WFS 3D聲音技術在音樂會擴聲工程中的應用

高杰+莊元

【摘 要】 較為詳細地介紹了波場合成技術的來由、北外灘景觀3D全息交響音樂會的創意、場地設計、系統設計、拾音 與擴聲技術細節等，并對3D聲音技術的發展前景提出了看法。

【關鍵詞】 3D交響音樂會；波場合成；拾音；擴聲；聲音設計

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.04.006

2013年10月28日晚，“北外灘景觀3D全息交響音樂會”在上海黃浦江國際航運和金融服務中心開放式露天廣場激情奏響。此次音樂會是國內首次在露天城市景觀中創新性運用基于“波場合成”技術的3D擴聲技術來演繹的交響音樂會，是一次在聲音還原技術上革命性的突破。這場演出吸引了演藝界和音頻工程界的極大關注，并迅速成為媒體報道的熱點，8家電臺電視臺、10家主流報紙、30多家門戶網站進行了報道，上海電視臺藝術人文頻道進行了實況轉播。

筆者親身體驗了這場音樂會，希望通過本文與大家共同分享3D聲音技術發展信息，研討3D聲音新技術對于文化創新的意義。為行文方便，文中的“上海北外灘景觀3D全息交響音樂會”均簡稱為“北外灘3D音樂會”。

1 波場合成技術的由來

波場合成，英文全稱Wave Field Synthesis，縮寫WFS。波場合成技術最早由荷蘭代爾夫特大學的Berkhout教授提出，其理論是基于荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695）①于1678年提出的“惠更斯原理”。惠更斯原理認為：空氣中任意波前上的各點，都可以看作是新的子波源，其后的任一時刻，這些子波源發射的波前的包絡線，就是聲波這一時刻的新波前。舉個簡單的例子，小提琴演奏時發出的聲波，其后的任意一道波前可以看作是由無數的子波源組成，這些子波源散發出新的波前，其后的任一時刻所有子波源波前的包絡線，就是小提琴聲波在這一時刻新的波前，如圖1所示。

真實聽感中，聲音是在三維空間中傳播的，因此，不僅有水平平面上的定位變化，也應該有垂直方向上的定位變化。目前所使用的虛擬聽覺重放技術是依據雙耳效應的原理，通過強度差、時間差、相位差產生虛擬的平面聲像定位。然而由于中近場揚聲器回放的都是球面波，聽者稍微移動都會導致聽感變化，因此，在定位上有很大的局限性，雙聲道立體聲的最佳聽音位置只有一個，俗稱 “皇帝位”。5.1環繞聲系統在同平面上添加了1只中置揚聲器和2只環繞揚聲器，彌補了正前方虛擬定位和后方定位的不足，擴大了最佳聽音位置，但依然沒有垂直方向（Z軸）的定位，且都無法還原平面波。

與以往雙聲道立體聲和2D環繞聲相比，波場合成系統通過X、Y、Z三維立體聲場的重建，讓聽眾仿佛置身于真實的聲音空間，沉浸在四面八方傳來的直達聲、早期反射聲和混響聲等聲音信息中，聲源對象可以被定位在空間中的任意位置，任意不同的位置都能聆聽到真實的、高品質的聲音，消除了“皇帝位”的概念。

波場合成技術從理論到實用化之路并不平坦，這不能不提到IOSONO公司。德國IOSONO公司是為電影院、大型活動和娛樂場所等提供3D全息聲音解決方案的創意公司，總部位于德國埃爾福特。自2004年成立以來，IOSONO開發出基于波場合成技術的商用化音頻硬件和軟件，這一新技術業已在全世界范圍內迅速推廣，并在展覽、演出、文化地標、電影院線、娛樂游戲等眾多領域和專業院校獲得富有特色的運用。

2010年，國內四維音樂工程設計公司敏銳地覺察到波場合成技術的發展前景，引進這項跨時代的新技術，2012年，位于上海廣中路的“SWD- IOSONO三維全息聲音實驗室”正式落成，這是國內首個3D全息聲音實驗室，中國的“3D聲音”時代由這里開始了。

