多用途类大型演艺剧院音频系统解决方案初探(2)
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作者:张桐 魏增来 孙东生 郭磊
[摘要]提出在一个演艺空问内的多用途应用的音频系统整体解决方案，包括扩声、全景声电影、电声可变混响三套子系统，既可以独立使用，又可相互结合共享末端扬声器，分析实施的技术难点。
[关键词]扩声系统;全景声电影系统;电声可变混响系统
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.04.004
（接第3期）
4杜比全景声系统设计方案
4.1全景声系统信号流程概述
从信号流程角度来看，Dolby Atmos全景声系统较为简单。该系统的核心为1台放映室内的Dolby CP850主机，可对每一个Dolby Atmos通道进行必要的信号处理。同时，CP850也可向下兼容Dolby 5.1与Dolby 7.1等多声道电影系统，能满足各类影片的回放要求。CP850通过网络端口从电影服务器端接收多轨音频信号与控制信号，并根据系统实际的配置将各轨音频信号对应到相应的扬声器上延时播放，从而实现对全景声的渲染功能。
CP850通过AEs67网络音频协议与2台DolbyDAC3202输出端口进行环形拓扑级联，可为扬声器端提供64通道模拟信号源。考虑到放映室与功放机房相距较远且传输通道太多，故特别于放映室设置了2台Direct.Out Andiamo.2XT信号转换器，可将64通道信号全部转换为光缆MADI格式，直接送至位于1号功放机房内的Stagetec Nexus矩阵中，通过人为设置的路由分配将信号传送至相应的功率放大器中。
4.2全景声系统扬声器布局设计
DolbyAtmos全景声电影方案参考美国杜比剧院（原科达剧场）进行设计。Dolby公司已出版的全景声系统方案设计规范，对系统的扬声器布局、厅堂的关系以及扬声器的选型指标做出了明确规定，但由于其扬声器位置以及参数需求只针对于电影院的形状与空间容量进行规定，与多功能剧院建筑的实际需求情况稍有差别，因此，该项目中必须进行适当调整，以便让Dolby Atmos系统与剧院空间进行结合。
4.2.1CLA与RLP
在介绍扬声器系统布局之前，先了解Dolby Atmos设计规范里最高频的两个名词CLA（CentralListeninoArea中央听音区）与RLP（ReferenceListeninoPoint参考听音点）。如图5所示，观众厅内黑色方框为CLA区域，是设计人员在进行Atmos全景声系统方案设计时需要着重考虑的区域，系统在调试时进行的声压矫正与频响矫正也都是在CLA区域内选择多个参考点进行参照;CLA区域的中心点称做RLP，是主扬声器组以及观众厅前部侧方扬声器的水平指向基准点。图5中显示，RLP的横向位置为银幕与建筑后墙2/3的距离，纵向位置为厅堂的中心;CLA区域宽度为厅堂宽度的1/3，深度则是座位区深度的1/3。
4.2.2主扩声扬声器组（Main L/C/R声道）
剧院台口宽度为25m，根据Atmos设计规范要求，电影主扩声扬声器依照投影幕宽度等距布置设置了L/LC/c/RC/R32组主扬声器，以保障观众厅声音的均匀覆盖。同时，因为电影投影幕采用两侧遮幅方式，所以在垂直方向上，主扬声器组声学中心放置在距离幕底2/3位置处，其布局如图6所示。
主扩声扬声器每组由12只双8英寸KARA两分频扬声器与4只单18英寸SBl 8低音扬声器组合而成，综合考虑安装空间及最终调试效果，低音扬声器放置于两分频线阵组的后部。这样既缩减了阵列组高度，又让阵列组听起来更具一致性。各组主扬声器阵列在水平方向上的轴线需要在参考听音点（RLP）進行交汇，垂直方向上每组扬声器需覆盖池座与楼座全部观众席，具体布局详见图6所示。
