解析北京冬奧會開閉幕式音響系統設計中網絡結構、揚聲器分布、現場拾音、音樂同步播放的設計思路，闡述設計方案實施中對聲場、無線傳聲器系統的調整，以及對整個系統的調試。

　　國家體育場(鳥巢)因舉辦2008年北京奧運會為人們所深刻記憶，2022年在這里迎來了第24屆冬季奧林匹克運動會(以下簡稱：北京冬奧會)及第13屆冬季殘疾人奧林匹克運動會(以下簡稱：北京冬殘奧會)開閉幕式，北京成為有史以來座“雙奧”之城，在綠色、共享、開放、廉潔辦奧理念下，再一次向全世界的人們展現現階段中國的精神、文明與科技?！半p奧”開閉幕式總導演張藝謀以“一朵雪花的故事”向世界展示了一場空靈、浪漫、現代、科技的開幕式，表達了“世界大同，天下一家”的主題。考慮到節儉辦賽、天氣寒冷、疫情防控等因素，時長約100分鐘的冬奧會開幕式的參演人數約3000人，比起2008年北京奧運會的15000人大幅縮減，聲光電等技術的運用成為開幕式成功的關鍵之一。筆者就北京冬奧會開閉幕式音響系統 的設計及實施進行解析。

一、系統設計

　　1.1 系統設計重點考慮的要素

　　北京冬奧會開閉幕式音響系統的設計相比于其他演出來說，周期更長，需要考慮的因素和狀況更多。其中，重點因素之一是系統的安全穩定問題;還有就是與2008年北京奧運會開閉幕式相比，此次顯著的不同就是在多風多雪的冬季舉行儀式，因此另一個重點因素就是風雪低溫的室外環境對設備及系統運行的影響。

　　針對安全問題，音響設計團隊協同硬件保障團隊從系統設計以及設備選型、安裝兩方面入手。在系統設計層面，主要從系統擴聲能量儲備、系統傳輸鏈路、前拾音的多重備份、播放系統的冗余、天線的覆蓋布局及集連、與OBS(奧林匹克廣播服務公司)等機構的合作等多個方面入手。在設備選型、安裝方面，安全主要考慮的問題有：抗風、抗雨雪和抗低溫，設備安裝涉及到的揚聲器重量、吊掛位置的選擇，拾音設備的選型等。

　　1.2 系統的網絡架構

　　音響系統以擴聲調音臺及接口箱所組成的獨立環形鏈路為基礎，輸出信號路由采用光纖傳輸至功率放大器 的星形鏈路，組成環形加星形的整體系統的網絡架構。

　　現場音源主要是通過接口箱進入調音臺系統的環形結構中，環形鏈接內的所有調音臺能夠共享任一接口箱的輸入音源信號，經過處理后的音頻信號，由調音臺通過標準MADI協議輸出至光纖矩陣(見圖1)，再由光纖矩陣將輸出信號傳輸到各點位接口箱，接口箱轉換成模擬信號分配到全場各個區域的功放，如圖2所示。采用光纖傳輸既滿足了調音臺 至揚聲器系統的遠距離傳輸需求，有效防止模擬信號因長距離傳輸所造成的信號衰減。

圖1 MADI光纖矩陣

　　基于系統安全設計了充足的備份鏈路，在環路中設立同樣配置的備用調音臺，主備調音臺并行形成同步操控，環路中所有的主備音源設備各自信號進入環路中不同地址的兩個接口箱，調音臺輸出信號進入主備光纖矩陣，光纖矩陣分別鏈接至16臺終端接口箱，將光纖信號轉換成模擬信號，每個功放點位放設兩臺互為備份的兩臺終端接口箱，各輸出一路模擬信號，形成主備2路模擬信號分別進入功放的主備輸入口，這樣組成了完整的輸入部分環形手拉手系統，輸出部分到各個功放點位采用雙星形的主備系統結構，如圖2、圖3所示。同時，就調音臺本身而言，其結構為雙引擎網絡架構，即每張調音臺具備獨立運算能力且實時同步的兩個處理服務器(兩個處理引擎)，可實現處理器之間的無縫切換。

