浅析北京天桥艺术中心音频系统

刘永耀　黎金耀

【摘 要】 介绍天桥艺术中心的文化内街、观众入口大厅、排练厅的扩声，重点剖析1 600座大剧场音频系统的主扩、传 输网络、电声可变混响及效果声系统的设计，并给出大剧场声场调试步骤和声学指标测量结果。

【关键词】 音频系统；1 600座大剧场；扩声；小型模块式数字可控指向性扬声器；光纤双环互备网络；电声可变混响

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.04.004

Discussion on the Acoustic System in Beijing Tianqiao Art Center

LIU Yong-yao， LI Jin-yao

（Guangzhou Leafun Culture Science Technology Co.， Ltd.， Guangzhou Guangdong 510663， China）

【Abstract】This paper details the sound system solutions of the entrance hall and the inner street brimmed with the Tianqiao culture features， analyzes the main sound field design， audio network control system， electronically adjustable reverberation and effect sound system of 1600 large theaters and introduces sound field adjustment methods and acoustic parameter measurement.

【Key Words】acoustic system； 1 600 large theaters； amplifying system； small modular digital steerable directivity speaker； features of optic dual-loop network； electronically adjustable reverberation； sound-image synchronization

北京天桥艺术中心（以下简称艺术中心）在2015年11月，通过世界经典名作《剧院魅影》向全世界展示了一个既充满中国传统文化内涵，又别具国际多元文化风情的文化艺术殿堂。笔者将对艺术中心的文化内街、观众入口大厅、排练厅的扩声，特别是1 600座大剧场音频系统的主扩声、传输网络、电声可变混响及效果声系统进行分析，并介绍大剧场声场调试步骤和声学指标测量结果。

1 项目概述

艺术中心占地1.65公顷，建筑面积7.5万平方米，包括一个1 600座的综合性大剧场，一个1 000座的中剧场，一个400座的小剧场和一个300座的多功能剧场。其中，大剧场是国内先进的大型音乐剧专业剧场，以国际经典音乐剧、国内著名原创音乐剧演出为主，并兼顾综艺晚会、话剧、舞剧、小型演唱会、芭蕾、歌剧、交响音乐会等的演出。

从北面的市民文化广场进入，要通过一条南北向的通道，这里被命名为“天桥文化内街”（以下简称文化内街，见图1），是一处体现天桥文化风韵的空间。

天桥文化内街的另一端是观众入口大厅（见图2），是全木建造的仿古大戏楼，巧妙地连接起了剧院内的小剧场和多功能剧场。

2 天桥艺术中心音频系统

2.1 文化内街的扩声

文化内街头顶是一块长61.44 m，宽6.72 m，面积达412.88 m2的巨型LED屏幕，播放艺术中心概况及记录天桥史料的影像，内街两侧墙壁排列着形状各异的艺术展板。厅内扩声系统的安装要与厅内的艺术展现相契合，要求声音清晰悦耳，又能结合建筑形态，美观而不过于显眼，但内街两侧墙面和地面都是大理石装修面，这些都是强反射声学材料，混响时间长，使得语言清晰度下降，而且容易形成镜面反射，给扩声设计带来挑战。

针对这些声学问题，从声场分析、设计及设备选型入手。声场设计方面，文化内街北面墙壁均匀设置10组全频扬声器组，每组由3只lemuse JF-410P小型模块式数字可控指向性扬声器组成水平阵列，如图3所示，覆盖一层内街走道；南面一侧天花均匀布置8只小型模块式数字可控指向性扬声器，覆盖二层连廊；顶部LED屏两侧共布置12只JS-208P低频扬声器扩展低频能量。JF-410P属于超紧凑型高能效扬声器，不到150 mm的尺寸就能提供113 dB的声能量，结合JS-208P低频下限能达到40 Hz。所有扬声器均采用半暗装方式，巧妙利用装修面进行隐藏，不影响整体美观。

