用廳堂聲學環境仿真系統，展廳的混響時間由0.4秒可以調整到1.5秒，達3.7倍，另外，和廳堂音質相關的其它聲學參數，也可以進行大幅度的調節。權利要求1、一種廳堂聲學環境仿真系統，其特征在于，它包括多通道拾音話筒、多通道信號處理器、多通道擴聲揚聲器和計算機控制系統多通道拾音話筒包括舞臺區的拾音話筒和觀眾區的拾音話筒，舞臺區的拾音話筒拾取現場表演的直達聲信號，作為信號處理器實現模擬反射聲的信號源，同時也作為實現模擬混響聲的信號源，觀眾區的拾音話筒拾取廳堂的混響聲，作為信號處理器實現模擬混響聲的主要信號源；多通道信號處理器利用話筒拾取的表演直達聲信號和廳堂的混響聲信號，模擬不同廳堂類型的反射聲和混響聲，再利用揚聲器進行擴聲還原，從而達到廳堂聲學環境仿真的效果；多通道擴聲揚聲器包括舞臺區的擴聲揚聲器和觀眾廳的擴聲揚聲器，舞臺區的擴聲揚聲器實現電子反聲罩的模擬以及混響聲場的模擬，觀眾區的擴聲揚聲器實現混響聲場的模擬以及早期反射聲的模擬；計算機控制系統用于設置各種聲學參數，以及系統調試和模式預置和調用。2、根據權利要求1所述的廳堂聲學環境仿真系統，其特征在于，所述多通道信號處理器包括2個多通道前置放大器，每個放大器具有多個獨立的通道，每個通道包括幻相電源、模擬增益、極性、啞音和數字增益，對話筒拾取信號進行預放大處理；2個輸入多通道均衡器，每個均衡器具有多個獨立的通道，每個通道包括5段參量均衡器，對話筒拾取信號進行均衡濾波處理；2個多通道延時器，每個延時器具有多個獨立的通道，每個通道包括延時器，對話筒拾取信號進行延時處理；1個話筒信號分配矩陣，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器，對話筒拾取信號進行分配；1個反射聲模擬處理器，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器和多通道延時器，利用話筒拾取的信號，模擬出廳堂的反射聲信號；1個混響聲模擬處理器，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器、多通道延時器、多通道信號混合器，利用話筒拾取的信號，模擬出廳堂的混響聲信號；1個音頻信號混合分配矩陣，其具有多個獨立的輸入通道和輸出通道，包括輸入增益調節和輸出增益調節，以及多通道信號路由器，對模擬出的廳堂反射聲信號和混響聲信號進行混合及分配；2個輸出多通道均衡器，每個均衡器具有多個獨立的通道，每個通道包括3段參量均衡器、高通濾波器及低通濾波器，對輸出的廳堂模擬反射聲信號和混響聲信號進行均衡濾波處理。3、根據權利要求1所述的廳堂聲學環境仿真系統，其特征在于，所述計算機控制系統通過網絡線和DSP系統處理器連接控制計算機，采用TCP/IP通訊協議，該控制系統采用圖形化操作界面，包括主控界面、設置界面和調試界面主控界面用于選擇不同的模擬廳堂環境，采用一鍵式切換，能快速改變廳堂的聲學環境；設置界面實現模式儲存和調用其它分項設置界面的功能，它包括1)混響時間調節界面對電子虛擬空間的參數進行設置，將電子混響空間耦合到實際廳堂，實現改變廳堂混響特性的目的，2)早期反射聲調節界面對電子虛擬反射表面的參數進行設置，改變廳堂的早期反射聲能分布特性，實現對音質的提升，3)早期衰變設置調整界面對電子虛擬反射表面的參數以及虛擬電子反射面的輸出方式進行設置，實現對早期衰變時間的調整，4)明晰度因子調節界面對虛擬空間的混響聲能和早期聲能的輸出量參數進行調整，實現改變廳堂早期聲能比，達到調節明晰度的目的，5)低音比調節界面對虛擬空間的混響聲能的頻率功率分布進行調整，實現改變廳堂低音比的目的，6)強度因子調節界面對電子虛擬空間的通道傳輸頻率特性的調節，優化系統的傳聲增益，實現改變廳堂的強度因子，7)初始延時間隙調節界面對電子虛擬空間的初始延時進行調節，包括早期反射聲能和混響聲能，達到調節初始延時間隙的目的，8)揚聲器路由分配設置界面對電子虛擬空間的通道進行設置，用于分配話筒輸入通道和揚聲器輸出通道；系統調試界面，對電子虛擬空間的話筒輸入通道和揚聲器輸出通道進行調試，使各通道滿足設計要求。全文摘要本發明公開了廳堂聲學環境仿真系統，包括多通道拾音話筒(1)、多通道信號處理器(2)、多通道擴聲揚聲器(3)和計算機控制系統(4)。(1)拾取現場表演的直達聲信號，作為信號處理器實現模擬反射聲和實現模擬混響聲的信號源，拾取廳堂的混響聲，作為實現模擬混響聲的信號源；(2)利用話筒拾取的表演直達聲信號和廳堂的混響聲信號，模擬不同廳堂類型的反射聲和混響聲，利用揚聲器進行擴聲還原；(3)包括舞臺區擴聲揚聲器和觀眾廳擴聲揚聲器，舞臺區擴聲揚聲器實現電子反聲罩的模擬以及混響聲場的模擬，觀眾區的擴聲揚聲器實現混響聲場的模擬以及早期反射聲的模擬；(4)用于設置各種聲學參數，以及系統調試和模式預置和調用。文檔編號G10K15/00GK101477797SQ20081021932公開日2009年7月8日申請日期2008年11月24日優先權日2008年11月24日發明者李志雄,李榮芳申請人:廣州勵豐聲光科技有限公司