圖2 系統輸出的主備架構

圖3 系統輸入的主備架構

　　1.3 揚聲器系統

　　觀眾人數大約為30 000人，少于體育場總座位數的一半，采取間隔入座方式，分布在四面看臺六層的大部分區域，形成密度不高、分布范圍廣的特點。這次揚聲器系統設計中的另一特點，開閉幕式流動架設的揚聲器近一半選用了國產產品，頂棚吊掛的揚聲器有近一半選用了國產產品，并終保證了節目效果的良好呈現。

　　開閉幕式揚聲器系統總計使用近500只揚聲器、200臺功放。在鳥巢頂棚內側沿邊處共計吊掛了276只揚聲器，分為24組，兩組用于舞臺區域返送，其余22組均用于覆蓋高層觀眾席。西側主席臺和東側的主要區域的覆蓋，各由8組12英寸線陣列揚聲器，每組數量為12～16只;南北區域的覆蓋，各采用3組12英寸線陣列揚聲器 ，每組數量為9只。頂棚揚聲器的吊掛見圖4、圖5。

　　為配合節目設計及演出的需要，場內的地面返送由24組雙10英寸三分頻線陣列揚聲器組成，每組2～3只，其下配置1只雙18英寸超低音揚聲器，如圖6所示。為配合在西側頂棚吊掛的2組對表演區域覆蓋的線陣列揚聲器，在地面設置4組雙10英寸三分頻線陣列揚聲器，每組2～3只，作為覆蓋場地內的返送，但為保持整個地面設計的完整性，整個場地的演出部位并沒有可以遮掩放置返送的位置，因此放置于西側的跑道。主席臺前沿采用小體積的雙8英寸揚聲器，但功率足夠覆蓋到指定范圍，并且便于隱藏。宣誓臺采用雙6英寸的定制揚聲器，如圖7所示，以配合舞美和特殊投射角度的要求。在后舞臺、表演區邊緣、出入口以及后臺區域，大量使用了單15英寸揚聲器進行覆蓋。

圖6 場地內的返送揚聲器

　　值得一提的是，該項目選用的國產揚聲器，均滿足IP55的防塵、防水等要求，且安裝前均放在零下20℃的冷庫里進行了測試，以適應風雪、低溫等室外環境。經過嚴格甄選、測試后的揚聲器才安裝到鳥巢，保證了每一只揚聲器的使用萬無一失。

　　功率放大器采用遠程網絡化管理，可以實時控制、監看所有的揚聲器、功率放大器的參數、運行狀態，系統通過聲場軟件設計好參數及吊掛角度，確保在覆蓋范圍內響度及音色的一致性，在終的設計中同一陣列的覆蓋下，聲壓差控制在6 dB(仿真軟件的聲壓差在4 dB內)之內。

　　1.4 現場拾音

　　為保證安全、精準地拾取各個環節重要講話與滿足文藝演出對高質量聲音與藝術審美之間平衡的要求，保證傳聲設備在各種室外環境下具有出色的頻率響應及動態范圍，保證萬無一失，提前半年對各種傳聲器進行了紛繁復雜的測試。對于拾音方案的設計，在每個環節都采用無線與有線傳聲器相互備份的拾音方式，傳輸方式使用了模擬、光纖和多路無線并行的傳輸方式，充分保障了各個環節的聲音質量和安全性。

　　開幕式有三個重要的語言拾音環節，分別是中華人民共和國主席宣布開幕，北京冬奧組委主席和奧委會主席致辭，運動員、裁判員、教練員宣誓。

　　在國家主席宣布開幕的環節中，共有4支有線傳聲器進行拾音，如圖8所示。其中，2路傳聲器信號采用互為備份的有線方式傳輸，另外2路傳聲器信號至數字無線發射機以頻率分集接收進行無線傳輸，2路無線傳輸之間同樣互為備份，實現了四備份，確保安全。之所以選擇這個傳聲器，多重測試證明其在低溫環境下能保證高靈敏度、高動態范圍及超心形指向的特性，其在低零下10℃時仍然保持傳聲器的可靠性。

