大型演艺剧院的扩声系统，究竟该如何设计

随着世界文化演艺活动分类的日益细化，在同一个大型演艺剧院内举办多种类别演艺活动的需求也日益增长。为承办国际电影节所建的大型多功能影剧院即属这类剧院，笔者主导了该多功能影剧院的技术工作，根据其可承办颁奖礼仪式和综艺晚会、可播放全景声电影、可举办现场流行音乐会等多种需求，通过扩声系统、杜比全景声系统与电声可变混响系统的设计与实施，对在同一个演艺空间内满足多用途应用的音频系统整体解决方案进行了探索。同时，对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设备的设计亮点与技术难点做了重点论述，并分享相关经验教训，从而为后续类似项目的建设提供借鉴参考。

1 项目概述及应用需求分析

1.1项目概述

该剧院在设计规模上达到甲类剧院标准，剧院内置固定座椅约2 000席，其中池座约1 300席，楼座约700 席。剧院观众厅面积约2015 ㎡， 设计容积约25300 m³。池座区最大宽度为 42 m，台口线到池座及楼座后墙最大水平距离分别为34 m与40 m。

1.2应用需求分析

根据项目的定位，该多功能剧院在音频方面的主次应用依次为全景声电影放映、电影节颁奖典礼扩声、交响乐扩声、电声乐队扩声以及满足平时外租需求。根据上述功能定位，该剧院以语言和电影还音为主，对清晰度要求较高，故厅堂基础混响时间不宜过长。但交响音乐会演出则需要让听众感觉到良好的混响感与包围感，需要较长的混响时间。因此，设计方案在包含常规扩声系统的同时，还应配套电声可变混响系统，以扬声器系统模拟各类扩声用途需要声学环境的能量时间曲线（ETC），以达到根据不同应用需求来改变厅堂混响时间的功能。

2 总体解决方案

2.1解决方案整体思路

分析需求后可得知，该剧院在电声领域需要安装高质量传统扩声、全景声电影以及电声可变混响三套系统。

在扩声系统方面，应因地制宜地采用简洁、冗余、可靠的系统设计方案与高质量的音频设备。

剧院主要是为电影节而建设的，所以，全景声电影系统在设计方案考量时应具有首要优先级。参考国际类似项目案例，并对各全景声电影还音格式市场占比进行分析后，最终确定采用美国Dolby Atmos制式作为本项目设计方案基础，扬声器的布局与最终呈现指标，也都需要按照Dolby Atmos白皮书的基础理论进行设计。

在电声可变混响系统方面，需要平衡考虑预算与项目方案实际可落地性，所以，可变混响系统中大部分扬声器都需要与全景声电影系统共用。

三套音频系统之间既能够根据需求独立工作，又能够在需要时结合为一体。因此，三套系统的复合又绝非易事，是该项目的设计重点。

2.2建筑声学环境基础要求

由于剧院主要用于电影放映与电影节综艺演出，在用作自然声演出时会应用电声可变混响系统进行声学增强，所以，剧院建筑声学环境需求主要参考电影放映需求进行设计。

经著名声学设计公司Marshall Day设计，剧院空场混响时间被设定在中频1.0 s～1.2 s，低频在125 Hz及250 Hz需小于1.4s，在无扩声情况下语言可懂度（STI）应达到0.5。这对于约2 000人容量的剧院来将是一个比较难达成的目标。但经过设计方、业主方的严格技术管控以及实施方精益求精的实施，最终实测结果，中频混响时间达到0.93 s，低音频段125 Hz达到1.35 s，最令人惊喜的是250 Hz更是达到了0.91 s。如此良好的声学条件为剧院电声系统的主客观评测达到优秀奠定了基础。

3 扩声系统设计方案

3.1数字音频网络系统

为保障大型活动中音频网络系统切实可靠，数字音频网络系统以成熟的光纤冗余环形拓扑OPTOCORE数字音频技术为核心，且系统在控制端采用两张镜像冗余设置的Digico SD10 Core2调音台作为系统调控核心，两张调音台可对所有系统中的输入输出信号进行共享，并且在运行过程中保持完全镜像的工作状态，当主控台不能工作时，备控台可直接无缝替代主控台的功能，从而充分保证了整个系统的安全性。调音台系统可容纳132个输入通道，完全满足电影节期间各类活动的信号源容量需求。音频系统流程见图1。

图1 音频系统流程示意图

在接口箱配置方面，系统共配置了3台SD-RACK大型远端接口箱子与2台SD-MINIRACK小型接口箱。其中，2台SD-RACK固定安装于舞台端的信号交换机房以及音控室，另外1台SD-RACK则可根据使用需求临时接入在舞台上下场门以及现场调音位预留的3个综合接线箱中使用；2台SDMINIRACK分别固定设置在舞台两侧台口附近四层的两个功率放大器机房内，用于向功率放大器传送音频信号。

