一、擴聲系統的基本概念
    演唱、演講、聲學樂器等自然聲源能產生的能量是極其有限的，其聲壓級在經過一段距離的傳輸后將衰減到一個非常低的水平，加之環境噪聲的影響，可聽范圍極其有限，所以對于空間大而觀眾又多這樣的環境來說，擴聲系統是必不可少的。擴聲系統將聲信號轉換為電信號，經放大、處理、傳輸，再轉換為聲信號還原于所服務的聲場環境。其主要設備包括：傳聲器、音源設備、調音臺、信號處理器、功率放大器和揚聲器系統。本文中擴聲系統指劇場、禮堂等演出場所的演出擴聲系統，即傳聲器與揚聲器處于同一空間，可能產生聲反饋的擴聲系統。
    擴聲系統通常有以下功能：
    1. 改善聲音的可懂度和清晰度；
    2. 改善聲音的動態范圍；
    3. 改善演出中不同聲音部分的聲學平衡；
    4. 幫助克服復雜聲環境給聲傳輸帶來的困難；
    5. 調整人聲和樂器聲的電信號特性。
    擴聲系統最為重要的6個技術參數：
    1.傳聲增益：擴聲系統達到最高可用增益時，觀眾區的平均聲壓級與傳聲器處聲壓級dB數的差。
    2.最大聲壓級：廳內空場穩態時的最大聲壓級。不同用途的擴聲系統都有不同的最大聲壓級的要求。工業標準中，在最大空場聲壓級指標之后還有一個頻帶寬度的附加條件，說明該聲壓級是在規定頻帶寬度內的最大聲壓級的平均值。
    3.聲場均勻度：為保證全場區前后左右的聲壓級差異不能過大，規定了聲場均勻度的技術要求，即觀眾區內各位置聲壓級的最大差值，以分貝表示。聲場均勻度與揚聲器的布置、指向特性和房間聲學建構等有關。
    4.系統傳輸頻率特性：系統傳輸頻率特性是指擴聲系統在最高可用增益時，觀眾區各位置穩態聲壓級的平均值相對于擴聲設備輸入端電壓的幅頻響應特性。系統傳輸頻率特性直接影響擴聲系統的還音音質。
    5.失真度：擴聲系統由輸入聲信號到輸出聲信號全過程中產生的非線性畸變。
    6.總噪聲級：擴聲系統達到最高可用增益，但無有用聲信號輸入時，廳內各測點處噪聲聲壓級的平均值。
    揚聲器的設置是擴聲系統中極為重要的一環，根據建筑結構、聲場環境、觀眾席的設置以及擴聲系統的用途的不同可分為集中式供聲、分散式供聲以及分區式供聲。
    集中式供聲：集中式供聲是把一組揚聲器集中安裝在一個固定位置上的供聲系統。對于有舞臺的劇場或禮堂來說，揚聲器通常安裝在舞臺的兩側，部分還會在舞臺上方和臺唇添加揚聲器。集中式供聲系統的優點是聲像與視覺一致，聽感自然，由于多處揚聲器產生的聲音干涉小，聲音清晰度高；缺點則是對于形狀復雜或者有多層樓廳和眺臺的廳堂，聲場難以均勻覆蓋，同時由于傳播距離較長，前后場聲壓級差異較大。[Page]
    分散式供聲：以吸頂揚聲器或者小功率聲柱為單元，采用多個單元分散布置以滿足各個區域的擴聲需求。分散式供聲系統的優點是聲場均勻，而且由于揚聲器與聽眾之間距離很近，對于混響較大的聲場仍然能保持較高的直混比，保持較高的清晰度；缺點則是多個揚聲器產生較為嚴重的聲音干涉，產生梳狀濾波效應，使音質較差，同時由于視聽感覺不一致使得聽音感覺不夠自然。分散式供聲系統多用于會議及廣播擴聲系統。 
    分區式供聲：將揚聲器按不同的區域輻射，放置在不同的區域分區供聲，每一組揚聲器覆蓋其附近一塊區域的音箱擺放方式。分區式供聲系統的優點是保證整個聲場內聲波均勻覆蓋，聲場均勻度高，語言清晰度高，缺點是不同的音箱距聽眾的距離差較大時，到達聽眾的聲音有時間差，使清晰度降低，同時視聽一致感也較差。