2 北外灘3D音樂會的創意

為進一步提高上海的國際大都市的影響力，豐富市民的文化生活，上海市政府計劃2013年舉辦上海國際藝術節和上海首屆市民文化節，在上海市文廣影視管理局、上海市教委和虹口區政府的支持下，音樂會主辦方上海交響樂團和四維音樂工程設計公司共同提出了一個大膽的創意——舉辦中國首次戶外景觀3D全息交響音樂會，作為兩節的重頭戲。

音樂會的場地選定在黃浦江北外灘，北外灘作為上海中央商務區“黃金三角”的重要組成部分，也是上海航運發祥地，擁有悠久的歷史和豐厚的文化積淀。目前，這片核心區域是亞洲規模最大的綠色建筑商辦樓群，已經通過了中國綠色建筑三星級標識、美國LEED、英國BREEAM等三項國際綠色權威的綠色認證，成為世界知名企業的辦公總部集聚地，新的城市黃金CBD以及上海金融、航運、貿易、文化中心，成為商界、藝術界等各路明星匯聚之地。

黃浦江北外灘國際客運碼頭開放式露天廣場，周圍高樓林立、江水滔滔。當夜幕降臨的時候，浦江兩岸燈光璀璨、游人如織，江面上涼風習習、游船如梭，上海的標志——東方明珠電視塔近在咫尺，中國改革開放的一幅美麗畫卷呈現在人們面前。在戶外運用波場合成技術為交響音樂會擴聲，讓觀眾在欣賞黃浦江兩岸夜景的同時，在露天環境下享受到與音樂廳相媲美的音響效果。毫無疑問，這是一個富有想象力的創意。上海黃浦江北外灘夜景見圖2，音樂會現場景觀見圖3。

交響樂團由90名成員組成，考慮到室外的因素，這場交響音樂會的總時長定在70 min。音樂會特邀著名指揮家陳燮陽先生執棒，上海交響樂團演奏，以歌劇、芭蕾舞劇、獨奏、二重奏、獨唱等多種的形式演繹眾多耳熟能詳的曲目，包括《威廉·退爾》序曲、《紅色娘子軍》、《流浪者之歌》、《胡桃夾子》、《菊花臺》等中外經典名曲。

3 北外灘3D音樂會場地設計

根據現場的地形，工程師們為音樂會特別設計了一個穹頂半開放式舞臺，該舞臺離地高1.5 m，寬20 m，深15 m，由訂制的鋼桁架搭成，舞臺穹頂外部包裹了一層復合材料制成的柔性外衣，這種特殊材料的外衣有很好的聲學性能，可以解決交響樂隊在露天舞臺無限聲場環境下演奏時聽覺的不適應感，且能防風防雨。endprint

觀眾席約長40 m，寬約17 m，能夠容納500位觀眾；觀眾席四周和頭頂上架設了大型鋼桁架，桁架分為三層，第一層為觀眾區環繞揚聲器陣列，第二層為觀眾區頭頂揚聲器，第三層是舞臺龍門架揚聲器陣列。如此設計，就是為了在這個戶外音樂會上創造出在室內音樂廳的聆聽音響效果。北外灘3D音樂會舞臺和觀眾區設計效果，搭建完成的北外灘3D音樂會現場見。

4 北外灘3D音樂會系統設計

北外灘3D音樂會的音響系統，由德國IOSONO公司、TAUCHER聲音環境設計公司和四維音樂工程公司共同完成，使用的是IOSONO 86.3波場合成技術。此前在德國柏林愛樂音樂會、澳大利亞悉尼音樂會都運用了IOSONO先進的3D聲音技術。 IOSONO 3D系統的設計理念，是將現場捕捉到的聲音信號，在音頻工作站專用軟件的界面上，按照樂隊的擺位進行聲音設計，經過3D處理器運算后的信號流通過若干層揚聲器陣列重放，最終還原交響樂隊演奏的宏大聲場，讓聽眾宛如身處真實的音樂廳。

調音臺使用了聲藝Soundcraft Vi6數字擴聲調音臺，見圖9。Soundcraft Vi6具有32路電動推子的控制界面，可以同時輸入64路單聲道，所有通道都可以直接輸出，可以通過內部路由分配到32條編組/輔助/矩陣母線，以及主立體聲輸出。Soundcraft 優質的超低噪聲傳聲器前置放大器和Studer先進的40 bit浮點數字音頻處理技術保證了音樂會的拾音音質。

