经典民族歌剧《江姐》应用HOLOPHONIX声音全息扩声系统
前 言
为庆祝中国共产党成立100周年，在文化和旅游部艺术司，中央军委政治工作部宣传局的支持下，由中国歌剧舞剧院重排制作的经典民族歌剧《江姐》于2021年8月28日-30日在天桥艺术中心大剧场上演。
“江姐” 是民族歌剧《江姐》的原型，是贯穿全剧的灵魂人物。此次重排是在尊重原作的坚持上进行创新，制作。在经典民族歌剧《江姐》2021版中，音响系统的主导设计理念是消除扩声音箱电声的干扰，还原乐队，歌剧演员真实的声音。扩声系统采用了创新设计，首次在民族歌剧中运用“声音空间化技术”的全新扩声理念，力求把声音艺术提升一个新的维度。由妙音科技公司技术团队配合执行共同完成此次声音全息扩声系统的制作。扩声系统采用了法国AMADEUS（莫扎特）扬声器系统，以及HOLOPHONIX(声音全息)系统。
声音全息系统的安装调试
音响技术团队经过对天桥艺术中心大剧场现场勘查和仔细研究了解到，大剧场观众席的结构为一层池座加二层楼座结构设计，共1600座，从台口到最后一排观众席纵深约为30米。台口宽度为18米，从舞台面到台口顶部为10米。在大剧场乐池上方提供了10个吊点，每个吊点都可以承重500KG以上，这对做重建声场的音响系统设计提供了非常好的吊挂条件。在掌握到相关场地数据后首先在CAD图纸上做扬声器布置摆位，主要是为了观察调整扬声器位置和角度对场地的大致覆盖情况，然后再将相关数据导入到计算机声学设计软件 – EASE Focus进行声学模拟。
在Main主扩声部分，设计安装了12只15寸同轴点声源扬声器，布置时将扬声器一字排开，采用WFS（Wave Field Synathsis）波场合成算法，每只扬声器中心间距为1.2米，目的是为了覆盖池座中后场以及楼座观众席。通过声学模拟调整扬声器的高度、覆盖角度等参数后，最终得到一个很好的参考依据。在不影响剧场台口上方LED屏的基础上将Main扬声器组高度设置在10米，倾斜角为8度，得到的结果是在每个倍频层对覆盖的观众区都能有非常好的均匀度以及清晰度。
（Main扬声器组以1000Hz，1/3倍频层的声压级覆盖图以及分布图）
（Main扬声器组以4000Hz，1/3倍频层的声压级覆盖图以及分布图）
在台沿处还设计了15只6寸同轴点声源扬声器（加载WFS波场合成算法），作为WFS系统的Antenna与WFS Main协同工作，主要覆盖前区1-5排观众席区域。由于前区观众离舞台较近，为了得到更好的声像定位和更均匀的声压级覆盖，扬声器的间距应尽量减少，所以将每只扬声器的中心间距设置为1米，高度为1米，扬声器顶部与台口齐平，既不影响舞美也能满足扩声需求。在WFS系统的Antenna与WFS Main 以及超低音系统协同工作后，全场观众区都可以获得均匀的声压级覆盖效果。
（Antenna扬声器组以1000Hz和4000Hz，1/3倍频层为例的声压级覆盖图）
有了一系列设计指导为依据，设备进场就可以开始安装调试了。在安装过程中必须严格按照设计指导的要求来执行。
（准确测量和调整每只扬声器的中心间距以及倾斜角度）
（主扩声WFS MAIN阵列AMADEUS PMX15扬声器组吊装完成后的效果）
（位于台沿处WFS Antenna阵列 AMADEUS C6扬声器组）