二、場館介紹
    2009年農民春晚的錄制場地是在中國農業大學體育館。在北京奧運會和殘奧會期間，中國農業大學體育館舉行了摔跤和坐式排球的比賽。該工程于2005年9月15日正式開工建設。建筑面積約24000平方米。中國農業大學體育館共設觀眾席約8500個，其中固定座席約6000個自然席，臨時座席2500個自然席。
    作為首個完工的大學體育館，中國農業大學體育館從建設之初以實用和賽后利用為重點。體育館走廊的房頂并沒有做吊頂，露在外面的一些管子被涂成紅色和銀色。既節約了成本，也符合簡約的國際潮流。奧運會后該體育館將成為可承接羽毛球、乒乓球、體操、健身、排球、籃球、手球及室內足球等各類常規體育項目比賽的室內綜合體育館，并向學生和市民開放，也會成為國家隊訓練的基地。

圖1 場館內部構造

圖2 場館內部全景

圖3 2009年農民春晚主舞臺
    晚會的主舞臺位于場館內部的北側，舞臺寬約25米，舞臺深度約為18米，在主舞臺的正前方有一個直徑約為7.5米圓形副舞臺。(見圖3)
    觀眾席被設置在體育館內場地的南半部以及場地周圍的看臺上，場地內部的觀眾席被墊高了大約50公分。