　　北京冬奧組委主席和奧委會主席致辭使用2支雙拾音頭鵝頸電容傳聲器，并帶可自由調節高度的傳聲器桿，每支含有2個拾音頭，如圖9所示。2支雙路鵝頸傳聲器各自進入無源音分，以4路音頻信號進行傳輸，同樣采用上述2路有線、2路無線的四備份方式傳輸至系統接口箱。

圖9 北京冬奧組委主席和奧委會主席致辭使用的雙拾音頭鵝頸電容傳聲器

　　運動員、裁判員、教練員宣誓環節共有4位宣誓代表，現場使用了8支MK41有線電容傳聲器，如圖10所示，分為4組進行拾音，每組2支互為主備，另有1支無線傳聲器領夾無線傳聲器綁在電容傳聲器桿進行隱藏安裝，并使用Y型線進入2個ADX1腰包發射機進行信號回傳，實現無線傳聲器雙備份。出于防疫要求，現場音響人員不能近距離給4位宣誓佩戴無線傳聲器，選擇使用定做的可控升降傳聲器桿，可遠距離控制傳聲器升降，傳聲器桿帶有高度記憶功能，可實現傳聲器高度精準定位。這4組傳聲器的使用位置位于體育場南側國旗桿附近，距離控制臺有將近300 m的距離，使用模擬線路傳輸會有很大的衰減，另外還有來自大屏幕的干擾，因此此處信號回傳至調音臺接口箱采用了一條專門定制的模擬線纜，增加屏蔽層，以保證安全；另外一種信號回傳方式，采用一臺帶話放功能的數模轉換設備，除提供近距離對傳聲器供電外，將光纖信號并入光纖網絡中，再經矩陣傳回至調音臺。

圖10 宣誓環境使用的MK41有線電容傳聲器

　　對于無線傳輸路由的設計，天線接收方案設計了4組指向性天線進行信號接收，分別架設在國家體育場四層及一層看臺，四層看臺放置的螺旋天線用于主舞臺無線信號覆蓋，一層看臺架設的天線用于接收國旗桿附近使用的無線設備，包括運動員宣誓環節、合唱隊等使用的無線傳聲器，如圖11所示。射頻傳輸鏈路采用了A+B路進行獨立信號合并與分配，現場使用了4臺射頻矩陣合并器和2臺天線分配器。其中，2臺射頻矩陣合并器放置于一層，用于接收合并來自國旗桿附近無線設備的天線信號，再傳輸至四層設備機房;來自四層的天線信號則直接進入位于設備機房內的2臺射頻合并器進行信號合并，射頻合并器根據實際應用情況，選擇開關不同區域的接收天線，來檢測各個區域的射頻信號覆蓋情況和掃描單個區域干擾信號與接收信號強度。由于現場無線傳聲器、IEM耳返信號覆蓋范圍大，系統搭建時使用的天線饋線長度較長，在前期施工時，對所需鋪設的每一條射頻饋線的信號衰減值進行了測試，據此在系統設置中進行相應的增益補償。

圖11 無線傳輸路由

　　1.5 現場音頻同步播放系統

　　音樂播放貫穿整個開閉幕式所有環節，開幕式從開場到結束共計18個音樂場景，閉幕式共計30個音樂場景。同時，音樂播放是整個開閉幕式的重要環節，在音樂播放的同時，還需要給燈光、舞臺機械、大屏等其他系統發送對應的時間碼，從而使音樂、燈光、舞美達到完美的聯動效果，因此，音樂播放系統的安全性會關乎整個開閉幕式的成敗，由此對音樂播放系統的安全性提出了更高的要求。而OBS對音頻制作有固定格式要求，音頻制作格式采用2.0立體聲+5.1.4三維聲。

　　為實現多通道播放、主備系統冗余、同步時碼的需求，音樂播放系統選擇使用控制主機、播放器及QLAB播放軟件、Dante制式的虛擬聲卡，如圖12所示，可實現多種格式的傳輸轉換，滿足上述需求。