该方案通过模块式数字可控指向性扬声器组阵方式有效控制声音指向性，且能提供充足的声能量，为相对狭长的文化内街提供均匀和清晰的声音效果。

2.2 观众入口大厅的扩声

观众入口大厅对声场清晰度和均匀度要求较高，同时，为了营造良好的外观效果，要求扬声器系统体积尽量小。根据上述要求，在戏台两侧入口顶部设置由4只lemuse JF-410P超紧凑型高能效模块式全频扬声器和1只供电模块组成的小型阵列扬声器组（见图4），覆盖整个入口大厅区域，提供良好的背景音乐扩声及语言广播扩声，在有效提高声场清晰度和均匀度的同时又不影响大厅整体美观。

2.3 排练厅的扩声

艺术中心共有4个规格不一的排练厅，供不同类型、不同规模演出团、乐队演员排练使用，按功能划分为面积约360 m2的舞蹈排练厅、150 m2的戏剧排练厅、80 m2的乐队排练厅以及46 m2的声乐排练厅。鉴于每個排练厅的规模、功能以及建声条件不一，共配置了3套独立的流动扩声系统，可根据排练厅使用情况流动使用。按声压级和动态范围要求分别设计以下3种方案。

方案一（见图5）：3只12英寸lemuse JF-1266P有源全频扬声器组成左中右声道，用于中大型和清晰度要求较高的排练厅使用。

方案二（见图6）：2组1只12英寸lemuse JF-1266P有源全频扬声器搭配1只15英寸JS-115P低频扬声器组成左右声道，用于中大型和低频动态较高的排练厅使用。

方案三（见图7）：2组2只4英寸lemuse JF-410P模块式小型有源全频扬声器搭配2只双8英寸JS-208P低频扬声器组成左右声道，用于小型和低频动态较高的排练厅使用。

3套流动扩声系统各配置1套流动机柜（见图8），包括小型模拟调音台、无线传声器接收机、CD机、效果处理器等控制处理设备。排练厅预留电源接口。

2.4 1 600座大剧场音频系统的设计要点

大剧场舞台系统具有众多别具特色的设计亮点，包括：无假台口设计，充分利用了舞台空间；拼装式主舞台，可随意组合，更大限度地发挥舞台变化的多样性；近千路调光直通回路，满足了绝大部分剧场剧目的演出需要；飞线机构、多功能吊杆系统，让剧场演出的运行更加高效、便捷；灯景两用连续布杆，最大程度方便舞台效果设计的需求。这些特点使大剧场既能满足大型音乐剧演出又能兼顾其他类型演出。

根据使用特点，音频系统声学特性的设计目标要满足GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中文艺演出类扩声系统一级指标。因此，总共84通道的无线传声器系统，采用流动安装工艺设计，42台无线传声器接收机均匀分布在11个小流动机柜内，四厅共用（大剧场、中剧场、小剧场、多功能厅）。接收机同时具备数字和模拟的信号输出接口，可实现数模备份；配置一主一备音源及周边设备，实现两个调音位（控制室、FOH）同时控制及备份处理功能；多通道的Party-line内部通信系统，实现多个舞台工作组（音响、灯光、机械、无线对讲、化妆间、监督位等）内人员可以自由地同时进行双工通话，满足工作组内部协调的需求。同时，视频系统采用数字高清SDI传输，并在舞台区、观众区、候场区以及化妆间布置高清视频监控点位，保证工作人员和演员能够实时清晰看到舞台及演出的情况，视频和音频信号基本做到零延时，真正做到“声画同步”。

下面就大剧场的音频系统设计方案的要点进行剖析。

2.4.1 大型线阵列作为主扩声

基于大型音乐剧演出需要扩声系统具有动态范围大、直达声能高、指向性控制强等特点，再结合剧场建筑结构规模，扬声器系统方案设计为（见图9）：主扩声为左中右三声道，每声道各配置12只L-Acoustics KARA线阵列全频扬声器，采用明装吊挂方式，分区域覆盖楼座和池座观众区，极好地实现了声波投射覆盖角的控制，减少了声散射和漫射带来的反馈，减少声干涉及声能量的损失，相对提高了有效声压级的覆盖，提高传声增益。