在音频处理通道方面，12只KARA分为4个DsP组，4只SBl 8采用各自独立DSP组，在调试时可分为4个区域进行细致的电平调整及相位校正。
4.2.3超低音扬声器组（LFE声道）
在Atmos设计规范中，为使超低音扬声器在规则的矩形房间中避开房间模式（Room Mode），超低音扬声器不能放置在正中位置。但剧院中一般并不存在这个问题。该项目中，在舞台上设置了12只具有独立DSP通道的SB28双18英寸单元超低音扬声器，它们采用集中摆放的设计形式，单只扬声器竖向放置，12只扬声器紧密排列在一起形成阵列。经过Soundvision.～件模拟、最终测量及试听，这个排列方式在观众厅可达到最佳的覆盖，其布局如图6所示。
4.2.4侧环绕扬声器（Ls及Rs声道）
侧环绕扬声器每侧设置有6个音频通道，共22只独立DSP通道的X12扬声器，其中最前方2只（Lsl与Rsl通道）紧接前部侧环绕扬声器Lw3/Rw3进行安装，其作用是让Lw/Rw声道信号与Ls/Rs声道信号平缓过渡。另外20只扬声器则以每层10只的数量安装在池座与楼座的两侧墙空间内，池座与楼座两侧墙面的5只扬声器为相同音频通道，在音频矩阵内进行复制后发送至对应功率放大器，由舞台区至座椅区的编号依次为Ls2/Rs2至Ls6/Rs6。如果没有外因条件干扰，位于池座与楼座的相同声道扬声器应处于同一垂直线上，以使CLA区域的声像环绕听感减少损失。
在覆盖设计理念上，池座落位在CLA区域四边投影区域内的扬声器水平覆盖轴线垂直于CLA边线，其他位置扬声器水平覆盖轴线则指向最近的CLA区域两边夹角，垂直覆盖轴线同样需要指向水平覆盖轴线所经过的最远位置座椅。至于楼座区域，尽管全景声设计规范并不使用，但可以采用举一反三的方式，让所有扬声器水平覆盖轴线交汇于整个座椅区中心点，为中央区域提供良好的声像感，垂直覆盖需求依旧参考池座。其布局与覆盖设计如图7、图8所示。
4.2.5前部侧环绕扬声器（Lw及Rw声道） 前部侧环绕扬声器每侧设计有3个通道，共设计6只独立DSP通道的X15-HiQ扬声器，每侧3只，安装在观众厅前部两侧约6.8m高度楼座挑台侧延伸区域的外围。这组扬声器的设置起到平稳过渡主银幕扬声器至侧环绕扬声器信号的作用，池座与楼座共享使用。因为扬声器位置距离CLA区域较远，所以采用角度窄、声压级大特征的x15-HiQ。所有前侧环绕扬声器的水平覆盖轴线交汇在RLP点位，垂直覆盖轴线应指向水平覆盖轴线所经过的最远位置座椅。这组扬声器编号由舞台区至座椅区依次为Lwl/Rwl至Lw3/Rw3。其布局与覆盖设计如图10所示。
4.2.6后环绕扬声器（Lrs及Rrs声道）
后环绕扬声器每侧设置有5个音频通道，共设置30只独立DSP通道的扬声器。其中，挑台下池座观众区后墙设计有均匀布置的10只5XT小型扬声器，仅作为位于挑台下几列观众席的后环扬声器使用，5XT扬声器小能量、宽覆盖的特性可满足近声程覆盖要求，同时避免其能量与池座区域后环扬声器发生干涉;在挑台前沿的灯杆上均布了10只X12扬声器，作为池座中前部的主区后环绕声道扬声器;另外的10只X12扬声器则均匀安装在楼座后墙。其布局与覆盖设计如图10所示。
上述挑台、主区、楼座后环绕三组扬声器组中相应位置的扬声器采用相同的音频通道，实际系统提供10个后环绕通道，通过音频矩阵分配至三组扬声器。按照扬声器在观众厅后墙排列顺序由外至内依次对应的音频通道编号为Lrsi/Rrsl至Lrsi/Rrs5。
