专业室外演艺灯具的发展研究

来源:用户上传      作者:薛懿华 柳得安 陈国义

　　编者按：
　　在PALM FXPO 2019（音响灯光展）上，主办方为使观众更全面地了解行业发展现状、趋势，组织了一系列论坛研讨、技术交流，反响热烈。我们从中甄选了反映演艺设备发展现状、前沿技术在演艺中的应用、最新的演艺形态、创新理念的艺术呈现等内容刊发，希望惠及更多业内人士。
　　【摘要】介绍了专业室外演艺灯具的技术特点和应用要求，并针对国内室外演艺灯具发展现状及应用提出发展建议。
　　【关键词】专业室外演艺灯具;防护等级;远程控制
　　文章编号：10.5969/j.issn.1674-8239.2019.08.008
　　1引言
　　演艺灯光装备是演艺场馆中演艺装备的重要组成部分，尤其是近年来大型文旅演艺项目的迅猛发展，高性能、高环境适应性的专业室外演艺灯具在演艺活动中起着十分重要、不可替代的作用。
　　近年来，中国的演艺灯光装备业发展快速，虽然技术水平与国际先进水平相比较，总体上仍存在一定的差距，但差距并不大，并且差距正在不断缩小，甚至部分技术还有所領先。
　　本文在《中国演艺装备科技蓝皮书（2016～2017）》（以下简称《蓝皮书》）的基础上，针对近一年来中国演艺灯光装备研发状况、技术特点和创新点等相关资料归纳整理，重点关注专业室外演艺灯具以及演艺灯具新光源（尤其是发展迅猛的LED光源），反映国内专业室外演艺灯具及新光源生产现状，探讨行业发展趋势，助力提高中国演艺装备水平。
　　需要说明的是，由于时间紧张，未能做专门的调研，文中所述资料均为企业提供，未经核实，且资料来源覆盖面不够广泛，难免挂一漏万，可能存在片面性、时效性等问题，敬请指正。
　　2专业室外演艺灯具的发展现状
　　2.1专业室外演艺灯具的应用
　　随着中国大量举办的室外大型文艺演出、大型室外实景演出以及主题公园等文化旅游产业兴起，演艺灯具已经从传统的室内剧场、剧院演出使用延伸到了露天广场上、自然山水间以及建筑和园林中。
　　近年来，大型室外文艺晚会，例如杭州G20峰会文艺演出《最忆是杭州》、青岛上合峰会大型灯光焰火艺术表演《有朋自远方来》、中国北京世界园艺博览会开幕式文艺晚会《美丽家园》;大型文旅演出项目，例如《中国出了个毛泽东》《禅宗少林·音乐大典》《长恨歌》，以及“印象”系列、“又见”系列等大型室外实景演出;大型主题公园，如上海迪士尼游乐园、珠海长隆海洋王国、海昌海洋公园、深圳世界之窗、万达主题乐园、方特欢乐世界，等等，无不显现出专业室外演艺灯具所展现的功效，也体现了专业室外演艺灯具巨大的市场潜力。
　　近年来，国内一些主要的舞台灯光生产企业在原有的基础上，不遗余力加大专业室外演艺灯具的研发力度，通过大量室外使用实践应用，积累经验，不断提高完善，推进了中国专业室外演艺灯具的研制、生产。
　　目前，国内在专业室外演艺灯具研制、生产方面比较有特点的厂家有（以拼音字母为序）广州彩熠灯光股份有限公司（以下简称“彩熠”）、广州市浩洋电子股份有限公司（以下简称“浩洋”）、广州市明道灯光科技有限公司（以下简称“明道”）、广州市欧玛灯光设备有限公司（以下简称“欧玛”）、广州市升龙灯光设备有限公司（以下简称“升龙”）、广州市雅江光电设备有限公司（以下简称“雅江”）、广州市珠江灯光科技有限公司（以下简称“珠江”）等（不包括未向《蓝皮书》编辑组提供资料的生产商）。
　　2.2专业室外演艺灯具的应用要求
　　2.2.1使用面积广，布灯数量大
