某文化娱乐城大剧院舞台音响系统的设计

某文化娱乐城大剧院舞台音响系统的设计
李长川
【摘要】结合某文化娱乐城大剧院舞台音响系统,简要介绍该项目概况、功能需求,重点阐述了大剧院舞台音响系统的设计思想、实现方式和声场干涉等设计难点的解决方案,还对扩声系统设计依据;扬声器布局及声场EASE仿真;根据大剧院的功能定位配置的内部通信/催场广播/视频监视系统及其他子系统等方面的内容进行了论述.【期刊名称】《电声技术》
【年(卷),期】2017(041)004
【总页数】9页(P9-17)
【关键词】大剧院;舞台音响系统;声场干涉;扬声器;内部通信
【作者】李长川
【作者单位】中国电子科技集团公司第三研究所,北京100015
【正文语种】中文
【中图分类】TN64
某文化娱乐城定位为世界级艺术文化中心，建成后可举办大型主题秀表演、歌剧、音乐剧演出等各类型文化演艺活动。

其中大剧院建筑面积约37 117 m2，可容纳1 700名观众。

定位为国际顶级、专业的文化演艺场地，可举办大型室内主题秀表演、歌剧、音乐会。

大剧院是某文化娱乐城担任大型文艺演出和重要活动的重要场所，其主要功能需求如下：
1)满足各类话剧、戏剧及歌剧演出的需求；
2)满足歌舞、曲艺的演出需求；
3)满足大型文艺演出、歌舞演出需求；
4)满足各个电视台对演出节目的播出需求；
5)满足其他各类型艺术活动和群众活动的使用需要。

某文化娱乐城项目舞台音响系统要求具备先进性、可靠性、通用和适用性，代表国内外最先进的水平和理念。

系统选用的扬声器、功率放大器、调音台等，完全按照目前国内外先进的技术水平要求，设备参数及品质完全满足国内外先进水平；系统内各个设备之间的模拟或数字信号切换、系统设备功能的实现、设备操作维护等均满足实际使用需求，完全保证各子系统安全可靠运行，具备先进性、可靠性、通用和适用性、可扩展性、兼容性等特点。

2.1 安全优先
某文化娱乐城定位为世界级艺术文化中心，节目的安全演出和系统安全性作为整个系统的首要部分。

因此在舞台音响系统设计时把安全可靠性放在首位，并结合以往类似工程经验，对本舞台音响系统的设计提供如下设计原则：
调音台是整个音响系统的“心脏”，也是调音师的艺术创作平台，其性能、音质、稳定性、操作性等尤为关键会直接影响到整个系统的稳定性。

设备选型时采用具有高效的音频网络冗余传输系统的产品，确保音响系统安全稳定运行。

系统采用的各种类型的扬声器均采用无源扬声器，无源扬声器与有源扬声器比较优点在于体积小巧、重量轻，且声音效果出色。

支持各扬声器所采用功率放大器需与扬声器配置同品牌产品，要求具备远程监控功能，对设备的工作状态、设备部件实时工作指标、参数变化等实现监视和控制。

功率放大器同时具备数字和模拟输入接口，数/模音频信号可同时接入功放，通过远程遥控软件，只需一键切换，可实现信号传输相互备份功能。

该措施最大程度地
提高了系统的安全可靠性，尤其是重大活动演出时的安全性保障；此外，当功率放大器接入为数字信号，从传声器到扬声器整个系统信号仅经过一次AD/DA转换，最大程度上减少了AD/DA转换造成的信号失真，提升系统信号的保真度。

音响系统使用的灵活性、适应性及兼容性，系统设备选型适应多种应用模式。

2.2 客观评价指标
某文化娱乐城大剧院舞台音响系统要求满足以下指标：
中置扬声器独立工作时，要求必须覆盖全场且各项参数指标满足或优于《厅堂扩声系统设计规范》(GB 50371—2006)和《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》(GB/T 28049—2011)中文艺演出类扩声系统声学特性指标一级标准。

