劇院中多區聲場覆蓋揚聲器系統的設計與優化

Bob Mccarthy

【摘 要】 介紹中等尺寸音樂廳的單層挑臺設計的音頻系統設計和系統調試優化實例。這一類型音樂廳的音頻系統中涉及數 量較多的補聲系統，可借此探討對分區覆蓋的處理以及分區組合的策略。

【關鍵詞】 劇場；音頻系統；設計；優化

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.08.012

Case Study： Design and Optimization of A Concert Hall Sound System

Author/Bob Mccarthy1， Translate/JIN Lei2

（1. Meyer Sound Laboratories Inc.， Berkeley， California， USA；

2. Shenzhen EzproTechnologies Inc.， Shenzhen Guangdong 518052， China）

【Abstract】A case study of the design and tuning process for a mid-sized single balcony concert hall. The hall was chosen for studybecause it required a fairly large quantity of fill systems. This provides insight into the process of coverage subdivision and the strategies for combination in the field.

【Key Words】theatre； sound system； design； optimization

筆者結合實例集中討論初始設計概念以及如何在現場對系統進行優化。系統設計從對子系統覆蓋分區之間的交叉區域處理開始，并考慮了測量點應置于何處，以使分區交叉區域的融合處理得以實現。同時，作者使用一些圖例來顯示音樂廳的平面分區情況和預期的測試傳聲器擺放位置，實測數據則使用與系統設計和優化處理過程中相同的術語來標識。

1 系統設計

從一些已知的特定條件和可選項開始進行系統設計，每一個音頻系統設計都有諸如空間尺寸、設備安裝條件、預算和視覺要求等基礎需求。最初的特定需求包括揚聲器采用隱蔽安裝方式，安裝位置在臺口最外側并使用透聲布遮蓋。指定的揚聲器安裝位置太過靠外，以至于對于大部分坐席來說，從各自區域并“看不到”這些揚聲器。換句話說，在左側坐席的聽眾會從右側的揚聲器中獲得比左側揚聲器更多的高頻覆蓋。這個從視覺效果出發的要求經過設計團隊的不懈努力得以解決，主擴聲系統的揚聲器被允許改變安裝位置，這些揚聲器在新的安裝位置可以“被看到”且被聽到（最重要的一點）。這一點在設計進程中被首先確定，并且成為這個案例獲得成功的重要關鍵。

音樂廳采用了較為少見的環形內場坐席設計，因此，坐席最寬的區域接近縱深軸向的中點。由于揚聲器的覆蓋區域隨著投射距離的增加而變寬，這種坐席布局方式對于擴聲系統設計來說是一個非常大的挑戰。因此，需要使用側補擴聲系統來對坐席最寬的部分來進行覆蓋，同時，避免在坐席中后區域出現覆蓋區域過大的問題。此外，由于左/右主擴揚聲器之間的距離仍然過寬，因此，需要使用中置揚聲器。前區補聲系統負責前區覆蓋和聲像定位，同時還在挑臺下使用了補聲揚聲器，來擴展主擴聲系統的覆蓋范圍，并提高在該區域的直達聲與混響聲的比例。最后一個子系統是一串吊掛安裝的心型指向中置次低頻揚聲器陣列。

該音樂廳音頻系統的設計目標是通過多個揚聲器子系統的結合實現均勻的聲場覆蓋。前區補聲系統覆蓋前兩排坐席，并與主擴揚聲器和/或中置揚聲器結合覆蓋第三排坐席。中置揚聲器對從第三排至第八排坐席的中央區域的三角陰影區進行覆蓋。在覆蓋示意圖中，每個子系統的覆蓋范圍都按照特定的字母標注。例如，主擴聲系統和補聲系統的交叉區域標注為AB（主擴聲系統=A，補聲系統=B）。包含多個子系統的揚聲器陣列也采用同樣的標注方式（例如，包含10個揚聲器模塊的主擴揚聲器陣列按照分組被標注為ABCDE）。