　　室外大型文艺演出、实景演出或景观艺术照明项目的一个显著特点是场地面积大，对灯具的需求量至少几百台，甚至几千台，如《中国出了个毛泽东》的室外舞台面积达1.83万平方米，《印象-刘三姐》的演出场地方圆两公里。
　　2.2.2灯具投射距离远，亮度高
　　由于室外演区面积大或建筑物高度高，要求灯具投射距离远、亮度高，远远大于常规室内演出灯具的投射距离及所需要的亮度。
　　2.2.3灯具布置分散，控制距离远
　　由于灯具布置区域广，灯具分散，控制信号的传输（包括无线信号传输）、系统控制远比常规室内演出灯光系统的控制要复杂得多。
　　2.2.4灯具防护要求高，受气候及地理环境影响大
　　由于室外演出的特殊性，不同的气候和地理环境下会面临极端高温、低温以及潮湿、盐雾腐蚀等问题，因此，对于演艺灯具室外防护性能及适应能力的要求就特别高。
　　2.3专业室外演艺灯具的技术特点
　　综上所述，专业室外演艺灯具除具有本身的功能特性和技术特点外，还必须具备在特定室外使用环境下的防护功能和良好的环境适应性，确保灯具在室外不同使用环境下能稳定可靠地工作。
　　2.3.1专业室外演艺灯具使用环境的防护要求及适应能力
　　专业室外演艺灯具使用环境的防护要求及适应能力包括尘埃、雨水使用环境中的灯具防护;潮湿、盐雾使用环境中的灯具防护;高温、低温使用环境中的灯具适应性;高海拔、低气压使用环境中的灯具适应性。
　　（1）尘埃、雨水使用环境中的灯具防护
　　很明显，室外环境下，尘埃、雨水是最常见的影响灯具正常使用的危害。设备暴露在尘埃及雨水环境中，引起元器件锈蚀，降低绝缘性能，引起电路劣化，产生机械、电气故障，导致灯具无法工作（见图1）。
　　1）专业室外演艺灯具防尘、防水等级
　　目前，专业室外演艺灯具防尘、防水等级使用IP表征。
　　IP（INGRESS PROTECTION）防护等级相关国标为GB/T 4208-2017《外壳防护等级（IP代码）》，其等同采用IEC 60529-2013标准，将电气设备依其防尘、防水特性加以分级。
　　防护等级多以IP后跟随两个特征数字及补充字母来表述，用来明确防护的等级。第一位特征数字所表示的是防止接近危险部件和防止固体异物进入的防护等级，最高等级是6（见表1）;第二位特征数字所表示的是防止水进入的防护等级，最高等级是9（见表2）。 　　2）专业室外演艺灯具防尘、防水手段
　　①被动式防护
　　早期专业室外演艺灯具的防护多采用被动式防护，典型的是使用“灯具防护罩”，一种是封闭式（亚克力筒状）防护罩，可吊挂，也可平放于地上，相当于给灯具加了一层“保护膜”，以免在室外受雨水、潮气及尘埃的侵蚀，延长灯具的寿命（见图2）。另一种是开放式伞型防护罩，主要用于吊挂灯具的雨淋防护，通常作为临时演出灯具的防护使用（见图3）。
　　②主动式防护
　　由于封闭式防护罩采用亚克力材料，一方面，其透光性、抗紫外线差，长期在室外使用会产生发黄、破裂等问题，光效衰减严重，影响出光效率，大大降低灯具的使用性能;另一方面灯具处于相对封闭的环境，不利于灯具散热，影响灯具的稳定性和寿命，不适宜长时期室外演出使用。因此，专业室外演艺灯具要避免各种环境因素对灯具使用功能的影响，必须在灯具自身的构造、元器件及材料选择、电气工艺、控制模式等方面下功夫。
　　国外著名演艺灯具生产商意大利SGM公司在2013年就推出了防护等级为IP65的电腦灯以及防护等级为IP66的LED染色灯（见图4）。
