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沉浸式擴聲系統中置聲道的設計與應用
 

    人對于聲音方位的判斷主要是基于雙耳效應產生的。由于聲源振動能量到達兩只耳朵存在時間差和強度差，人才能憑借這些信息判斷出聲音傳來的方向。立體聲音響系統正是利用這一原理將重放聲音的時間差和強度差信息還原出來，通過兩個聲道創造出虛擬的聲像定位，模擬音源真實的發聲狀態。但立體聲系統并不能滿足人們對于擴聲的全部要求。雖然在錄音棚和家庭影院等小型空間中能夠得到良好的聲像還原效果，但傳統的立體聲系統在現場演出擴聲中的應用仍然存在制約。一方面，現場演出的觀眾數量較多，立體聲定位只對于觀眾席中間區域的小部分觀眾才準確，越是偏離觀眾席中軸線，定位偏差越大，立體聲聽感會越差。因此，極端靠近左右兩側的觀眾實際上獲得的只有一邊聲道重放的信號。另一方面，單聲道信號在立體聲系統中重放成為難題，單聲道信息被左右揚聲器分別重放時會在不同位置產生時間差和強度差，由此產生的梳狀濾波效應會造成聲像漂移和語言清晰度下降，如果再疊加不理想的聲學環境，這種聲像漂移和語言清晰度的損失會變得更為嚴重。上述問題會導致音響效果大打折扣。

　　中置聲道的引入則能夠在某種程度上改善上述問題，筆者針對揚聲器系統設計中的中置聲道設計理念及考慮相關因素進行探討，力求為廣大從業者提供有益的參考。

1、前期準備工作

　　在進行系統設計前，首先應該對節目內容和場地分別進行了解，這是設計任何系統都不可或缺的重要準備工作。

　　在節目內容方面，需要了解各節目素材使用立體聲和單聲道的情況（有哪些素材是立體聲、哪些是單聲道）及其在節目呈現過程中起何種作用、聲像定位的精確程度要求，是否包含聲像運動效果等，這些信息將決定是否需要中置揚聲器。

　　在場地測量方面，需要盡可能精確地測繪場地的具體數據，包括舞臺形狀和大小、觀眾席布局和尺寸、房間結構、聲學環境（反射面、溫度、濕度）等，并將這些因素列入考慮范疇。在測量時獲得的數據越準確越全面，擴聲覆蓋模擬結果也就越接近真實的情況。更重要的是，揚聲器的安裝方式能否按照計劃實現，揚聲器組能否按照預設位置來吊掛或者擺放，都取決于場地測量時收集的數據的準確和周全程度。

　　當獲得足夠的場地信息之后，需要利用揚聲器廠家提供的模擬軟件（或者通過Ease Focus這種基于GLL文件的通用設計軟件）進行建模，這些軟件可在可視化的條件下，實時調整并計算不同設計方案的覆蓋均勻度以及聲壓級分布，較為復雜的模擬軟件（如Ease）甚至可以將反射和墻面材質的吸聲特性都考慮在內，實現對反射情況的模擬（見圖1）。系統建模和預測的重要作用在于讓系統工程師在裝臺開始之前就能夠做好全部的計劃和準備工作，進而起到減少正式施工時長并提高工作效率的作用。



2、揚聲器系統設計需要考慮的要素

　　在進行系統設計時，需要綜合前期測量的數據做出一些選擇，主要考慮場地信息和演出內容的需求。具體可以體現在以下三個方面。

2.1 演出的聲音內容中是否含有大量的對白或人聲

　　如今，以對白或人聲為主要內容的演出非常多，無論是話劇、音樂劇或傳統戲曲等戲劇演出，還是演講、會議等內容為主的商務活動，對于人聲清晰度的要求都非常高。如果觀眾無法清晰地聽到演講者的臺詞，或在演出過程中還要分心思考某一句聽上去模棱兩可的臺詞是哪位演員說的，那還何談欣賞戲劇作品或是領會會議和演講的內容呢？這些人聲信息量相對較大的應用場景，單聲道系統最容易發揮其優勢，更適合考慮使用中置揚聲器。尤其是立體聲系統重放單聲道信息時，由于觀眾所處的位置不同，往往會在覆蓋的交疊區域上使同一信號產生強度差和時間差，從而造成梳狀濾波效應，在個別頻率產生疊加或抵消，在降低語言清晰度的同時也會影響到聲像定位的準確性（有關兩組音箱覆蓋區域交疊處信號的強度和時間差的問題比較復雜，將會另外進行討論）。使用中置聲道專門負責這類節目的擴聲是一個非常有效的解決辦法，可以把中置聲道作為人聲使用，而將其他對立體聲定位有要求的內容發送給立體聲的左右揚聲器。

