解析北京冬奥会开闭幕式音响系统设计中网络结构、扬声器分布、现场拾音、音乐同步播放的设计思路，阐述设计方案实施中对声场、无线传声器系统的调整，以及对整个系统的调试。

　　国家体育场(鸟巢)因举办2008年北京奥运会为人们所深刻记忆，2022年在这里迎来了第24届冬季奥林匹克运动会(以下简称：北京冬奥会)及第13届冬季残疾人奥林匹克运动会(以下简称：北京冬残奥会)开闭幕式，北京成为有史以来座“双奥”之城，在绿色、共享、开放、廉洁办奥理念下，再一次向全世界的人们展现现阶段中国的精神、文明与科技。“双奥”开闭幕式总导演张艺谋以“一朵雪花的故事”向世界展示了一场空灵、浪漫、现代、科技的开幕式，表达了“世界大同，天下一家”的主题。考虑到节俭办赛、天气寒冷、疫情防控等因素，时长约100分钟的冬奥会开幕式的参演人数约3000人，比起2008年北京奥运会的15000人大幅缩减，声光电等技术的运用成为开幕式成功的关键之一。笔者就北京冬奥会开闭幕式音响系统 的设计及实施进行解析。

一、系统设计

　　1.1 系统设计重点考虑的要素

　　北京冬奥会开闭幕式音响系统的设计相比于其他演出来说，周期更长，需要考虑的因素和状况更多。其中，重点因素之一是系统的安全稳定问题;还有就是与2008年北京奥运会开闭幕式相比，此次显著的不同就是在多风多雪的冬季举行仪式，因此另一个重点因素就是风雪低温的室外环境对设备及系统运行的影响。

　　针对安全问题，音响设计团队协同硬件保障团队从系统设计以及设备选型、安装两方面入手。在系统设计层面，主要从系统扩声能量储备、系统传输链路、前拾音的多重备份、播放系统的冗余、天线的覆盖布局及集连、与OBS(奥林匹克广播服务公司)等机构的合作等多个方面入手。在设备选型、安装方面，安全主要考虑的问题有：抗风、抗雨雪和抗低温，设备安装涉及到的扬声器重量、吊挂位置的选择，拾音设备的选型等。

　　1.2 系统的网络架构

　　音响系统以扩声调音台及接口箱所组成的独立环形链路为基础，输出信号路由采用光纤传输至功率放大器 的星形链路，组成环形加星形的整体系统的网络架构。

　　现场音源主要是通过接口箱进入调音台系统的环形结构中，环形链接内的所有调音台能够共享任一接口箱的输入音源信号，经过处理后的音频信号，由调音台通过标准MADI协议输出至光纤矩阵(见图1)，再由光纤矩阵将输出信号传输到各点位接口箱，接口箱转换成模拟信号分配到全场各个区域的功放，如图2所示。采用光纤传输既满足了调音台 至扬声器系统的远距离传输需求，有效防止模拟信号因长距离传输所造成的信号衰减。

图1 MADI光纤矩阵

　　基于系统安全设计了充足的备份链路，在环路中设立同样配置的备用调音台，主备调音台并行形成同步操控，环路中所有的主备音源设备各自信号进入环路中不同地址的两个接口箱，调音台输出信号进入主备光纤矩阵，光纤矩阵分别链接至16台终端接口箱，将光纤信号转换成模拟信号，每个功放点位放设两台互为备份的两台终端接口箱，各输出一路模拟信号，形成主备2路模拟信号分别进入功放的主备输入口，这样组成了完整的输入部分环形手拉手系统，输出部分到各个功放点位采用双星形的主备系统结构，如图2、图3所示。同时，就调音台本身而言，其结构为双引擎网络架构，即每张调音台具备独立运算能力且实时同步的两个处理服务器(两个处理引擎)，可实现处理器之间的无缝切换。

图2 系统输出的主备架构

图3 系统输入的主备架构

　　1.3 扬声器系统

　　观众人数大约为30 000人，少于体育场总座位数的一半，采取间隔入座方式，分布在四面看台六层的大部分区域，形成密度不高、分布范围广的特点。这次扬声器系统设计中的另一特点，开闭幕式流动架设的扬声器近一半选用了国产产品，顶棚吊挂的扬声器有近一半选用了国产产品，并终保证了节目效果的良好呈现。

　　开闭幕式扬声器系统总计使用近500只扬声器、200台功放。在鸟巢顶棚内侧沿边处共计吊挂了276只扬声器，分为24组，两组用于舞台区域返送，其余22组均用于覆盖高层观众席。西侧主席台和东侧的主要区域的覆盖，各由8组12英寸线阵列扬声器，每组数量为12～16只;南北区域的覆盖，各采用3组12英寸线阵列扬声器 ，每组数量为9只。顶棚扬声器的吊挂见图4、图5。

