數字電影LED 放映透聲技術研究

董強國 龔 波 董志剛

1.中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所），北京 100086 2.深圳市洲明科技股份有限公司，廣東深圳 518103

1 引言

2017 年三星公司生產的數字電影用Onyx LED屏幕通過數字電影倡導組織（DCI）和聯邦信息處理標準（FIPS）認證，標志著LED 作為一種新的放映模式正式進入數字影院。LED 屏幕與傳統的投射式放映設備相比，具有高亮度、高對比度、亮度均勻性好等技術優勢，一經推出便受到電影業界廣泛關注。近幾年我國對數字電影用LED 屏幕的研究取得了突飛猛進的發展，2021年5月由中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）和深圳市洲明科技股份有限公司聯合研發的具有自主知識產權的UC-A41 LED 電影屏通過DCI 和FIPS 認證，該產品依托自主科技研發，創新解決了數字電影放映核心技術長期被國外DMD 芯片卡脖子的難題，實現了彎道超車，并為“電影+”產業融合發展提供了多元化平臺和技術支撐。隨后時代華影、中影光峰、利亞德等廠家相繼推出了國產數字電影LED 放映系統。

但由于目前數字電影LED 屏幕均采用全密閉箱體，幾乎沒有透聲性，主揚聲器系統無法按照傳統模式安裝到屏幕后方，只能放置在LED 屏幕的四周，如何令影院觀眾所聽到的聲音發聲位置信息與圖像發聲點位置信息保持一致是困擾數字電影LED 影廳發展的一個主要因素，這一因素也導致了影院部署國產數字電影LED 屏幕的積極性不高。

為了使LED 影廳能夠呈現與傳統銀幕影廳較為一致的沉浸式還音效果，完美呈現導演的創作意圖，推動數字電影新型顯示技術的快速落地和應用，亟需開展與傳統銀幕透聲方式較為一致的LED 屏幕透聲和還音技術解決方案研究，徹底解決數字電影LED 屏幕在還音環節存在的技術短板。

2 數字電影LED 放映技術現狀和發展趨勢

LED 采用直顯、逐個點像素單獨顯示的方式將影像呈現給觀眾，與傳統背投式顯示技術相比，其具有高亮度、高對比度和亮度均勻性好等天然技術優勢，因此將成為高新技術格式（尤其是HDR）能夠在數字影院應用的重要載體。從發展趨勢分析，數字電影LED 放映技術將對電影制作、發行、放映帶來革命性變化，對電影的表現方式、鏡頭語言、場景再現等帶來革命性影響，它將促進高新技術格式電影發展，成為電影放映的一種創新形式，也將成為下一代數字電影放映的主流顯示技術。

目前國產數字電影LED 屏幕均采用全密閉箱體，幾乎沒有透聲性，主揚聲器系統無法按照傳統模式安裝到屏幕后方，只能放置在LED 屏幕四周。與傳統銀幕還音效果相比，此方案存在聲像偏離主畫面過大、音質還音效果較差等技術缺陷。為了改善非透聲LED 屏幕主聲道還音效果存在的技術缺陷，部分揚聲器廠家采用聲像和波場合成技術，通過犧牲部分音質來獲得與傳統銀幕近似的還音效果，但無法真實還原與傳統銀幕一致的還音效果，導致影院部署國產數字電影LED 屏幕的積極性不高，嚴重阻礙了國產數字電影LED 放映系統的發展。

當前多數影片的聲音制作均在傳統透聲幕的環境下混錄制作完成，數字電影LED 影廳為了能夠獲得與傳統銀幕影廳一致的還音效果，在數字電影LED 屏幕上做透聲設計，將徹底解決數字電影LED非透聲屏幕存在聲像不一致的技術缺陷，該項技術已成為數字電影LED 還音技術研究的熱點，將成為下一代數字電影LED 影廳主流的還音技術。

3 數字電影LED 透聲技術要求和測量方法探討

為了能夠確保數字電影LED 還音系統具備與傳統銀幕影廳一致的還音效果，LED透聲性能應與放映銀幕具備較為一致的透聲效果，本章節結合數字電影放映銀幕的技術規范，針對LED透聲模塊的技術特點提出了相應的技術要求和測量方法，為開展數字電影LED 透聲技術的研究提供測試和評價手段。

3.1 數字電影LED 透聲技術要求

為使數字電影LED 透聲屏幕與傳統銀幕保持較為一致的還音效果，LED 透聲屏幕主揚聲器系統安裝位置應與傳統銀幕安裝位置一致，即通常放置在LED 透聲屏幕的后方，這種安裝方式對LED 透聲屏幕的透聲性能提出了更高的挑戰，LED 透聲性能的好壞一般用聲衰減指標表示，即聲波不通過透聲結構和通過透聲結構后的聲壓級之差。

