摘 要：
針對第19屆亞洲運(yùn)動會開幕式、閉幕式音響系統(tǒng)，從揚(yáng)聲器系統(tǒng)、系統(tǒng)架構(gòu)及信號傳輸、拾音信號傳輸及音頻同步播放系統(tǒng)等幾方面解析設(shè)計(jì)思路與方案實(shí)施。
第19屆亞洲運(yùn)動會（以下簡稱：杭州亞運(yùn)會）的開幕式、閉幕式在杭州奧體中心主體育場（俗稱“大蓮花”）舉辦。設(shè)計(jì)思路與理念是音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主線，它貫穿于整個音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程。針對杭州亞運(yùn)會的開幕式、閉幕式音響系統(tǒng)（以下簡稱：開閉幕式音響系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)，只有設(shè)計(jì)思路與理念清晰、完整和正確，才能設(shè)計(jì)出符合使用要求的、完美的、高水平的系統(tǒng)方案。舞臺藝術(shù)可概括為視覺形象和聽覺形象（或稱作空間藝術(shù)和時間藝術(shù)），從觀眾的角度即常說的“看”和“聽”兩個方面。音響系統(tǒng)是為聽覺形象服務(wù)的，就最終的音響效果而言，聲音重放的還原度要高，要逼真、自然，聲像定位（或聲像的一致性）要準(zhǔn)確。
杭州亞運(yùn)會開閉幕式音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)從多個方面入手進(jìn)行綜合衡量與優(yōu)化，使整個音響系統(tǒng)達(dá)到“先進(jìn)”“全面”的系統(tǒng)特性，以及“絕對安全”的要求。物理層面的安全問題主要體現(xiàn)在抗風(fēng)、抗雨和抗高溫，涉及到揚(yáng)聲器吊掛位置的選擇、揚(yáng)聲器及拾音設(shè)備的選型等；系統(tǒng)層面的安全主要從系統(tǒng)擴(kuò)聲能量冗余、系統(tǒng)鏈路傳輸安全、前級收音的多重備份、播放系統(tǒng)的冗余、天線的覆蓋布局及集連等，以及與央視轉(zhuǎn)播機(jī)構(gòu)合作等多個方面入手。以下針對杭州亞運(yùn)會開閉幕式音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與系統(tǒng)方案的實(shí)施，從揚(yáng)聲器系統(tǒng)、信號傳輸架構(gòu)、現(xiàn)場拾音信號傳輸、控制系統(tǒng)及音頻同步播放系統(tǒng)等幾方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行解析。
1 揚(yáng)聲器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)概述
大蓮花有三層觀眾席，座席數(shù)約80 000個，開幕式當(dāng)天現(xiàn)場觀眾約5萬人，杭州亞運(yùn)會開閉幕音響系統(tǒng)是通過線陣列揚(yáng)聲器與點(diǎn)聲源揚(yáng)聲器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)場內(nèi)聲音能量的均勻輻射與聲像的精準(zhǔn)定位，再結(jié)合音樂和音效的密切配合，給觀眾帶來細(xì)膩、真實(shí)、震撼的聽覺感受。
揚(yáng)聲器布局的設(shè)計(jì)使用計(jì)算機(jī)聲場模擬軟件，將建聲的有關(guān)特性與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，給出揚(yáng)聲器的高度、角度及吊點(diǎn)位置，如圖1、圖2所示，計(jì)算出揚(yáng)聲器覆蓋區(qū)域聲學(xué)特性的具體數(shù)據(jù)，模擬出所設(shè)計(jì)的音響系統(tǒng)聲學(xué)特性的預(yù)期結(jié)果，確保在覆蓋范圍內(nèi)響度及音色的一致性，在最終的設(shè)計(jì)中同一陣列的覆蓋下，聲壓級差控制在6 dB之內(nèi)，如圖3所示，并盡量減少對視覺的影響，對實(shí)際工作有很好的指導(dǎo)性，并提高了工作效率。同時，線陣列揚(yáng)聲器通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化管理，可以控制揚(yáng)聲器的參數(shù)，并實(shí)時監(jiān)看到揚(yáng)聲器和功率放大器的運(yùn)行狀態(tài)。