圖12 音樂播放系統架構

　　為了保證音樂播放系統的安全性，系統中使用了4臺搭載播放軟件的音頻工作站作為播放器，分2組聯動，通過虛擬聲卡輸出音頻信號。其中，每2臺為一組進入到同一臺具有IP轉基帶功能以及自動冗余切換路由功能的EXBOX.MD接口轉換器中，信號由電腦虛擬聲卡經Dante到EXBOX.MD轉成MADI信號，通過AD 2.XT轉換成模擬信號后進入接口箱;同時，另一組2臺播放器通過相同的方式進入一臺不同地址的備份接口箱中，實現音頻播放的四重切換。值得稱道的是，EXBOX.MD所采用的增強型自動冗余切換(EARS)技術，可將導頻信號添加到播放器的Dante通道上，EXBOX.MD自動監測導頻信號，當檢測到播放器導頻信號丟失后，系統可以在1/48 ms內基本無縫切換至另一臺播放器，從而大限度保障音頻播放系統安全穩定運行。

　　二、方案實施的難點及解決方案

　　2.1 聲場的設計

　　鳥巢的混響時間以及本次開幕式所要求的全場覆蓋給音響設計帶來了不少挑戰。鳥巢是全世界少數考慮到吸聲的露天體育場，它有兩層帶孔的膜結構，分別是固定于鋼結構上弦的透明ETFE膜和固定于下弦的PTFE膜，下層的膜具有一定的吸聲作用，場館混響時間的設計值在5 s左右。但從2008年投入使用至今，由于吸聲孔被灰塵堵塞得越來越嚴重，鳥巢的混響時間變得更長了。在這一條件下如何保持語言的清晰度是音響設計的難點之一。

　　針對這一問題，利用仿真軟件構建國家體育場的細節模型，結合揚聲器官方數據建立揚聲器分布安裝方案模型，模擬出聲場覆蓋、聲壓等信息，如圖13所示，確保聲場可以實現均勻覆蓋。在終的實施過程中，在模擬設計方案基礎上又增加了揚聲器及配套功率放大器 ，主要原因在于：是經過多次試驗發現，國家體育場的反射聲能量過大;第二是希望盡可能讓所有觀眾聽到直達聲，擁有更佳的動態范圍。因此，增加線陣列組讓系統有更多的聲能裕量，保障整體聲壓的同時，有更多的直達聲，聲音更加清晰。

圖13 聲場覆蓋仿真

　　2.2 揚聲器系統的選用和安裝

　　北京冬奧會舉辦期間，北京低溫可接近-20℃，還伴隨有大風以及雨雪天氣，而國家體育場是露天場館，惡劣的天氣和環境對揚聲器系統的產品質量和施工帶來了諸多限制因素。所以對揚聲器系統的選用，一方面嚴格篩選技術參數與性能符合要求的產品，另一方面合理設計規劃揚聲器的安裝。

　　為了適應室外環境，揚聲器系統均滿足防水防塵等IP55。為應對大風天氣，對每組揚聲器的吊掛通過軟件進行受力計算，計算出每一只揚聲器的每一個插銷的受力和拉伸力重量，據此設計出充足的揚聲器系統吊掛安全系數，并定制專門的吊掛件，在每一個吊架、電動葫蘆及單個揚聲器上都做了獨立的安全措施，從物理層面上確保揚聲器的吊掛安全性，如圖14所示，并防止揚聲器組因大風出現隨風擺動的情況。安裝完成后對每個吊掛部件均進行了受力測試，限受力超過需受力承重的兩倍以上，吊掛的揚聲器系統在七疾風的作用下也僅有小幅度擺動。

圖14 揚聲器的吊掛

　　低溫天氣對于系統性能有大的負面影響，為了保證功率放大器在低溫天氣下仍能良好運行，為各處的功率放大器點位設計了保溫棚，并采用物聯網技術對棚內溫度和濕度實時監控，通過功放管理軟件對功率放大器的工作狀態實時監控，以保障整套揚聲器系統的正常工作。

　　2.3 系統調試

　　低溫多變的天氣讓系統調試變得非常困難，現場選用了P1測量平臺和Smaart軟件雙重監控，如圖15所示，對整個系統進行頻響曲線和延時相位的調整。

圖15 P1測量平臺和Smaart軟件

　　在系統調試時，將現場觀眾席劃分為三個區域，分別是一層觀眾區、主席臺區域與高層觀眾區。一層觀眾區域是由地面揚聲器與吊掛揚聲器共同覆蓋，需要處理二者之間的延時差。高層觀眾區域主要調整揚聲器的整體均勻度與揚聲器之間的銜接的延時。主席臺區域則相對復雜，該區域由地面揚聲器、吊掛揚聲器與主席臺補聲揚聲器共同覆蓋，需要處理好這三部分之間的比例與延遲關系，否則將會出現嘯叫等嚴重問題，通過測量結合距離計算，得出延時值，輸入到系統中。