左、右声道扬声器组在同时工作时，要求必须覆盖全场且各项参数指标满足或优于《厅堂扩声系统设计规范》(GB 50371—2006)和《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》(GB/T 28049—2011)中文艺演出类扩声系统声学特性指标一级标准。

声学特性指标：
GB/T 28049—2011《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》中文艺演出类扩声系统一级标准(见表1、图1所示)[1]。

等级最大声压级传输频率特性传声增益稳态声场不均匀度系统总噪声级一级额定通带内:大于或等于106dB以80～8000Hz的平均声压级为0dB,在此频带内允许范围:-4dB～+4dB;40～80Hz和8000～16000Hz的允许范围见图1中斜线部分100～8000Hz的平均值大于或等于-8dB100Hz时小于或等于10dB;1000Hz时小于或等于6dB;8000Hz时小于或等于8dBNR-20
注：额定带通是指优于图1中传输频率特性所规定的通道。

语言可懂度[2-3]指标STI> 0.5，全部座椅的90%应实现这个数值。

图1 文艺演出类一级传输频率特性范围
2.3 主观评价指标
1)语言清晰，音乐明晰度好，音质良好，无声学缺陷；
2)声像定位准确，视听一致性好；
3)声音分布均匀，频响平坦；
4)音乐丰满，空间感强，明亮度好。

3 系统设计
3.1 扩声系统
3.1.1 扩声系统简介及架构
大剧院扩声系统主要用于对观众席及舞台区域的扩声，是大剧院音响系统中最重要的组成部分。

扩声系统包括调音台系统、舞台返送监听系统、观众席扩声系统、现场拾音系统、节目源系统、信号处理系统(周边设备)、控制室监听系统。

图2 扩声系统框架图
3.1.2 设计难点及解决方案
3.1.2.1 设计难点
1)大剧院中央声道扬声器组采用2组(每组4只)点声源扬声器组进行吊挂安装，因此扬声器之间的距离很近，导致声源覆盖时重叠区域较多，声场干涉很严重，因此如何解决点声源之间的干涉是大剧院扩声系统设计的难点。

在下列方案设计中将重点考虑。

2)当大剧院左右声道点声源扬声器组或左中右声道点声源扬声器组进行扩声时，在输入相同音源信号的情况下，声源覆盖重叠区域较多，声场干涉很严重，如何解决左右或左中右点声源扬声器组之间的干涉是大剧院扩声系统设计的难点。

3)大剧院左右声道点声源扬声器组以阵列的形式安装于左右音响室内时，重点考虑眺台观众区直达声的覆盖均匀度。

3.1.2.2 解决方案
1)通过合理的扬声器布局，尽可能减少声覆盖的重叠区域。

2)通过适当调节扩声系统延时、均衡、扬声器耦合等方式，对声干涉进行改善。

3)通过EASE软件进行声场模拟，将左右声道点声源扬声器组与分散式点声源扬声器布局进行直达声的计算，对两种方式的直达声均匀度进行对比，通过对比，优选声场均匀度更好的扬声器布局方式。

图3为点声源阵列组直达声角度指向图及声场均匀度模拟图。

a 左通道扬声器组覆盖角度指向图
b 左右通道扬声器组声场均匀度模拟图(1 000 Hz频段)图3 点声源阵列组直达声角度指向图及声场均匀度模拟图
可见，由于大剧院层高较高，该组扬声器无法直接覆盖四层眺台边缘区域。

