专利名称：：厅堂声学环境仿真系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种利用电子扩声设备仿真建筑声学环境的装置，具体来说，涉及一种利用电子声学的方法，在一个固定的厅堂中，通过拾音话筒、DSP数字音频处理器及扩声扬声器仿真多种类型的声学环境。
背景技术：
：厅堂的音质是建筑声学的综合主观效果，自从Sabine的早期著作对厅堂混响时间参数的决定因素提出准确科学论证以来，声学专家在房间声学上深入研究得到更多决定房间建筑声学效果的重要参数，他们对音质的主观印象起着作用。主要有以下几个方面混响时间RT60、早期衰变时间EDT、明晰度因子C80、低音比BR、强度因子G等。混响时间RT60是厅堂建筑声学的最重要参数之一，不同类型厅堂的最佳混响时间各不相同，根据我国的《剧场建筑设计规范》JGJ-57-2000/J67-2001。不同表演形式对厅堂的最佳混响时间(频率500~1000Hz)要求推荐如下推荐值(秒)歌舞1.2~1.5s话剧0.9~1.2s戏曲1.0~1.4s混响时间频率特性比值推荐如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>单就混响时间而言，不同表演类型的最佳混响时间各不相同，为了解决这些问题，满足不同艺术表演的需要，国际上主要采用两种处理方式。其一、采用多厅专业剧场方式，每个厅按不同的表演形式设计成相应的专业剧场，不同的剧场具有不同的建筑声学环境。如中国国家大剧院，设有一座歌剧院、一座音乐厅及一座戏剧场。其二，采用多功能剧场方式，剧场的建声环境可以按不同的演出需要做相应的变化。如上海大剧院，其大剧场具有混响时间可调功能。对于采用多功能剧场的方式，需要对多功能剧场的建筑声学参数进行调整，以适应不同的专业演出要求。目前对剧场进行声学环境调整的方法主要是机械的方式，如改变厅堂的空间体积、改变厅堂表面的吸声系统、改变厅堂反射面的布置方式等。但是，这种采用机械的方式进行建筑声学参数的调整，其调整幅度有限，而且调整的过程复杂，工程的造价较高。随着我国文化建设的不断深入，近几年来全国许多省、市也在纷纷兴建地区的"大剧院"或"艺术中心"。但多数实际上就是一座多功能剧场，以满足某一种文艺演出为主(如歌剧)并兼顾其他演出形式(如演唱会、戏曲等)的使用。不过，当前我国绝大多数的这种"多功能剧场"仅仅是使用意义上的多功能，而不是真正意义上的多功能剧场，它们不具备建筑声学环境的调整功能。
发明内容针对以上的不足，本发明提出了厅堂声学环境仿真系统，本发明通过电子扩声设备改变一个固定厅堂的建筑声学环境，包括混响时间、早期反射声能与混响声能比、侧向反射声能比等，从而把厅堂的声学环境仿真出不同类型的厅堂效果，如音乐厅、歌剧院、戏剧场、会堂等，满足不同专业演出的扩声需求。厅堂声学环境仿真系统包括多通道拾音话筒、多通道信号处理器、多通道扩声扬声器和计算机控制系统。多通道拾音话筒包括舞台区的拾音话筒和观众区的拾音话筒，舞台区的拾音话筒主要拾取现场表演的直达声信号，作为信号处理器实现模拟反射声的信号源，同时也作为实现模拟混响声的信号源，观众区的拾音话筒主要拾取厅堂的混响声，作为信号处理器实现模拟混响声的主要信号源；多通道信号处理器利用话筒拾取的表演直达声信号和厅堂的混响声信号，模拟不同厅堂类型的反射声和混响声，再利用扬声器进行扩声还原，从而达到厅堂声学环境仿真的效果；多通道扩声扬声器包括舞台区的扩声扬声器和观众厅的扩声扬声器，舞台区的扩声扬声器主要实现电子反声罩的模拟以及混响声场的模拟，观众区的扩声扬声器主要实现混响声场的模拟以及早期反射声的模拟；计算机控制系统用于设置各种声学参数，以及系统调试和模式预置和调用。