浅谈大型室内综合性文艺晚会的现场扩声系统

一、扩声系统的基本概念
    演唱、演讲、声学乐器等自然声源能产生的能量是极其有限的，其声压级在经过一段距离的传输后将衰减到一个非常低的水平，加之环境噪声的影响，可听范围极其有限，所以对于空间大而观众又多这样的环境来说，扩声系统是必不可少的。扩声系统将声信号转换为电信号，经放大、处理、传输，再转换为声信号还原于所服务的声场环境。其主要设备包括：传声器、音源设备、调音台、信号处理器、功率放大器和扬声器系统。本文中扩声系统指剧场、礼堂等演出场所的演出扩声系统，即传声器与扬声器处于同一空间，可能产生声反馈的扩声系统。
    扩声系统通常有以下功能：
    1. 改善声音的可懂度和清晰度；
    2. 改善声音的动态范围；
    3. 改善演出中不同声音部分的声学平衡；
    4. 帮助克服复杂声环境给声传输带来的困难；
    5. 调整人声和乐器声的电信号特性。
    扩声系统最为重要的6个技术参数：
    1.传声增益：扩声系统达到最高可用增益时，观众区的平均声压级与传声器处声压级dB数的差。
    2.最大声压级：厅内空场稳态时的最大声压级。不同用途的扩声系统都有不同的最大声压级的要求。工业标准中，在最大空场声压级指标之后还有一个频带宽度的附加条件，说明该声压级是在规定频带宽度内的最大声压级的平均值。
    3.声场均匀度：为保证全场区前后左右的声压级差异不能过大，规定了声场均匀度的技术要求，即观众区内各位置声压级的最大差值，以分贝表示。声场均匀度与扬声器的布置、指向特性和房间声学建构等有关。
    4.系统传输频率特性：系统传输频率特性是指扩声系统在最高可用增益时，观众区各位置稳态声压级的平均值相对于扩声设备输入端电压的幅频响应特性。系统传输频率特性直接影响扩声系统的还音音质。
    5.失真度：扩声系统由输入声信号到输出声信号全过程中产生的非线性畸变。
    6.总噪声级：扩声系统达到最高可用增益，但无有用声信号输入时，厅内各测点处噪声声压级的平均值。
    扬声器的设置是扩声系统中极为重要的一环，根据建筑结构、声场环境、观众席的设置以及扩声系统的用途的不同可分为集中式供声、分散式供声以及分区式供声。
    集中式供声：集中式供声是把一组扬声器集中安装在一个固定位置上的供声系统。对于有舞台的剧场或礼堂来说，扬声器通常安装在舞台的两侧，部分还会在舞台上方和台唇添加扬声器。集中式供声系统的优点是声像与视觉一致，听感自然，由于多处扬声器产生的声音干涉小，声音清晰度高；缺点则是对于形状复杂或者有多层楼厅和眺台的厅堂，声场难以均匀覆盖，同时由于传播距离较长，前后场声压级差异较大。[Page]
    分散式供声：以吸顶扬声器或者小功率声柱为单元，采用多个单元分散布置以满足各个区域的扩声需求。分散式供声系统的优点是声场均匀，而且由于扬声器与听众之间距离很近，对于混响较大的声场仍然能保持较高的直混比，保持较高的清晰度；缺点则是多个扬声器产生较为严重的声音干涉，产生梳状滤波效应，使音质较差，同时由于视听感觉不一致使得听音感觉不够自然。分散式供声系统多用于会议及广播扩声系统。 
    分区式供声：将扬声器按不同的区域辐射，放置在不同的区域分区供声，每一组扬声器覆盖其附近一块区域的音箱摆放方式。分区式供声系统的优点是保证整个声场内声波均匀覆盖，声场均匀度高，语言清晰度高，缺点是不同的音箱距听众的距离差较大时，到达听众的声音有时间差，使清晰度降低，同时视听一致感也较差。