Soundcraft Vi6調音臺主要用于傳聲器信號電平調整和頻率均衡，輸出的所有聲道均設為單聲道模式，并從調音臺的MADI接口轉換為MADI信號流，送往多通道音頻數字接口分配器，從數字音頻分配器出來的MADI信號主要送往3個去處。

第一路信號送往裝有IOSONO 3D插件的PC音頻工作站。音樂會擴聲的3D聲場設計主要在PC音頻工作站的界面上完成。

PC音頻工作站安裝有STEINBERG公司的Nuendo音頻編輯軟件，并加裝了IOSONO公司的3D制作插件，音樂會場地尺寸和揚聲器陣列擺位諸多參數需要事先錄入音頻工作站，形成直觀的音樂會現場圖形，然后將調音臺送來的多軌信號在音頻工作站的界面上進行聲場設計，即將聲音對象進行組合分配，調整其方位、遠近，設置波的性質（球面波、平面波、柱形波），添加其他效果。PC音頻工作站并不直接進行WFS運算，而是將設計數據再送入2臺IOSONO IPC100數字聲音處理器進行處理，IOSONO IPC100音頻處理器見圖10。這兩臺處理器包含著3D聲音的核心技術，即IOSONO的WFS算法。從3D處理器出來的數字信號流被送入4臺D/A轉換器，轉換后的模擬音頻信號被送往133只Meyer Sound有源揚聲器和揚聲器陣列。

第二路從數字音頻分配器出來的MADI信號被送往一臺MAC音頻工作站進行現場分軌錄音，以便進行后期商業制作。

第三路MADI信號被送往電視轉播車。

北外灘3D音樂會音響系統信號流程。

5 北外灘3D音樂會拾音與擴聲

北外灘3D音樂會現場樂隊拾音使用了71支傳聲器，使用的品牌有NEUMAN、DPA、SCHOEPS、sE、Mics等，就其90人的樂隊規模而言，基本上是弦樂兩人1支，管樂和打擊樂一人1支，獨唱和獨奏演員一人1支，采取近距離多點拾音方式，這樣可以提高信號的分離度，為后期處理提供較大的自由。現場傳聲器拾音設置見圖12、圖13。

北外灘3D音樂會音響系統與其他擴聲系統相比最顯著的特點在于揚聲器的布置不同。IOSONO 3D聲音系統是一種能夠控制整個聽音區域內波場的空間聲重放技術，它不僅能還原基于水平X軸、縱深Y軸的聲音信息，而且能還原高度Z軸上的信息，因此，原則上揚聲器的層數要大于或等于3層，同時需要用上百個獨立通道所組成的揚聲器陣列，在給定的聽音區域中重建出室內的空間感。

舞臺的正面共有3層揚聲器，設置如下：

（1）舞臺龍門架上方裝有7組M' elodie小型揚聲器陣列，揚聲器間距約2.5 m，用于觀眾區縱深的覆蓋；

（2）舞臺臺口裝有13只MINA揚聲器，間距約0.6 m，負責近場補聲；

（3）臺口下擺放8只1100-LFC低頻控制單元提供低頻補充，間距約2 m；

（4）臺上另有4只UPJ-1P和2只UPA-1P揚聲器用于舞臺返聽；

（5）觀眾區左右各裝24只UPA-1P揚聲器，間距約1 m，并有一定的傾角覆蓋觀眾區；

（6）觀眾區頭頂上方分5排裝有13只UPA-1P揚聲器，行距約7 m；

（7）觀眾席后方吊有8組M' elodie揚聲器小型陣列，間距約2 m。

音樂會共使用了96個通路信號，133只揚聲器。所有的揚聲器均采用美國產Meyer Sound有源揚聲器。北外灘3D音樂會揚聲器設置實景見圖14～圖16。

6 對北外灘3D音樂會評價

在男高音韓蓬的《今夜無人入眠》中北外灘3D音樂會被推向高潮，經典交響樂與創新3D聲音技術的完美結合讓現場四百多名聽眾度過了一個難忘的夜晚。音樂會演出場景見圖19。