系統清單：

· L/R主擴聲系統（ABCDE）：10個在垂直軸向上采用非對稱耦合設計的點聲源揚聲器模塊。揚聲器模塊的水平覆蓋角度為90°，在垂直軸向上采用均勻指向安裝方式。

· L/R側補聲系統（SF）：位于主擴揚聲器陣列側方的單只非對稱耦合點聲源揚聲器，覆蓋角度為水平80°和垂直50°。

· 中置補聲系統（CF）：采用非耦合安裝方式的單只揚聲器模塊，與其側方的L/R主擴揚聲器和下方的前區補聲系統的覆蓋區域形成部分交叉。揚聲器覆蓋角度為水平90°，在垂直軸向上指向特定區域。

· 前區補聲系統（FF）：8個安裝在臺口的揚聲器模塊組成對稱非耦合線聲源。揚聲器模塊的覆蓋角度為90°（H）×90°（V）。前區補聲系統在與主擴聲系統和中置補聲系統在覆蓋交叉區域形成非對稱、非耦合關系。

· 挑臺下補聲系統（UB）：4個安裝在挑臺下方天花的對稱非耦合點聲源揚聲器。揚聲器覆蓋角度為80°（H）×50°（V）。挑臺下補聲系統與主擴聲系統在覆蓋交叉區域形成非對稱、非耦合關系。

· 低頻系統（LF）：由5個揚聲器模塊組成的心型指向揚聲器陣列，吊裝在舞臺上方。在100 Hz頻段，次低頻揚聲器陣列與主擴聲系統形成非對稱、非耦合關系。

2 設計優化

系統設計的優化分為兩個階段：驗證和校正。前一個階段的主要工作是確保系統設計能夠滿足使用功能需求，第二個階段的主要工作是對揚聲器的布局、角度和間隔，以及用于系統調試的信號處理器設置等細節進行調整。

驗證過程包括一系列對一致性、極性、失真、延遲、動態范圍和其他方面的獨立測試。這些測試并非本文的討論重點，因此，本文不會詳細描述測試過程，但基于測試結果發現的問題都已被解決。

物理層面的校正包括單個揚聲器模塊的指向（垂直和水平軸向）、揚聲器之間的間隔距離和夾角。電子信號處理方面的校正包括電平、延時、高通和低通濾波器的設置，并且還包括兩個階段的均衡調整（單個系統的均衡調整和多個系統結合后的均衡調整）。

矯正過程中，在一些關鍵區域設置了測試傳聲器來確定物理層面和信號處理設備的參數設置。這些傳聲器按照點位和功能分類如下：

· ONAX：位于水平和/或垂直覆蓋區域的中央，用于確定揚聲器指向、電平和EQ參數設置。例如：ONAXA（主擴聲系統）、ONAXSF（側補聲系統）。

· OFFAX：位于水平覆蓋區域的邊緣，用于揚聲器水平軸向的指向校正。例如：OFFAXA。

· VTOP：位于垂直覆蓋區域的頂端，用于揚聲器垂直軸向的指向校正。

· VBOT：位于垂直覆蓋區域的底端，用于揚聲器垂直軸箱的指向校正。

· XOVR：位于子系統的覆蓋交叉過渡區域，用于對揚聲器指向、間距和延時校正。例如：XAB（主擴聲系統A和B的覆蓋交叉區域）。

3 單個子系統的設計

音樂廳的建筑布局看起來很簡單，但實際上包含很多個覆蓋分區（見圖1中A1和A2）。L/R主擴聲系統覆蓋了大部分坐席，但前排坐席的一個小部分區域由前區補聲系統、中置補聲系統和側補聲系統交叉覆蓋。從主擴聲系統垂直覆蓋示意圖（見圖1中B2）中可以看到，主擴聲系統陣列在中段采用了分離式設計（ABXCDE）來使挑臺前沿反射聲的影響最小化。