所述多通道信号处理器包括2个多通道前置放大器，每个放大器具有多个独立的通道，每个通道包括幻相电源、模拟增益、极性、哑音和数字增益，对话筒拾取信号进行预放大处理；2个输入多通道均衡器，每个均衡器具有多个独立的通道，每个通道包括5段参量均衡器，对话筒拾取信号进行均衡滤波处理；2个多通道延时器，每个延时器具有多个独立的通道，每个通道包括延时器，对话筒拾取信号进行延时处理；1个话筒信号分配矩阵，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器，对话筒拾取信号进行分配；1个反射声模拟处理器，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器和多通道延时器，利用话筒拾取的信号，模拟出厅堂的反射声信号；1个混响声模拟处理器，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器、多通道延时器、多通道信号混合器，利用话筒拾取的信号，模拟出厅堂的混响声信号；1个音频信号混合分配矩阵，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器，对模拟出的厅堂反射声信号和混响声信号进行混合及分配；2个输出多通道均衡器，每个均衡器具有多个独立的通道，每个通道包括3段参量均衡器、高通滤波器及低通滤波器，对输出的厅堂模拟反射声信号和混响声信号进行均衡滤波处理。所述计算机控制系统通过网络线和DSP系统处理器连接控制计算机，采用TCP/IP通讯协议，该控制系统采用图形化操作界面，包括主控界面、设置界面和调试界面主控界面用于选择不同的模拟厅堂环境，采用一键式切换，能快速改变厅堂的声学环境；设置界面实现模式储存和调用其它分项设置界面的功能，它包括1)混响时间调节界面对电子虚拟空间的参数进行设置，将电子混响空间耦合到实际厅堂，实现改变厅堂混响特性的目的，2)早期反射声调节界面对电子虚拟反射表面的参数进行设置，改变厅堂的早期反射声能分布特性，实现对音质的提升，3)早期衰变设置调整界面对电子虚拟反射表面的参数以及虚拟电子反射面的输出方式进行设置，实现对早期衰变时间的调整，4)明晰度因子调节界面对虚拟空间的混响声能和早期声能的输出量参数进行调整，实现改变厅堂早期声能比，达到调节明晰度的目的，5)低音比调节界面对虚拟空间的混响声能的频率功率分布进行调整，实现改变厅堂低音比的目的，6)强度因子调节界面对电子虚拟空间的通道传输频率特性的调节，优化系统的传声增益，实现改变厅堂的强度因子，7)初始延时间隙调节界面对电子虚拟空间的初始延时进行调节，包括早期反射声能和混响声能，达到调节初始延时间隙的目的，8)扬声器路由分配设置界面对电子虚拟空间的通道进行设置，用于分配话筒输入通道和扬声器输出通道，系统调试界面，对电子虚拟空间的话筒输入通道和扬声器输出通道进行调试，使各通道满足设计要求。本发明的有益效果1、实现观众厅的混响时间连续可调本系统利用电子的方式虚拟一个混响空间，在改变原房间的混响时间时可以避免同样的问题，因为本系统可以随时更改电子混响空间的参数，使得耦合后原房间的混响声能衰减曲线的双斜率特征变的不明显。即耦合后原房间的混响时间衰减曲线的早期的混响声能衰减率和后期的混响声能衰减率可以避免明显的不一致。2、实现模拟早期反射声功能；3、模拟舞台反声罩4、其它功能利用该系统，还可以对厅堂声学环境的其它参数进行调整，达到改善厅堂音质的目的，可以调整的参数还包括以下部分早期衰变时间EDT双耳听觉互相关系数IACC明晰度因子C80强度因子G低音比BR*初始延时间隙ITDG图1为厅堂声学环境仿真系统结构图;图2为扬声器及话筒平面布置示意图;图3为扬声器及话筒剖面布置示意图；图4为厅堂声学环境仿真系统原理图5为厅堂环境仿真系统处理器之多通道前置放大器示意图；图6为厅堂环境仿真系统处理器之输入多通道均衡器示意图；图7为厅堂环境仿真系统处理器之多通道延时器示意图；图8为厅堂环境仿真系统处理器之话筒信号分配矩阵示意图；图9为厅堂环境仿真系统处理器之反射声模拟处理器示意图；图IO为厅堂环境仿真系统处理器之混响声模拟处理器示意图；图11为厅堂环境仿真系统处理器之音频信号混合分配矩阵示意图;图12为厅堂环境仿真系统处理器之输出多通道均衡器示意图；图13为展厅固有混响时间曲线示意图14为厅堂声学环境仿真系统未开启时展厅的脉冲响应示意图15为会议厅堂模式时混响时间曲线示意图16为会议厅堂模式时展厅的脉冲响应示意图17为话剧厅堂模式时混响时间曲线示意图18为话剧厅堂模式时展厅的脉冲响应示意图19为歌舞剧厅堂模式时混响时间曲线示意图20为歌舞剧堂模式时展厅的脉冲响应示意图21为图3的图例。