音樂會結束后，有關3D音樂會的評價如潮涌來……

音樂會的組織者——中國上海國際藝術節總監劉文國說：“本來在室外就很難舉辦音樂會，比如天氣因素影響。但是這次調音好，音響的聲音質量也好，所以，聽的感覺非常不錯。后面的音箱營造了混響的感覺，利用效果聲給了觀眾很好的音樂廳的感覺。”

音樂會的主辦者之一，上海交響樂團團長陳光憲說：“我覺得這是一個別開生面的音樂會。對于室外音樂會，最大的問題就是音響。今天的音樂會解決了音響問題，使得整場交響樂聽起來非常清晰。別的室外音樂會往往還在某些方面存在問題，如一些擴聲的調制等。所以我覺得這次是個很大的進步。”endprint

八十高齡的著名指揮家曹鵬說：“我一直很擔心廣場音樂會，因為我認為它的音響幾乎不可能搞好，但是今天3D全息音響在我們國家首次應用。我聽了之后很滿意。因為它能夠把樂隊的聲部放射出來，使得整個交響樂的演奏生動，回歸到自然。這項技術是行業的發展，這樣不管在廣場，還是室內都能聽到更好的音樂。”

業內行家IMax中國副總裁周子衡說：“我聽下來的感覺非常好。沒想到這樣一個露天的音樂會能夠產生如此好的效果，所以，我覺得這是一件了不起的事。這可以說是在露天創造了一個沒有墻的音樂廳。我覺得非常好，很有前景。因為這樣就不用受到音樂廳的限制，在很多景點都可以舉辦這樣的音樂會。”

7 幾點思考

當然，也有一些質疑的聲音，歸結起來大概有以下幾個方面。

質疑一：經過3D擴聲的室外音樂會現場的聲音能與坐在音樂廳聽到的聲音相媲美嗎？

筆者認為，以目前的技術水平，露天的3D交響音樂會與坐在音樂廳相比，從聽覺上尚有相當差距。不言而喻，經過良好聲學設計的音樂廳，不插電演出是欣賞古典音樂的最好環境，別的場地都無法比擬。

質疑二：既然六、七百平米不大的場地動用了133只揚聲器，70多支傳聲器，2臺昂貴的3D處理器；搭建了舞臺燈光系統，工程浩大，花費不小，音響效果還趕不上音樂廳室內演出，這還有什么意義？

筆者認為，科學技術的進步是社會發展最重要的生產力。3D聲音技術與其他藝術的結合已經產生了多種新的藝術形式，例如澳大利亞悉尼戶外水上3D全息歌劇《卡門》、德國3D全息音響歌劇《Neither》、使用3D音頻創意的德國奔馳汽車新車發布會、德國和英國的Kraftwerk巡回電子音樂會、德國PROXIMITY游戲音頻等等。3D聲音技術將成為一種新的景觀藝術、聲音藝術、時尚藝術……雖然這場演出花費不菲，但上海作為國際大都市應當有這種與國際接軌、一流的文化活動。當然，作為嘗試，北外灘3D音樂會只演出了一場，費用確實很高，但如果今后把它做成一個固定的城市文化景觀、一個文化旅游項目，通過長期有效的運作，應當能產生可觀的經濟效益。在“創意為王”的時代，一個好的創意將對所在城市、地區的發展產生長遠的影響，云南麗江山水實景大型歌舞劇《印象麗江》的長盛不衰就是一個絕好的案例。

質疑三： 3D擴聲技術效果比通常所用的兩聲道擴聲或多聲道擴聲技術相比有很大的優勢嗎？

筆者認為，真的有天壤之別。以前所有的聲音技術都是基于聲道的矢量電平控制，波場合成技術是基于算法的技術，也就是說，隨著人類在聲音技術方面不斷進步，不僅可以人工合成語音、人工合成音色，也可以合成任意聲場。作為音頻工作者，筆者最恐懼的擴聲現場是：想靠近舞臺看清楚可耳朵受不了，耳朵舒服些卻離舞臺遠看不清了；而經過擴聲的露天交響樂隊演出，聲音簡直慘不忍睹、毫無美感。這場北外灘3D音樂會，聲壓級合適、聲場均勻，方位清晰、空間感舒適，加上黃浦江夜晚的景觀，真給人一種美的享受。