由于该声道为一组点声源阵列组，球形波束散射角度有限(整组水平散射角80°，垂直散射角60°)，需通过调整安装位置及角度解决听众区的直达声覆盖。

同时存在声像不准及直达声不均匀的问题。

为了有效解决上述眺台观众区直达声不均匀度问题，在此使用分散式点声源扬声器布局进行直达声的计算。

首先选用3只恒指向性散射角点声源扬声器(单只水平散射角75°，垂直散射角50°)，分别安装在不同标高的音响室内分别指向高层眺台观众区。

图4为分散式点声源扬声器均匀度计算图。

a 左通道扬声器覆盖角度指向(四层眺台观众区域)
b 左通道扬声器覆盖角度指向(三层眺台观众区域)
c 左通道扬声器覆盖角度指向(二层眺台观众区域)
d 左右通道扬声器组声场均匀度模拟图(1 000 Hz频段)图4 分散式点声源扬声器均匀度计算图
可以看出，通过分散式布局方式有效解决了各层眺台观众区的直达声覆盖均匀度问
题，并为各层观众席位提供精准的声像。

通过上述模拟计算，针对本剧院左右声道点声源扩声方式，分散式布局不但提高了部分观众席区域的直达声，更重要的是极大地改善了厅堂整体的声场均匀度，为最终的演出效果起到了积极性的作用。

3.1.3 扬声器系统配置
本系统设计的扬声器全部采用国际知名品牌。

产品质量做工精细，音质效果优良。

同时配置同品牌的数字功率放大器，同时具备DSP处理功能和远程监控功能，可
以保证优秀的声场效果及系统稳定性。

1)中央声道扬声器
中央声道扬声器由8只无源两分频扬声器(分为上下两排，每排各4只扬声器水平
布置)和2只低频扬声器组成线阵列扬声器组，安装于舞台上方声桥中央。

上排4
只无源两分频扬声器由上至下分别覆盖二层楼座、一层楼座，下层4只扬声器从
上而下可将夹层楼座和池座后部完全覆盖；每只低频扬声器可提供37 Hz的低频
下限响应，2只低频扬声器组为中声道全频扬声器提供低音支撑，具有非常好的匹配性，亦便于调试。

2)左右声道扬声器
左右声道扬声器组分别由3只无源两分频扬声器组成，由上至下，分别安装于舞
台上方声桥左右两侧、三层音响室(距离舞台水平面10 m高度)两侧、二层音响室(距离舞台水平面5 m高度)两侧。

其中声桥两侧的无源两分频扬声器覆盖二层楼座、三层音响室无源两分频扬声器覆盖一层楼座、二层音响室无源两分频扬声器可将夹层楼座及池座后部观众区域完全覆盖。

3)拉声像扬声器
舞台一层左右音响室内各配备有1只110°×40°(水平×垂直)的无源两分频扬声器。

扬声器底部距舞台标高约1.2 m，主要覆盖池座前部观众区域。

左右2只无源两分
频扬声器可拉低左、中、右主扩声扬声器的声像高度，从而使观众感受到扩声系统声音的来源主要是来自舞台的方向。

4)超低频扬声器：
在舞台左右两侧的音响室内，各配置一组低频扬声器组，安装方式为隐蔽安装，在二层左右两侧音响室内，各配置一组低频扬声器组，每组由2只低频扬声器组成，单只低频扬声器可提供37 Hz的低频下限，两组低频扬声器组可为左、右声道和
拉声像全频扬声器提供低音支撑。

此外，在一层音响室内，各配置一组低频扬声器组，每组低频扬声器组由2只低频扬声器组成，单只低频扬声器具备的最大声压
级为140 dB，可为主扩声扬声器提供低音支撑。