二、场馆介绍
    2009年农民春晚的录制场地是在中国农业大学体育馆。在北京奥运会和残奥会期间，中国农业大学体育馆举行了摔跤和坐式排球的比赛。该工程于2005年9月15日正式开工建设。建筑面积约24000平方米。中国农业大学体育馆共设观众席约8500个，其中固定座席约6000个自然席，临时座席2500个自然席。
    作为首个完工的大学体育馆，中国农业大学体育馆从建设之初以实用和赛后利用为重点。体育馆走廊的房顶并没有做吊顶，露在外面的一些管子被涂成红色和银色。既节约了成本，也符合简约的国际潮流。奥运会后该体育馆将成为可承接羽毛球、乒乓球、体操、健身、排球、篮球、手球及室内足球等各类常规体育项目比赛的室内综合体育馆，并向学生和市民开放，也会成为国家队训练的基地。

图1 场馆内部构造

图2 场馆内部全景

图3 2009年农民春晚主舞台
    晚会的主舞台位于场馆内部的北侧，舞台宽约25米，舞台深度约为18米，在主舞台的正前方有一个直径约为7.5米圆形副舞台。(见图3)
    观众席被设置在体育馆内场地的南半部以及场地周围的看台上，场地内部的观众席被垫高了大约50公分。