　　为配合节目设计及演出的需要，场内的地面返送由24组双10英寸三分频线阵列扬声器组成，每组2～3只，其下配置1只双18英寸超低音扬声器，如图6所示。为配合在西侧顶棚吊挂的2组对表演区域覆盖的线阵列扬声器，在地面设置4组双10英寸三分频线阵列扬声器，每组2～3只，作为覆盖场地内的返送，但为保持整个地面设计的完整性，整个场地的演出部位并没有可以遮掩放置返送的位置，因此放置于西侧的跑道。主席台前沿采用小体积的双8英寸扬声器，但功率足够覆盖到指定范围，并且便于隐藏。宣誓台采用双6英寸的定制扬声器，如图7所示，以配合舞美和特殊投射角度的要求。在后舞台、表演区边缘、出入口以及后台区域，大量使用了单15英寸扬声器进行覆盖。

图6 场地内的返送扬声器

　　值得一提的是，该项目选用的国产扬声器，均满足IP55的防尘、防水等要求，且安装前均放在零下20℃的冷库里进行了测试，以适应风雪、低温等室外环境。经过严格甄选、测试后的扬声器才安装到鸟巢，保证了每一只扬声器的使用万无一失。

　　功率放大器采用远程网络化管理，可以实时控制、监看所有的扬声器、功率放大器的参数、运行状态，系统通过声场软件设计好参数及吊挂角度，确保在覆盖范围内响度及音色的一致性，在终的设计中同一阵列的覆盖下，声压差控制在6 dB(仿真软件的声压差在4 dB内)之内。

　　1.4 现场拾音

　　为保证安全、精准地拾取各个环节重要讲话与满足文艺演出对高质量声音与艺术审美之间平衡的要求，保证传声设备在各种室外环境下具有出色的频率响应及动态范围，保证万无一失，提前半年对各种传声器进行了纷繁复杂的测试。对于拾音方案的设计，在每个环节都采用无线与有线传声器相互备份的拾音方式，传输方式使用了模拟、光纤和多路无线并行的传输方式，充分保障了各个环节的声音质量和安全性。

　　开幕式有三个重要的语言拾音环节，分别是中华人民共和国主席宣布开幕，北京冬奥组委主席和奥委会主席致辞，运动员、裁判员、教练员宣誓。

　　在国家主席宣布开幕的环节中，共有4支有线传声器进行拾音，如图8所示。其中，2路传声器信号采用互为备份的有线方式传输，另外2路传声器信号至数字无线发射机以频率分集接收进行无线传输，2路无线传输之间同样互为备份，实现了四备份，确保安全。之所以选择这个传声器，多重测试证明其在低温环境下能保证高灵敏度、高动态范围及超心形指向的特性，其在低零下10℃时仍然保持传声器的可靠性。

　　北京冬奥组委主席和奥委会主席致辞使用2支双拾音头鹅颈电容传声器，并带可自由调节高度的传声器杆，每支含有2个拾音头，如图9所示。2支双路鹅颈传声器各自进入无源音分，以4路音频信号进行传输，同样采用上述2路有线、2路无线的四备份方式传输至系统接口箱。

图9 北京冬奥组委主席和奥委会主席致辞使用的双拾音头鹅颈电容传声器

　　运动员、裁判员、教练员宣誓环节共有4位宣誓代表，现场使用了8支MK41有线电容传声器，如图10所示，分为4组进行拾音，每组2支互为主备，另有1支无线传声器领夹无线传声器绑在电容传声器杆进行隐藏安装，并使用Y型线进入2个ADX1腰包发射机进行信号回传，实现无线传声器双备份。出于防疫要求，现场音响人员不能近距离给4位宣誓佩戴无线传声器，选择使用定做的可控升降传声器杆，可远距离控制传声器升降，传声器杆带有高度记忆功能，可实现传声器高度精准定位。这4组传声器的使用位置位于体育场南侧国旗杆附近，距离控制台有将近300 m的距离，使用模拟线路传输会有很大的衰减，另外还有来自大屏幕的干扰，因此此处信号回传至调音台接口箱采用了一条专门定制的模拟线缆，增加屏蔽层，以保证安全；另外一种信号回传方式，采用一台带话放功能的数模转换设备，除提供近距离对传声器供电外，将光纤信号并入光纤网络中，再经矩阵传回至调音台。