具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步阐述。1、系统的构成说明如图1所示，厅堂声学环境仿真系统包括以下四部分-多通道拾音话筒包括舞台区的拾音话筒和观众区的拾音话筒，舞台区的拾音话筒主要拾取现场表演的直达声信号，作为信号处理器实现模拟反射声的信号源，同时也作为实现模拟混响声的信号源。观众区的拾音话筒主要拾取厅堂的混响声，作为信号处理器实现模拟混响声的主要信号源。多通道信号处理器是厅堂声学环境仿真系统的核心部分，利用话筒拾取的表演直达声信号和厅堂的混响声信号，模拟不同厅堂类型的反射声和混响声，再利用扬声器进行扩声还原，从而达到厅堂声学环境仿真的效果。多通道扩声扬声器包括舞台区的扩声扬声器和观众厅的扩声扬声器，舞台区的扩声扬声器主要实现电子反声罩的模拟以及混响声场的模拟，观众区的扩声扬声器主要实现混响声场的模拟以及早期反射声的模拟。计算机控制系统包括计算机硬件和计算机软件，计算机硬件要求内存不少于1G，工作在WindowsXP或Windows2000系统，计算机软件为《厅堂声学环境仿真系统控制软件》，用于设置各种声学参数，以及系统调试和模式预置和调用。2、系统设备的布置说明在厅堂中安装本厅堂声学环境仿真系统，需要在舞台区和观众区安装多个独立的话筒拾音通道和扬声器扩声通道，在舞台区按一定的距离围绕主舞台安装一圈立时扬声器，扬声器指向舞台，在舞台区的上方按一定的距离安装若干俯式扬声器，扬声器指向舞台，另外，在观众厅墙面也按一定的距离安装若干立式扬声器，在观众厅吊顶按一定的距离安装若干俯式扬声器，扬声器指向观众区。另外，在舞台区和观众区均按一定的距离吊挂若干支拾音话筒，舞台区的拾音话筒选用指向性话筒，观众区的拾音话筒采用无指向性话筒。扬声器和话筒的布置详见图2和图3。3、系统的详细结构说明3.1处理器说明厅堂声学环境仿真系统的原理图见图4，其中的厅堂环境仿真系统处理器包括12部分，各部分均采用高速DSP数字音频处理搭建。多通道前置放大器(厅堂环境仿真系统处理器之1和2)的搭建方法见图5，具有多个独立的通道，每个通道包括幻相电源、模拟增益、极性、哑音、数字增益，对话筒拾取信号进行预放大处理。输入多通道均衡器(厅堂环境仿真系统处理器之3和4)的搭建方法见图6，具有多个独立的通道，每个通道包括5段参量均衡器，对话筒拾取信号进行均衡滤波处理。多通道延时器(厅堂环境仿真系统处理器之5和6)的搭建方法见图7，具有多个独立的通道，每个通道包括延时器，对话筒拾取信号进行延时处理。话筒信号分配矩阵(厅堂环境仿真系统处理器之7)的搭建方法见图8，具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器，对话筒拾取信号进行分配。反射声模拟处理器(厅堂环境仿真系统处理器之8)的搭建方法见图9，具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器和多通道延时器，利用话筒拾取的信号，模拟出厅堂的反射声信号。混响声模拟处理器(厅堂环境仿真系统处理器之9)的搭建方法见图10，具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器、多通道延时器、多通道信号混合器，利用话筒拾取的信号，模拟出厅堂的混响声信号。