池座的2组后环绕扬声器需要依照情况来决定是否需要添加延时，如果在池座区域，来自楼座的声音能量与池座区域能量相比较衰减较大，则两区域没有延时关系;如果有比较明显的干涉产生，则需要调整楼座扬声器指向或将其作为后环绕组扬声器时间基准点，进行时间对齐，来解决该问题。池座区域后环绕扬声器同样需要以延时方式与挑台下后环扬声器进行时间对齐。
池座区域及楼座区域后环扬声器组在两轴覆盖要求均与侧环绕扬声器相同。挑台下后环扬声器水平覆盖轴线同池座区后环要求，垂直覆盖则均指向需要覆盖区域内的最远座位。
4.2.7低音管理扬声器（Sub声道）
系统设置4个低音管理通道，池座与楼座复制使用。扬声器采用SBl8低音扬声器，设置在池座与楼座两侧侧墙与后墙，共8个位置分别各设置2只。低音管理扬声器是为补充效果扬声器的低音下限而设置的，需要考虑与观众席侧环、后环以及顶部扬声器在声压级方面进行匹配，对分频点以及延时没有特别严苛的要求。其布局如图7及图10所示。
4.2.8顶部效果扬声器（Lts及Rts声道）
顶部效果扬声器每侧设置有10个音频通道，共设计有24只独立DSP通道扬声器。其中20只扬声器在观众厅天花内嵌入式暗藏，左右侧各安装10只，由台口位置一直至楼座观众厅天花等距排列，音频通道编号依次为Ltsl/Rtsl至Ltsl0/Rtsl0。因为观众厅形状为马蹄形，所以两道顶部效果声扬声器组定位无法满足Atmos设计规范中要求的与LC及RC主扬声器组平行对齐，因此将其更改为每只扬声器都落位于观众厅宽度1/4处，保障覆盖要求。近舞台台口侧位置的6只扬声器选用x15-HiQ，其他位置的14只扬声器则均选用小一号的X12。每一组顶部效果扬声器在水平方向上尽量与侧墙面扬声器在同一水平线上，以保障还声效果。
考虑到挑台下无法得到顶部主扬声器的覆盖，笔者在挑台下设置了2组挑台下补充顶部效果扬声器，每组含有2只5XT扬声器，对挑台下区域进行补声。这两组扬声器的音频通道复制自在楼座天花与其位置相仿的Lts9/Rts9扬声器组。其布局与覆盖设计如图9所示。
每一只池座顶部效果扬声器的水平覆盖轴线应指向剧场中轴线与该扬声器在观众席投影位置距离的1/2处。对于垂直覆盖轴线，位于池座天花Ltsl/Rtsl至Lts7/Rts7扬声器中，在CLA区域内的扬声器应垂直向下覆盖，其他位置的则需要指向CLA最近的边界线。楼座天花扬声器垂直覆盖轴线指向楼座中心即可。
4.3方案设计实施难点与其解决方法
4.3.1设计难点
多用途演艺空间进行Atmos全景声方案设计的难点主要在于要把不规则的空间向矩形空间进行转化。将马蹄形剧场转化为矩形的常规方式有内切矩形与外切矩形两种方式，但笔者认为这两种方式都会造成转换后等效矩形的面积有较大改变，采用内切矩形法面积会缩水，外切矩形法面积会增加，面积的不准确会造成无法正确确定RLP与CLA的位置，所以全景声系统的设计也会受到影响。笔者认为，目前比较好的方式是综合了外切法与内切法的割补法，通过割补法可以创造一个面积和比例均与原厅堂相仿的等效矩形厅堂，在这个基础上进行全景声设计会得到良好的效果。
4.3.2实施难点
所有揚声器必须保证严格按照设计角度与位置进行嵌入安装，是具体实施的最大难点。这就需要设计人员在进行方案设计时充分与内装和土建专业协调，比如如何在观众厅墙面嵌入安装超低音扬声器，或为满足覆盖要求针对每只扬声器设计无遮挡的异形扬声器嵌入腔体等，都需要设计人员周密考虑。
5ViVOCe可变混响系统设计方案
5.1系统选型
笔者在进行方案设计时，对世面上多种电声可变混响系统进行了全面的综合比选，最终采用Vivace系统是基于以下原因：
