浅谈扩声系统中置声道的设计与应用

6553290 · 发表于 2021-6-29

浅谈扩声系统中置声道的设计与应用

人对于声音方位的判断主要是基于双耳效应产生的。由于声源振动能量到达两只耳朵存在时间差和强度差，人才能凭借这些信息判断出声音传来的方向。立体声音响系统正是利用这一原理将重放声音的时间差和强度差信息还原出来，通过两个声道创造出虚拟的声像定位，模拟音源真实的发声状态。但立体声系统并不能满足人们对于扩声的全部要求。虽然在录音棚和家庭影院等小型空间中能够得到良好的声像还原效果，但传统的立体声系统在现场演出扩声中的应用仍然存在制约。一方面，现场演出的观众数量较多，立体声定位只对于观众席中间区域的小部分观众才准确，越是偏离观众席中轴线，定位偏差越大，立体声听感会越差。因此，极端靠近左右两侧的观众实际上获得的只有一边声道重放的信号。另一方面，单声道信号在立体声系统中重放成为难题，单声道信息被左右扬声器分别重放时会在不同位置产生时间差和强度差，由此产生的梳状滤波效应会造成声像漂移和语言清晰度下降，如果再叠加不理想的声学环境，这种声像漂移和语言清晰度的损失会变得更为严重。上述问题会导致音响效果大打折扣。

中置声道的引入则能够在某种程度上改善上述问题，笔者针对扬声器系统设计中的中置声道设计理念及考虑相关因素进行探讨，力求为广大从业者提供有益的参考。

1 前期准备工作

在进行系统设计前，首先应该对节目内容和场地分别进行了解，这是设计任何系统都不可或缺的重要准备工作。

在节目内容方面，需要了解各节目素材使用立体声和单声道的情况（有哪些素材是立体声、哪些是单声道）及其在节目呈现过程中起何种作用、声像定位的精确程度要求，是否包含声像运动效果等，这些信息将决定是否需要中置扬声器。

在场地测量方面，需要尽可能精确地测绘场地的具体数据，包括舞台形状和大小、观众席布局和尺寸、房间结构、声学环境（反射面、温度、湿度）等，并将这些因素列入考虑范畴。在测量时获得的数据越准确越全面，扩声覆盖模拟结果也就越接近真实的情况。更重要的是，扬声器的安装方式能否按照计划实现，扬声器组能否按照预设位置来吊挂或者摆放，都取决于场地测量时收集的数据的准确和周全程度。

当获得足够的场地信息之后，需要利用扬声器厂家提供的模拟软件（或者通过Ease Focus这种基于GLL文件的通用设计软件）进行建模，这些软件可在可视化的条件下，实时调整并计算不同设计方案的覆盖均匀度以及声压级分布，较为复杂的模拟软件（如Ease）甚至可以将反射和墙面材质的吸声特性都考虑在内，实现对反射情况的模拟（见图1）。系统建模和预测的重要作用在于让系统工程师在装台开始之前就能够做好全部的计划和准备工作，进而起到减少正式施工时长并提高工作效率的作用。

图1 利用MAPP XT对场地及扬声器覆盖情况进行模拟

2 扬声器系统设计需要考虑的要素

在进行系统设计时，需要综合前期测量的数据做出一些选择，主要考虑场地信息和演出内容的需求。具体可以体现在以下三个方面。

2.1 演出的声音内容中是否含有大量的对白或人声

如今，以对白或人声为主要内容的演出非常多，无论是话剧、音乐剧或传统戏曲等戏剧演出，还是演讲、会议等内容为主的商务活动，对于人声清晰度的要求都非常高。如果观众无法清晰地听到演讲者的台词，或在演出过程中还要分心思考某一句听上去模棱两可的台词是哪位演员说的，那还何谈欣赏戏剧作品或是领会会议和演讲的内容呢？这些人声信息量相对较大的应用场景，单声道系统最容易发挥其优势，更适合考虑使用中置扬声器。尤其是立体声系统重放单声道信息时，由于观众所处的位置不同，往往会在覆盖的交叠区域上使同一信号产生强度差和时间差，从而造成梳状滤波效应，在个别频率产生叠加或抵消，在降低语言清晰度的同时也会影响到声像定位的准确性（有关两组音箱覆盖区域交叠处信号的强度和时间差的问题比较复杂，将会另外进行讨论）。使用中置声道专门负责这类节目的扩声是一个非常有效的解决办法，可以把中置声道作为人声使用，而将其他对立体声定位有要求的内容发送给立体声的左右扬声器。