　　近年来，国内演艺灯具生产厂家适应市场需求，纷纷致力于研制高防护等级的室外演艺灯具。例如，“彩熠”生产的FINE 470BSW OD三合一防水电脑灯、FINE1000L PERF OD防水图案成像切割电脑灯、FINE 1000LWASH ODLED防水染色电脑灯等，其防护等级达IP65，已应用于西安大唐不夜城、深圳世界之窗、广州长隆水上乐园、北海涠洲岛火焰剧场等大型文旅项目。
　　“浩洋”推出的G20HYBRID IP三合一防水电脑灯达到IP65防护等级，该产品荣获2017PLASA展创新大奖（英国灯光音响协会可持续创新大奖）、“2018金手指奖·创新产品奖”、“阿拉丁神灯奖·优秀产品奖”。曾运用于2018年中央电视台春节联欢晚会珠海分会场、珠海长隆海洋主题乐园、上海世茂洲际酒店大型奇境光影水秀《ECHO回响》（见图5）。
　　“升龙”2015年在美国LDI展会展出首款440w～体放电泡光源的防水摇头灯IP3000，防护等级为IP44，已在杭州G20峰会文艺演出《最忆是杭州》（IP3000，190台）、《中国出了个毛泽东》实景演出、2016年欧歌赛以及中国迪士尼主题公园（IP3000，50台）、美国迪士尼主题公园（IP3000，64台）中运用（见图6）。
　　近年来，“升龙”还相继推出了全铸铝灯体的IP3500光束灯及IP3500BSW的光束、图案、染色三合一灯具，采用450W NSL USHIO光源。该光源是USHIO公司按“升龙”的要求专门开发的。灯具采用独特的防水散热系统，将防护等级提升到IP66，拥有多项技术专利，这两款产品通过专业第三方的防护等级测试认证。
　　“珠江”的防水电脑摇头灯如防水版PR6710-480BEAM3、智能摇头电脑灯系列PR-2367等，采用铸铝耐高温、防紫外线外壳，IP65防护等级，曾用于西安古城墙《长安颂》实景演出、上海合作组织青岛峰会、厦门金砖五国白鹭洲公园灯光秀、珠海长隆海洋王国、杭州Hello Kitty乐园等（见图7）。
　　“雅江”生产的TARPON 72Q PLUS和TARPON 36QPLUS泛光灯，防护等级达到IP67，曾在西安“第四届丝绸之路国际艺术节”中使用。
　　“明道”生产的GTD-L354P和GTD-L654P/L654P IILED帕灯，防护等级也达到了IP67，曾在大型实景音画大典《禅宗圣域·六祖惠能》应用了264台。
　　其他灯光企业（例如“欧玛”“广州先飞影视设备有限公司”）也有相应的高防护等级灯具生产，并在大型实景演出中被大量的应用。
　　（2）潮湿、盐雾使用环境中的灯具防护
　　在临近海边、内地盐碱地区或海洋主题乐园等场所，湿度大、潮湿的雾气富含盐分，盐粒中的氯化钠、氯化钙等会在器件表面形成一层液膜，对灯具的电气、机械元器件具有很强的腐蚀性，会产生软化、变形、霉变等问题，导致线路板电路出现故障，金属表面镀层发生起泡、破损、氧化锈蚀，情况严重时普通的不锈钢也会锈蚀，既影响美观，也会影响电气性能，危及灯具的安全，影响正常使用（见图8）。
　　在潮湿、盐雾环境下使用的演艺灯具应该消除这些危害，从材料选择和电气器件的防护着手，如选择防护能力更强的高档不锈钢材料，选择对灯具重要的电子电路板进行“三防漆”处理（应用于电子线路板上，起防潮、防尘、防盐雾作用的线路板三防漆）。三防漆涂覆于线路板表面，形成一层保护膜，用于保护线路板及其相关设备免受坏境的侵蚀，从而提高并延长它们的使用寿命，确保使用的安全性和可靠性。值得一提的是，由于三防漆可防止漏电，因此允许更高的功率和更近的印制板间距，可满足元器件小型化的要求。