2张SD10调音台与3台SD-RACK大型接口箱和2台SD-MINIRACK小型接口箱彼此通过OPTOCORE端口连接光纤理线系统构成环状数字音频网络。

设置在信号交换机房的SD RACK舞台接口箱配置有56个Mic/Line In输入通道，可通过跳线盘选择后接入无线传声器、内通语音、会议语言、综合接线箱中的模拟音频信号。该接口箱还配置了40路模拟线路输出与8路（立体声对）AES信号输出，可用于与内通系统以及广播系统进行音频信号交互，或根据临时需求而灵活配置。

设置在音控室的SD RACK本地接口箱被设置为56路Mic/Line输入，24个线路输出，8个AES输出容量，作为控制室内部音源、录音及监听设备信号的I0接口箱。

流动接口箱与现场数字调音台搭配使用，容量设计为56路Mic/Line输入，24个线路输出，8个AES输出，可满足大多数演出容量需求。

2个功率放大器室设置的2台SD-MINIRAC接口箱，以AES格式为功率放大器传输数字音频信号，这样既使得整个系统信号链中AD/DA次数最少，又避免模拟设备互联时带来的增益结构问题。

由于其多功能性，系统的兼容性是非常重要的，需要满足多种音频信号的使用。首先，在系统内设置了一套完善的模拟链路，各模拟音频信号通过信号分配器可被分配至上下场门调音位以及观众席后区现场调音位的信号接线箱中进入模拟调音台，模拟调音台的输出信号则可以通过调音位流动机柜中设置的DirectOut Andiamo.2XT模拟/MADI信号双向转化器将信号转为光纤MADI送入功率放大器机房内的另一台转换器，转化器输出的模拟信号可连接至音频放大器的模拟端口，AES主信号源与模拟信号源可在功率放大器输入端实现优先级切换，以满足演出团体自带模拟调音台或使用模拟信号与系统进行连接的需求。

同时，各调音位接线箱至机房以及机房之间均预留有适量光纤以及CAT网线通路，可满足大多数情况外带调音台系统的介入需求。

3.2扬声器布局设计

按照业主对电影节活动的策划，扩声系统采用较为常规的设置方式，可满足高端大型现场活动需求，具体布局可参考图2与图3。

图2 主扩声系统扬声器布局正立面位置示意图

图3 主扩声系统扬声器布局侧剖面位置示意图

主扩声扬声器系统的扬声器组采用左、中、右三声道布局形式。

中央声道主扩声扬声器组暗装于舞台口上空反射结构内，直达声覆盖全场听众席，并采用远近场分区覆盖布局方式，远场扬声器组由4只L-Acousitcs ARCSII恒曲率阵列扬声器组成，以80°水平×60°垂直的角度覆盖中远场观众席，该组扬声器垂直方向轴线指向楼座最远距离，以保证扬声器组在覆盖距离内具有良好的均匀度。近场扬声器组由2只L-Acoustics ARCS Focus组成的垂直阵列组合而成，以90°水平×30°垂直的角度覆盖观众席前部，远近场扬声器组的覆盖交叠区域设置在观众席前区与中区的过道位置，避免信号在座椅区域产生可闻的干涉。

远场水平阵列扬声器组中，以中轴对称的2只扬声器采用并联形式，DSP通道相同，而近场垂直扬声器组中的2只扬声器则每只为单独的功率放大器与DSP通道。

左/右声道的主扩声扬声器组设置在舞台口两侧，于八字墙外部明装，每组由9只K2三分频线阵列扬声器与3只K1-SB超低音扬声器组合而成，3只K1-SB扬声器吊挂在9只K2扬声器上方。左/右声道扬声器水平覆盖轴线约设置在观众厅宽度1/2处，以求在观众厅达到均匀的覆盖与相对良好的响应。

9只K2三分频线阵列扬声器以3-3-3的形式分为3个声场分组，分别对远、中远、中近场的观众席进行有针对性的分区域调整。3只K1-SB扬声器中每一只都具有独立声学DSP与功率放大器通道，可针对现场测试需求进行精细化调整。

独立超低音扬声器组设置在中央声道扬声器组两侧，共配置了6只双18英寸低音扬声器LA SB28，每侧设置3只，每只独立DSP通道，可将整个扩声系统的还音低频下限扩展至25 Hz。两侧的超低音扬声器组相距很近，在分频点设置在100 Hz的情况下，不会在其工作频率范围内产生旁瓣。