圖1 天頂揚(yáng)聲器點(diǎn)位圖
圖2 地面揚(yáng)聲器點(diǎn)位圖
圖3 觀眾席聲壓級分布的設(shè)計(jì)仿真
為了對抗炎熱天氣，功放點(diǎn)全部設(shè)置了測溫棚，如圖4所示，并采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時監(jiān)控棚內(nèi)溫度及濕度。
圖4 功放點(diǎn)測溫棚的外部及內(nèi)部
1.2 觀眾席主擴(kuò)揚(yáng)聲器系統(tǒng)
針對觀眾席的主擴(kuò)揚(yáng)聲器系統(tǒng)，在大蓮花棚頂一共吊掛了255只雙10英寸三分頻大中型線性陣列揚(yáng)聲器，分為21組分散吊掛。
對于東側(cè)觀眾席，分布了8組線性陣列揚(yáng)聲器，覆蓋二、三層觀眾區(qū)。主席臺上空的揚(yáng)聲器陣列每組15只；其兩側(cè)觀眾區(qū)上空的陣列為每組12只，如圖5所示。這款國產(chǎn)自主品牌的線陣列揚(yáng)聲器，低音單元采用800 W大功率設(shè)計(jì)，高音采用4英寸+2.5英寸的大功率同軸設(shè)計(jì)，功率達(dá)到240 W，在一個小巧的箱體內(nèi)裝入了功率接近2 000 W的揚(yáng)聲器單元，使得單只揚(yáng)聲器能達(dá)到134 dB的最大聲壓級，滿足長距離投射的要求；三分頻結(jié)構(gòu)讓頻響更寬，高頻響應(yīng)更好。揚(yáng)聲器的投射角度通過吊掛件的調(diào)節(jié)，可以任意調(diào)節(jié)整套線陣所需的揚(yáng)聲器夾角，垂直覆蓋角度可從常規(guī)的10°調(diào)整為更寬的17.5°。
圖5 主擴(kuò)揚(yáng)聲器的吊掛
西側(cè)觀眾席分布了8組12英寸三分頻線性陣列揚(yáng)聲器，每組最多15只，最少9只。南側(cè)觀眾席揚(yáng)聲器共分布3組，北側(cè)觀眾席揚(yáng)聲器組共分布2組，每組9只12英寸三分頻線性陣列揚(yáng)聲器。
對于一層觀眾席和比賽場地采用的是分散布置方式，分別覆蓋不同的聽音區(qū)，共配置了30組線陣列揚(yáng)聲器，均勻分布在外環(huán)跑道處，落地安裝。其中，北側(cè)和南側(cè)外環(huán)跑道各均勻分布5組，西側(cè)和東側(cè)各10組。每組揚(yáng)聲器為“3+1”方式，如圖6所示，即3只雙10英寸兩分頻固定曲率陣列揚(yáng)聲器，箱體內(nèi)配置2個10英寸高靈敏度低音單元，2個1.4英寸開口高音單元，其出色的換能效率可提供遠(yuǎn)距離、寬角度的聲覆蓋；以及1只18英寸高功率、輕量級超低音揚(yáng)聲器。“3+1”揚(yáng)聲器陣列均勻覆蓋一層觀眾席，給聽音區(qū)帶來高標(biāo)準(zhǔn)、高穩(wěn)定性、高品質(zhì)的現(xiàn)場擴(kuò)聲。
圖6 一層觀眾區(qū)及場地內(nèi)分布的揚(yáng)聲器
1.3 主席臺揚(yáng)聲器系統(tǒng)
主席臺后區(qū)的補(bǔ)聲采用15英寸全頻揚(yáng)聲器，其配備了3英寸高音單元，高頻有充足的功率裕量，大大降低大聲壓狀態(tài)下高音頻段的失真，保證高質(zhì)量還原聲音。該款揚(yáng)聲器可以隨意調(diào)換水平和垂直角度擺放（在主席臺處橫置，在通道及后臺是豎置），如圖7、圖8所示，并配備了寬角和窄角兩個角度型號備選，讓使用更加靈活。
圖7 主席臺區(qū)域及控臺揚(yáng)聲器點(diǎn)位圖
圖8 主席臺補(bǔ)聲揚(yáng)聲器
另外，主席臺補(bǔ)聲還搭配了8英寸同軸柱揚(yáng)聲器，提供高清晰度、高聲壓級和擴(kuò)展帶寬，并且擁有優(yōu)雅的箱體線條，讓其既不破壞主席區(qū)域場地美觀度，又能提供足夠的高保真聲音。該款揚(yáng)聲器采用的同軸技術(shù)，為其帶來緊湊的設(shè)計(jì)、高反饋抑制、平衡的色調(diào)，可平穩(wěn)覆蓋聆聽范圍，傳達(dá)一個自然和透明的聲音。
1.4 控臺區(qū)域補(bǔ)聲
控臺區(qū)域的補(bǔ)聲采用8英寸全頻揚(yáng)聲器，如圖9所示，其配置了44 mm高音單元，高頻有充足的功率裕量，可大大降低大聲壓狀態(tài)下高頻失真，滿足該區(qū)域高質(zhì)量的聲音覆蓋。