3.1 L/R主擴聲系統（ABCDE）

除了需要由側補聲系統覆蓋的區域，L/R主擴聲系統所需的水平覆蓋角度應不小于60°（前端縱橫比為2.0）。由于垂直覆蓋角度、功率和預算等原因，我們選擇了水平覆蓋角度為90°的揚聲器，因此，實際獲得的水平覆蓋角度大于最低限度要求（也就是說在水平覆蓋區域的外緣的衰減幅度小于6 dB）。在對水平軸向上的揚聲器指向進行調整后，實現了聲能在外墻和坐席中軸線之間均勻分布。由于墻面具備良好的高頻吸聲性能，因此，額外的覆蓋角度帶來了良好的效果（降低了水平軸向上的聲壓變化和波動方差幅度）。

由于揚聲器安裝高度并未受到限制，因此，可以從三個方面來尋找合適的平衡點：聲壓變化（增加安裝高度）、聲像變化（降低安裝高度）和挑臺前沿的波動方差（安裝高度居中）。挑臺前沿形成的空間縫隙需要使用相對平直的輻射角度來將“微笑和皺眉”效應（當從高處或低處向一個平面輻射時出現的波形畸變現象）降至最低。在對三個方面的因素進行權衡之后，確定了安裝高度居中是一個合理的解決方案。

系統設計時，首先需要解決的是對主擴聲系統采用耦合還是非耦合（例如主擴聲系統由安裝位置較高的一組子系統和另外一組安裝位置較低的一組子系統構成）設計。在不使用挑臺下補聲揚聲器時返回系數較高，幾乎達到了2：1（23 m/13 m）。在使用了補聲揚聲器之后這個系數下降至3 dB（18 m/13 m），這一結果降低了在本次系統設計中使用分離式主擴聲系統設計的需要。由于我們可以將揚聲器陣列的安裝位置設置在一個合適的高度（例如揚聲器陣列的中線與挑臺平齊），所以最終的決定是采用耦合的主擴聲系統設計。

揚聲器陣列的垂直軸向布局由三個方面的因素決定：覆蓋區域上限（開口角度8°，縱橫比1.8）、縫隙開口角度（10°）和覆蓋區域下限（32°，縱橫比4：1）。上層坐席使用一個由兩個子系統組成的點聲源陣列（AB）覆蓋，下層坐席則使用一個由三個子系統組成的點聲源陣列（CDE）覆蓋。得到的預算足夠配置包括10個揚聲器模塊的側補聲系統，其中4個模塊負責覆蓋上層坐席，6個模塊負責下層坐席的覆蓋。由于覆蓋縱橫比更大的下層坐席需要更寬的擴散角度，因此，盡管投射距離小于上層坐席，我們使用的揚聲器模塊數量卻更多。

3.2 前區補聲系統（FF）

位于舞臺臺口的前區補聲系統揚聲器采用嵌入式安裝方式。揚聲器的安裝高度根據以下條件決定：在允許的范圍內盡量高。水平軸向的揚聲器間距根據與初始覆蓋區域之間的距離（距離第一排坐席1.15 m）和揚聲器的水平覆蓋角度（90°）決定。覆蓋角度為90°的揚聲器覆蓋寬度乘子為1.4，因此，前區補聲揚聲器的間距應為1.6 m（1.15×1.4=1.6）。前區補聲系統覆蓋深度大約為揚聲器與初始覆蓋區間距的2倍（2.3 m），這個距離大約是坐席的第二排至第三排區域。因此，將第三排坐席視為前區補聲揚聲器與其他揚聲器的覆蓋分區交叉過渡區。

3.3 中置補聲系統（CF）

由于主擴聲系統的揚聲器安裝位置距離舞臺臺口中軸較遠，因此，必須使用中置補聲系統，問題僅在于揚聲器數量（1只或2只）。坐席中的陰影區形狀為三角形，并與前區補聲系統覆蓋垂直軸向邊緣和L/R主擴聲系統的偏軸覆蓋區邊緣相交。確定關于中置補聲系統揚聲器的需求（見圖2），唯一可行的揚聲器安裝位置是舞臺前沿上空，選擇了覆蓋角度為80°×50°并傾斜向下指向的揚聲器。實際上并不真的需要80°度的水平覆蓋角度，但的設計概念傾向于在這些交叉過渡區實現邊緣模糊化。這種做法的原因在于：（1）在覆蓋區的交叉點聽感會出現扭曲的現象，相較于在過渡區留有覆蓋縫隙的可能性來說形成小范圍覆蓋區域重疊是一個更安全的做法；（2）中置補聲揚聲器的聲壓可以控制在僅足夠為所需區域提供覆蓋的幅度，同時，還可以在漸弱的區域起到聲像輔助定位作用。由于安裝位置非常高，因此，中置補聲系統的輸出能量幾乎與主擴聲系統相等。