2.2 主扩系统是否足以应对演出场地的宽度

每个演出场地的观众席设计都不太相同。现在，有很多剧场的舞台（或者临时搭建的舞台）非常的宽，观众席则会根据舞台形状被设计成更宽的扇形，这种设计多出于给予观众更好的舞台视野的考虑，但过宽的舞台（或观众席）对于扩声系统设计来说却存在巨大的挑战。为了在常规应用中尽可能避开侧墙的反射，主扩扬声器的水平覆盖角度通常被控制在90°～120°之间，然而普通的线阵列扬声器无法覆盖很宽的范围。在这种情况下，如果只使用一套立体声系统来覆盖很宽的观众席，就很容易造成观众席前中部甚至是整个中部能量的严重缺失。因此，加入中置扬声器来补充这一部分区域缺失的能量是非常必要的。

如果观众席中部的能量缺失区域较大，纵深较深，则适合使用中置扬声器来进行补充；如果只有少数两三排座位需要补充，则可以考虑使用台唇补声系统。在调试过程中需要注意，在指向性无法得到良好控制的低频区域，还有中置系统和左右扬声器系统之间可能产生的相互干扰。

2.3 演出场地是否适合使用中置扬声器

任何解决方案都存在一定的局限性。这些局限性主要来自于剧场的尺寸、舞台的结构、观众席座位的分布以及剧场的声学环境等要素。使用中置扬声器对于那些舞台镜框特别高的场地可能不是一个好的选择。吊挂的高度决定了声源发出的位置（见图2），若扬声器与观众席垂直方向的夹角大于30°，位于前排的观众就有可能会感觉到垂直方向上的声像漂移，产生人声或对白来自头顶而非前方的感觉。此时，设计时可以考虑通过台唇补声系统来覆盖前排观众席，中置系统从3排或4排之后的区域开始覆盖。

图2 Bob McCarthy理论中扬声器安装高度对垂直声像定位感知的影响

3 扬声器系统的安装方式

现场演出扩声中，根据不同场地中置声道扬声器的安装方式也略有不同。由于扬声器安装位置不得影响表演者及观众，所以无论在室内剧场还是室外的舞台，安装基本不会落地，而是更多采用吊挂的方式。安装位置在水平方向上基本都处于舞台镜框式上沿的正中，垂直方向上的高度需考虑镜框高度、扬声器阵列对观众席的覆盖，以及是否与舞美、灯光和机械等其他设备存在冲突。

吊挂安装带来的好处是，扬声器距最前排和最后排观众的距离差，较落地时其到最前排和最后排观众的距离差更小，声压级覆盖更均匀，离轴响应也更好；显而易见的是，吊挂可减少对前排观众视觉上的遮挡。同样，吊挂安装也带来了不好的影响，就是前文提到的由于安装位置过高带来的声像漂移问题。解决这一问题的办法，通常是系统工程师通过增加台唇补声扬声器，来达到下拉声像的目的。扬声器吊挂由于缺少地面反射所带来的界面负载效应，相较于落地安装的方式，其低频响应会略差一些。由于中置声道主要承担人声信号的重放，更少的低频反而适合语言的重放，从这一点来讲，低频响应的缺失反而可以算作一个优点。

标准剧场中，中置扬声器组的安装通常分为暗装和明装两种。暗装一般是安装在舞台镜框上沿预留的声桥当中，如北京天桥剧场（图3）。明装则是吊挂在舞台灯杆或预留的吊点上，如北京天桥艺术中心大剧场（图4）。暗装对观众的视觉影响最小，如果剧场扩声系统设计合理，建筑声学指标达标，且在镜框高度不是很高的情况下，剧场中置声道暗装是最好的安装方式。但是国内剧场的实际情况并不乐观，且不同演出的系统工程师和音响设计师都有各自的设计和考量，暗装中置声道位置又基本不可调整，所以很多剧场中暗装的中置声道使用率很低。明装的中置声道更便于安装、拆卸以及调整，更加适合流动性强的演出，因此，越来越多的现代化剧场采用这种安装方式。