为防止共振情况的发生，设计将低频扬声器组安装在低频扬声器架子上方，同时配置减震垫。

扬声器架子均根据现场情况定制。

5)乐池和台唇补声用扬声器
乐池补声扬声器是由覆盖角度为100°×55°(水平×垂直)的无源两分频扬声器组成。

安装在升降乐池的弧形通道天花顶部，安装方式为吊装。

当升降乐池降低使用时，乐池补声扬声器可用于升降乐池部分观众席的扩声。

台唇补声扬声器组由7只覆盖角度为100°×55°(水平×垂直)的无源两分频扬声器
组成，均匀暗藏于升降乐池栏内。

本扬声器最大声压级120 dB。

台唇补声用扬声器组可用于对前排观众席的直达声不足、声像过高等现象造成的缺陷进行修复，可以极大的改善前排听众的听觉感受。

6)观众席环绕声扬声器组
观众席环绕声扬声器组由24只单只100°锥形指向及124dB最大声压级的无源扬声器组成，其中10只扬声器位于夹层，8只扬声器位于一层，6只扬声器位于二层，安装方式均为隐蔽安装。

天花效果声扬声器组由4只全频扬声器和4只超低音扬声器组成，每组天花效果
声扬声器由1只全频扬声器和1只超低音扬声器组成，分别对称吊装于一道面光
和二道面光下端4个点位，可基本覆盖整个观众厅。

其中全频扬声器最大声压级
为138 dB，55 Hz～20 kHz频率，超低音扬声器具备37 Hz的低频下限响应，
可以为天花效果声提供低音支撑。

7)舞台扩声扬声器
舞台扬声器按照使用及安装方式可分为两部分：固定扩声扬声器和流动返送扬声器。

舞台固定扩声扬声器分别对称安装在一层左右马道下方，左右台口侧面，共配置6只75°同轴的全频扬声器，分别用于覆盖主舞台前区和主舞台中后区。

除此之外，配置8只流动的全频流动返送扬声器，可为在舞台上的人员提供返送监听的功能。

3.1.4 扬声器组的耦合计算
针对点声源的阵列配置，降低覆盖重叠区域的干涉问题，本设计通过EASE软件进行点声源扬声器的阵列组合及耦合散射角的计算，从而得到所需最优的整组散射角度，以及更高的声压级，同时降低声干涉。

本方案中采用的二分频扬声器，箱体为紧凑型等腰梯形箱体，箱体堆叠角度为0°～7°，单只水平角度75°，垂直角度40°，具有可旋转号角，单只最大声压级137 dB，该款扬声器可单只使用，也可耦合堆叠组成水平阵列使用。

针对本厅，需要一组水平角度为90°，垂直角度为60°的阵列组，此散射角度按中频500 Hz频段计算。

图5为二分频扬声器阵列耦合角度计算图。

a 箱体堆叠角度计算
b 耦合散射水平角度计算
c 耦合散射垂直角度计算图5 4只二分频扬声器阵列组角度计算图
由图6球形波束计算图可以看出，通过4只二分频扬声器组成的水平阵列，波束
非常平滑，整组阵列波束无明显干涉现象。

图7为4只二分频扬声器阵列组耦合
水平、垂直散射角计算图。

a 侧视图
b 正视图图6 4只二分频扬声器阵列组耦合球形波束计算图
图7 4只二分频扬声器阵列组耦合水平、垂直散射角计算图
由计算结果可见，整组阵列波束的水平、垂直散射角度接近系统所需的水平90°，垂直60°散射角。

图8为该组阵列的声压级计算结果，可见，整组阵列最大声压级为146 dB。

图8 4只二分频扬声器阵列组最大声压级计算图
在此引用公式计算该厅最远观众席位衰减后的声压级。

计算公式如下
LP=SPL-20lg r
式中：LP为衰减后的声压级(dB)；SPL为扬声器最大声压级(dB)；r为某点的距离(m)。

计算结果如下
(146-20lg 28)dB=117.06 dB
由计算结果可以看出，距此阵列扬声器组28 m处观众区听音区，衰减后声压级为117.06 dB，满足该厅声压级需求，同时留有裕量。

3.1.5 数字调音台系统
本音频系统采用的网络化数字调音台，具备强大的系统构架，安全性、先进性、稳定性均得到了广大音频工程师的承认，同时具备录音和音频制作功能。