3.4 側補聲系統（SF）

側補聲系統的設計需求確定過程與中置補聲系統相近（見圖3）。由于主擴聲系統的覆蓋寬度不足以覆蓋整個坐席，因此，剩余的坐席必需使用側補聲系統來進行覆蓋。在這個案例中，使用側補聲系統的好處在于，側補聲系統的垂直軸向覆蓋深度可以被限制在兩側墻壁向內收窄之前的區域；如果使用主擴聲系統來對這些側面的區域進行覆蓋，則無法避免在墻壁向內收窄的區域因橫向覆蓋角度擴散的原因導致過多的能量被投射至墻面。由于向外指向的主擴聲系統會將整個水平覆蓋范圍前移至僅覆蓋側面坐席的一小部分，使用側補聲系統在垂直軸向上同樣可以帶來一些好處。這些好處可以視為從獲取較佳均勻度方面出發的折中方案：在將主擴聲系統指向大幅度前移而導致在整個房間出現較大范圍的波動方差和只在與非耦合側補聲系統在覆蓋區交叉過渡區域產生波動方差之間選擇。盡管側補聲系統的水平覆蓋角度超出所需，但由于側補聲系統的輸出聲壓較低（譬如，將輸出聲壓限制在足夠覆蓋側面坐席所需），因此并不會產生嚴重的影響。從理論上來看，過寬的水平覆蓋角度會導致過多的反射聲和聲干涉等問題，但實際上，只要正確設置側補聲系統的輸出聲壓，即可避免這些問題。

3.5 挑臺下補聲系統

挑臺下揚聲器的使用需求評估從該區域的間隙比著手（坐席上空高度和坐席深度比例）。在這個案例當中，該區域的間隙比為25%（2.25 m/9 m），對挑臺下補聲系統的使用需求非常高。第二個決定因素是返回系數（主擴揚聲器到觀眾席后墻的距離與到挑臺前沿的距離之比）為1.65（23 m/14 m）。返回系數被納入考量的原因是，主擴揚聲器與挑臺前沿的距離是決定是否使用挑臺下揚聲器的影響因素之一。主擴揚聲器與挑臺前沿的距離越近，使用挑臺下揚聲器的需求越低。這兩個系數的綜合數值為40%（25%×1.65），也就是說在這個案例中，需要使用挑臺下補聲揚聲器（通常來說，是否使用挑臺下揚聲器的臨界值為綜合指數70%）。我們選擇了覆蓋角度為80° H×50° V，揚聲器在垂直軸向上指向坐席的最后一排（由于縱橫比≥2：1），也就是垂直夾角為-15°。在這個指向設置下，挑臺下揚聲器的垂直覆蓋區域邊緣為-40°（垂直指向軸向的-25°）。揚聲器在水平軸向上間距通過覆蓋區域的垂直軸向起始點（均線）決定。除了垂直平面的矢量長度必需納入考量之外（見圖4），計算方法與前區補聲系統相同。水平覆蓋角度80°（橫向乘數為1.25）的揚聲器與覆蓋均線的矢量距離為3.5 m。計算結果是揚聲器的直線間距應為4.5 m，但由于挑臺前沿為開口角度6°的弧線，因此，實際間距略微減小（間距凈尺寸為4.2 m）。