使用Vivace系统可用最少数量的扬声器达到预期的效果;对所使用的扬声器的要求相对比较简单，满足同轴、非压缩高音单元等即可;对扬声器的安装位置并没有严苛的要求，如此，可变混响系统就可以与电影系统在大多数位置共享扬声器，且不用担心最终效果受到明显的影响。特别是在重要的侧向反射声模拟方面，只需要设置少数可控指向声柱就可以达到良好的效果，且与厅堂的视觉结合亦极为美观。 5.2可变混响系统信号流程概述
可变混响系统分为舞台区域与观众厅区域两个功能系统。舞台区域的电子反声罩系统，主要功能为模拟剧场中的交响反声罩，用来增加舞台中的声音扩散，让乐手能够彼此相闻。观众厅区域的系统作用则是用于改变观众厅空间内的ETC（能量时间曲线），从而达到所谓的“可变混响”的功能。分布在舞台上以及观众厅内的28支传声器，拾取声源信号送至位于厅左的1号功放机房内的Stagetec Nexus音频矩阵的传声器输入板卡中，Nexus音频矩阵与位于控制室的Vivace可变混响主机通过4组主备光纤MADI进行连接，可分别传输128通道音频信号。经Vivace主机进行声学处理后的音频信号通过MADI端口返NNexus矩阵，经路由切换后，以AES格式送至对应的音频放大器，驱动相应位置的扬声器进行声音反射路径的模拟。
5.3传声器选型及位置分布
系统总共设置了28支MicrotechGefell微型传声器系统，其中8支BMl91超心形传声器布置在舞台空间内，如图11所示，位置可根据表演位置调整，对舞台区域进行均匀的拾音覆盖。
在乐池上空声桥的位置，安装有4支BMl90心形指向传声器，如图12所示，因为这4支传声器用于拾取舞台上声源的直达声，所以极为重要。传声器采用振膜向下垂直安装方式，所以，在觀众厅水平方向上可等效为全指向特性，便于更好地拾取系统需要的声源直达声。
在观众厅天花下均匀布置16支BMl90心形指向传声器，见图11，可对观众厅内各个位置的声源进行拾取，这些传声器的高度大约距离观众厅天花1.5m，所有的传声器在避免进入到扬声器覆盖范围内的前提下需要吊挂得尽量低，以提高系统的回授前可用增益。传声器为心形指向特性且振膜垂直向下悬挂，故可有效地避免观众厅天花的反射声，并减小观众厅吊顶外回风口的噪声。
5.4扬声器选型与位置分布
该Vivace方案中的扬声器设置，只有舞台区域的电子反声罩系统、侧墙声柱、天花扬声器、挑台下扬声器需要单独设置，其他观众厅墙面位置扬声器全部与全景声系统共享。
针对电子反声罩系统，舞台区域设置有15只12XTi同轴扬声器，见图11，采用3行5列的排列方式吊装在舞台吊杆上，并可根据表演位置整体向乐池或主舞台移动。
整个池座观众厅天花均匀设置有9只12XTi扬声器，见图11，观众厅前中后区分别布局3只，其对称90。的覆盖特性可在观众位置达到均匀的覆盖。为了使位于挑台下的观众也得到良好的听感，在挑台下位置按挑台宽度均布6只5xT小型扬声器，见图13，来模拟这些观众席的声波顶部反射路径。
在楼座观众区天花设置13只100°对称覆盖的X8同轴扬声器，可对该区域进行均匀的覆盖，见图11。
在池坐观众区与楼座观众区的两侧墙面分别设置了2只与1只Fohhn LF-220声柱扬声器，用来模拟早期的侧向反射声。池座布局如图14所示，楼座布局如图15所示。
声学研究表明，早期反射声是营造声音包围感的重要因素。LF-220扬声器拥有110°的水平覆盖角度，可以在水平方向对观众席区域进行均匀覆盖。垂直指向性是LF-220的亮点所在，垂直指向性可在0°～90°的范围内按照0.1°为单位调整，且波束俯仰角度可在40°～+40°之间按照O.1°的单位调整，其独具的BeamSteering技术可以实现将波束分为两区覆盖的特殊需求。水平指向宽，垂直指向性窄的特点可实现在水平维度覆盖更广泛的观众席，垂直维度实现覆盖到更远的观众席。
除此之外，可变混响系统与全景声系统共享扬声器的数量及位置如表1所示，其布局位置可参考图11～图13。
