AFC技术原理及应用分析

康 帅，魏增来

（中国传媒大学，北京 100024）

对于不同用途的剧场而言，有着不同的建筑声学参数要求，其声学条件直接影响演出人员和听众对声音的主观感受。一般情况下，剧场建成后，其声学条件是不可改变的，虽然部分剧场设置了物理声学可变系统，但其声学条件并非连续可调，且调整范围有限，同时造价十分昂贵。然而，不同的演出类型对于厅堂声学环境的需求差异较大，即便是同类演出也会因为内容的差异而对声学环境提出差异化的需求，如管风琴音乐会比普通交响音乐会需要更长的混响时间等。因此，为提升厅堂对于不同演出的兼容性，突破声学环境的条件限制，主动声场控制(Active Field Control，AFC)技术应运而生，并逐渐成为业界研究的焦点。随着数字信号处理技术的不断发展，AFC技术逐渐走向成熟，并被用于不同的应用场景，根据用途调整厅堂的声学环境，使声场具有可变性和灵活性。

1 AFC技术的基本原理

AFC技术为YAMAHA公司研发推广的一项通用技术，旨在利用传声器-处理器-扬声器这一电子声学系统，改变厅堂的固有声学条件，通过调整早期反射声、混响时间、早后期声能比等声学参数，使厅堂更符合特定演出对于声学环境的需求，使表演者和观众都有更为舒适的主观感受（见图1）。AFC系统相比于物理声学可变系统而言，造价相对较低，声学参数连续可调，且建设难度较低。近年来，AFC系统在越来越多的厅堂中得以应用，并获得了令人满意的声学效果和观演评价。

图1 没有使用（左图）和使用AFC系统（右图）所产生的声场差异示意图

AFC技术对厅堂原始声场的声学特性进行一定程度的增强或调整。相比于通过添加与原始声场无关的人工混响方式，该技术在改造厅堂声学条件的同时，保留了原有的声音传播模式，因此声音效果更为自然、和谐。

该技术主要应用基于直达声合成反射声和增强房间初始反射声两种声学处理方式。

（1）基于直达声合成反射声称为“S-SF(Synthesis of Sound Field)”或“in-line”，其原理为基于声源直达声直接合成厅堂所需的反射声，如图2所示。该系统提供的是一个单向的声音响应，合成的声能量仅传向听众区域。但需要注意的是，由于该系统的设置原因，如果表演者走出表演区域，无法产生所需的反射声，则就会起不到改变厅堂声学环境的作用。

图2 基于直达声合成反射声的“in-line”系统

（2）增强房间初始反射声称为“A-SF(Assistance of Sound Field)”或“regenerative”，即再生系统，其原理为拾取房间的初始反射声进行再生增强，如图3所示。该方法利用声反馈的原理，拾取初始反射声的传声器会再次拾取到通过扬声器重放的经过增强处理的反射声能量，因此需避免系统增益过大而产生啸叫。为避免这一问题，可以通过增加传声器通道数量的方式提升系统的增益裕量，同时也能够更加自由地改变厅堂的声学条件。

图3 增强房间初始反射声的“regenerative”系统

AFC系统通过控制早期反射声和混响声来改变厅堂声学环境，使之与特定演出的声学需求相契合，提升演出所带来的沉浸感。在AFC系统设计建造过程中，可以通过增加传声器和扬声器通道、调整传声器和扬声器的安装位置、调整信号处理参数等方式，形成符合需求的传声器和扬声器厅堂声学条件。传声器的信号处理中包括FIR（Finite Impulse Response，有限长单位脉冲响应）滤波，通过FIR滤波增加早期反射声，即可使厅堂频率特性接近真实声场；在此基础上增加更多的混响声，则可以对声学条件进行精细的调整，甚至再现其他特定厅堂的声学特性，从而更大程度地提升AFC系统的可控性，在塑造声场上实现更为丰富的可能性。通过上述处理，AFC系统甚至能够改善自然厅堂中一些无法解决的声学问题，对于厅堂的每一个位置加以控制，使位于厅堂任意位置的听众均能感受到自然、舒适的听觉效果。

2 AFC技术的DSP处理架构

AFC技术利用了声学的反馈循环，厅堂内的声音由传声器拾取，传送至DSP系统进行处理，通过安装于舞台区域和观众席的扬声器进行重放后，再次被传声器拾取。这个过程既需要足够的反馈能量，又不能产生啸叫，因此需要将反馈能量控制在一定的范围之内。其处理架构分为输入、放大、延时矩阵、FIR滤波、通道分配及输出处理六个部分，如图4所示，实现对厅堂声场特性的主动控制。近期， 时变控制(Time-Variant Control，TVC)技术的发展使得AFC技术对声学环境的改善取得了新的进步，对增益的自动化调整也得到了实践的验证。时变控制技术主要由传声器电子转换器(Electronic Microphone Rotator，EMR)和Fluc-FIR(Time-Variant FIR)等技术组成，EMR结构及原理见图5。