音频信号混合分配矩阵(厅堂环境仿真系统处理器之10)的搭建方法见图11，具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器，对模拟出的厅堂反射声信号和混响声信号进行混合及分配。输出多通道均衡器(厅堂环境仿真系统处理器之11和12)的搭建方法见图12,具有多个独立的通道，每个通道包括3段参量均衡器、高通滤波器及低通滤波器，对输出的厅堂模拟反射声信号和混响声信号进行均衡滤波处理。3.2控制系统本厅堂声学环境仿真系统控制计算机通过网络线和DSP系统处理器连接，采用TCP/IP通讯协议。系统控制软件采用图形化操作界面，直观方便，它包括主控界面、设置界面和调试界面。主控界面用于选择不同的模拟厅堂环境，采用一键式切换，能快速改变厅堂的声学环境。主设置界面实现模式储存和调用其它分项设置界面的功能。混响时间调节界面，对电子虚拟空间的参数进行设置，将电子混响空间耦合到实际厅堂，实现改变厅堂混响特性的目的。早期反射声调节界面，对电子虚拟反射表面的参数进行设置，改变厅堂的早期反射声能分布特性，实现对音质的提升。早期衰变设置调整界面，对电子虚拟反射表面的参数以及虚拟电子反射面的输出方式进行设置，实现对早期衰变时间的调整。明晰度因子调节界面，对虚拟空间的混响声能和早期声能的输出量参数进行调整，实现改变厅堂早期声能比，达到调节明晰度的目的。低音比调节界面，对虚拟空间的混响声能的频率功率分布进行调整，实现改变厅堂低音比的目的。强度因子调节界面，对电子虚拟空间的通道传输频率特性的调节，优化系统的传声增益，实现改变厅堂的强度因子。初始延时间隙调节界面，对电子虚拟空间的初始延时进行调节，包括早期反射声能和混响声能，达到调节初始延时间隙的目的。扬声器路由分配设置界面，对电子虚拟空间的通道进行设置，用于分配话筒输入通道和扬声器输出通道。系统调试界面，对电子虚拟空间的话筒输入通道和扬声器输出通道进行调试，使各通道满足设计要求。4、系统实验在广州天河工业园励丰声光科技有限公司的展厅，我们安装了一套厅堂声学环境仿真系统，系统包括16支拾音话筒、15只全频扬声器和1只超低频扬声器，以及一台16进16出的大规模DSP数字音频处理器，控制计算机为一台WINDOWSXP的手提电脑，展厅的固有混响时间0.4秒，其混响时间曲线见图13，测量的脉冲响应见图14。利用厅堂声学环境仿真系统，设置了三个厅堂仿真模式，分别是会议厅堂、话剧厅堂和歌舞剧厅堂。会议厅堂时测量的混响时间0.8秒，其混响时间曲线见图15，测量的脉冲响应见图16;话剧厅堂时测量的混响时间L2秒，其混响时间曲线见图17，测量的脉冲响应见图18;歌舞剧堂时测量的混响时间1.5秒，其混响时间曲线见图19，测量的脉冲响应见图20。从实验的结果可以得出，使用厅堂声学环境仿真系统，展厅的混响时间由0.4秒可以调整到1.5秒，达3.7倍，另外，和厅堂音质相关的其它声学参数，也可以进行大幅度的调节。权利要求1、一种厅堂声学环境仿真系统，其特征在于，它包括多通道拾音话筒、多通道信号处理器、多通道扩声扬声器和计算机控制系统多通道拾音话筒包括舞台区的拾音话筒和观众区的拾音话筒，舞台区的拾音话筒拾取现场表演的直达声信号，作为信号处理器实现模拟反射声的信号源，同时也作为实现模拟混响声的信号源，观众区的拾音话筒拾取厅堂的混响声，作为信号处理器实现模拟混响声的主要信号源；多通道信号处理器利用话筒拾取的表演直达声信号和厅堂的混响声信号，模拟不同厅堂类型的反射声和混响声，再利用扬声器进行扩声还原，从而达到厅堂声学环境仿真的效果；多通道扩声扬声器包括舞台区的扩声扬声器和观众厅的扩声扬声器，舞台区的扩声扬声器实现电子反声罩的模拟以及混响声场的模拟，观众区的扩声扬声器实现混响声场的模拟以及早期反射声的模拟；计算机控制系统用于设置各种声学参数，以及系统调试和模式预置和调用。