接通链路后音响工程师便开始系统调试，首先在HOLOPHONIX系统的“Designer”上进行空间建模，把每个扬声器在实际空间中的相对坐标输入系统，才能更准确地做算法处理。然后为Main与Antenna扬声器组分别加载WFS波场合成算法，通过独立的母线输出，在HOLOPHONIX做系统融合，根据需要灵活的调整相关参数。为了获得更好的一致性，首先在一条纵轴线上校正WFS Main系统与WFS Antenna系统的延时对齐，再调整前后场的声压级匹配，最后与超低频扬声器相结合。整套扩声系统非常快速地调试完成后，最终在全场取8个点位进行采样测试验证，得出结果为全场的声场均匀度在±3dB左右，平均声压级都在97dB以上，完全满足歌剧《江姐》的扩声需求。
（HOLOPHOINX中扬声器位置建模）
在整个扩声系统上都采用AoIP数字网络传输架构，运用了DANTE传输协议的设计思路，它的优势在于可以通过网络灵活的获取和传输并自由地分配信号，而且在每个节点都可以实现主备份信号自动切换。这次在多个区域设置网络节点，例如在舞台上场口处和顶上隔栅层都布置了功放系统，可以减少扬声器线缆长距离传输的损耗。在前级部分主调音台采用DIGIGO SD10数字调音台，通过ORANGE BOX协议转换器将AES10（MADI)协议转换成DANTE协议后传输到后级系统，在Dante controller上可以实时监控到整个系统的传输状态。
乐队的组成及拾音话筒的分布
民族歌剧《江姐》由中国歌剧舞剧院交响乐团，民族乐团共同完成，交响乐团采用双管编制，民族乐器则由琵琶，笛子，二胡，三弦组成。乐队共用了32个通道，其中交响乐团弦乐组和民乐组均采用了SCHOEPS小振膜电容话筒；木管组和铜管组采用Neumann KM184电容话筒；打击乐组采用Neumann U89和Neumann KM184。
由于歌剧演员换装频繁故采用额头粘贴微型shure TwinPlex话筒；乐队拾音和歌剧演员拾音采用点和面相结合的拾音方式，使演出整体的声音更加丰满，自然，清晰。
（在HOLOPHONIX中做与乐团声像一致的声音对象混音）
将交响乐团的输入音源以编组形式分配到HOLOPHONIX声音空间化处理器中进行对象混音，例如将小提琴一组就作为一个声音对象，木管组也作为另一个声音对象等等，将整个交响乐团的所有声音对象按照实际的座位排列在HOLOPHONIX中做空间定位，通过WFS波场合成算法就可以自动的分配到每一个扬声器中，最终与交响乐团的声像将会完全一致，融为一体。
为了让在舞台上的合唱有更好的群感和临场感，除了演员自身佩戴的领夹话筒外，在舞台合唱拾音采用台口5只，后区4只S ENNHEISER mkh416强指向电容话筒；舞台演区二层合唱区域四只SENNHEISER无线话筒，来拾取整个舞台的声音空间感。将这些话筒信号也同样在HOLOPHONIX中进行空间定位后，不管合唱演员在舞台哪个方位演唱，观众能听到的就和舞台上看到是一致的。
这次为什么会使用全新的声音空间化技术的扩声系统？与传统的立体声系统相比有什么优势？
传统立体声系统是靠以左至右扬声器的位置的连续性，将声像的定位在那两组扬声器之间，通过简单地依靠左右声道之间的电平差来创建“结像”（例如：当声音稍稍放在左边时，那么右边的扬声器收到的声音就会比左边偏小一点。） 然而，立体声要求聆听者必须在中央的小部分区域才能更好地感知到声像定位，如果聆听者不完全在这个位置，那么将不能准确感知声音的定位，这是由人耳感知的工作原理决定的。为了判定声音的定位，人的听力系统主要依靠这样一个简单的原理：测量两耳之间声压和到达时间的差异。人的听力系统同样也依赖于“哈斯效应（Haas effect） ”。如果两个扬声器产生相同的声音，那么将会感知到的定位是来自最近的那只扬声器，即便是较远的那只扬声器的声压更高。因此，一旦聆听者的位置向场地一侧移动，那么最近的那只扬声器的声音将首先到达他们的耳朵，同时将会感知声音来自这一只扬声器，而导致定位无效。结果就是在立体声系统中，只有坐在观众区中央区域的聆听者对声音的定位的感知才是最有效的，这个位置被称为“最佳听音位（皇帝位）”，但对于不在正中间的大部分观众而言，他们过多听到的只是靠近他们一边的单声道。