图10 宣誓环境使用的MK41有线电容传声器

　　对于无线传输路由的设计，天线接收方案设计了4组指向性天线进行信号接收，分别架设在国家体育场四层及一层看台，四层看台放置的螺旋天线用于主舞台无线信号覆盖，一层看台架设的天线用于接收国旗杆附近使用的无线设备，包括运动员宣誓环节、合唱队等使用的无线传声器，如图11所示。射频传输链路采用了A+B路进行独立信号合并与分配，现场使用了4台射频矩阵合并器和2台天线分配器。其中，2台射频矩阵合并器放置于一层，用于接收合并来自国旗杆附近无线设备的天线信号，再传输至四层设备机房;来自四层的天线信号则直接进入位于设备机房内的2台射频合并器进行信号合并，射频合并器根据实际应用情况，选择开关不同区域的接收天线，来检测各个区域的射频信号覆盖情况和扫描单个区域干扰信号与接收信号强度。由于现场无线传声器、IEM耳返信号覆盖范围大，系统搭建时使用的天线馈线长度较长，在前期施工时，对所需铺设的每一条射频馈线的信号衰减值进行了测试，据此在系统设置中进行相应的增益补偿。

图11 无线传输路由

　　1.5 现场音频同步播放系统

　　音乐播放贯穿整个开闭幕式所有环节，开幕式从开场到结束共计18个音乐场景，闭幕式共计30个音乐场景。同时，音乐播放是整个开闭幕式的重要环节，在音乐播放的同时，还需要给灯光、舞台机械、大屏等其他系统发送对应的时间码，从而使音乐、灯光、舞美达到完美的联动效果，因此，音乐播放系统的安全性会关乎整个开闭幕式的成败，由此对音乐播放系统的安全性提出了更高的要求。而OBS对音频制作有固定格式要求，音频制作格式采用2.0立体声+5.1.4三维声。

　　为实现多通道播放、主备系统冗余、同步时码的需求，音乐播放系统选择使用控制主机、播放器及QLAB播放软件、Dante制式的虚拟声卡，如图12所示，可实现多种格式的传输转换，满足上述需求。

图12 音乐播放系统架构

　　为了保证音乐播放系统的安全性，系统中使用了4台搭载播放软件的音频工作站作为播放器，分2组联动，通过虚拟声卡输出音频信号。其中，每2台为一组进入到同一台具有IP转基带功能以及自动冗余切换路由功能的EXBOX.MD接口转换器中，信号由电脑虚拟声卡经Dante到EXBOX.MD转成MADI信号，通过AD 2.XT转换成模拟信号后进入接口箱;同时，另一组2台播放器通过相同的方式进入一台不同地址的备份接口箱中，实现音频播放的四重切换。值得称道的是，EXBOX.MD所采用的增强型自动冗余切换(EARS)技术，可将导频信号添加到播放器的Dante通道上，EXBOX.MD自动监测导频信号，当检测到播放器导频信号丢失后，系统可以在1/48 ms内基本无缝切换至另一台播放器，从而大限度保障音频播放系统安全稳定运行。

　　二、方案实施的难点及解决方案

　　2.1 声场的设计

　　鸟巢的混响时间以及本次开幕式所要求的全场覆盖给音响设计带来了不少挑战。鸟巢是全世界少数考虑到吸声的露天体育场，它有两层带孔的膜结构，分别是固定于钢结构上弦的透明ETFE膜和固定于下弦的PTFE膜，下层的膜具有一定的吸声作用，场馆混响时间的设计值在5 s左右。但从2008年投入使用至今，由于吸声孔被灰尘堵塞得越来越严重，鸟巢的混响时间变得更长了。在这一条件下如何保持语言的清晰度是音响设计的难点之一。

　　针对这一问题，利用仿真软件构建国家体育场的细节模型，结合扬声器官方数据建立扬声器分布安装方案模型，模拟出声场覆盖、声压等信息，如图13所示，确保声场可以实现均匀覆盖。在终的实施过程中，在模拟设计方案基础上又增加了扬声器及配套功率放大器 ，主要原因在于：是经过多次试验发现，国家体育场的反射声能量过大;第二是希望尽可能让所有观众听到直达声，拥有更佳的动态范围。因此，增加线阵列组让系统有更多的声能裕量，保障整体声压的同时，有更多的直达声，声音更加清晰。

图13 声场覆盖仿真

　　2.2 扬声器系统的选用和安装

　　北京冬奥会举办期间，北京低温可接近-20℃，还伴随有大风以及雨雪天气，而国家体育场是露天场馆，恶劣的天气和环境对扬声器系统的产品质量和施工带来了诸多限制因素。所以对扬声器系统的选用，一方面严格筛选技术参数与性能符合要求的产品，另一方面合理设计规划扬声器的安装。

　　为了适应室外环境，扬声器系统均满足防水防尘等IP55。为应对大风天气，对每组扬声器的吊挂通过软件进行受力计算，计算出每一只扬声器的每一个插销的受力和拉伸力重量，据此设计出充足的扬声器系统吊挂安全系数，并定制专门的吊挂件，在每一个吊架、电动葫芦及单个扬声器上都做了独立的安全措施，从物理层面上确保扬声器的吊挂安全性，如图14所示，并防止扬声器组因大风出现随风摆动的情况。安装完成后对每个吊挂部件均进行了受力测试，限受力超过需受力承重的两倍以上，吊挂的扬声器系统在七疾风的作用下也仅有小幅度摆动。

