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1、深圳市一禾音响有限公司 网站：http:/ 剧场扩声系统的设计一、剧场的扬声器布置剧场、会堂等的扩声系统，按其声道数分类，可分为单声道系统、双声道系统、三声道系统等。1单声道扩声系统如图11-12(a)所示，一般将主扩声扬声器布置在舞台口上方的中央位置。这种布置方式，语言清晰度高，视听方向感比较一致（又称声像一致性），适用于以语言扩声为主的厅堂。2双声道系统如图11-12(b)所示，主扬声器布置在舞台两侧上方或舞台口上方的两侧，此种布置声音立体感较单声道系统强，但当舞台口很宽时，前排两侧距扬声器较近的座位可能会出现回声，因此它适用于以文艺演出为主且体形较窄或中、小型场所的扩声。3三声道系统如图
2、11-12(c)所示，一般将左(L)、中(C)、右(R)三路主扬声器布置在舞台口上方的左、中、右位置上，三声道系统大大增强了声音的空间立体感，因此适用于以文艺演出为主的大、中型厅堂的扩声。三声道系统又分为两种：一种是空间成像系统(SIS)，它通常使用具有左、中、右三路主输出的调音台，而且左、中、右三路主扬声器声可分别独立地覆盖全场；另一种是C/(L+R)方式，即中置(C)扬声器单独覆盖全场，左(L)和右(R)两路扬声器加起来共同覆盖全场。三声道系统，尤其是空间成像系统(SIS)既可实现声像在左、中、右方向移动的效果，也可实现声像在左、右之间移动，左、中之间移动和右、中之间移动的效果，所以它迸一
3、步改善了声像的空间感，它还利用了人的心理学的作用，使人们获得更高的主观听觉感受。因此，SIS扩声系统具有如下优点。(1)根据需要，可以选择单声道、双声道、三声道二种模式工作。通常，单声道模式适于演讲或会议使用，双声道模式适于立体声音乐放送，三声道模式适于演出。(2)较好地解决了音乐和人声兼容扩声的问题。可按不同频率均衡，适应音乐和人声的不同要求，而且观众可以根据自己的需要，利用人的心理声学效应鸡尾酒会效应（即选听效应），从演出中选听人声和音乐声，人声和音乐声兼容放音的问题也就得到了很好的解决。(3)提高了再现声音的立体感。SIS可以将声音图像在左、中、右不同方向进行群落分布，加强了屯体声效果，
4、使得再现声音立体感有所提高，主要表现在以下两个方面。声像具有更好的多声源分布感，听音者听到的早期反射声和混响声更加接近实际情况，临场感、声包围感和声像定位感也得以提高。可以比较好地突出某个独立的声音。由于各个声源的声像具有多方向、多方位的分布感，某些需要得到突出的声源声音能够较好地显示出来，这对于再现如独唱、独奏领唱等声音大有益处。(4)使声音更加逼真清晰。SIS的噪声感受比纯单声道或普通双声道系统相对要小些，这是因为SIS改善了声音的空间感，使得背景噪声在多个方向分布，即噪声分布更加分散，而声源声音是集中在一个方向上，与噪声相比优势明显，亦即声源声音受噪声影响更小，因此听觉信噪比有所提高，声
5、音听起来会更加清晰。图11-13所示是日本某剧场的扬声器布置实例，它采用三声道系统方式，图11-13(b)平面图的上半部为二楼，下半部为一楼。二、延时的应用如图11-12所示，目前剧场典型扬声器布置方法都是把主扬声器集中布置在舞台口上方。主扬声器一般由低音音箱和中高指向性号筒组成，如图11-12所示。如此布置的主要原因，一是人耳对垂直方向的声音方位感分辨能力远没有水平方向上灵敏，二是易于使观众席声场（声压级分布）均匀。如果剧场和厅堂内有两层眺台或者长度较长，为了使眺台楼底下（或观众厅后区）有足够的响度和一定的清晰度，还应在眺台楼底下安装辅助扬声器，如图11-14(a)所示。但是，这样布置存在着