圖9 控臺區(qū)域補(bǔ)聲揚(yáng)聲器1.5 場地內(nèi)返送揚(yáng)聲器
為確保上千名演員能夠清晰地聽到節(jié)目音樂內(nèi)容，保障演出順利進(jìn)行，在西側(cè)頂棚吊掛2組雙8英寸線陣列揚(yáng)聲器，每組15只對演出區(qū)域進(jìn)行主要覆蓋。在東側(cè)外環(huán)跑道處還安裝了14組返送揚(yáng)聲器（圖6），與主擴(kuò)揚(yáng)聲器背靠背，向場地內(nèi)投射返送信號。另外，在后舞臺、表演區(qū)邊緣、出入口以及后臺區(qū)域，使用了15英寸全頻揚(yáng)聲器進(jìn)行覆蓋，如圖10所示。所有揚(yáng)聲器均由國產(chǎn)自主品牌的四通道功率放大器驅(qū)動，設(shè)置為A+B主備模式，使其具有備份功能。
圖10 通道出入口、火炬區(qū)、表演前區(qū)的揚(yáng)聲器及功放分布
2 系統(tǒng)架構(gòu)及信號傳輸
如何保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。該音響系統(tǒng)的控制以大型雙引擎擴(kuò)聲調(diào)音臺為核心，輔以一張同品牌中型擴(kuò)聲調(diào)音臺作為實(shí)時備份，并各配一個也是完全相互備份的接口箱；主調(diào)音臺的雙引擎架構(gòu)可以做到兩個引擎無縫切換，這樣調(diào)音臺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了界面雙重備份，物理臺面及接口箱也雙重備份；信號傳輸以由擴(kuò)聲調(diào)音臺及接口箱組成的獨(dú)立環(huán)形架構(gòu)為基礎(chǔ)，通過MADI矩陣星形路由的傳輸機(jī)制傳輸給功率放大器進(jìn)行信號輸出，從而組成了由環(huán)形加星形交織的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖11所示。
圖11 系統(tǒng)架構(gòu)2.1 MADI矩陣的基本架構(gòu)及信號傳輸機(jī)制
系統(tǒng)為信號傳輸配備主備2套MADI矩陣，每個MADI矩陣內(nèi)可插入2張8路MADI擴(kuò)展卡，即最大可容納16個支持MADI傳輸?shù)脑O(shè)備；可根據(jù)系統(tǒng)的需求配置同軸線或者光纖的MADI擴(kuò)展卡，如圖12所示。在MADI矩陣內(nèi)，除了可以讓所有控臺共享同一矩陣接口箱的輸入信號外，還能夠?qū)⑦M(jìn)入到矩陣內(nèi)控臺間的信號相互傳輸，使主備控臺之間相互發(fā)送信號，形成星形路由傳輸機(jī)制；在MADI矩陣的操作界面，對路由進(jìn)行分配即可，無需對設(shè)備進(jìn)行ID分配之類的操作，調(diào)音臺可以直接識別進(jìn)入MADI矩陣的設(shè)備，還可以通過網(wǎng)絡(luò)連接和 Web 瀏覽器界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并且不限于特定的操作系統(tǒng)。
圖12 MADI矩陣架構(gòu)圖2.2 MADI矩陣的備份
為了保障音響系統(tǒng)的安全，使用了雙MADI矩陣，即在2個MADI矩陣內(nèi)每個設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的光纖鏈接均使用雙光纖線纜的連接方式，雙光纖線纜互為主備信號，通過光纖接入MADI矩陣中的信號可以通過矩陣同時進(jìn)行實(shí)時傳輸。因此，使得系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)任意設(shè)備節(jié)點(diǎn)的其中一路光纖音頻信號出現(xiàn)故障時，另一路信號可及時作為主信號進(jìn)行傳輸，保障音頻信號系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
3 現(xiàn)場拾音信號傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)
為了確保領(lǐng)導(dǎo)人傳聲器信號的安全與穩(wěn)定，針對此類傳聲器信號的信號傳輸方案，采用多模式多通道傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案及備份方式。