質疑四：波場合成技術的發展前景如何？

筆者認為，波場合成技術具有的三維空間聲場的營造和聲像定位精準的技術優勢是顯而易見的。未來它可以與高清數字媒體結合，廣泛運用于大型高端會展，也可以運用于交響樂、歌劇、音樂劇等大型演出，更可以結合IMax 3D等3D視頻技術，組合成超級的雙3D全景影視系統。這種具有革命性創新的聲音制作與重放方式，或許能成為推動文化產業向前發展的新動力。endprint

八十高齡的著名指揮家曹鵬說：“我一直很擔心廣場音樂會，因為我認為它的音響幾乎不可能搞好，但是今天3D全息音響在我們國家首次應用。我聽了之后很滿意。因為它能夠把樂隊的聲部放射出來，使得整個交響樂的演奏生動，回歸到自然。這項技術是行業的發展，這樣不管在廣場，還是室內都能聽到更好的音樂。”

業內行家IMax中國副總裁周子衡說：“我聽下來的感覺非常好。沒想到這樣一個露天的音樂會能夠產生如此好的效果，所以，我覺得這是一件了不起的事。這可以說是在露天創造了一個沒有墻的音樂廳。我覺得非常好，很有前景。因為這樣就不用受到音樂廳的限制，在很多景點都可以舉辦這樣的音樂會。”

7 幾點思考

當然，也有一些質疑的聲音，歸結起來大概有以下幾個方面。

質疑一：經過3D擴聲的室外音樂會現場的聲音能與坐在音樂廳聽到的聲音相媲美嗎？

筆者認為，以目前的技術水平，露天的3D交響音樂會與坐在音樂廳相比，從聽覺上尚有相當差距。不言而喻，經過良好聲學設計的音樂廳，不插電演出是欣賞古典音樂的最好環境，別的場地都無法比擬。

質疑二：既然六、七百平米不大的場地動用了133只揚聲器，70多支傳聲器，2臺昂貴的3D處理器；搭建了舞臺燈光系統，工程浩大，花費不小，音響效果還趕不上音樂廳室內演出，這還有什么意義？

筆者認為，科學技術的進步是社會發展最重要的生產力。3D聲音技術與其他藝術的結合已經產生了多種新的藝術形式，例如澳大利亞悉尼戶外水上3D全息歌劇《卡門》、德國3D全息音響歌劇《Neither》、使用3D音頻創意的德國奔馳汽車新車發布會、德國和英國的Kraftwerk巡回電子音樂會、德國PROXIMITY游戲音頻等等。3D聲音技術將成為一種新的景觀藝術、聲音藝術、時尚藝術……雖然這場演出花費不菲，但上海作為國際大都市應當有這種與國際接軌、一流的文化活動。當然，作為嘗試，北外灘3D音樂會只演出了一場，費用確實很高，但如果今后把它做成一個固定的城市文化景觀、一個文化旅游項目，通過長期有效的運作，應當能產生可觀的經濟效益。在“創意為王”的時代，一個好的創意將對所在城市、地區的發展產生長遠的影響，云南麗江山水實景大型歌舞劇《印象麗江》的長盛不衰就是一個絕好的案例。

質疑三： 3D擴聲技術效果比通常所用的兩聲道擴聲或多聲道擴聲技術相比有很大的優勢嗎？

筆者認為，真的有天壤之別。以前所有的聲音技術都是基于聲道的矢量電平控制，波場合成技術是基于算法的技術，也就是說，隨著人類在聲音技術方面不斷進步，不僅可以人工合成語音、人工合成音色，也可以合成任意聲場。作為音頻工作者，筆者最恐懼的擴聲現場是：想靠近舞臺看清楚可耳朵受不了，耳朵舒服些卻離舞臺遠看不清了；而經過擴聲的露天交響樂隊演出，聲音簡直慘不忍睹、毫無美感。這場北外灘3D音樂會，聲壓級合適、聲場均勻，方位清晰、空間感舒適，加上黃浦江夜晚的景觀，真給人一種美的享受。

質疑四：波場合成技術的發展前景如何？

筆者認為，波場合成技術具有的三維空間聲場的營造和聲像定位精準的技術優勢是顯而易見的。未來它可以與高清數字媒體結合，廣泛運用于大型高端會展，也可以運用于交響樂、歌劇、音樂劇等大型演出，更可以結合IMax 3D等3D視頻技術，組合成超級的雙3D全景影視系統。這種具有革命性創新的聲音制作與重放方式，或許能成為推動文化產業向前發展的新動力。endprint