在剧院的乐池内台唇区域及升降栏杆包装内，设置有补声扬声器。台唇前区补声扬声器组由7只5XT同轴对称指向宽角度扬声器组成，其110°对称的宽阔覆盖角度可对乐池作为流动观众席时需要补声的区域进行均匀覆盖。除此之外，乐池升降栏杆前设置有9只5XT扬声器，可随升降栏杆移动，这些扬声器对前区固定座椅区域进行补声。乐池补声与前区补声扬声器组均采用单声道覆盖方式进行设计，且各分配有4路DSP通道，7只乐池补声扬声器中关于中轴对称的2只扬声器采用相同功率放大器与DSP通道，中间1只扬声器为独立DSP通道。9只前区补声扬声器中，如将扬声器由观众厅左侧至右侧定义为1至9号，则1与9号、2与8号、3与7号扬声器采用相同功率放大器与DSP通道，中间区域的4/5/6号扬声器则采用并联的形式共享功率放大器与DSP通道。

舞台区域设置了9只X12扬声器，可分区域对整个舞台区域实现无盲区覆盖。其中，2只扬声器安装在假台口两侧柱光架上，可从两侧对主舞台进行覆盖，3只扬声器在灯光渡桥内均分安装，用以覆盖舞台前部区域，在舞台两侧一层天桥下方，每侧设置2只扬声器对于主舞台与侧舞台交叠区域进行覆盖。两个侧舞台则每侧设置1只扬声器进行覆盖。

扩声系统可共享楼座与池座所有的侧墙与后墙面安装的全景声电影系统扬声器，在必要时作为扩声系统的环绕扬声器使用。

3.3方案实施难点与解决方法

由于该剧场台口宽度过大，所以位于台口两侧八字墙处外露吊装的立体声主线阵列组之间相距过远，笔者曾建议将两组扬声器向台口内移动，放置于假台口前，但最终还是因为极少数观众视线受到遮挡而作罢，因此，这个客观条件带来了一些无法干预的不良影响。首先，过大的立体声主扩扬声器的间距势必会带来最佳立体声欣赏位置的后移，根据客观几何计算与主观听感综合分析，最佳的立体声欣赏位置已后移到了剧院池座后区。其次，这样的安装距离还会造成观众席内大部分区域的双声道立体声的关联度较差，如图4所示。该图模拟的是在15 ms声道延时与6 dB声道声压级差的前置条件下模拟的立体声关联度，从图中可知，只有剧场中央较窄的黄色区域为立体声聆听区，两侧的红色区域立体声听感已经被破坏，两侧区域的观众可以察觉到由于两组扬声器的距离所产生的双声。

图4 左右主扩声系统延时模拟分析图

针对上述问题，音响团队采取了相应的解决措施，在主扬声器吊挂点位方面，设计了可实现3个吊挂位置的吊挂结构，最内侧的主扬声器音效较好，但会遮挡大致10%楼座观众的视线，中间的主扬声器位置可在音效与观演视线上达到平衡，但仍会有很少数的座位会被遮挡住部分视线，最外侧主扬声器位置是最后实施安装的设计位置，完全不会干扰所有位置观众的视线。主扬声器组可根据业主对声音的不同需求而灵活调整。

明装主扩扬声器应该考虑在扬声器背后区域采用中低频段具有良好声学吸声处理的材料，扬声器与后墙之间的空间距离更应该加以精确计算。因为在低音频段无法受扬声器控制的声波从扬声器发出后会被后墙反射至观众厅内，这样该声音就会与扬声器直接辐射的声音在观众厅内产生干涉，影响听觉感受。建筑的声学吸声装修与距离的增加主要是可以增加直达声与反射声的声压级差，以此来降低相干性，从而改善上述问题。

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Dolby DAC3202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

Dolby Atmos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。

4.2.1 CLA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（CentralListeningArea中央听音区）与RLP（ReferenceListeningPoint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。

图5 杜比全景声设计理念示意图

4.2.2 主扩声扬声器组（Main L/C/R声道）

剧院台口宽度为25 m ， 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/R五组主扬声器，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。

图6 杜比全景声主扩声与超低音扬声器布局图

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SB18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）进行交汇，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SB18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软件模拟、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（Ls1与Rs1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。

图7 杜比全景声效果扬声器（池座侧环绕扬声器）布局图

图8 杜比全景声效果扬声器（天花扬声器）布局图

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6.8 m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Lw1/Rw1至Lw3/Rw3。其布局与覆盖设计如图10所示。

图10 杜比全景声效果扬声器（前侧、后环绕扬声器）布局图

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Lrs1/Rrs1至Lrs1/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SB18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Lts1/Rts1至Lts10/Rts10。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。