3.6 低頻系統（LF）

如果把次低頻揚聲器分別和L/R擺放在一起會產生什么效果？這種布局方式的好處是低頻系統與主擴聲系統形成耦合關系，如果把這兩個系統擺放在同一個安裝平臺，會獲得較小的聲像波動（+）和非常糟糕的聲壓波動（-）。如果將次低頻揚聲器吊裝在主擴聲系統上方，那么會以犧牲聲像穩定性為代價在聲壓波動方面得到改善；這種布局方式的問題在于安裝于左右兩側的子低頻系統之間為非耦合關系，因此會形成脈沖式波動變化，這種變化通常被稱為“功率徑”。而采用中置安裝的方式能夠有效地將從前至后和從左至右的覆蓋區域聲壓波動降至最低。使用了由5個揚聲器模塊組成的心型指向揚聲器陣列，并采用吊裝方式安裝在舞臺臺口上方。揚聲器陣列向下傾斜指向，其軸向位于兩個覆蓋平面（池座和樓座）的中點。最終的結果是，以較高的聲像定位為代價實現了聲壓波動的最小化（這是一個通常都會接受的折中方案）。這種揚聲器布局方式最壞的結果是在側面的近場區域產生聲像和聲壓波動變化（與采用L/C/R系統設計時，對中置聲道進行測算時發現的情況相同）。在預算和視覺要求都允許的情況下，這個問題可以通過增加側補次低頻揚聲器來解決；在使用次低頻子系統時，必需對其輸出聲壓進行仔細的設置，以避免為了保持與中置系統響度相同而輸出過高的聲壓。

4 綜合系統設計

該音頻系統由很多個子系統組合而成，每一個子系統都需要合理地設置指向和輸出聲壓，從而獲得準確的覆蓋分區劃分；此外，還需要對子系統的延時進行仔細設置，實現將覆蓋分區交叉過渡區域的脈沖式波動變化最小化。單個子系統的均衡優化只針對該子系統獨立進行，隨后各子系統結合在一起，形成目標頻率響應曲線。在本案例中，主擴聲系統的均衡優化按照平坦頻響曲線的目標進行，和其他子系統結合后可按照聽感對低頻部分再進行適當修飾。挑臺下補聲系統的延時和輸出聲壓設置以獲得與主擴聲系統覆蓋區域參考點（GOLD）接近的聲壓覆蓋；這個子系統的均衡優化幅度很小，通常只是對低頻部分進行一些衰減。

對于其覆蓋區域來說，側補聲系統在該區域可視為主覆蓋系統（與挑臺下補聲系統不同），因此，該子系統的輸出聲壓和延時調整均獨立進行。輸出聲壓設定基于ONAXSF的頻率響應測量結果進行，揚聲器夾角和延遲時間設定依據其與低頻系統的覆蓋交叉區域（XL-SF）確定。這一系統優化過程以在ONAXSF和XL-SF兩個區域都能夠獲得與參考點接近的聲壓覆蓋為目標。

中置補聲系統用于填補前區補聲系統以及L/R主擴聲系統的覆蓋陰影區。這個陰影區為三角形，并且在三個邊緣和軸向中央區域都存在覆蓋交叉區域（分別用XFF-CF、XL-CF和XR-CF表示）。該系統的輸出聲壓設定在ONAXCF區域進行，揚聲器指向則調整至在其覆蓋區域內都能夠獲得均勻的覆蓋為準。該子系統的延時設定是系統優化的最后一個步驟，延時參數以其與主擴聲系統在XL-CF區域的關系決定；然后根據其與前區補聲系統在XFF-CF區域的關系來確定前區補聲系統的延時參數。

5 現場優化數據

這是一個擁有很多個補聲子系統的空間，接下來逐個分析這些子系統的性能表現，首先是主擴聲系統（見圖5中A1～A4）。如前所述，主擴聲系統包含ABCDE五個子系統，圖中的曲線顯示了在不同位置上各子系統以及整個系統的響應曲線與參考點響應曲線的對比。在完成對所有子系統進行相似的對比工作之后，才會進行多曲線堆疊平均化的步驟。值得注意的是，盡管每一個取樣點的房間響應曲線（未經均衡處理）差異非常大，但處理后（均衡后）的結果與參考點的響應曲線非常接近。位于揚聲器陣列下端的子系統（E）VHF能量較強，這是由于僅使用了6個揚聲器模塊覆蓋縱橫比4：1的坐席導致的問題（另外4個用于覆蓋二層坐席）。從頻譜上看，ONAXC的曲線斜率最大，這是否正常呢？答案是正常的，原因在于：（1）這個采樣點位于挑臺下方；（2）子系統C位于揚聲器陣列的中間位置。如果這條曲線的斜率不是最大的反而才會讓人擔心。