图4 AFC技术的DSP处理架构框图

图5 EMR技术结构及原理图

（1）声音信号输入：根据AFC技术原理，将多支传声器布置在厅堂内，拾取声源的直达声和早期反射声。

（2）声音信号放大：对拾取的声音信号进行放大处理。

（3）延时矩阵处理：应用EMR技术进行延时矩阵处理，按照一定时间延时的电子旋转（延时旋转周期频率通常在0.4 Hz～3.0 Hz之间），使不同传声器交替接收信号，对于传声器拾取的声音信号，经由VCA（Voltage-Controlled Amplifier，压控放大器）控制，使接收传声器的信号之间过渡平滑和自然。EMR的应用效果见图6。

图6 EMR技术的应用效果

（4）卷积FIR滤波处理：将多个FIR滤波器与多个反射声一一对应，使多个反射声的叠加呈现出平滑的效果，防止出现声音染色问题，同时，控制叠加滤波的速度和深度，使听感较为自然。FIR滤波处理可使系统避免梳状滤波效应，提升频率特性，根据特定演出的实际声学环境需求，在现有厅堂声学条件的基础上叠加额外的混响效果，使厅堂对于特定演出的空间感、沉浸感得以提升。FIR滤波处理的应用效果见图7。

图7 FIR滤波的应用效果

（5）通道分配：AFC系统所使用的扬声器个数较多，且需要根据其安装位置进行独立的参数设定，因此需要进行扬声器路由分配，将经过处理的传声器通道映射到扬声器通道上。

（6）输出处理：由于各扬声器设置均不相同，因此需对每个扬声器通道进行放大、延时、均衡等处理，补偿扬声器安装位置所带来的差异，最终通过布置在观众席的众多扬声器的扩声而获得理想的声学效果。

3 AFC系统的应用分析

目前，AFC系统的用途较为广泛，在不同的应用场景下可以发挥不同的作用，还有一些功能的应用尚在研究中，如表1所示。下面通过三个应用实例解析特定厅堂运用AFC系统的设计思路，并探讨AFC系统对厅堂声学条件的增强效果。

表1 AFC系统的应用场景(A类已投入应用，B类在研究中)

3.1 AFC系统在小型多用途厅堂中的应用

对于小型的多用途厅堂，如学校小礼堂，由于用途的多样性，建筑声学设计很难面面俱到，实际使用过程中难免出现各式各样的声学问题，影响使用效果。以某学校小型礼堂为例，由于其未建设舞台反声罩，因此缺乏对舞台区域声音的有效扩散，对演员的表演造成困扰。因此，增设了AFC系统，在台口前区顶部安装4支界面传声器，在舞台区域固定安装的吊杆上吊挂12只扬声器，如图8所示（图中上半部分为俯视图，鉴于其为对称结构，只截取一半的视图；下半部分则为完整的侧视图），构成了AFC系统的拾音和扩声部分。该礼堂的AFC系统构成逻辑如图9所示，界面传声器经过放大、FIR处理、均衡、延时及信号路由后送至扩声扬声器，进行声场的主动控制，可以有效地解决舞台上声音的反射及扩散问题，使演员的表演过程变得更为舒适；同时，观众区域的声学环境也得到改善。

图8 传声器和扬声器位置俯视图及侧视图

图9 小礼堂AFC系统框图

AFC系统建成并经过调校后，进行了基本的声学测量，以客观地评估AFC系统的实际效果。对于综合效果的评测，在舞台上测量了STearly（早期舞台支持度，即0.1 s内舞台区域反射声能与直达声能的比值，反映演奏者对自身乐器及周围演奏者发出声音感受的参量），图10显示了STearly的测量点，包含对台唇、舞台中部和后部的测量评价，测量结果如表2所示。经过AFC系统的主动声学控制，舞台区域早期声支持度得到了1 dB的提升，舞台区域的反射声能得到了一定程度的增强。

表2 小礼堂STearly的测量结果

图10 舞台上传声器测量点示意图

此外，测量舞台区域和观众席的早期反射声时间，以评价AFC系统对两个区域听感的改善情况。具体方法是，分别在舞台区域和观众区设置等距的测量点，如图11所示，在台口放置声源扬声器，分别测量AFC系统开、关的情况下舞台区域和观众区的早期反射声时间，测试结果如图12所示。距离声源相同的舞台区域和观众席测量点早期反射声的到达时间值越接近，则两区域听感差异越小。测试结果显示，AFC系统对声场的控制能够在一定程度上减小舞台区域和观众区的声音效果差异，对于演员表演和观众欣赏都十分有益。