三、现场扩声系统
    对于这种在大型体育馆内录制的大型文艺演出来说，建立一套安全可靠稳定的扩声系统是非常重要的。
    (一)扬声器系统设计
    作为文艺演出系统，我们要求视听一致的舒适听感，同时为了兼顾眺台下观众区域的听音质量，在新的系统中采用台口扬声器集中供声加辅助扬声器对眺台下进行声音补偿的混合式供声系统。一方面，台口扬声器作为主扬声器为整个声场提供了干涉度小、清晰度高且与舞台视觉一致的高品质声音，另一方面起补声作用的辅助扬声器很好的解决了由于眺台遮挡导致主扬声器的直达声无法抵达，造成眺台下产生声影区的问题。补声扬声器以较低的声压提高了其覆盖区域观众区的直达声声压级和总声压级，使声场更加均匀，而且由于其声压级与主扬声器基本持平或略小，同时对辅助扬声器同时进行延时处理，使其辐射的声波略晚于主扬声器辐射的声波到达，其时间差处于哈斯效应所许可范围内，因此并不会降低主扬声器带来的定位感，也解决了不同扬声器之间的时间差带来清晰度下降的问题。
    1.主扬声器的设置及选型
    在介绍演出场地的时候我们可以看出，由于场地和观众席的范围非常大，场地内部的观众席与看台上最高处的观众席落差达到将近10米，前后纵深差约为20米。从垂直方面考虑，若采用单只音箱供声，所需音箱垂直覆盖角α=2arctan(10.10/10) ≈88.4°，这显然是单只音箱无法达到的，若采用传统音箱组成音箱阵列则必然产生严重的干涉，大大降低声场均匀度及音质；再从纵深角度来说，根据点声源声压级差公式：声压级差=20lg(d1/d2)≈14dB，而一般情况下，当声压级相差10dB时，即认为响度相差1倍，因而前后声场响度差异将会很大。而当我们采用近似线声源，即线阵列扬声器系统时，以上情况将会大大改善。线阵列扬声器系统是由一列单元箱组成，这些单元箱按一定规则在竖直方向上排列，根据声场需要排成不同的形状。线声源实际上可以看成由分布在直线上间距相同、间隔非常小、源强相等且同相位的大量点声源所组成。要组成线声源阵列需要三个必要条件：[Page]
    1)线声源阵列的长度应不小于工作频率范围内最低频率波长的一半； 
    2)声源之间的距离不大于工作频率范围内最高频率波长的一半； 
    3)线声源阵列中个频段的扬声器单元必须排在一条直线上。
    一个理想状态下的点声源，例如一个扬声器，会发射出一个球状波形而不是一个圆柱状波形。这种波形的波阵面在每个加倍距离上其影响的范围为原距离的四倍，等于每当距离加倍，声压级将损失6dB。而在一个特定范围的频率下，一个线性声源则会建立一个呈松散的圆柱状的声压波阵面。因为波阵面的表面区域仅在水平面上扩张，所以每当距离加倍时，其影响的范围也加倍，这等于说每当距离加倍，声压级水平将损失3dB。因此说阵列线音箱的最大优势就是在给定数目扬声器的情况下，它的长距离传送水平会比非线性阵列音箱，或者点声源音箱系统强大很多。但是理论上一个无限长的线阵列才能形成圆柱形波阵面，即柱面波。对于通常仅有几米长的线阵列扬声器系统的声辐射不可能形成完整的、理想的柱面波，而实际的线阵列扬声器系统在一定范围内，也会表现出有距离加倍声压级衰减3dB的近场区域，这是因为线阵列扬声器系统依照线阵列的基本理论在一定条件下的“近似性”所带来的结果，但是线阵列对于近场与远场声辐射的声衰减是不一样的，当离开声源的距离以倍增时，近场的声压衰减为3dB，而远场声波呈球面波辐射，此时每增加一倍距离声压衰减为6dB。线阵列声源从近场区到远场区是一个逐部扩展的过程，没有明显的界限，所以它的界限的划定是由线阵列系统的使用方式确定的。
    线阵列扬声器系统与传统组阵系统的主要区别是传统组阵的单元音箱是通用型产品，它既可以用于组阵也可以单独使用。而线阵列扬声器系统的单元音箱是根据线阵列的要求，专门研发的单元产品，不能单独使用，这是两者在形式上的区别。普通音箱可以组成阵列，但是音箱与音箱之间的声干涉较严重。线阵列音箱经过与普通音箱不同的设计，使垂直辐射角度很小，组成阵列后音箱与音箱之间的声干涉较小。如果就扩声声场而言，传统组阵虽在物理尺度上能够很好的组合在一起，但是系统的声辐射图形，如指向性、频率特性都是很难控制的。因而会造成观众区声场不均匀，特别是扩声声场会出现明显的声干涉。这些会给扩声质量带来负面效果，这也是传统组阵在扩声应用中最“致命”的缺陷。线阵列扬声器系统保持了传统组阵可提供大声压级和远距离供声的特点，而且具有良好的指向特性，它的水平覆盖角取决于单元音箱，垂直覆盖角度是由单元音箱的数量和音箱间吊挂的角度来确定的，声辐射图形容易控制，供声声场均匀，声场的声干涉也小，因而对农民春晚的系统而言，主扬声器选择线阵列系统有利于提高扩声质量。
    线阵列可分为直线型线阵列、弧线型线阵列以及J型线阵列。直线型线阵列系统各单元之间的干涉最小，传输距离也最大，前后场声压级差最小，在远场范围内音质最好，但是远近场临界距离太大，垂直覆盖面积较小，对于高度差达10米的农大体育馆无法覆盖近场；弧线型线阵列远/近场临界距离较短，垂直覆盖面积较大，但是各单元之间声音的干涉较大，同时远近场声压级差过大；J型线阵列是前面两者的结合，是远近场采用不同的阵列形式，同时兼顾远近场，但是线阵列形状不连贯导致中间位置的听感不够好，但是对于农大体育馆这样观众席有高度差的场地来说，正好形成了一个合理的分区。在本次活动中我们选择了EAW KF761线阵列音箱，KF761是EAW推出的一款大型线阵列扬声器系统，可用于体育场、大型剧场的演出，保证均匀的声场涵盖。主音箱分为两组，分别悬挂在舞台两侧靠前的位置，每组最顶端扬声器距离地面约6.5米，底端扬声器距离地面约3.5米，每组由8只EAW KF761组成，角度分别向内侧扭转指向主要观众区域(领导们所在的场地内部观众区)，这样就解决了“中空”问题(见图4、图5)。但这将主音箱组的角度向内侧旋转后位于场馆内东西两侧看台上的观众区的声覆盖就会比中间观众区域不均匀，所以我们设置了在两侧看台上的辅助扬声器，辅助扬声器的设置我们将在后面讨论。 [Page](未完下期待续)

右侧主扬声器搭建位置