八十高齡的著名指揮家曹鵬說：“我一直很擔心廣場音樂會，因為我認為它的音響幾乎不可能搞好，但是今天3D全息音響在我們國家首次應用。我聽了之后很滿意。因為它能夠把樂隊的聲部放射出來，使得整個交響樂的演奏生動，回歸到自然。這項技術是行業的發展，這樣不管在廣場，還是室內都能聽到更好的音樂。”

業內行家IMax中國副總裁周子衡說：“我聽下來的感覺非常好。沒想到這樣一個露天的音樂會能夠產生如此好的效果，所以，我覺得這是一件了不起的事。這可以說是在露天創造了一個沒有墻的音樂廳。我覺得非常好，很有前景。因為這樣就不用受到音樂廳的限制，在很多景點都可以舉辦這樣的音樂會。”

7 幾點思考

當然，也有一些質疑的聲音，歸結起來大概有以下幾個方面。

質疑一：經過3D擴聲的室外音樂會現場的聲音能與坐在音樂廳聽到的聲音相媲美嗎？

筆者認為，以目前的技術水平，露天的3D交響音樂會與坐在音樂廳相比，從聽覺上尚有相當差距。不言而喻，經過良好聲學設計的音樂廳，不插電演出是欣賞古典音樂的最好環境，別的場地都無法比擬。

質疑二：既然六、七百平米不大的場地動用了133只揚聲器，70多支傳聲器，2臺昂貴的3D處理器；搭建了舞臺燈光系統，工程浩大，花費不小，音響效果還趕不上音樂廳室內演出，這還有什么意義？

筆者認為，科學技術的進步是社會發展最重要的生產力。3D聲音技術與其他藝術的結合已經產生了多種新的藝術形式，例如澳大利亞悉尼戶外水上3D全息歌劇《卡門》、德國3D全息音響歌劇《Neither》、使用3D音頻創意的德國奔馳汽車新車發布會、德國和英國的Kraftwerk巡回電子音樂會、德國PROXIMITY游戲音頻等等。3D聲音技術將成為一種新的景觀藝術、聲音藝術、時尚藝術……雖然這場演出花費不菲，但上海作為國際大都市應當有這種與國際接軌、一流的文化活動。當然，作為嘗試，北外灘3D音樂會只演出了一場，費用確實很高，但如果今后把它做成一個固定的城市文化景觀、一個文化旅游項目，通過長期有效的運作，應當能產生可觀的經濟效益。在“創意為王”的時代，一個好的創意將對所在城市、地區的發展產生長遠的影響，云南麗江山水實景大型歌舞劇《印象麗江》的長盛不衰就是一個絕好的案例。

質疑三： 3D擴聲技術效果比通常所用的兩聲道擴聲或多聲道擴聲技術相比有很大的優勢嗎？

筆者認為，真的有天壤之別。以前所有的聲音技術都是基于聲道的矢量電平控制，波場合成技術是基于算法的技術，也就是說，隨著人類在聲音技術方面不斷進步，不僅可以人工合成語音、人工合成音色，也可以合成任意聲場。作為音頻工作者，筆者最恐懼的擴聲現場是：想靠近舞臺看清楚可耳朵受不了，耳朵舒服些卻離舞臺遠看不清了；而經過擴聲的露天交響樂隊演出，聲音簡直慘不忍睹、毫無美感。這場北外灘3D音樂會，聲壓級合適、聲場均勻，方位清晰、空間感舒適，加上黃浦江夜晚的景觀，真給人一種美的享受。

質疑四：波場合成技術的發展前景如何？

筆者認為，波場合成技術具有的三維空間聲場的營造和聲像定位精準的技術優勢是顯而易見的。未來它可以與高清數字媒體結合，廣泛運用于大型高端會展，也可以運用于交響樂、歌劇、音樂劇等大型演出，更可以結合IMax 3D等3D視頻技術，組合成超級的雙3D全景影視系統。這種具有革命性創新的聲音制作與重放方式，或許能成為推動文化產業向前發展的新動力。endprint