图11 声源扬声器和测量传声器位置示意图

图12 AFC系统开关前后舞台区域和观众区席早期反射声对比

3.2 AFC系统在中型多用途厅堂的应用

上述案例中，AFC系统主要解决小礼堂由于缺乏舞台反声罩导致的反射声不足的问题。下面这个约400座的中型礼堂，同样因建声缺陷存在观众席严重缺乏反射声和混响声，导致缺乏环境感和包围感的问题。因此，设计、安装了AFC系统，其系统处理逻辑框图如图13所示，主要包括ER(早期反射声增强)和REV(混响声增强)两个处理子系统，补偿和改进由于房间形状和内部构造所引发的一系列观众区声学问题，增强礼堂观众区的早期反射声及混响声，提升演出实际听感，并与现有建筑构造巧妙结合。该AFC系统的安装如图14所示，在台口上方安装了4支界面传声器，将传声器拾取到的声音信号传输至ER和REV处理系统，ER系统处理后的声音信号通过安装在观众席侧墙上的8只扬声器进行重放，REV系统处理后的声音信号通过安装在观众席上空的22只扬声器进行重放。此外，在舞台上空安装了8只扬声器，用于重放ER和REV系统的混合信号，提升舞台区域的沉浸感。

图13 AFC系统处理逻辑框图

图14 AFC系统传声器与扬声器位置俯视及侧视图

为验证AFC系统的有效性，设置在不同用途下，对混响时间进行测量并对比，声源及传声器测量点的设置如图15所示，测量结果见图16。测量结果显示，在不同的用途下，AFC系统使厅堂的混响时间有不同幅度的提升；但与未开启AFC系统比，均有一定程度的提升。对于不同的演出，AFC系统预设不同的处理，为演出带来更为准确的声学环境。

图15 声源及传声器测量点的位置示意图

图16 AFC系统不同用于下的混响时间对比

3.3 AFC系统在大型剧场中的应用

从以上两个案例可以看到，AFC系统对中小型多用途厅堂声学环境改进的有效性，下面以WIELKI歌剧院应用AFC系统为例，解析AFC系统在大型剧场中应用的效果。这个成功的应用方案可为大型剧场的声学改进提供借鉴思路。

WIELKI歌剧院是波兰的国家歌剧院，建于1825—1833年，在1939年由于战争几乎被完全摧毁，1965年重建和修复。WIELKI歌剧院拥有1 828座位（见图17），其舞台是欧洲最大的舞台之一。由于其舞台规模较大，导致舞台与乐池之间沟通不畅，且台上演员的声音到达观众席后响度不足。剧场整体音量较小，虽然大部分观众席具备一定的语音清晰度，但对于某些音乐类型来说，缺乏混响感和空间感。此外，眺台下的观众席因缺失由上方来的早期反射声，导致音量不足。

图17 WIELKI歌剧院内景

3.3.1 WIELKI歌剧院的AFC系统组成

为解决上述声场问题，同时保留这座传统歌剧院的原始建筑结构，设计安装了AFC系统，并根据既定的歌剧演出声学需求进行调试。通过一系列的歌剧演出验证了系统的有效性。

针对该剧场的声学问题，AFC系统设计了5个子系统，AFC系统构成和主要设备布局见图18、图19。

图18 AFC系统框图

图19 AFC系统主要设备布局示意图

（1）舞台早期反射声子系统：增强舞台上及乐池表演区域的早期反射声，改善演员及乐手之间的声音交流效果。

（2）观众席早期反射声子系统：针对观众席，增强舞台后部演员的声音响度及早期反射声。

（3）观众席混响声子系统：增强观众席的混响声。

（4）眺台子系统：增强挑台下观众席的响度。

（5）舞台流动子系统：根据实际演出需要，增强未被舞台早期反射声系统覆盖的区域。

该AFC系统针对歌剧院的演出形式设置了歌剧、芭蕾舞、管弦音乐会、流行音乐演出、讲座等应用模式。其中，演出最多的歌剧和芭蕾舞表演分别预设了3个和2个混响时间，具体数值如表3所示。

表3 歌剧与芭蕾舞演出AFC系统混响时间的预设

除上述预设外，AFC系统还可以进行增益控制，在保持各个子系统相对均衡关系的情况下调整总体增益，同时，亦可对每个子系统进行单独的增益调整，从而改变整个系统的总体均衡和总体增益。

AFC系统的功能较为丰富，对声场条件的控制较为灵活，为不同演出适配声场提供了可能。在上演具有大型布景的歌剧表演时，可结合舞台流动系统，尽最大可能利用AFC系统实现对声场的控制和优化。对于舞台流动子系统的调校，亦可利用上述增益控制等方式，不会大幅增加调校的工作量。