3.1 無線天線接收及頻率分集備份
天線接收方案設(shè)計(jì)中，共計(jì)使用了4組指向型天線進(jìn)行信號接收，分別架設(shè)在大蓮花上層看臺及一層看臺，上層放置的指向天線用于主舞臺無線信號全覆蓋，一層看臺架設(shè)的指向天線用于接收火炬臺附近使用的無線設(shè)備。
射頻傳輸鏈路采用了A+B路進(jìn)行獨(dú)立信號合并與分配，現(xiàn)場使用了4臺射頻矩陣合并器和2臺天線分配器用于射頻信號路由。其中，2臺射頻矩陣合并器放置于大蓮花一層，用于合并來自火炬區(qū)附近無線設(shè)備的天線信號接收，再傳輸至五層設(shè)備機(jī)房。而來自大蓮花上層看臺的天線信號則直接進(jìn)入設(shè)備機(jī)房進(jìn)行信號合并，在設(shè)備機(jī)房內(nèi)的2臺合并器上完成了射頻信號的最終合并。通過射頻合并器可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，在合并器上選擇開關(guān)不同區(qū)域的接收天線，來檢測各個區(qū)域的射頻信號覆蓋情況和掃描單個區(qū)域干擾信號與信號強(qiáng)度。需要注意的是，現(xiàn)場無線傳聲器、IEM耳返信號覆蓋范圍大，系統(tǒng)搭建時使用的天線饋線長度較長，因此前期施工時，為鋪設(shè)的每一條射頻饋線測試信號衰減值，并據(jù)此在系統(tǒng)中進(jìn)行相應(yīng)的增益補(bǔ)償。
在頻率分集備份方面，使用具備雙頻率發(fā)射的無線傳聲器發(fā)射機(jī)，在主、備頻率上各自獨(dú)立傳輸音頻信號，當(dāng)主頻率受到干擾后，可自動切換至備份頻率進(jìn)行信號的傳輸。同時，數(shù)字無線系統(tǒng)的頻率分集功能支持在2個獨(dú)立的頻率上進(jìn)行同步傳輸，確保儀式用傳聲器信號傳輸?shù)年P(guān)鍵任務(wù)信號是無縫、不受干擾的。如果不需要頻率分集則提供單載波模式。
3.2 數(shù)字無線信號與模擬有線信號的備份傳輸
針對主席臺傳聲器的信號傳輸，采用數(shù)字無線信號傳輸與模擬有線信號傳輸?shù)膫浞輦鬏斈Ｊ剑褂酶影踩煽氐哪M有線信號作為主用傳輸方式，即Main Plan；使用更加先進(jìn)快捷的數(shù)字無線信號作為備用傳輸方式，即Spare Plan，如圖13所示。其中，紫色連線以數(shù)字無線信號傳輸方式進(jìn)行傳輸?shù)?/FONT>WLS（Wireless）傳聲器組，紅色連線是以模擬有線信號傳輸方式進(jìn)行傳輸?shù)?/FONT>MIC（Microphone）傳聲器組，綠色連線是模擬信號，但進(jìn)入現(xiàn)場接口箱即轉(zhuǎn)換為光纖信號。
圖13 主席臺傳聲器連接圖3.3 傳聲器的冗余備份
除WLS組與MIC組雙傳輸備份模式外，每組傳輸模式下采用2支或多支傳聲器的方式在信號傳輸通道數(shù)量上進(jìn)行備份。MIC組下以4支傳聲器進(jìn)行音頻信號的拾音，WLS組下以2支傳聲器進(jìn)行重要音頻信號的拾音與傳輸，如圖14所示。
圖14 主席臺傳聲器、致辭臺傳聲器、運(yùn)動員發(fā)言傳聲器圖組
3.4 信號流分集備份
正常情況下，“數(shù)字無線信號傳輸與模擬有線信號的備份傳輸”加“傳聲器的冗余備份”的備份方式已經(jīng)可以確保主席臺傳聲器信號傳輸?shù)娜f無一失。盡管如此，本著嚴(yán)肅認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的精神與態(tài)度，對該音響系統(tǒng)和主席臺用傳聲器的信號傳輸安全還制定了信號流分集備份方案。
信號流分集備份方案，指單支傳聲器的輸入信號通過不同的信號傳輸設(shè)備與信號傳輸路由，分別進(jìn)行信號傳輸，最終集成至控制系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)共提供了4條信號傳輸鏈路，當(dāng)某一路信號出現(xiàn)問題時，仍然可以使用其他3路進(jìn)行信號傳輸，所謂“條條大路通羅馬”，從而保障信號傳輸?shù)陌踩c穩(wěn)定。
信號傳輸鏈路一：使用數(shù)字光纖環(huán)路接口箱為核心進(jìn)行傳輸；
信號傳輸鏈路二：使用模擬線路無源音頻分配器為核心進(jìn)行傳輸；
信號傳輸鏈路三：使用控制系統(tǒng)本地輸入口為核心進(jìn)行傳輸；