数字音频处理器与接口箱之间以AES网线连接(或光纤连接)，最大连接距离可达500 m。

舞台声音经传声器拾取后进入舞台接口箱，转换为数字信号后经网线传输到调音台数字音频处理器。

3.1.5.1 主控调音台
大剧院中，本设计共配置了2张数字调音台台面和3个接口箱。

其中，大剧院声控室扩声调音台采用了31推子调音台界面，大剧院现场调音位同样采用31推子调音台扩展界面，两台界面可互为备份。

该系统核心可提供高达168路全处理输入通道和99条延时自动校正和相位一致的混音母线的处理能力，可充分满足使用及今后升级扩展的需要，今后扩展只需要增加接口，扩展也非常方便，只需将扩展接口卡插到机箱上就立刻可以使用，而且所有接口卡都支持热插拔功能。

同时核心处理设备无需增加，不会再大量增加投资。

大剧院音频系统共配置了3个接口箱，分别放置于信号交换机房、音控室及流动
接口箱，均采用了网线连接(或光纤冗余)的方式与数字音频处理器连接。

3.1.5.2 流动现场、返送调音台
根据演出的不同形式和需要，本系统设计在大剧院内布置了2个调音位，分别是
观众席现场调音位和下场门返送调音位，根据演出情况的具体需要可将备份数字调音台搬至现场调音位或返送调音位进行调音使用。

3.1.5.3 备份调音台
为充分保证系统安全性，除上述调音台外，本系统还配备了一台的40通道模拟调音台作为应急情况下系统主控调音台的备份。

模拟备份调音台具有40路模拟单声道，左中右主输出及8编组、10辅助输出、
12×8矩阵和4路哑音编组。

系统与数字功率放大器系统，通过预敷在主控机房与信号交换机房之间的模拟沟通线缆和跳线盘，可在舞台机箱、光纤、数字调音台、等各环节出现问题的情况下，均能保证演出的正常进行。

3.1.6 节目源系统
为满足目前国内外多种演出形式的各种需求，本系统设计配置了专业级CD播放机、硬盘录放机。

所配置节目源设备满足播放、录制当前所有通用格式音频信号。

上述节目源设备，安装于一个小型流动机柜内，可根据需要，灵活应用于现场调音
位、返送调音位和主控机房内。

除此之外，为满足系统录制及编辑的需要，系统还配置了两套音频工作站，其中一套用于录音使用，另外一套用于播放使用。

其采用Mac OS X操作系统，可与数字调音台系统以AES接口进行连接，实现48通道的信号双向传输，可任意指定调音台输入通道进行分轨、多轨录制；同时也可以通过专用控制台将记录或编辑完成的信号以多通道形式送回调音台进行重放。

3.1.7 拾音器系统
拾音器方面，本系统共配备了24通道无线拾音器及77套有线拾音器。

无线拾音器选用高端、成熟的产品，采用集中式天线接收，60 MHz带宽，发射机全部使用5号碱性电池，并可通过计算机对输出电平、剩余电量等参数进行监控。

12个双通道接收机提供24通道的信号采集及传输，拾音头包括4只超心形指向性动圈手持传声器、4只心形指向性电容传声器，12个领夹式传声器、24个耳挂传声器，它们之间可以互相搭配，完全满足演出的需要。

有线传声器方面，为满足本厅堂会议需要，首先配备了8套电容会议传声器，电容会议传声器选用国际知名品牌，该拾音器为超心型指向，高音清晰明亮，低音丰满浑厚，细致小巧的连杆非常美观，连杆上端的拾音头可以上下90°旋转，以适合不同的拾音角度，使用方便；另外系统还配置了多套特殊用途的录音传声器，包括乐器、人声等不同规格、不同用途以及不同指向性的传声器，方便后期进行节目录制、编辑。