數字電影放映銀幕JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數和測定方法》標準中規定，打孔銀幕8000Hz和12500Hz 的聲衰減與500Hz 的聲衰減之差分別不大于4dB 和6dB。由于數字電影LED 透聲屏幕的透聲結構較為復雜，對各個頻段還音效果都有可能產生不利影響，因此建議增加其他頻率的技術要求，LED 屏幕各頻率相對于500Hz 時的聲衰減特性應至少滿足表1 中的相關規定。因LED 透聲孔為硬質穿孔結構，應考慮諧波失真對還音效果造成的影響，建議聲波透過LED 透聲模塊時的總諧波失真不大于1%。考慮到整體的透聲效果，建議有效開孔率不小于9%，有效開孔率即為揚聲器單元尺寸所覆蓋區域的開孔面積除以該區域的面積。

表1 LED 透聲屏幕聲衰減特性

3.2 數字電影LED 透聲測量環境

為了降低測試周邊環境反射聲的干擾，數字電影LED 透聲性能測量需要在近似自由聲場的環境下進行，標準JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數和測定方法》中規定測量有孔銀幕時，測試室應由兩個相鄰室組成，兩室間有測試用的2m2方孔，兩室間體積和形狀差異不大于10%，且每室體積應大于50m3。要求在距揚聲器口水平前方0.5m 處所測的聲壓與距離1m 處所測得的聲壓差在4dB～6dB 之間，環境噪聲應比各種頻率下聲級計所測得的聲壓低10dB 以上。結合數字電影LED 透聲孔對高頻段的聲學特性影響較大，考慮到建設成本和實際用途，建議兩個測試室的技術指標應至少滿足以下技術要求：（1）單個測試室內部凈空尺寸不小于1400mm×1400mm×1400mm；（2）吸聲尖劈尺寸應不小于300mm×300mm×300mm，截止頻率不高于300Hz；（3）測試室內部吸聲材料平均吸聲系數不低于0.86，吸聲降噪系數（NRC）不低于0.90，在315Hz 以上吸聲系數不低于0.98；（4）測試室隔聲量不低于40dB；（5）測試室應滿足350Hz 以上為自由場，125Hz～350Hz 之間近似自由場的要求；（6）測試試件掛框建議厚度200mm，測試邊框應做隔聲處理，隔聲量不低于40dB。

為開展數字電影LED 透聲屏幕的研究工作，依據上述技術要求和使用要求，中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）定制開發了一款可根據不同被測材料尺寸進行調整的聲學評測平臺，該平臺的效果圖如圖1 所示，聲學測試平臺由消聲箱1、消聲箱2和測試樣品放置臺組成，總長度為4600mm，高度為2500mm，寬度2400mm。此測試平臺由兩個尺寸相同的消聲箱和一個測試樣品放置臺組成，測試樣品放置臺可以根據被測樣品的尺寸進行洞口大小的適當調整，以便掛件連接處能達到符合檢測條件的隔聲效果。

圖1 數字電影LED 透聲性能測試平臺效果圖

3.3 數字電影LED 透聲性能測量

數字電影LED 透聲性能測量系統由消聲箱、測試樣品放置臺、測試揚聲器、測量傳聲器和聲學分析儀組成（圖2），測量揚聲器的有效頻率范圍應不小于100Hz～16000Hz，總諧波失真應不大于0.5%。為了確保高低頻聲像的一致性，建議使用同軸揚聲器單位。測量傳聲器應符合SJ/T 10724-2013《電聲學測量電容傳聲器通用規范》規定的1 級要求。進行LED透聲性能測量時，LED 透聲模塊應安裝在測試樣品放置臺上，確保被測平面與測試樣品臺垂直水平面平行，并緊貼測試樣品放置臺垂直平面。LED 透聲模塊與測試樣品臺連接處如有漏聲，應使用阻尼泥封堵完整。

圖2 數字電影LED 透聲測試原理圖

數字電影LED 透聲性能測量步驟如下：

（1）將測量揚聲器與測量傳聲器置于同一水平軸線上，高度在LED 透聲模塊樣品的中心處，兩者相距1m；

（2）未放置被測樣品時，分別將頻率為125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz、12500Hz、16000Hz 的正弦波信號以穩定功率輸入于揚聲器，使用聲學分析儀分別測得各個頻率的聲壓級，單位為dB；