信號傳輸鏈路四：使用無線傳輸系統(tǒng)與微型領(lǐng)夾傳聲器為核心備份傳輸。
杭州亞運(yùn)會開閉式幕的音響統(tǒng)系需要經(jīng)歷下雨、潮濕、大風(fēng)等各種惡劣氣候環(huán)境條件，拾音是整個鏈路中非常重要的一個環(huán)節(jié)，需要傳聲設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下依舊保持出色的頻率響應(yīng)及動態(tài)范圍。經(jīng)過對各種傳聲器反復(fù)的紛繁復(fù)雜的測試，最終在每個拾音環(huán)節(jié)采用無線與有線傳聲器相互備份的拾音方式，以及音頻傳輸鏈路中主備音頻傳輸方案，充分保障了各個環(huán)節(jié)的聲音質(zhì)量和安全性。
4 音頻同步播放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
音頻同步播放系統(tǒng)也有同樣的安全性要求，因此系統(tǒng)中使用了4臺搭載播放程序的主機(jī)，并通過控制器實(shí)現(xiàn)多臺同步聯(lián)動播放，如圖15所示。每2臺播放器為一組，信號分別進(jìn)入到同一臺具有IP轉(zhuǎn)基帶功能以及自動冗余切換路由功能的信號轉(zhuǎn)換選切盒中，之后再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換進(jìn)入接口箱；同時，另一組2臺播放器通過相同的方式進(jìn)入一臺不同地址的備份接口箱中，實(shí)現(xiàn)音頻播放的四重同步切換。其中，值得稱道的是信號轉(zhuǎn)換選切盒所采用的增強(qiáng)型自動冗余切換（EARS）技術(shù)將搭載播放程序的主機(jī)連接到信號轉(zhuǎn)換選切盒，通過添加導(dǎo)頻信號到主備電腦的Dante通道上，信號轉(zhuǎn)換選切盒會自動監(jiān)測導(dǎo)頻信號，當(dāng)檢測到播放平臺導(dǎo)頻信號丟失后，該設(shè)備可以在1/48 ms內(nèi)做到基本無縫切換至另一臺播放主機(jī)，從而最大程度保障音頻同步播放系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。
圖15 音頻同步播放系統(tǒng)架構(gòu)圖
5 結(jié)語
杭州亞運(yùn)會開閉幕式音響系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，安全性和穩(wěn)定性是突出考慮的因素，采用了多層次、多方式的備份和冗余機(jī)制，以確保系統(tǒng)在可能發(fā)生的各種問題情況下系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。如關(guān)鍵的傳聲器信號傳輸采用了數(shù)字無線信號、模擬有線信號的備份傳輸模式；音頻同步播放系統(tǒng)的自動冗余切換機(jī)制也展現(xiàn)了目前最前沿的音響技術(shù)。另一個亮點(diǎn)就是基本實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)聲器的國產(chǎn)化，包括觀眾席主擴(kuò)、主席臺補(bǔ)聲，控臺區(qū)域補(bǔ)聲以及場地內(nèi)返送均為國產(chǎn)揚(yáng)聲器。
從實(shí)施效果看，整個音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、理念、系統(tǒng)特性及物理和系統(tǒng)層面的安全性等都是合理的，方案實(shí)施也做到了萬無一失。雖然任務(wù)重，壓力大，但音響團(tuán)隊(duì)本著高度認(rèn)真負(fù)責(zé)的精神，一絲不茍的態(tài)度，克服一切不利因素，從節(jié)目的細(xì)微處著手，從聆聽感受和節(jié)目藝術(shù)創(chuàng)作上突破，圓滿地呈現(xiàn)精彩紛呈的開閉幕式，收到了非常滿意的效果。
選自 《演藝科技》2023年第四期 韓明亮《杭州亞運(yùn)會開閉幕式音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)施》。轉(zhuǎn)載請標(biāo)注：演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