2.2 主擴系統是否足以應對演出場地的寬度

　　每個演出場地的觀眾席設計都不太相同。現在，有很多劇場的舞臺（或者臨時搭建的舞臺）非常的寬，觀眾席則會根據舞臺形狀被設計成更寬的扇形，這種設計多出于給予觀眾更好的舞臺視野的考慮，但過寬的舞臺（或觀眾席）對于擴聲系統設計來說卻存在巨大的挑戰。為了在常規應用中盡可能避開側墻的反射，主擴揚聲器的水平覆蓋角度通常被控制在90°～120°之間，然而普通的線陣列揚聲器無法覆蓋很寬的范圍。在這種情況下，如果只使用一套立體聲系統來覆蓋很寬的觀眾席，就很容易造成觀眾席前中部甚至是整個中部能量的嚴重缺失。因此，加入中置揚聲器來補充這一部分區域缺失的能量是非常必要的。

　　如果觀眾席中部的能量缺失區域較大，縱深較深，則適合使用中置揚聲器來進行補充；如果只有少數兩三排座位需要補充，則可以考慮使用臺唇補聲系統。在調試過程中需要注意，在指向性無法得到良好控制的低頻區域，還有中置系統和左右揚聲器系統之間可能產生的相互干擾。

2.3 演出場地是否適合使用中置揚聲器

　　任何解決方案都存在一定的局限性。這些局限性主要來自于劇場的尺寸、舞臺的結構、觀眾席座位的分布以及劇場的聲學環境等要素。使用中置揚聲器對于那些舞臺鏡框特別高的場地可能不是一個好的選擇。吊掛的高度決定了聲源發出的位置（見圖2），若揚聲器與觀眾席垂直方向的夾角大于30°，位于前排的觀眾就有可能會感覺到垂直方向上的聲像漂移，產生人聲或對白來自頭頂而非前方的感覺。此時，設計時可以考慮通過臺唇補聲系統來覆蓋前排觀眾席，中置系統從3排或4排之后的區域開始覆蓋。



3、揚聲器系統的安裝方式

　　現場演出擴聲中，根據不同場地中置聲道揚聲器的安裝方式也略有不同。由于揚聲器安裝位置不得影響表演者及觀眾，所以無論在室內劇場還是室外的舞臺，安裝基本不會落地，而是更多采用吊掛的方式。安裝位置在水平方向上基本都處于舞臺鏡框式上沿的正中，垂直方向上的高度需考慮鏡框高度、揚聲器陣列對觀眾席的覆蓋，以及是否與舞美、燈光和機械等其他設備存在沖突。

　　吊掛安裝帶來的好處是，揚聲器距最前排和最后排觀眾的距離差，較落地時其到最前排和最后排觀眾的距離差更小，聲壓級覆蓋更均勻，離軸響應也更好；顯而易見的是，吊掛可減少對前排觀眾視覺上的遮擋。同樣，吊掛安裝也帶來了不好的影響，就是前文提到的由于安裝位置過高帶來的聲像漂移問題。解決這一問題的辦法，通常是系統工程師通過增加臺唇補聲揚聲器，來達到下拉聲像的目的。揚聲器吊掛由于缺少地面反射所帶來的界面負載效應，相較于落地安裝的方式，其低頻響應會略差一些。由于中置聲道主要承擔人聲信號的重放，更少的低頻反而適合語言的重放，從這一點來講，低頻響應的缺失反而可以算作一個優點。

　　標準劇場中，中置揚聲器組的安裝通常分為暗裝和明裝兩種。暗裝一般是安裝在舞臺鏡框上沿預留的聲橋當中，如北京天橋劇場（圖3）。明裝則是吊掛在舞臺燈桿或預留的吊點上，如北京天橋藝術中心大劇場（圖4）。暗裝對觀眾的視覺影響最小，如果劇場擴聲系統設計合理，建筑聲學指標達標，且在鏡框高度不是很高的情況下，劇場中置聲道暗裝是最好的安裝方式。但是國內劇場的實際情況并不樂觀，且不同演出的系統工程師和音響設計師都有各自的設計和考量，暗裝中置聲道位置又基本不可調整，所以很多劇場中暗裝的中置聲道使用率很低。明裝的中置聲道更便于安裝、拆卸以及調整，更加適合流動性強的演出，因此，越來越多的現代化劇場采用這種安裝方式。