同时，左右主扩声分别搭配4只SB18中低频扬声器作为低频扩展， 另外配置4只2×18英寸独立超低频扬声器，固定暗装于台口两侧。

扩声方案关注观众的视听感受，计算机声场模拟分析见图10，优化的配置、高质的扬声器确保了主扩声可以覆盖全场，而且声像一致；同时，理想的音色搭配有充足的低频能量。

经过第三方检测单位现场实测，大剧场观众席最大声压级达到112 dB，1 000 Hz时不均匀度仅为4 dB，其他各项指标均完全满足国标GBT 28049-2011 《厅堂、体育场馆扩声系统设计规范》中文艺演出类一级声学特性指标，且优于韩方咨询公司提出的音乐剧演出110 dB的最大声压级要求。

2.4.2 構建光纤双环互备网络的音频传输

为满足音乐剧演出处理通道丰富、调音手段多样灵活的要求，系统配置3套数字调音台。主控数字调音台DiGiCo SD7T和监听数字调音台DiGiCo SD10T（可在控制室、FOH调音位、舞台返送调音台位流动使用）的控制台可以与多个接口箱连接构成光纤双环互备网络系统，每个控制台均可任意控制网络内的所有接口箱，控制台之间可以实现备份，共用所有接口箱的输入输出，当其中一个出现问题时，备份控制台可自动切换，并且快速运行操作，保持信号不中断。图11即为主数字调音控制系统的网络构建。为提高系统的安全性、通用性和兼容性，另配置1台YAMAHA CL3数字调音台作为备份调音台，同样也能在控制室、FOH调音位、舞台返送调音台位流动使用；主备既可完全独立工作，也可互为数数备份及数模备份。

主控数字调音台和监听数字调音台采用HMA多模光纤接口构建的光纤双环互备网络的音频传输系统，具有双路自动备份切换功能，如图12所示。在声控室、现场调音位、上场门、下场门灵活流动使用，上场门信号交换机房设置开放的光纤配线架，使用者根据需要可以通过简单的跳线把各个技术点位的调音台界面和信号基站搭配使用。

另外，中剧场采用与大剧场同一品牌的数字调音台系统，根据需要还能把中剧场调音台流动到大剧场音频网络系统中同时使用。

在系统的整体设计中，为调音控制系统配置了充足的信号接口。

信号交换机房：主系统120路MIC/LINE输入，32路LINE输出，12路AES/EBU输入，32路AES/EBU输出；备份系统64路MIC/LINE输入，32路LINE输出，8路AES/EBU输出。

声控室：主系统64路MIC/LINE输入，16路LINE输出，12路AES/EBU输入，12路AES/EBU输出；备份系统32路MIC/LINE输入，16路LINE输出，4路AES/EBU输出。

左功放室：16路LINE输出，16路AES/EBU输出。

右功放室：16路LINE输出，12路AES/EBU输出。

流动基站：带HMA光纤口，24路MIC/LINE输入，24路LINE输出，4路AES/EBU输入，4路AES/EBU输出。

除了调音台系统本身的模拟数字路由外，大剧场还配置了一套独立的模拟信号路由，用于第三方外来调音台的接入，所有信号均经过音频跳线系统，与扩声系统中任一信号接口进行灵活搭配使用，调音台模拟信号路由分配在以下点位：声控室96路，现场调音位72路，上场门返送调音位72路，下场门返送调音位72路，左功放室12路，右功放室12路，电视转播位48路。这些模拟信号路由均采用多芯插工艺，方便设备快速接入。

除了音乐剧演出，大剧场同样兼顾其他综艺类演出需求，需要具备演出团自带设备接入能力。因此，本方案在工艺设计上采用流动设备工艺技术，从调音台、扬声器、音源、周边设备、无线传声器等不同位置、不同信号的接入（包括电源、音频信号、内通信号、视频信号等），将设备的使用实现最大化，以及“所用即所接”。

2.4.3 电声可变混响及效果声系统

1 600座大剧场主要演出音乐剧，并兼顾其他类型演出，音视频系统支持以上各种演出类型；希望声学环境也要支持灵活多变的多功能使用要求，需要兼容从话剧、戏曲、综艺晚会、现代流行音乐剧，到经典艺术形式（音乐会、歌剧舞剧、戏剧等）在内的各类演出，均能满足最佳音质效果要求，混响时间需要满足在1.2 s～2.2 s内可调。不同表演形式对厅堂的混响时间详见图13。

为了满足大剧场使用多样化的需求，采用了电声可变房间声学技术及效果声系统，通过电声声场控制技术来控制大剧场的混响时间及其他声学特性，不仅实现了混响时间可变，而且还可以对室内声场进行“修正或优化”。