　　相比于灯具的防尘、防水，国内在演艺灯具的防潮、防盐雾研制生产上相对薄弱。除“升龙”推出的IP3500SM/IP3500BS SM防水电脑灯（防盐雾版本）外，未见其他厂家的定型版本。
　　对于演艺灯具的耐腐蚀性能，目前还未有相应的标准表征评定。对于其他电气产品，中国一般采用相应的“盐雾试验标准”测试各类产品的耐腐蚀性及耐液性，其测试结果是产品质量优劣的重要判断，也是改进产品质量的有力依据。
　　中国盐雾测试试验的主要标准有GB/T2423.17-2008《电工电子产品环境试验第2部分：实验方法试验Ka：盐雾》、GB/T2423.18-2012《环境试验第2部分：试验方法试验Kb：盐雾，交变（氯化钠溶液）》、GB/T1771-2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》等。
　　这些试验标准主要是针对盐雾试验条件的一些硬性规定，例如试验温度、测试中的湿度、氯化钠溶液浓度和PH值等。同时也对盐雾试验箱性能提出了技术要求。产品采用哪种盐雾试验标准，要根据盐雾试验的特性、金属的腐蚀速度及对盐雾的敏感程度来选择（见图9）。 　　盐雾试验的目的是为了考核产品或金属材料的耐盐雾腐蚀质量，而盐雾试验结果是对产品防护性能的判定，是正確衡量产品或金属抗盐雾腐蚀质量的关键。
　　（3）高温、低温使用环境中的灯具适用性
　　温度导致元器件物理损伤、参数漂移或引起性能下降，可以改变材料性能和几何尺寸，改变本身的电气特性，并对邻近零部件、元器件产生腐蚀作用，具体影响如下。
　　1）高温效应
　　①在高温环境下，LED光源灯具光衰严重，加速老化;气体光源灯具引起电极损坏，性能降低。
　　②设备过热导致电路稳定性下降、元器件损坏、金属氧化，接点接触电阻增大，导致设备故障。
　　③因热老化，使橡胶、塑料出现裂纹和膨胀，绝缘性失效。
　　④引起机械性故障，使密封、轴和轴承发生变形、粘结或失效。
　　2）低温效应
　　低温会对部分材料产生有害的影响，因物理性能发生变化，使其功能受到暂时的或永久性的损伤，具体影响如下。
　　①气体光源灯具启动触发困难。
　　②元器件性能变化，如铝电解电容损坏、石英晶体不振荡、电池容量降低。
　　③某些材料发硬发脆，结构强度减弱，如电缆损坏、橡胶变脆。
　　④水汽冷凝和结冰，引起灯具故障。
　　3）温湿度及高温差效应
　　温度和湿度的并存作用往往是影响电子设备性能、引起腐蚀的主要原因。当大气相对湿度等于或低于65%时，在任何温度下金属不容易腐蚀;当相对湿度大于65%时，即便在洁净的大气环境，金属也会生锈。实验室的实验结果表明，铁的腐蚀临界湿度为65%，锌的腐蚀临界湿度为70%。
　　温度下降而相对湿度升高，则发生凝露。例如在湿热地区，夜间温度较低，导致水汽凝结，而在寒冷的夜晚可能引起湿气结霜。在温度25°C、相对湿度50%的情况下，当温度急降到10°C时，水汽会凝结成液态水，影响甚至破坏设备的电气性能，或加速金属和非金属材料的腐蚀。
　　由此可见，在相对的高温、低温乃至温湿度、高温差环境下，会造成灯具不能正常工作，直至损害。
　　通常中国对电子产品工作温度认定标准为，商业级器件的温度范围是0℃～+70℃，工业级是-40℃～+85℃，军品级是55℃～+150℃。所以目前普遍选择商业级电子元器件用于演艺灯具。如何确保在此元器件工作温度范围外（0℃以下）正常工作，需要生产企业和专业人士深入探究。