3.3.2 AFC系统的调校及测试比较

进行AFC系统的调校时，在舞台和乐池共设置了4只扬声器声源，以模拟演员和管弦演奏，调试AFC系统并测量其效果。

（1）使用扬声器声源调校单个AFC子系统的增益、延时及均衡，随后调校多个AFC子系统之间的平衡关系。之后，通过歌剧排练进行主观听感的进一步调校，此时参考了演员和乐手的建议，同时考虑了实际声源的方向性和宽度，使AFC系统更加契合歌剧的演出需求。在实际使用中，调整了传声器的位置，避免拾取到投影机产生的噪声；在幕间休息时，需要将舞台上的传声器静音，避免拾取到更换布景时的噪声。从实际的听感可以体验到，舞台和观众席的响度以及混响有一定程度的改善。

AFC系统调校结束后，对厅堂进行了声学测量，通过客观的方法验证AFC系统的效果。首先，测量对比舞台上早期反射声的增强效果，测量了舞台上10个位置的早期反射声和混响声情况，详见表4，AFC系统使舞台区域的声场条件产生了一定程度的改善。

表4 舞台参数的测量结果

（2）为了验证在乐池中的管弦乐队和舞台上的演员之间交流改善的效果。乐池中设置的测量点见图20中的SB点，记录舞台上声源的响度；舞台上设置的测量点见图20中的SA1、SA2、SA3点，记录乐池中声源的响度。测试结果见图21，对比舞台与乐池之间交流效果的变化，AFC系统能够使乐池中的声源在舞台上的响度提升2 dB，舞台上的声源在乐池中的响度提升1 dB。

图20 歌剧院平面及各测量位置点示意图

图21 舞台与乐池之间交流效果的变化对比

（3）为了验证在舞台上的声源向观众席辐射的效果变化，在舞台上SA1、 SA2、SA3点分别设置声源，在观众席中设置P1-1至P1-9、P2-1至P2-5、P3-1至P3-5共19个测量点，具体位置见图20，测量响度。测量结果见图22，由此显示，当AFC系统开启时，无论声源位于舞台哪个区域，观众席的声压都会得到一定程度的增强，特别是对于眺台下的测量点，声源的辐射效果增强十分明显。

图22 观众席区域辐射效果对比

在不同演出模式下，AFC系统均在一定程度上延长了混响时间，不同的频段其混响时间的变化量亦不相同，图23显示AFC系统在芭蕾模式和歌剧模式针对厅堂固有混响时间的变化对比。所以，AFC系统可以满足各类演出形式对于声学条件的独特需求。

图23 混响时间对比

4 AFC系统设计及调校中需要考虑的问题

在剧场、多用途厅堂的使用中，AFC系统可以有效地对已有厅堂声学条件进行调整，以适应不同的演出形式，但也发现了一些问题。因此，针对AFC系统的设计和调校提出以下需要考虑及注意的问题。

（1）原有建筑结构等条件对于AFC系统扬声器的选型、数量及安装均有可能造成限制。因此，在设计AFC系统时，需要充分了解厅堂的建筑现状，使AFC系统与原有建筑结构有机结合。

（2）AFC系统可根据不同演出的需求进行特定设置，更换不同演出设置时应注意系统的稳定性。参数设置完成后，应进行必要的系统测试，确保演出期间系统工作状态正常。

（3）由于演出随行的舞台布景师、音响师、导演等工作人员对于自己剧目熟悉程度更高，在布设舞台和乐池区域传声器时，要与他们讨论传声器的布设位置，并根据其实际听感及意见进行调整。

（4）除参考演出随行人员意见进行AFC系统调校外，还需要参考剧场、多用途厅堂等相关的设计标准。

（5）可尝试使用具有可变指向性的传声器，一方面降低对传声器布设位置的要求，另一方面提供较大的灵活性，在更换设置时减少对传声器的移动。

（6）对于大型厅堂，现有AFC系统相对较为复杂，包含较多的传声器、扬声器等设备，这对于系统稳定性、系统调校均提出了较大的挑战。因此，可尝试优化和简化AFC系统，使用较少的设备达到较好的效果，降低成本并提升效率。

5 结语

AFC系统为演出场所提供声场的可变性和灵活性，解决厅堂内存在的一些声学问题，满足会议或演出的需要，这些优势让AFC系统具备强大的竞争力。AFC系统在国外已有众多的实践，并有不少成功的案例，但在国内的实际应用并不多，甚至对此系统还不甚了解并未建立共识。相信通过相关技术知识的普及，AFC系统在国内会有更多的应用。