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摘 要：
針對第19屆亞洲運動會開幕式、閉幕式音響系統，從揚聲器系統、系統架構及信號傳輸、拾音信號傳輸及音頻同步播放系統等幾方面解析設計思路與方案實施。
第19屆亞洲運動會（以下簡稱：杭州亞運會）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。設計思路與理念是音響系統設計的主線，它貫穿于整個音響系統設計的全過程。針對杭州亞運會的開幕式、閉幕式音響系統（以下簡稱：開閉幕式音響系統）的設計，只有設計思路與理念清晰、完整和正確，才能設計出符合使用要求的、完美的、高水平的系統方案。舞臺藝術可概括為視覺形象和聽覺形象（或稱作空間藝術和時間藝術），從觀眾的角度即常說的“看”和“聽”兩個方面。音響系統是為聽覺形象服務的，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）要準確。
杭州亞運會開閉幕式音響系統設計從多個方面入手進行綜合衡量與優化，使整個音響系統達到“先進”“全面”的系統特性，以及“絕對安全”的要求。物理層面的安全問題主要體現在抗風、抗雨和抗高溫，涉及到揚聲器吊掛位置的選擇、揚聲器及拾音設備的選型等；系統層面的安全主要從系統擴聲能量冗余、系統鏈路傳輸安全、前級收音的多重備份、播放系統的冗余、天線的覆蓋布局及集連等，以及與央視轉播機構合作等多個方面入手。以下針對杭州亞運會開閉幕式音響系統的設計思路與系統方案的實施，從揚聲器系統、信號傳輸架構、現場拾音信號傳輸、控制系統及音頻同步播放系統等幾方面的設計進行解析。
1 揚聲器系統的設計
1.1 設計概述
大蓮花有三層觀眾席，座席數約80 000個，開幕式當天現場觀眾約5萬人，杭州亞運會開閉幕音響系統是通過線陣列揚聲器與點聲源揚聲器結合，實現場內聲音能量的均勻輻射與聲像的精準定位，再結合音樂和音效的密切配合，給觀眾帶來細膩、真實、震撼的聽覺感受。
揚聲器布局的設計使用計算機聲場模擬軟件，將建聲的有關特性與建筑結構相結合，給出揚聲器的高度、角度及吊點位置，如圖1、圖2所示，計算出揚聲器覆蓋區域聲學特性的具體數據，模擬出所設計的音響系統聲學特性的預期結果，確保在覆蓋范圍內響度及音色的一致性，在最終的設計中同一陣列的覆蓋下，聲壓級差控制在6 dB之內，如圖3所示，并盡量減少對視覺的影響，對實際工作有很好的指導性，并提高了工作效率。同時，線陣列揚聲器通過遠程網絡化管理，可以控制揚聲器的參數，并實時監看到揚聲器和功率放大器的運行狀態。
圖1 天頂揚聲器點位圖
圖2 地面揚聲器點位圖
圖3 觀眾席聲壓級分布的設計仿真
為了對抗炎熱天氣，功放點全部設置了測溫棚，如圖4所示，并采用物聯網技術，實時監控棚內溫度及濕度。
圖4 功放點測溫棚的外部及內部
1.2 觀眾席主擴揚聲器系統
針對觀眾席的主擴揚聲器系統，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聲器，分為21組分散吊掛。
對于東側觀眾席，分布了8組線性陣列揚聲器，覆蓋二、三層觀眾區。主席臺上空的揚聲器陣列每組15只；其兩側觀眾區上空的陣列為每組12只，如圖5所示。這款國產自主品牌的線陣列揚聲器，低音單元采用800 W大功率設計，高音采用4英寸+2.5英寸的大功率同軸設計，功率達到240 W，在一個小巧的箱體內裝入了功率接近2 000 W的揚聲器單元，使得單只揚聲器能達到134 dB的最大聲壓級，滿足長距離投射的要求；三分頻結構讓頻響更寬，高頻響應更好。揚聲器的投射角度通過吊掛件的調節，可以任意調節整套線陣所需的揚聲器夾角，垂直覆蓋角度可從常規的10°調整為更寬的17.5°。
圖5 主擴揚聲器的吊掛
西側觀眾席分布了8組12英寸三分頻線性陣列揚聲器，每組最多15只，最少9只。南側觀眾席揚聲器共分布3組，北側觀眾席揚聲器組共分布2組，每組9只12英寸三分頻線性陣列揚聲器。
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，共配置了30組線陣列揚聲器，均勻分布在外環跑道處，落地安裝。其中，北側和南側外環跑道各均勻分布5組，西側和東側各10組。每組揚聲器為“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聲器，箱體內配置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、輕量級超低音揚聲器。“3+1”揚聲器陣列均勻覆蓋一層觀眾席，給聽音區帶來高標準、高穩定性、高品質的現場擴聲。
圖6 一層觀眾區及場地內分布的揚聲器
1.3 主席臺揚聲器系統