（3）將LED 透聲模塊（圖2）垂直而對稱地掛設于離揚聲器口150mm 處，并緊貼測試樣品臺方孔平面，在同上條件下分別測得各個頻率的聲壓級；

（4）計算各個頻率下在放置LED 透聲模塊前后的衰減值，然后再計算各個頻率的聲衰減與500Hz處的聲衰減之差，所得數值即為該數字電影LED 透聲模塊聲衰減特性；

（5）驗證數字電影LED 透聲屏幕整體透聲特性時，可使用粉紅噪聲信號測量LED 透聲模塊放置前后，頻率在125Hz～16000Hz 范圍內每倍頻帶的聲壓級。計算各個倍頻帶下在放置LED 透聲模塊前后的衰減值，之后再計算各個倍頻帶下的聲衰減與中心頻率為500Hz 的倍頻帶下的聲衰減之差，即為該數字電影LED 透聲模塊聲衰減特性。

4 數字電影LED 透聲模塊設計探討

4.1 數字電影LED 模塊

數字電影放映用LED 模塊通常由印刷電路板（PCB）、燈珠、驅動電路和驅動芯片構成。它在印刷電路板上集成了多行、多列的燈珠，驅動芯片通過內置驅動電路向各個LED燈珠傳遞控制信號，如圖3所示。

圖3 數字電影LED 模塊

該結構設置導致主揚聲器系統無法按照傳統模式安裝到屏幕后方，僅能安裝到LED 屏幕的周圍，造成聲像位置信息與導演的創作意圖偏差較大的情況，致使LED 屏幕整體還音效果不佳。為了能夠獲得與傳統銀幕放映較為一致的還音效果，需要在LED 模塊上開孔，以達到LED 模塊透聲的效果。

4.2 數字電影LED 透聲孔研究

自2018 年起，中國電影科學技術研究所（中央宣傳部電影技術質量檢測所）就開展了LED 透聲相關技術研究，筆者對LED 透聲孔的尺寸、厚度、結構、空腔、排布方式等對聲波的影響做了大量測試，得出以下結論：

(1)圓形透聲孔的尺寸越小，高頻透聲效果越好。筆者分別對直徑為0.2mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm 和1.0mm 共五種尺寸透聲孔的聲衰減特性進行了測試，測試結果如圖4 所示，開孔直徑越大，在4kHz以上頻段的聲衰減特性越差。

圖4 不同開孔尺寸下各頻率聲衰減特性

(2)開孔厚度直接影響LED 透聲模塊的高頻特性，在頻率為8kHz 以上表現尤為突出。筆者在開孔位置不變的情況下增加基板厚度，經過測試比對發現隨著開孔厚度的增加，高頻衰減特性越明顯，總諧波失真也變大。

(3)不規則的透聲孔排布對LED 透聲效果影響較小。在有效透聲率相等的情況下，筆者將透聲孔的排布進行了不規則打孔，經過測試比對發現均勻排布和不規則排布的開孔結構對LED 透聲的效果影響較小。

(4)正向喇叭口形狀的開孔方法能夠有效改善中頻段透聲性能。筆者對正常開孔、正向喇叭口形狀開孔和逆向喇叭口形狀開孔三種開孔方式進行了測試，發現正向喇叭口開孔方式能夠有效改善中頻段的聲衰減問題，尤其是在500Hz～2500Hz 區間改善明顯，正向喇叭口開孔數據結果優于正常開孔方式，正常開孔方式優于逆向喇叭口開孔方式。

(5)底板與印刷電路板之間的空腔對中高頻衰減特性影響較大。筆者對底板與印刷電路板緊密結合和底板與印刷電路板形成一定的空腔兩種方式進行了測試，發現有空腔的聲衰減特性與無空腔的聲衰減特性在中高頻差距明顯，尤其頻率在5kHz～8kHz區間會迅速衰減。

(6)筆者使用單頻點、掃頻和粉紅噪聲三種不同測試方法對LED 透聲模塊的特性進行了測量，三種方法都能夠反映LED 透聲屏幕的聲學特性，其中掃頻法更適用于產品研發工作，粉紅噪聲法更適用于影院現場環境測試。