5.5最终效果验证
结合多功能剧院的功能规划需求、业主方主题娱乐运营团队的使用要求，以及德国MBBM公司技术人员的丰富项目经验，最终为Vivace可变混响系统设置了语言、演讲、舞台剧（长混响）、舞台剧（短混响）、音乐会（长混响）、音乐会（短混响）以及大教堂7种模式，经MBBM技术人员在厅堂调试完成进行声学测量后，7种模式对应混响时间见表2。
针对Vivace的应用模式数据进行了客观测量验证。根据实测，在未开启Vivace系统状态下，基础混响时间为中频0.93s;在开启舞台剧（短混响）模式时实测混响时间为中频1.42s;舞台剧（长混响）模式时实测混响时间为中频1.84s;大教堂模式下实测混响时间为中频3.9s。由此可见，这套Vivace系统对于厅堂声学指标的影响是非常有效的。
在主观评测方面，邀请了专业演奏家、专业音频技术人员、资深音乐欣赏人员等组成了评测团队，在室内乐队演奏的情况下进行主观评测。最终大家一致认为系统听起来非常自然，且不同模式之间均可听出明显的区别。
6多套音频系统功能融合的实现及设想
6.1多套音频系统功能融合方案与问题
由于设计方案中绝大多数扬声器需要共享于多套系统，所以，系统必须具有很高的灵活性。对此，选用了1台Staoetec Nexus音频矩阵作为音频系统的核心，Nexus音频矩阵配置有32通道模拟输入模块卡以及5组MADI信号模块卡，模拟输入卡用接入Vivace系统的28支传声器;5组MADI信号卡则用来用于接收来自于CP850电影音频处理器的MADI信号，与调音台完成MADI往返信号传输以及与Vivace主机进行128通道冗余双向MADI连通，见图16。另外，音频矩阵配置还有10张AES输出卡（共计160个AES通道），1张8通道模拟输出卡用来连接系统中所有电影扬声器、可变混响扬声器及6只可变混响声柱扬声器的功放。音频矩阵中每一路输入信号与输出信号都可以通过设置矩阵内的交叉点来改变路由关系。
音频矩阵支持软件设置，并可以存储预置文件，满足平日信号通路测试、全景声电影播放与可变混响系统使用，设置了三个交叉点预置文件，可针对不同应用情景进行一键切换。
在功放DsP预置方面，笔者曾设想只设置一套基础调试DSP文件，其他的处理功能完全由CP850处理器与Vivace可变混响主机完成。但是，由于两套系统中都具有将1个音频通道复制给多只扬声器，且这些扬声器之间需要通过改变增益来平衡能量的需求。所以，最终还是给用户提交了扩声、电影与可变混响3个功放设置预置文件，运营人员需要根据需求选择加载。
6.2其他多系统融合解决方案的设想
为了简化系统操作步骤，笔者设想了一种全然不需要设置与操作的系统融合解决方案。系统可采用大型网络音频媒体矩阵为系统核心，将扩声、全景声电影以及可变混响系统输出信号送至媒体矩阵后，可先将预送至相同扬声器的不同系统信号先分别经过独立的增益一均衡处理一动态处理模块链路后再通过混音（Mixer）模块进行混合，然后将上述混合后的多路信号经过自行设置的音频矩阵模块后送至功率放大器。这样，不论需要怎样的处理都可以放到媒体矩阵内进行，功率放大器只负责基础的扬声器DSP处理即可，见图17。如此，系统可在不需要进行任何操作的情况下就可以完成对多套系统都具有适用性。
7总结
本项目集成了扩声、全景声电影、电声可变混响三套声学系统在单体剧院中，虽然在设计过程中并无相关案例可以借鉴，但是剧院在落成投入使用后受到了行业各界的广泛好评。未来，新建的多用途类剧院会如雨后春笋般层出不穷，希望本项目的经验可以为行业同仁在进行类似厅堂设计时提供参考和借鉴。
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