6、两个问题：一是主扬声器系统对前区观众席的俯角过大（一般超过45），使得前区观众感到声音是从舞台拱顶的主扬声器传来的，和舞台上的演员形象分离，即产生“声像不一致”；二是眺台底下的观众既听到主扬声器传来的声音，又听到辅助扬声器传来的声音，如这两个声音的延时较大，将会严重影响“清晰度”，而且，观众先听到辅助扬声器传来的声音，根据“先入为主效应”，观众将会感觉到声音是从辅助扬声器传来的，从而产生严重的“声像不一致”。目前，解决这两个问题的主要方法是：在舞台两侧放置拉声像音箱，同时应用哈斯效应原理，给主扬声器和辅助扬声器加一定的延时。哈斯发现，一个延迟的声音可以比先到达的声音有更高的声压级，但在主观卜它
7、们听起来却一样响。他经过实验得出：对于一个延迟1025ms的声音，必须比先到的声音大约高10dB，两者听起来才一样响。图11-15所以即为著名的哈斯曲线。另外，还有一个重要的声学现象值得注意，即：听者只注意到第一个到达的声音的方向，而忽略相继到达的短延迟声的方向，即通常30ms之内到达的声音将会和第一个声音相混合。Wallach把这种现象称为“选入为主效应”（亦称第一波阵而定律），这个效应通常也称为“哈斯效应”。但我们不能把图11-15中的哈斯曲线同此效应相混淆，它们两者实际上包含着不同的含义。从上面的现象可得出两个有用的结论，用以优化扩声系统的设计。第一，听众一般只注意到第一个到达的声音的方
8、向，而忽略短延迟声的方向。第二，在第一个声音之后大约30ms之内到达的声音将会和第一个声音相混合，从而产生一个更响、更清晰的声音，而且，在延迟声同第一个声音听起来一样响之前，延迟声可比第一个声音最多高10dB左右。但是，人们常常会误解上面两个结论的真正含义。例如，有人认为：在延迟声被觉察出是另外一个声源所发，从而使第一个声源的定位感消失之前，延迟声可比直达声高10dB。于是，在扩声系统的设计中，人们可以使加有延时的扬声器所发出的声音比先到达的声音高10dB，而觉察不出它的存在。事实并非如此，在达到10dB时，哈斯实际上指出的是：延迟声将和第一个声音听起来一样响，这意味着延迟声源已被清楚地辨别出
9、来了。实际上，对于延时1025ms的声音，在它刚刚能被辨别时，它只能比第一个声音高46dB。那么具体应取多少延时和声压级差呢？让我们来看一下图11-16中的虚线，这是由Meyer和Schodder得出的，它表明了回声刚能被辨别时延时和声压级差之间的关系。从这条曲线中我们发现：在延时超过35ms时，回声（延迟声）将很有可能被辨别出来。例如，对于50ms的延时，第二个信号必须比第一个信号低10dB才能不被辨别出来，而对于100ms的延时，则须低20dB。图11-16中的实线是回声已被当作声源时延时和声压级差之间的关系曲线，而虚线是回声刚能被辨别时延时和声压级差之间的关系曲线。实线是由Lochner
10、和Burger得出的，它给我们提供了更有用的信息。它显示了延迟声实际上已被当作一个声源时（即此时人们已不再认为只有一个声源存在时），延时和声压级差之间的关系。从图中我们发现，除了非常短的延时(20ms之内)那一段，这条曲线与回声刚能被辨别时的那条曲线非常相似。对于小于20ms的延时，在延时的扬声器不被当作独立的声源之前，它可以有更高的声功率输出。也就是说，在这个范围内，人们可以觉得第二声源是在工作，但定位感并未消失，声像仍然一致。经过以上的分析，明确了哈斯效应的含义后，我们可以应用它并根据图11-16中的两条曲线来解决上面出现的两个问题。对于第一个问题，使主扬声器到前排听众的声音相应于舞台上来