　　对于演艺灯具的实际工作温度范围，可根据用户需求协商认可具体使用的工作温度，并予以特别标注。最主要的是，如何采取技术手段或保护措施，确保在特殊工作环境温度下，灯具能正常可靠地工作。
　　例如，为了准确描述天气的寒冷程度，气象专业制定了“寒冷程度等级表”，把气温从-40℃以下至9.9℃，由低到高共分为八级。其中，三级为“严寒”：-20℃～-29.9℃;二级为“酷寒”：-30℃～-39.9℃;一级为“极寒”：-40℃以下。
　　在严寒甚至更低的温度环境下，对于气体放电泡为光源的灯具，在启动时需要更高的触发电压，尤其是旧灯泡，如按常规开机，风扇与灯泡点燃同时启动，灯泡将越吹越冷，导致触发困难。有些厂家采取了风扇延时启动技术，在严寒工作温度下，先点亮灯泡，再启动风扇，使灯具能正常工作。
　　“升龙”对于生产的IP3000、IP3500BS电脑灯标明LT（低温版-30℃～+40℃）及HT（高温版-10℃～+55℃）;“雅江”对于其生产的TARPON系列LED泛光灯，则标明工作温度-40℃～+45℃，启动温度-20℃～+45℃，便于用户选择和正确使用灯具。
　　“明道”在吉林冷却塔亮化项目中使用了49台GTD-1500P II Profile图案切割电脑灯，防护等级为IP45，工作温度-30℃（见图10）。
　　（4）高海拔低气压使用环境中的灯具适应性
　　随着海拔高度的增加，大气的压力下降，空气密度和湿度相应地减少，这些会对灯具的电气性能产生不良影响，主要表现在以下几个方面：
　　1）空气压力或空气密度降低，对介质绝缘强度产生影响
　　空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，平均气压每降低7.7kPa～10.5kPct，外绝缘强度降低8%～13%。对气体放电光源启动会有一定的影响。
　　2）对介质冷却效率、产品温升产生影响
　　空气压力或空气密度的降低，引起空气介质冷却效率的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔5000m的范围内，平均气压每降低7.7kPa～10.5kPa，通常温升增加3%～10%。
　　“欧玛”在高海拔地区使用演艺灯具的项目实践中，发现高原地区气压低，虽然灯具散热系统的风扇在工作，但风量微弱，导致温升提高。采取的措施是在1200w电脑灯中改用1500w灯具的散热系统，以控制设备内部的温升，使灯具正常工作。
　　3）高原紫外线辐射增加的影响
　　紫外线辐射照度随海拔升高的增加率比太阳总辐射照度的增加率大得多，海拔3000m时已达低海拔时相应值的两倍。紫外线引起绝缘材料的加速老化，使空气容易电离，导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。
　　2.3.2专业室外演艺灯具的远程控制管理
　　不同于室内相对较小演艺空间内布置灯具，室外演艺灯具布置区域广，灯具分散，因此对于终端设备的查找、配置、监视、管理以及控制信号的传输（包括无线信号传输）和系统控制，远比常规室内演出灯光系统控制复杂得多。如何快速辨别故障灯具，迅速判断故障原因，及时拿出解决方案，排除故障，把对演出效果可能造成的不良影响降到最低程度，这也是专业室外演艺灯具的技术特点。 　　（1）RDM协议在室外演艺灯具中的应用