4、中置聲道揚聲器的選擇

　　中置聲道揚聲器的選型主要考慮實際場地的聲覆蓋需求以及演出內容。從聲能衰減特性的角度，可選擇的揚聲器類型主要是點聲源揚聲器和線陣列揚聲器。點聲源揚聲器的聲能衰減特性接近于球面波（距離增加一倍，聲能衰減6 dB），更適合于觀眾席縱深不長，形狀較為規則的小型場地。線陣列揚聲器的聲能衰減特性接近于柱面波（距離增加一倍，聲能衰減3 dB），更適合于觀眾席縱深長，形狀較不規則的大場地。由于線陣列揚聲器是通過多個單元在垂直方向上的耦合達到指向性控制的，所以，當觀眾距揚聲器過近時，會感覺到明顯的梳狀濾波器效應，近距離聽感不如點聲源揚聲器自然。

　　中置聲道揚聲器的選型還要考慮和左右聲道揚聲器的關系，理想的方案是左中右三聲道的揚聲器選型（類型、功率、數量等）一致，但由于實際劇場以及演出內容的限制，很難做到這一點。北京天橋藝術中心大劇場的舞臺上沿有足夠的空間進行安裝，因此采用了左中右三組L-Acoustics的Kara系列揚聲器，每個聲道12只。選型一致的揚聲器為場地內帶來相對更加均勻的覆蓋，以及更一致的頻率響應。但也由于中置聲道相對安裝在更高的位置，揚聲器系統需要加入前區補聲以及下拉聲像系統來解決聲像漂移的問題。

　　此外，還有一些劇場由于應用場景的不同，揚聲器系統既要減少舞臺垂直方向上對觀眾的視覺影響，還要滿足較寬觀眾席對水平覆蓋的需求。例如美國明尼阿波利斯會展中心使用ARCS恒定曲率線陣列揚聲器，這種揚聲器陣列在垂直方向上的輻射角度不可調整，但水平角度上中置揚聲器幾乎可以覆蓋到整個觀眾席，甚至可以比左右聲道揚聲器承擔更大的功率，這對于以語言類為主的會議等應用場景來說是十分方便且有效的。



5、不同節目類型信號的分配方式

　　不同節目類型的中置聲道信號的發送方式也是不同的。現場演出中，較為常用的是LCR和LR+C兩種母線分配方式。兩者的區別在于：在LCR模式下，通道中的PAN會影響到中置聲道的發送量，也就是說當聲像在左側時由L+C重放信號，右側時為R+C，中間和極左極右則單獨對應C、L、R，這對于具有運動軌跡的聲像定位會更加細致，但由于C信號無法單獨控制發送量，對于信號分配的靈活度便會降低；而LR+C模式與前者相反，可以單獨控制C信號的發送量，給信號分配帶來方便，但用于聲像定位的依然只有LR這對立體聲系統。對于節目內容信號可以分為三種：對白信號、音樂信號以及效果信號。

　　對于對白語信號，首先，要考慮擴聲與直達聲之間的關系。當場地較小而演員直達聲較大時，完全可以采用補聲的方式進行工作。此時，相比中置信號來說，兩側(L、R)信號需要更大一些，因為兩側的觀眾離聲源較遠，補充清晰度所需要的聲壓級相對較高。當以擴聲為主要聲音來源時，在直達聲不足的情況下就需要以中置信號為主，以此獲得良好的定位和清晰度。其次，在信號的選擇上，如果中置聲道可以完全覆蓋到全場的每一個座位，那么，只使用中置聲道重放對白是最理想的方式，因為單一聲源不會產生梳狀濾波等問題，是與自然聲源最接近的形式；若中置揚聲器不能滿足對觀眾席完全的覆蓋，則可以將人聲進行編組，再以不同比例分別發送至L、C、R的矩陣中。最后，如果有多重人聲信號，例如領唱與伴唱、獨白與群誦等，可以根據這些內容的主次有選擇地將其發送至不同的母線，筆者一般會將主要領唱或獨唱內容發送至C，其他人聲信號發送至L、R，以求更好地突出重要內容，避免人聲聲像過度擁擠，造成聽感上的混亂。

　　對于音樂信號來說，中置揚聲器并不起主要作用。立體聲揚聲器系統則是更加適合音樂信號重放的工具。當立體聲揚聲器系統無法很好地覆蓋觀眾席的中間區域時，可以考慮利用中置揚聲器覆蓋。

　　對于聲音效果信號來說，中置揚聲器可以起到明顯的過渡作用，輔助L、R表現在一段時間內從正前方通過的某個物體的運動軌跡，最典型的例子是飛機飛過以及物體滑行這種具有方向引導性的音效。如果沒有中置揚聲器，當舞臺較寬時會產生明顯的跳躍感，即聲音到中間忽然變小。此時，采用LCR的母線設置方式可以利用C很好地銜接L、R，形成完整的過渡過程，使重放運動軌跡的音效更加自然。

6、結語

　　現場演出中，根據情況實際還有很多更加靈活使用中置聲道的方法，但無論怎樣使用中置揚聲器，都要以聲學原理為依托，結合內容的需要與場地的實際情況多方考慮加以利用。