而对于混音工作者来说，往往不得已将所有的声音定位置于中心，变成单声道混音，不仅是这种混音的艺术质量会受到缺少空间感的影响，而且这种单声道的混音也会增加掩蔽效应现象的发生。掩蔽效应往往发生在同一个声道中，当两个信号中出现有相同的频率而发生干涉叠加的时候，它会导致清晰度的损失，而这时候混音师往往会不得已使用多种音频处理方式，例如：均衡、压缩等，这些工具即便有时是出于艺术的目的，但它也会改变声音，而使得声音显得不那么清晰自然。
与立体声不同的是，WFS波场合成算法提供了一个比传统系统更宽的精准定位的区域，混音师可以将虚拟声源定位到所期望的位置，而这些声源对于全场的观众来说，所能感知到的声像都是一致的，从而打破了“最佳听音位（皇帝位）”这一说法。同时得益于WFS算法的特性，将会减少不同源之间的频率掩蔽，从而使得声音变得更加的容易理解，更加的清晰自然。
WFS波场合成算法的工作原理及使用
WFS波场合成是一种声音空间化算法，它的工作原理则是基于惠更斯的原理。当一个声音发出时，它是作为一个波阵面在空间中向前传播的，即振幅和相位相等的面，都可以看成由一系列连续的次声源组成。这些次声源共同产生了下一个波阵面，以此类推。WFS算法的目标是利用多个扬声器组成一个阵列来重新构建一个波阵面，从而可以合成出任意时刻的虚拟声源。聆听者不仅能够感知其横向的定位，还能感知虚拟声源的距离。
该算法的核心是使用精细计算的延迟和电平差异重新构建一个自然波阵面，由于扬声器声场之间的相互作用，弱化了单只扬声器指向性的影响，其结果是，在扬声器阵列的听音一侧，不会感觉声音是从扬声器发出的，而是从“空间”里发出的。无论你处在什么位置，声像位置始终是正确的，不会随听音位置的改变而改变，而且当声源或者听音者移动时，声像位置也能保持正确。从而使得每位听众都将能够感知到声音来自于想要的方向，无论观众置身于场地中何处，“皇帝位”不复存在，每一个座位都将成为最佳听音位置。
可以认为，惠更斯原理定义了声音重放的最高目标，即同时保持声音的时间特性和空间特性:当用连续分布的扬声器覆盖某个波阵面，并以等同于原声源在该位置产生的声场强度的信号驱动各扬声器时，就会完美地重建原声场的时间和空间特性。
如何做到全场的观众席都能有同样的听音感受？
这是由于合理的扬声器布置和波场合成算法相结合有关。对于前排的观众而言，由于在台沿处布置15只扬声器，密集的扬声器有助于更好的波场合成，而且几乎贴着乐池边上，可以更好重建出整个交响乐团的声音轮廓，同时也能把演员的声像拉到舞台上。随着观众席台阶不断抬高，主扩声扬声器与观众和舞台上演员之间的夹角逐渐减小，从而对声音在垂直面上的感知也逐渐模糊，加上准确的声像定位，和观众的视线主要都集中在舞台上，根据心理声学特性，当视觉做为主导，听觉与视觉同步时，便会使得观众感受到的声像就好像从舞台上的演员口中唱出来的一样。
总 结
中国歌剧舞剧院——周长海老师为这次的演出扩声系统总结道：此次民族歌剧《江姐》采用了全新沉浸声音响系统对于歌剧的艺术表现形式来说，完美的呈现一种自然和谐的声音，观众能够清晰的听到演员演唱和乐队伴奏，大而不燥，基本上感觉不到扩声的存在。
目前沉浸声音响系统已经应用于歌剧，音乐剧等不同的演出形式，得到观众，专家的认可和赞誉，也是未来音响发展的方向和趋势。