三、現場擴聲系統
    對于這種在大型體育館內錄制的大型文藝演出來說，建立一套安全可靠穩定的擴聲系統是非常重要的。
    (一)揚聲器系統設計
    作為文藝演出系統，我們要求視聽一致的舒適聽感，同時為了兼顧眺臺下觀眾區域的聽音質量，在新的系統中采用臺口揚聲器集中供聲加輔助揚聲器對眺臺下進行聲音補償的混合式供聲系統。一方面，臺口揚聲器作為主揚聲器為整個聲場提供了干涉度小、清晰度高且與舞臺視覺一致的高品質聲音，另一方面起補聲作用的輔助揚聲器很好的解決了由于眺臺遮擋導致主揚聲器的直達聲無法抵達，造成眺臺下產生聲影區的問題。補聲揚聲器以較低的聲壓提高了其覆蓋區域觀眾區的直達聲聲壓級和總聲壓級，使聲場更加均勻，而且由于其聲壓級與主揚聲器基本持平或略小，同時對輔助揚聲器同時進行延時處理，使其輻射的聲波略晚于主揚聲器輻射的聲波到達，其時間差處于哈斯效應所許可范圍內，因此并不會降低主揚聲器帶來的定位感，也解決了不同揚聲器之間的時間差帶來清晰度下降的問題。
    1.主揚聲器的設置及選型
    在介紹演出場地的時候我們可以看出，由于場地和觀眾席的范圍非常大，場地內部的觀眾席與看臺上最高處的觀眾席落差達到將近10米，前后縱深差約為20米。從垂直方面考慮，若采用單只音箱供聲，所需音箱垂直覆蓋角α=2arctan(10.10/10) ≈88.4°，這顯然是單只音箱無法達到的，若采用傳統音箱組成音箱陣列則必然產生嚴重的干涉，大大降低聲場均勻度及音質；再從縱深角度來說，根據點聲源聲壓級差公式：聲壓級差=20lg(d1/d2)≈14dB，而一般情況下，當聲壓級相差10dB時，即認為響度相差1倍，因而前后聲場響度差異將會很大。而當我們采用近似線聲源，即線陣列揚聲器系統時，以上情況將會大大改善。線陣列揚聲器系統是由一列單元箱組成，這些單元箱按一定規則在豎直方向上排列，根據聲場需要排成不同的形狀。線聲源實際上可以看成由分布在直線上間距相同、間隔非常小、源強相等且同相位的大量點聲源所組成。要組成線聲源陣列需要三個必要條件：[Page]
    1)線聲源陣列的長度應不小于工作頻率范圍內最低頻率波長的一半； 
    2)聲源之間的距離不大于工作頻率范圍內最高頻率波長的一半； 
    3)線聲源陣列中個頻段的揚聲器單元必須排在一條直線上。
    一個理想狀態下的點聲源，例如一個揚聲器，會發射出一個球狀波形而不是一個圓柱狀波形。這種波形的波陣面在每個加倍距離上其影響的范圍為原距離的四倍，等于每當距離加倍，聲壓級將損失6dB。而在一個特定范圍的頻率下，一個線性聲源則會建立一個呈松散的圓柱狀的聲壓波陣面。因為波陣面的表面區域僅在水平面上擴張，所以每當距離加倍時，其影響的范圍也加倍，這等于說每當距離加倍，聲壓級水平將損失3dB。因此說陣列線音箱的最大優勢就是在給定數目揚聲器的情況下，它的長距離傳送水平會比非線性陣列音箱，或者點聲源音箱系統強大很多。但是理論上一個無限長的線陣列才能形成圓柱形波陣面，即柱面波。對于通常僅有幾米長的線陣列揚聲器系統的聲輻射不可能形成完整的、理想的柱面波，而實際的線陣列揚聲器系統在一定范圍內，也會表現出有距離加倍聲壓級衰減3dB的近場區域，這是因為線陣列揚聲器系統依照線陣列的基本理論在一定條件下的“近似性”所帶來的結果，但是線陣列對于近場與遠場聲輻射的聲衰減是不一樣的，當離開聲源的距離以倍增時，近場的聲壓衰減為3dB，而遠場聲波呈球面波輻射，此時每增加一倍距離聲壓衰減為6dB。線陣列聲源從近場區到遠場區是一個逐部擴展的過程，沒有明顯的界限，所以它的界限的劃定是由線陣列系統的使用方式確定的。
    線陣列揚聲器系統與傳統組陣系統的主要區別是傳統組陣的單元音箱是通用型產品，它既可以用于組陣也可以單獨使用。而線陣列揚聲器系統的單元音箱是根據線陣列的要求，專門研發的單元產品，不能單獨使用，這是兩者在形式上的區別。普通音箱可以組成陣列，但是音箱與音箱之間的聲干涉較嚴重。線陣列音箱經過與普通音箱不同的設計，使垂直輻射角度很小，組成陣列后音箱與音箱之間的聲干涉較小。如果就擴聲聲場而言，傳統組陣雖在物理尺度上能夠很好的組合在一起，但是系統的聲輻射圖形，如指向性、頻率特性都是很難控制的。因而會造成觀眾區聲場不均勻，特別是擴聲聲場會出現明顯的聲干涉。這些會給擴聲質量帶來負面效果，這也是傳統組陣在擴聲應用中最“致命”的缺陷。線陣列揚聲器系統保持了傳統組陣可提供大聲壓級和遠距離供聲的特點，而且具有良好的指向特性，它的水平覆蓋角取決于單元音箱，垂直覆蓋角度是由單元音箱的數量和音箱間吊掛的角度來確定的，聲輻射圖形容易控制，供聲聲場均勻，聲場的聲干涉也小，因而對農民春晚的系統而言，主揚聲器選擇線陣列系統有利于提高擴聲質量。
    線陣列可分為直線型線陣列、弧線型線陣列以及J型線陣列。直線型線陣列系統各單元之間的干涉最小，傳輸距離也最大，前后場聲壓級差最小，在遠場范圍內音質最好，但是遠近場臨界距離太大，垂直覆蓋面積較小，對于高度差達10米的農大體育館無法覆蓋近場；弧線型線陣列遠/近場臨界距離較短，垂直覆蓋面積較大，但是各單元之間聲音的干涉較大，同時遠近場聲壓級差過大；J型線陣列是前面兩者的結合，是遠近場采用不同的陣列形式，同時兼顧遠近場，但是線陣列形狀不連貫導致中間位置的聽感不夠好，但是對于農大體育館這樣觀眾席有高度差的場地來說，正好形成了一個合理的分區。在本次活動中我們選擇了EAW KF761線陣列音箱，KF761是EAW推出的一款大型線陣列揚聲器系統，可用于體育場、大型劇場的演出，保證均勻的聲場涵蓋。主音箱分為兩組，分別懸掛在舞臺兩側靠前的位置，每組最頂端揚聲器距離地面約6.5米，底端揚聲器距離地面約3.5米，每組由8只EAW KF761組成，角度分別向內側扭轉指向主要觀眾區域(領導們所在的場地內部觀眾區)，這樣就解決了“中空”問題(見圖4、圖5)。但這將主音箱組的角度向內側旋轉后位于場館內東西兩側看臺上的觀眾區的聲覆蓋就會比中間觀眾區域不均勻，所以我們設置了在兩側看臺上的輔助揚聲器，輔助揚聲器的設置我們將在后面討論。 [Page](未完下期待續)

右側主揚聲器搭建位置