图3 北京天桥剧场

图4 北京天桥艺术中心大剧场

4 中置声道扬声器的选择

中置声道扬声器的选型主要考虑实际场地的声覆盖需求以及演出内容。从声能衰减特性的角度，可选择的扬声器类型主要是点声源扬声器和线阵列扬声器。点声源扬声器的声能衰减特性接近于球面波（距离增加一倍，声能衰减6 dB），更适合于观众席纵深不长，形状较为规则的小型场地。线阵列扬声器的声能衰减特性接近于柱面波（距离增加一倍，声能衰减3 dB），更适合于观众席纵深长，形状较不规则的大场地。由于线阵列扬声器是通过多个单元在垂直方向上的耦合达到指向性控制的，所以，当观众距扬声器过近时，会感觉到明显的梳状滤波器效应，近距离听感不如点声源扬声器自然。

中置声道扬声器的选型还要考虑和左右声道扬声器的关系，理想的方案是左中右三声道的扬声器选型（类型、功率、数量等）一致，但由于实际剧场以及演出内容的限制，很难做到这一点。北京天桥艺术中心大剧场的舞台上沿有足够的空间进行安装，因此采用了左中右三组L-Acoustics的Kara系列扬声器，每个声道12只。选型一致的扬声器为场地内带来相对更加均匀的覆盖，以及更一致的频率响应。但也由于中置声道相对安装在更高的位置，扬声器系统需要加入前区补声以及下拉声像系统来解决声像漂移的问题。

此外，还有一些剧场由于应用场景的不同，扬声器系统既要减少舞台垂直方向上对观众的视觉影响，还要满足较宽观众席对水平覆盖的需求。例如美国明尼阿波利斯会展中心使用ARCS恒定曲率线阵列扬声器，这种扬声器阵列在垂直方向上的辐射角度不可调整，但水平角度上中置扬声器几乎可以覆盖到整个观众席，甚至可以比左右声道扬声器承担更大的功率，这对于以语言类为主的会议等应用场景来说是十分方便且有效的。

图5 美国明尼阿波利斯会展中心

5 不同节目类型信号的分配方式

不同节目类型的中置声道信号的发送方式也是不同的。现场演出中，较为常用的是LCR和LR+C两种母线分配方式。两者的区别在于：在LCR模式下，通道中的PAN会影响到中置声道的发送量，也就是说当声像在左侧时由L+C重放信号，右侧时为R+C，中间和极左极右则单独对应C、L、R，这对于具有运动轨迹的声像定位会更加细致，但由于C信号无法单独控制发送量，对于信号分配的灵活度便会降低；而LR+C模式与前者相反，可以单独控制C信号的发送量，给信号分配带来方便，但用于声像定位的依然只有LR这对立体声系统。对于节目内容信号可以分为三种：对白信号、音乐信号以及效果信号。

对于对白语信号，首先，要考虑扩声与直达声之间的关系。当场地较小而演员直达声较大时，完全可以采用补声的方式进行工作。此时，相比中置信号来说，两侧(L、R)信号需要更大一些，因为两侧的观众离声源较远，补充清晰度所需要的声压级相对较高。当以扩声为主要声音来源时，在直达声不足的情况下就需要以中置信号为主，以此获得良好的定位和清晰度。其次，在信号的选择上，如果中置声道可以完全覆盖到全场的每一个座位，那么，只使用中置声道重放对白是最理想的方式，因为单一声源不会产生梳状滤波等问题，是与自然声源最接近的形式；若中置扬声器不能满足对观众席完全的覆盖，则可以将人声进行编组，再以不同比例分别发送至L、C、R的矩阵中。最后，如果有多重人声信号，例如领唱与伴唱、独白与群诵等，可以根据这些内容的主次有选择地将其发送至不同的母线，笔者一般会将主要领唱或独唱内容发送至C，其他人声信号发送至L、R，以求更好地突出重要内容，避免人声声像过度拥挤，造成听感上的混乱。

对于音乐信号来说，中置扬声器并不起主要作用。立体声扬声器系统则是更加适合音乐信号重放的工具。当立体声扬声器系统无法很好地覆盖观众席的中间区域时，可以考虑利用中置扬声器覆盖。

对于声音效果信号来说，中置扬声器可以起到明显的过渡作用，辅助L、R表现在一段时间内从正前方通过的某个物体的运动轨迹，最典型的例子是飞机飞过以及物体滑行这种具有方向引导性的音效。如果没有中置扬声器，当舞台较宽时会产生明显的跳跃感，即声音到中间忽然变小。此时，采用LCR的母线设置方式可以利用C很好地衔接L、R，形成完整的过渡过程，使重放运动轨迹的音效更加自然。

6 结语

现场演出中，根据情况实际还有很多更加灵活使用中置声道的方法，但无论怎样使用中置扬声器，都要以声学原理为依托，结合内容的需要与场地的实际情况多方考虑加以利用。

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