　　RDM（Remote Device Management）是遠程设备管理协议，以DMX512-A为基础，是DMX512-A协议的扩展版本。它由美国国家标准学会（American NationalStandards Institute，缩写为ANSI）制定，明确定义RDM允许控制设备通过DMX512网络，实现对连接在应用系统数据链路中的中间及终端设备的查找、配置、监视及管理功能。
　　传统的灯具通过硬件改造，使应用系统能方便地升级至具备RDM功能。控制系统可以向灯具发出请求，灯具也能应答这些请求，并且可以在控制台上更改灯具的设置。对一些高防护等级且不带功能设置显示面板的室外演艺灯具，RDM的功能就更加重要。通过RDM，可以更方便地对灯具的地址码、通道模式、刷新频率、灯珠（LED芯片）板温度以及调光等参数进行设置和访问。
　　目前大多数国产室外灯具都具有RDM功能，或作为可选项，供用户采购时选择。
　　（2）Web Server在室外演艺灯具中的应用
　　Web Server中文名称叫“网页服务器”或“Web服务器”，主要功能是提供网上信息浏览服务。Web Server在室外演艺灯具中的应用是将基于HTTP协议的技术引进到灯具的应用，使得访问灯具更加简单通用。访问内容包括产品介绍、图片、技术参数、简单的灯具控制、升级灯具系统程序、改变灯具控制模式、改变地址码、改变灯具内部设置等功能。
　　“雅江”在其室外演艺灯具配有Web Server，并支持RDM协议，使系统的设置、管理及维护高效、便捷。
　　2.4专业室外演艺灯具的发展建议
　　随着文化和旅游的融合发展，大量文旅项目对于专业室外演艺灯具不但在市场应用数量上极大增加，也对其质量提出了更高的要求。针对目前中国专业室外演艺灯具的发展现状，提出以下建议。
　　第一，加强不同使用环境下室外演艺灯具的防护和适应性技术研究，尤其是潮湿、盐雾，高温、低温以及高海拔、低气压使用环境中的灯具防护和适应性技术研究。
　　由于中国幅员辽阔，在沿海地区（例如青岛、厦门、珠海、海口、三亚等城市）举办的文艺演出、文旅项目以及在众多海洋主题乐园进行的演出所使用的演艺灯具，都会面临潮湿、盐雾侵蚀的考验。
　　在高海拔地区（例如西藏、青海等地区）所使用的演艺灯具，会面临高原紫外线辐射、低气压等不利因素，对灯具介质绝缘强度、介质冷却效率带来影响。
　　有的地区常年处于严寒环境（例如哈尔滨、吉林等城市），在这些地域举办的大型文旅项目（例如冰灯节），灯具会面临严寒低温环境对灯具工作性能的影响。
　　特别是2022年2月将在河北省张家口市举办第24届冬奥会，张家口每年2月的温度可能在-11℃，甚至更低，开幕式文艺晚会及相应的文旅项目将使用大量的室外演艺灯具。
　　有技术基础的厂家应该在灯体材料、结构设计和元器件选择等方面，综合考虑室外演艺灯具的防护机制和所采取的技术手段，包括系统远程控制管理，在实践应用中不断积累经验，推出真正实用可靠的防潮、防盐雾和适应高温或低温环境以及高海拔、低气压环境下使用的室外演艺灯具，其市场应用前景十分广阔。
　　第二，有关部门应尽快制定演艺灯具在潮湿、盐雾，高温、低温以及高海拔、低气压使用环境中的灯具防护和适应性技术评定标准及测试方法，促进中国演艺灯具高水平发展。
　　第三，指导生产厂家规范室外演艺灯具的的产品技术参数的标识，加强对室外演艺灯具的技术评测。
　　目前，国内室外演艺灯具对灯具技术参数的标识没有统一的规范，各灯具生产厂家对灯具的光学指标、电参数性能以及工作温度、使用环境温度标法不一，往往引起误导。
　　（编辑：杜青）
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