图14 扬声器的吊挂

　　低温天气对于系统性能有大的负面影响，为了保证功率放大器在低温天气下仍能良好运行，为各处的功率放大器点位设计了保温棚，并采用物联网技术对棚内温度和湿度实时监控，通过功放管理软件对功率放大器的工作状态实时监控，以保障整套扬声器系统的正常工作。

　　2.3 系统调试

　　低温多变的天气让系统调试变得非常困难，现场选用了P1测量平台和Smaart软件双重监控，如图15所示，对整个系统进行频响曲线和延时相位的调整。

图15 P1测量平台和Smaart软件

　　在系统调试时，将现场观众席划分为三个区域，分别是一层观众区、主席台区域与高层观众区。一层观众区域是由地面扬声器与吊挂扬声器共同覆盖，需要处理二者之间的延时差。高层观众区域主要调整扬声器的整体均匀度与扬声器之间的衔接的延时。主席台区域则相对复杂，该区域由地面扬声器、吊挂扬声器与主席台补声扬声器共同覆盖，需要处理好这三部分之间的比例与延迟关系，否则将会出现啸叫等严重问题，通过测量结合距离计算，得出延时值，输入到系统中。

　　国家体育场的声学环境较为复杂，由于它的顶部设计采用了椭圆形半闭合型结构，造成定向反射声较大，特别是低频声。同时，由于室外环境的多变，有诸多的不确定因素如空气湿度的变化、昼夜较大的温差等，这些均会对声音的频响产生影响，导致听音效果的不确定性。在排演过程中发现，温湿度变化导致高频吸收变化引起场内扩声频率响应发生变化，因此，对整体扬声器的频响曲线使用FIR调整，配合调音台上用EQ以及多段压缩的修正，以解决由于温度变化所带来的系统声音变化。

　　2.4 频率规划和无线传声器系统的应用

　　北京冬奥会开闭幕式现场频率规划方案与以往的演出类节目不同之处在于，需要经过工信部、奥组委、无线管理委员会审批，因为现场不仅有开幕式音响团队的无线设备，还有多个国家电视台、OBS团队的转播无线设备、ENG(电子新闻采编)设备，以及国家体育场周边的无线设备等在同时使用。这就需要对场内所用无线设备进行精准的频率规划与管理，更有效地利用无线频谱资源。

　　在无线管理委员会的协助下，现场音响团队全力支持开幕式无线频率规划的整体方案，对审批的无线频点进行全天候监控与优化，避让开700 MHz以上用于5G传输的无线频率段，以及奥运会各国家转播团队使用的无线频点，为现场的多通道无线传声器系统设置部署了安全的频点。

　　对于无线传声器系统的应用，现场使用了多通道数字调制技术，可有效节约频谱资源，做到等间距布置频点，在有限的频谱资源空间内，避让开特定外部频率干扰，并结合远程控制、干扰检测与规避功能，做到当频率干扰发生时，自动切换至备用频率使用，声音无任何中断。同时，数字无线传声器系统在音质方面较模拟无线系统更清晰，获得较好的音频动态范围、频率响应，音频信号无压缩。

　　对于无线频谱的监测，现场架设了2台频谱管理器，一台用于备份频率的储备，便于发生频率干扰时及时调用备份频率，另一台用于在鸟巢进行24小时全天候频谱扫描工作。在无线信号监听方面，为满足监测现场射频环境，以及监听每一个无线传声器通道音频状态的需求，演出现场架设了Wireless Workbench频谱管理基站及Wavetool无线监听基站，这一组合既可实现对不同品牌无线传声器进行射频信号强度、电池电量信息等关键参数的监控，还可实现对无线音频信号监听的功能，Wavetool监听工作站采用Dante网络音频传输方式，可以做到简约、高效地监听网络中的所有信号。

图16 无线频谱、无线信号的监测

　　3 结语

　　张艺谋导演说“浪漫、唯美、现代”是整场演出的美学立脚点，而有了可靠的技术支撑以及所有演职人员的全力付出，所有的“美”得以完整、有效的呈现，整个音响团队正是其中不可或缺的一环。

　　音响团队能够安全、顺利地保障北京冬奥会开闭幕式的圆满成功，源于音响团队成员的辛勤努力，由专家顾问成员、设备提供商技术总监、现场技术执行组成的百余人队伍圆满的完成了开闭幕式音响设计与实施，实现了系统强大的集成控制功能，分区灵活的适用性，以及稳定、冗余的安全性。

　　选自 2022年《演艺科技 冬奥特刊》 钟继华《北京冬奥会开闭幕式音响系统的设计及实施》。转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技 冬奥特刊》。

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