4.3 數字電影LED 透聲模塊設計原則

數字電影LED透聲模塊由印刷電路板、顯示單元和透聲單元組成，在印刷電路板合適區域安裝燈珠，嵌入驅動電路和驅動芯片構成顯示單元。在印刷電路板合適區域按照一定的規律開孔，形成透聲單元。現有LED 模塊透聲方案主要存在開孔有效區域小、透聲孔徑尺寸不合理、透聲孔厚度大、安裝支架對聲波傳播路徑造成遮擋等結構缺陷：開孔有效區域小將導致LED模塊透聲性較差；透聲孔徑尺寸的大小將導致高頻衰減較為嚴重；透聲孔厚度大將導致聲波在傳播過程中極易形成駐波現象和諧波失真。LED 模塊不當的開孔方式直接影響數字電影的整體還音效果，不利于LED透聲屏幕在電影行業的推廣應用。

根據數字電影LED 透聲研究所取得的研究成果，筆者認為在進行數字電影LED 透聲模塊設計時應重點考慮的因素和建議如下：

(1)印刷電路板上的驅動電路和芯片位置選擇。應盡最大可能增加印刷電路板上的可開孔區域，盡量確保LED 透聲孔開孔區域均勻分布；

(2)LED 圓形透聲孔直徑的大小選擇。應綜合考慮工藝的復雜程度和對有效開孔面積的影響，建議透聲孔開孔圓直徑在0.4mm～0.6mm 之間；

(3)LED 透聲模塊的有效開孔區域寬度選擇。為了確保揚聲器系統的中高頻單元能夠有較好的透聲效果，建議LED 透聲模塊的有效開孔區域最小寬度應不低于15.2cm；

(4)LED 透聲孔對光學觀影效果的影響。面對LED 透聲屏背面光環境和LED 透聲屏幕反射、散射現象對LED 觀影效果帶來的影響，建議LED 透聲孔使用黑色強吸光材料進行噴涂，同時在LED 透聲孔后部添加強阻燃吸光透聲材料；

(5)LED 透聲屏幕的鏈路安全性。DCI 對數字電影放映物理鏈路的安全性具有較高要求，為了能夠滿足DCI 規定的安全規范，建議將主揚聲器系統嵌入到LED 透聲屏幕中。

4.4 數字電影LED 透聲模塊設計

依據數字電影LED 透聲模塊的設計原則，筆者設計了一套低聲衰減、低失真的LED 模塊透聲結構及LED 透聲屏幕的安裝結構，LED 透聲模塊具有透聲孔有效開孔區域大、聲衰減小，透聲孔厚度小、諧波失真小等優點。LED 透聲屏幕采用拼塊式安裝方式，將LED 透聲模塊固定在安裝支架上，安裝支架分布在主揚聲器系統的兩側，有效規避了支架對聲波傳播路徑的遮擋。該結構還具備安裝和拆卸方便的特點。數字電影LED 透聲模塊如圖5 所示，模塊的燈珠分布如圖6 所示，其驅動芯片位置如圖7 所示，安裝方式如圖8所示。

圖5 數字電影LED 透聲模塊示意圖

圖6 數字電影LED 透聲模塊燈珠分布示意圖

圖7 LED 透聲模塊驅動芯片示意圖

圖8 LED 透聲模塊安裝方式示意圖

4.5 數字電影LED 透聲模組測試

依據本研究提出的LED 透聲測量方法，筆者對制作的數字電影LED 透聲模組的透聲效果進行了測試。測試結果表明單個LED 透聲模塊的有效開孔率為9.4%，總諧波失真為0.42%，聲衰減特性符合標準JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數和測定方法》對透聲放映銀幕的相關要求，數字電影LED 透聲模組的聲衰減特性測試結果如圖9所示。

圖9 數字電影LED 透聲模組各頻率下的聲衰減特性

5 總結

數字電影LED 透聲技術已成為近幾年研究的熱點內容，LED 透聲模塊通常由印刷電路板、顯示單元和透聲單元組成，造成聲波傳播路徑極其復雜，很難建立符合真實效果的聲學理論模型。本文通過分析數字電影LED 透聲特性和相關標準要求，制定了一套能夠評測LED 透聲效果的技術要求和評價方法，對不同尺寸厚度、空腔和結構的LED 透聲孔進行了大量的測試和分析，得出可能影響LED 透聲性能的主要因素，總結LED 透聲設計時應注意的事項，提出LED 透聲設計的一些建議，供相關研究和開發人員參考，并制作了一套數字電影LED 透聲模組，該LED透聲模組的有效開孔率達到9.4%，總諧波失真為0.42%，各頻點相對于500Hz 的最大聲衰減為5.48dB，該指標已滿足標準JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數和測定方法》對穿孔銀幕所規定的相關要求。該項技術為數字電影LED 影廳早日實現與傳統銀幕影廳一致的主聲道還音效果提供了一種技術解決方案，它將徹底解決數字電影LED 非透聲屏幕存在的聲像不一致缺陷。