2、根据权利要求1所述的厅堂声学环境仿真系统，其特征在于，所述多通道信号处理器包括2个多通道前置放大器，每个放大器具有多个独立的通道，每个通道包括幻相电源、模拟增益、极性、哑音和数字增益，对话筒拾取信号进行预放大处理；2个输入多通道均衡器，每个均衡器具有多个独立的通道，每个通道包括5段参量均衡器，对话筒拾取信号进行均衡滤波处理；2个多通道延时器，每个延时器具有多个独立的通道，每个通道包括延时器，对话筒拾取信号进行延时处理；1个话筒信号分配矩阵，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器，对话筒拾取信号进行分配；1个反射声模拟处理器，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器和多通道延时器，利用话筒拾取的信号，模拟出厅堂的反射声信号；1个混响声模拟处理器，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器、多通道延时器、多通道信号混合器，利用话筒拾取的信号，模拟出厅堂的混响声信号；1个音频信号混合分配矩阵，其具有多个独立的输入通道和输出通道，包括输入增益调节和输出增益调节，以及多通道信号路由器，对模拟出的厅堂反射声信号和混响声信号进行混合及分配；2个输出多通道均衡器，每个均衡器具有多个独立的通道，每个通道包括3段参量均衡器、高通滤波器及低通滤波器，对输出的厅堂模拟反射声信号和混响声信号进行均衡滤波处理。3、根据权利要求1所述的厅堂声学环境仿真系统，其特征在于，所述计算机控制系统通过网络线和DSP系统处理器连接控制计算机，采用TCP/IP通讯协议，该控制系统采用图形化操作界面，包括主控界面、设置界面和调试界面主控界面用于选择不同的模拟厅堂环境，采用一键式切换，能快速改变厅堂的声学环境；设置界面实现模式储存和调用其它分项设置界面的功能，它包括1)混响时间调节界面对电子虚拟空间的参数进行设置，将电子混响空间耦合到实际厅堂，实现改变厅堂混响特性的目的，2)早期反射声调节界面对电子虚拟反射表面的参数进行设置，改变厅堂的早期反射声能分布特性，实现对音质的提升，3)早期衰变设置调整界面对电子虚拟反射表面的参数以及虛拟电子反射面的输出方式进行设置，实现对早期衰变时间的调整，4)明晰度因子调节界面对虚拟空间的混响声能和早期声能的输出量参数进行调整，实现改变厅堂早期声能比，达到调节明晰度的目的，5)低音比调节界面对虚拟空间的混响声能的频率功率分布进行调整，实现改变厅堂低音比的目的，6)强度因子调节界面对电子虚拟空间的通道传输频率特性的调节，优化系统的传声增益，实现改变厅堂的强度因子，7)初始延时间隙调节界面对电子虚拟空间的初始延时进行调节，包括早期反射声能和混响声能，达到调节初始延时间隙的目的，8)扬声器路由分配设置界面对电子虚拟空间的通道进行设置，用于分配话筒输入通道和扬声器输出通道；系统调试界面，对电子虚拟空间的话筒输入通道和扬声器输出通道进行调试，使各通道满足设计要求。全文摘要本发明公开了厅堂声学环境仿真系统，包括多通道拾音话筒(1)、多通道信号处理器(2)、多通道扩声扬声器(3)和计算机控制系统(4)。(1)拾取现场表演的直达声信号，作为信号处理器实现模拟反射声和实现模拟混响声的信号源，拾取厅堂的混响声，作为实现模拟混响声的信号源；(2)利用话筒拾取的表演直达声信号和厅堂的混响声信号，模拟不同厅堂类型的反射声和混响声，利用扬声器进行扩声还原；(3)包括舞台区扩声扬声器和观众厅扩声扬声器，舞台区扩声扬声器实现电子反声罩的模拟以及混响声场的模拟，观众区的扩声扬声器实现混响声场的模拟以及早期反射声的模拟；(4)用于设置各种声学参数，以及系统调试和模式预置和调用。文档编号G10K15/00GK101477797SQ20081021932公开日2009年7月8日申请日期2008年11月24日优先权日2008年11月24日发明者李志雄,李荣芳申请人:广州励丰声光科技有限公司