　　國家體育場的聲學環境較為復雜，由于它的頂部設計采用了橢圓形半閉合型結構，造成定向反射聲較大，特別是低頻聲。同時，由于室外環境的多變，有諸多的不確定因素如空氣濕度的變化、晝夜較大的溫差等，這些均會對聲音的頻響產生影響，導致聽音效果的不確定性。在排演過程中發現，溫濕度變化導致高頻吸收變化引起場內擴聲頻率響應發生變化，因此，對整體揚聲器的頻響曲線使用FIR調整，配合調音臺上用EQ以及多段壓縮的修正，以解決由于溫度變化所帶來的系統聲音變化。

　　2.4 頻率規劃和無線傳聲器系統的應用

　　北京冬奧會開閉幕式現場頻率規劃方案與以往的演出類節目不同之處在于，需要經過工信部、奧組委、無線管理委員會審批，因為現場不僅有開幕式音響團隊的無線設備，還有多個國家電視臺、OBS團隊的轉播無線設備、ENG(電子新聞采編)設備，以及國家體育場周邊的無線設備等在同時使用。這就需要對場內所用無線設備進行精準的頻率規劃與管理，更有效地利用無線頻譜資源。

　　在無線管理委員會的協助下，現場音響團隊全力支持開幕式無線頻率規劃的整體方案，對審批的無線頻點進行全天候監控與優化，避讓開700 MHz以上用于5G傳輸的無線頻率段，以及奧運會各國家轉播團隊使用的無線頻點，為現場的多通道無線傳聲器系統設置部署了安全的頻點。

　　對于無線傳聲器系統的應用，現場使用了多通道數字調制技術，可有效節約頻譜資源，做到等間距布置頻點，在有限的頻譜資源空間內，避讓開特定外部頻率干擾，并結合遠程控制、干擾檢測與規避功能，做到當頻率干擾發生時，自動切換至備用頻率使用，聲音無任何中斷。同時，數字無線傳聲器系統在音質方面較模擬無線系統更清晰，獲得較好的音頻動態范圍、頻率響應，音頻信號無壓縮。

　　對于無線頻譜的監測，現場架設了2臺頻譜管理器，一臺用于備份頻率的儲備，便于發生頻率干擾時及時調用備份頻率，另一臺用于在鳥巢進行24小時全天候頻譜掃描工作。在無線信號監聽方面，為滿足監測現場射頻環境，以及監聽每一個無線傳聲器通道音頻狀態的需求，演出現場架設了Wireless Workbench頻譜管理基站及Wavetool無線監聽基站，這一組合既可實現對不同品牌無線傳聲器進行射頻信號強度、電池電量信息等關鍵參數的監控，還可實現對無線音頻信號監聽的功能，Wavetool監聽工作站采用Dante網絡音頻傳輸方式，可以做到簡約、高效地監聽網絡中的所有信號。

圖16 無線頻譜、無線信號的監測

　　3 結語

　　張藝謀導演說“浪漫、唯美、現代”是整場演出的美學立腳點，而有了可靠的技術支撐以及所有演職人員的全力付出，所有的“美”得以完整、有效的呈現，整個音響團隊正是其中不可或缺的一環。

　　音響團隊能夠安全、順利地保障北京冬奧會開閉幕式的圓滿成功，源于音響團隊成員的辛勤努力，由專家顧問成員、設備提供商技術總監、現場技術執行組成的百余人隊伍圓滿的完成了開閉幕式音響設計與實施，實現了系統強大的集成控制功能，分區靈活的適用性，以及穩定、冗余的安全性。

　　選自 2022年《演藝科技 冬奧特刊》 鐘繼華《北京冬奧會開閉幕式音響系統的設計及實施》。轉載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內容請參閱《演藝科技 冬奧特刊》。

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