在對其他補聲系統進行優化之前，對主擴聲系統的水平指向設計也進行了驗證（見圖6）。圖6中B將最外側的坐席（OFFAXL）與音樂廳中央區域的坐席（XLR）進行了比較。在所有優化過程中都會進行與中央區域坐席的對比，看到的是其中一個對比圖表。從圖表中可以看到響應曲線的中高頻部分基本吻合，也就是說水平指向設計是合理的。在OFFAX邊緣區域（靠近物理墻面），中低頻部分的能量相對較強（也出現更多的脈沖式波動變化）。但在其他子系統打開后，XLR區域的中低頻響應會得到改善。

挑臺下補聲系統的響應曲線顯示于另外3個圖表（見圖6中C1～C3）。在C1中可以看到兩個子系統同時打開之后的響應曲線。單獨的主擴聲系統曲線特征非常明顯：在挑臺下區域下降斜率非常大，并且一致性比較差（出現脈沖式波動變化）；挑臺下補聲系統則能夠提供平坦的響應曲線和較佳的一致性。圖6中C2顯示了如何在高于400 Hz以上的頻段通過輕微的提升來對頻譜曲線進行平衡。需要注意的是，這是在沒有加入延時的情況下進行的均衡優化，譬如大幅衰減補聲系統的中低頻能量。所以，對挑臺下坐席的覆蓋優化完全在于適當的輸出聲壓、指向、使用補聲系統和將補聲系統放置在合理的位置。最后一個步驟當然是將該區域的響應曲線與參考點的響應曲線進行對比來進行驗證。

接下來分析側補聲系統（見圖6中D1～D2）。側補聲系統的優化過程如前述，因此無需贅述。圖6中D1顯示了交叉覆蓋區域的響應曲線，D2則顯示了優化后多個子系統同時打開的響應曲線與參考點的響應曲線非常接近。圖6中E1～E2顯示了中置補聲系統的響應曲線，其中E1顯示了單獨打開中置補聲系統與多個子系統同時打開時在交叉覆蓋區域的響應曲線差異，而E2則顯示了經過優化后多個子系統同時打開的響應曲線與參考點的響應曲線對比的驗證結果。

圖7中F1～F3顯示了前區補聲系統的情況。單獨打開前區補聲系統的響應曲線顯示于F1，此時對前區補聲系統的處理包括1個二階高通濾波器和一個中心頻率為18 kHz的低通濾波器。圖7中的F2顯示的是主擴聲系統、中置補聲系統和前區補聲系統等3個子系統同時打開的響應曲線。優化后的響應曲線驗證結果（與參考點響應曲線的對比）顯示于F3。

這一系列工作的最后一項是對心型指向次低頻系統的優化。這一過程是在舞臺臺口上方進行的，整個過程非常有趣。根據揚聲器陣列前端和后端的響應確定延時后，將面向后方的揚聲器極性反轉，這樣就完成了此項工作。

6 結論

對于安裝位置合理的重要性無須贅言，任何EQ調整工具也無法彌補錯誤的安裝位置帶來的問題。本次案例中的揚聲器安裝位置合理，因此，獲得的最終結果是均衡的覆蓋、良好的聲像定位和非常寬的動態范圍。

在本次案例分析中可以看到，對覆蓋區域進行仔細的分區和對各子系統之間的交叉覆蓋區域進行細致的規劃，每一個子系統的輸出聲壓設定和均衡優化結果都與參考點的響應曲線非常接近。此外，在每一個交叉覆蓋區域都進行了相位一致化的工作，將這些區域的脈沖式波動變化程度降至最低。

注：文章轉自微信公眾號：米飯星。

（編輯 薛云霞）