除此之外，系统还配备了完善的有线传声器，以满足大型歌舞剧等演出的需要。

传声器全部选用国际著名高级别品牌产品，具体选型在不同的拾音风格之间进行互相搭配，方便各类高端演出拾音的需要。

3.2 内通系统
3.2.1 功能定位
整个剧院使用4通道内通系统，配置可随时随地接入有线腰包机。

品牌设备选型
基于内部通信(又称内部通话、内部通讯)技术成熟的特点，该系统选用设备运行可靠、稳定、及性价比高的国际知名品牌，具体配置详见系统配置描述。

工作覆盖区域为音响控制室、灯光控制室(含硅室)、机械控制室(台上下机房)、演员上下场区、天桥、灯光面光及追光等区域。

3.2.2 系统配置
整个大剧院内通系统共配置1台四通道内通系统主机及12套有线腰包，能实现彩排和演出期间，导演及技术人员之间所有内部通信工作。

其中内部通信有线腰包点位可覆盖大剧院所有工作区域，内部通信有线腰包均为双通道内通系统，第二通道为自定义通道，可设置为公共通道或电视转播专用通道，满足所有技术工作人员内部工作通信。

系统路由拓扑图如图9所示。

图9 系统路由拓扑图
3.3 催场广播系统
3.3.1 功能定位
广播呼叫系统分为：工作信号管理和催场广播信号管理，其中工作信号包括同步演出音频(含开场铃声)的播放等；催场广播包括催促语音信号广播等。

而管理主要是对其他系统输入的信号源，进行优先级设置管理。

在使用中，催场广播信号级别大于工作信号级别，预留消防信号接入通道及优先级别设置功能。

整个剧院24区域广播通道，通过软件自由设置可实现独立呼叫广播，又可一键式全区呼叫广播。

设备选型主要选用清晰语音信号还原、控制简单、便于操作的设备。

3.3.2 系统配置
大剧院广播呼叫系统由：呼叫广播主机、分区路由矩阵、功率放大器、广播传声器
以及扬声器五部分组成，具体配置功能及使用如下：
呼叫广播主机：选用自带6区域分区功能的控制主机，作为呼叫广播系统核心设备，安装于中央信号交换机房。

主要负责消防信号、语音广播、背景音乐信号的优先级设置，可满足演出呼叫语音强切背景信号的使用功能。

具体可通过本地传声器(自带呼叫传声器)或远程传声器面板按键，触发控制主机对管理区域进行强切控制，最大可控分区为32个，完全满足彩排及演出独立呼叫使用需求。

其次在紧急情况处理时，可通过一键全区域广播功能，对所有区域进行广播。

分区路由矩阵：呼叫广播主机的扩展设备，针对增加控制分区而使用，每增加一台，分区增加6个。

由于此剧场配置24个控制区域，配置2台分区路由矩阵，配合广播主机共同承担24个控制区域的管理。

功率放大器：呼叫广播主机的功率扩容设备，负责向24个控制区域扬声器提供100 V工作电压。

扬声器：声音信号还原设备。

大剧场扬声器有两种类型组成，分别为号角型和吸顶型两种扬声器。

号角型扬声器采用墙面明装；吸顶型采用顶面嵌入式安装，两者均选用白色扬声器。

音量控制：作为吸顶扬声器音量调节控制使用，主要安装于化妆间、抢妆间、服装间等区域。

该型号音量控制期，具有24V强切功能，可通过控制主机发送PGM
信号进行信号源切换控制，满足背景音乐与呼叫广播语音信号的自动切换。

覆盖区域：
呼叫、催场广播分区覆盖舞台、化妆区、候场区和舞台专业技术室(音控室、灯控室、舞台机械控制室除外)，候演区及化妆间公共走道，迟到观众的催场等区域。

3.4 视频监控系统
剧院监控系统可以分为舞台摄像视频和督导监控视频。

舞台摄像系统配置2台高清摄像机采集舞台全方位视觉，1台布置在一层眺台下方。