11、的声音延时I015ms，声压级可比拉声像音箱所发声音的声压级高68dB，将会使声像达到一致。当然，舞台拱顶主扬声器须加的延迟时间还应包括声程差所引起的延时，见图11-14(b)，那么式中，S1为舞台演员至前排听众的距离；S2为主扬声器至前排听众的距离。当然，在舞台口两侧，安装如图11-12所示的拉声像音箱，通过调整延迟时间同样也可以解决主扬声器的声像一致性，亦即使主音箱声音下拉的问题。有时，坐在前面一、二排的观众仍感声像一致性不佳，可在舞台口台唇中安装小功率扬声器加以解决。对于前述的第二个问题，即厅堂后区或眺台下的辅助扬声器在听众席产生双声问题，同样可应用哈斯原理解决。这时，辅助扬声器所加的延
12、迟时问为式中，S3为主扬声器至后排听众席的距离；S4为辅助扬声器至后排听众席的距离；这里的S1为舞台演员（或传声器）至后排听众的距离。这时，辅助扬声器发出的声压级可比主扬声器高46dB，使后排有足够的响度、清晰度，声像一致性也较好。应该指出，图11-16中的等曲线是在理想的条件下获得的，在实际工程中，通过上述对延迟时间和声压级差的简单估算后，还必须通过认真调试，才能得到最佳的效果。三、剧场舞台音响系统方式前述(见图11-4和图11-5)提到剧场音响系统的组成，那是采用模拟调音台的模拟音响系统方式，如图11-17(a)所示。由于通常放置模拟调音台的声控室位于观众厅的后部，而传声器和功放、扬声器等
13、位于舞台一侧，两者的距离较远，因此信号传输用的线缆多而长，从而造成传输线缆容易受到外界如灯光、强电等的干扰，且传输损耗也较大，对系统的信噪比不利。目前，对于大多数中、大型剧场的音响系统，已经实现数字化，亦即除了传声器和扬声器之外，从调音台到数字信号处理设备(DSP)，包括从声控室到舞台的信号传输，实现了全数字化，如图11-17(b)所示。这大大地降低外界噪声干扰的影响，提高了系统的信噪比，并且整个音响系统过程只作二次A/D、D/A转换，使音质大为提高。此外，数字的传输线缆也简单化，布线、安装施工也大为方便。图11-18是采用模拟调音台和数字调音台的两种剧场舞台音响系统的比较。从图11-18(a
14、)可见，模拟调音台方式使用较多的周边设备如均衡器(EQ)、压限器、分频器、延迟器等和输入、输出接线盘等，输入和输出的信号传输线（如多传声器输入线、多路主输出线、返听辅助输出线等）繁多而冗长；而从采用数字调音台的图11-18(b)可见，数字调音台系统方式的结构和配线要简捷得多，这不但提高了系统的音质和性能指标，也简化了布线和施工的复杂性。显然，这代表着现代剧场舞台音响系统和技术的发展方向。目前存在的问题是，数字调音台的价格还较贵，国产数字调音台还在开发中。图11-18(b)中从声控室到舞台的数字音频传输线可采用数字网线（如5类双绞线）、同轴电缆、光缆等。例如，AES/EBU（美国音频工程协会欧洲
15、广播联盟）制定的数字音频接口标准，使用的传输线可以是同轴电缆或双绞线，其允许的传输距离可达100m。超过100m的数字传输宜采用数字光纤传输系统，采用光纤传输有以下优点。光纤信号传输比数字传输的距离更远（距离2km也没有衰减问题）。光纤是完全绝缘的，抗射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)，还消除了接地环路的干扰问题。安装简便，它可方便地在天花布线，绕过障碍物、穿过墙壁或在地下布线，图11-19所示是德国OPTOCORE公司为剧场提供的光纤数字网络传输系统。它采用主辅环双环连接方式和双电源供电冗余（备份）设计技术，因此系统有很高的稳定可靠性。与使用双绞线的CobraNet相比（最大容量为64路音频通道，有0.335ms固定延时），OPTOCORE光纤传输网络标准配置为192路音频信号、4路视频信号和16路控制信号，包括DMX512、RS-232或RS-485数据通道等，可扩展到512路音频信号，传输延时小于200ns，包括A/D和D/A转换时间的总延时小于1.4ms。图11-19中的LX4A为光纤传输基站（舞台单元），有48路传声器输入、16路线路输出、1路视频输入、2路串行数据接口等；LX4B为光