电声可变混响这种方式的优点是成本低，混响时间可调范围大，可预先设定，使用方便。它不仅实现了混响时间可变，而且还可以对声场进行“修正”，即通过多路电声信号处理，实现早期反射声及早期反射声能与混响声能比、侧向反射声及侧向反射声能与混响声能比、声扩散以及混响时间频率特性等技术参数的调整和控制，从而实现对不同专业厅堂的声学环境仿真，如图14所示，满足专业厅堂的演出需求。使用该系统要求房间基础混响时间（T60）满座为 1.2 s。

针对1 600座大剧场主要用于音乐剧演出的特点，采用电声可变房间声学技术及效果声系统对大剧场观众厅的声学环境进行动态控制，系统架构如图15所示，混响时间可在1.2 s～2.2 s之间变化，设定可一键切换的多种演出模式；设置7支传声器，拾音后经过话筒放大器以及传输路由系统送至系统主机进行处理；经过处理后的信号输出到系统功放及扬声器，模拟早期反射声以及混响声；混响时间、早期反射系数和其他的设定能够根据演出的不同特别时刻的要求进行改变，这样便可实现在音乐剧演出过程中，针对不同的演出情节或者不同的音乐风格而改变剧场的声学环境；系统中的每支传声器都配有内部前置放大器，也即专业的I/O 接口，通过数字式的连接件与主扩声的FOH接口基站相互连接，实现与主扩声系统信号交换；所有的内部参数和设置能够显示出来并可进行调节；除了对基础声学环境混响时间做出调整外，同时兼容环绕立体声效果，满足最大16个声像同时移动。

系统共设置了112只环绕效果声扬声器系统，分布在池座、楼座观众席侧墙、天花、挑台前沿、楼座下方以及台口八字墙等位置（见图16～图19，表1），既能作为可变混响系统的基础扩声，也能独立用于音乐剧等大型演出的环绕效果声。

3 大剧场音频系统的调试

音频系统设备安装及线路连接完成后，对大剧场整体声场进行了精细调试。

1）扬声器系统的安装调试

对于扬声器系统的安装调试（见图20）需要确保：阵列各扬声器系统水平系统与垂直张角在调试阶段可调整；上部吊挂集中载荷的安全性；扬声器系统安装室的内部空间进行吸声处理，同时声辐射开口没有阻挡。

2）系统的电气设备调试

在开始声学调试之前，进场完成系统的电气设备调试，步骤如下：

（1）系统设备的供电检测，包括输出电压是否符合设备供电要求，以及各供电插脚位置是否正确；

（2）传输线路的检测，包括对输入回路、输出回路、设备间回路的各种连接线路检查，判断是否有断路、短路、反極性，以及非平衡连接现象；

（3）设备工作检测，在检查完成系统连线后，给设备进行通电，检查各设备是否可以正常工作。

3）声场调试

系统的声学调试是实现设计目标的关键环节。系统安装完后采用FFT测量调试系统进行了系统地调试和检测。

首先，对每个扬声器安装位置和覆盖角进行调试。检查每只扬声器系统的覆盖角，并对安装位置和覆盖方向进行调整，尽量使扬声器系统的覆盖区域内声压级的最大值和最小值之差满足不大于6 dB。

其次，对每个扬声器系统的输入电平和频率响应进行调试。对同一声道的每个扬声器系统在其主覆盖区域，利用均衡器对其频率响应进行调试，如有必要，还需对同一声道的主信号馈入端进行总的频率响应调试。

最后，对扬声器系统交叠区的相位响应进行调试。对同一声道覆盖区接壤的扬声器系统，通过微延时或极性手段调整相位响应，使它们在主要交叠区的相位响应趋于一致。

另外，对每个声道扬声器系统的声像进行调试，主要根据其安装位置，调整每个声道扬声器系统的馈入信号延时时间，使观众区感知到的声像处于表演区。

4 调试测试结果

调试完成后，国家建筑工程质量监督检验中心对大剧场进行了声学测量，测量结果见表2。

结果表明：最大声压级、传输频率特性、传声增益、稳态声场不均匀度均达到并优于国家文艺演出类扩声系统一级指标。

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