主席臺后區的補聲采用15英寸全頻揚聲器，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下高音頻段的失真，保證高質量還原聲音。該款揚聲器可以隨意調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 主席臺區域及控臺揚聲器點位圖
圖8 主席臺補聲揚聲器
另外，主席臺補聲還搭配了8英寸同軸柱揚聲器，提供高清晰度、高聲壓級和擴展帶寬，并且擁有優雅的箱體線條，讓其既不破壞主席區域場地美觀度，又能提供足夠的高保真聲音。該款揚聲器采用的同軸技術，為其帶來緊湊的設計、高反饋抑制、平衡的色調，可平穩覆蓋聆聽范圍，傳達一個自然和透明的聲音。
1.4 控臺區域補聲
控臺區域的補聲采用8英寸全頻揚聲器，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下高頻失真，滿足該區域高質量的聲音覆蓋。
圖9 控臺區域補聲揚聲器1.5 場地內返送揚聲器
為確保上千名演員能夠清晰地聽到節目音樂內容，保障演出順利進行，在西側頂棚吊掛2組雙8英寸線陣列揚聲器，每組15只對演出區域進行主要覆蓋。在東側外環跑道處還安裝了14組返送揚聲器（圖6），與主擴揚聲器背靠背，向場地內投射返送信號。另外，在后舞臺、表演區邊緣、出入口以及后臺區域，使用了15英寸全頻揚聲器進行覆蓋，如圖10所示。所有揚聲器均由國產自主品牌的四通道功率放大器驅動，設置為A+B主備模式，使其具有備份功能。
圖10 通道出入口、火炬區、表演前區的揚聲器及功放分布
2 系統架構及信號傳輸
如何保證系統安全、穩定地運行，系統架構的設計尤為關鍵。該音響系統的控制以大型雙引擎擴聲調音臺為核心，輔以一張同品牌中型擴聲調音臺作為實時備份，并各配一個也是完全相互備份的接口箱；主調音臺的雙引擎架構可以做到兩個引擎無縫切換，這樣調音臺系統實現了界面雙重備份，物理臺面及接口箱也雙重備份；信號傳輸以由擴聲調音臺及接口箱組成的獨立環形架構為基礎，通過MADI矩陣星形路由的傳輸機制傳輸給功率放大器進行信號輸出，從而組成了由環形加星形交織的系統架構，如圖11所示。
圖11 系統架構2.1 MADI矩陣的基本架構及信號傳輸機制
系統為信號傳輸配備主備2套MADI矩陣，每個MADI矩陣內可插入2張8路MADI擴展卡，即最大可容納16個支持MADI傳輸的設備；可根據系統的需求配置同軸線或者光纖的MADI擴展卡，如圖12所示。在MADI矩陣內，除了可以讓所有控臺共享同一矩陣接口箱的輸入信號外，還能夠將進入到矩陣內控臺間的信號相互傳輸，使主備控臺之間相互發送信號，形成星形路由傳輸機制；在MADI矩陣的操作界面，對路由進行分配即可，無需對設備進行ID分配之類的操作，調音臺可以直接識別進入MADI矩陣的設備，還可以通過網絡連接和 Web 瀏覽器界面進行遠程操作，并且不限于特定的操作系統。
圖12 MADI矩陣架構圖2.2 MADI矩陣的備份
為了保障音響系統的安全，使用了雙MADI矩陣，即在2個MADI矩陣內每個設備節點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行實時傳輸。因此，使得系統環路內任意設備節點的其中一路光纖音頻信號出現故障時，另一路信號可及時作為主信號進行傳輸，保障音頻信號系統的穩定運行。
3 現場拾音信號傳輸的設計
為了確保領導人傳聲器信號的安全與穩定，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的設計方案及備份方式。
3.1 無線天線接收及頻率分集備份
天線接收方案設計中，共計使用了4組指向型天線進行信號接收，分別架設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，一層看臺架設的指向天線用于接收火炬臺附近使用的無線設備。
射頻傳輸鏈路采用了A+B路進行獨立信號合并與分配，現場使用了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附近無線設備的天線信號接收，再傳輸至五層設備機房。而來自大蓮花上層看臺的天線信號則直接進入設備機房進行信號合并，在設備機房內的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實際應用情況，在合并器上選擇開關不同區域的接收天線，來檢測各個區域的射頻信號覆蓋情況和掃描單個區域干擾信號與信號強度。需要注意的是，現場無線傳聲器、IEM耳返信號覆蓋范圍大，系統搭建時使用的天線饋線長度較長，因此前期施工時，為鋪設的每一條射頻饋線測試信號衰減值，并據此在系統中進行相應的增益補償。
在頻率分集備份方面，使用具備雙頻率發射的無線傳聲器發射機，在主、備頻率上各自獨立傳輸音頻信號，當主頻率受到干擾后，可自動切換至備份頻率進行信號的傳輸。同時，數字無線系統的頻率分集功能支持在2個獨立的頻率上進行同步傳輸，確保儀式用傳聲器信號傳輸的關鍵任務信號是無縫、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，采用數字無線信號傳輸與模擬有線信號傳輸的備份傳輸模式，使用更加安全可控的模擬有線信號作為主用傳輸方式，即Main Plan；使用更加先進快捷的數字無線信號作為備用傳輸方式，即Spare Plan，如圖13所示。其中，紫色連線以數字無線信號傳輸方式進行傳輸的WLS（Wireless）傳聲器組，紅色連線是以模擬有線信號傳輸方式進行傳輸的MIC（Microphone）傳聲器組，綠色連線是模擬信號，但進入現場接口箱即轉換為光纖信號。
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量上進行備份。MIC組下以4支傳聲器進行音頻信號的拾音，WLS組下以2支傳聲器進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、運動員發言傳聲器圖組
3.4 信號流分集備份
正常情況下，“數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”的備份方式已經可以確保主席臺傳聲器信號傳輸的萬無一失。盡管如此，本著嚴肅認真、嚴謹負責的精神與態度，對該音響系統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備與信號傳輸路由，分別進行信號傳輸，最終集成至控制系統。系統架構共提供了4條信號傳輸鏈路，當某一路信號出現問題時，仍然可以使用其他3路進行信號傳輸，所謂“條條大路通羅馬”，從而保障信號傳輸的安全與穩定。
信號傳輸鏈路一：使用數字光纖環路接口箱為核心進行傳輸；
信號傳輸鏈路二：使用模擬線路無源音頻分配器為核心進行傳輸；
信號傳輸鏈路三：使用控制系統本地輸入口為核心進行傳輸；
信號傳輸鏈路四：使用無線傳輸系統與微型領夾傳聲器為核心備份傳輸。
杭州亞運會開閉式幕的音響統系需要經歷下雨、潮濕、大風等各種惡劣氣候環境條件，拾音是整個鏈路中非常重要的一個環節，需要傳聲設備在復雜環境下依舊保持出色的頻率響應及動態范圍。經過對各種傳聲器反復的紛繁復雜的測試，最終在每個拾音環節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，充分保障了各個環節的聲音質量和安全性。
4 音頻同步播放系統的設計
音頻同步播放系統也有同樣的安全性要求，因此系統中使用了4臺搭載播放程序的主機，并通過控制器實現多臺同步聯動播放，如圖15所示。每2臺播放器為一組，信號分別進入到同一臺具有IP轉基帶功能以及自動冗余切換路由功能的信號轉換選切盒中，之后再通過數模轉換進入接口箱；同時，另一組2臺播放器通過相同的方式進入一臺不同地址的備份接口箱中，實現音頻播放的四重同步切換。其中，值得稱道的是信號轉換選切盒所采用的增強型自動冗余切換（EARS）技術將搭載播放程序的主機連接到信號轉換選切盒，通過添加導頻信號到主備電腦的Dante通道上，信號轉換選切盒會自動監測導頻信號，當檢測到播放平臺導頻信號丟失后，該設備可以在1/48 ms內做到基本無縫切換至另一臺播放主機，從而最大程度保障音頻同步播放系統的安全穩定性。
圖15 音頻同步播放系統架構圖
5 結語
杭州亞運會開閉幕式音響系統的方案設計中，安全性和穩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制，以確保系統在可能發生的各種問題情況下系統能夠正常運行。如關鍵的傳聲器信號傳輸采用了數字無線信號、模擬有線信號的備份傳輸模式；音頻同步播放系統的自動冗余切換機制也展現了目前最前沿的音響技術。另一個亮點就是基本實現了揚聲器的國產化，包括觀眾席主擴、主席臺補聲，控臺區域補聲以及場地內返送均為國產揚聲器。
從實施效果看，整個音響系統的設計思路、理念、系統特性及物理和系統層面的安全性等都是合理的，方案實施也做到了萬無一失。雖然任務重，壓力大，但音響團隊本著高度認真負責的精神，一絲不茍的態度，克服一切不利因素，從節目的細微處著手，從聆聽感受和節目藝術創作上突破，圓滿地呈現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《杭州亞運會開閉幕式音響系統的設計及實施》。轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技》。
