梁 華

（同濟(jì)大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海 200092）

網(wǎng)絡(luò)化劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計

梁 華

（同濟(jì)大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海 200092）

介紹CobraNet 網(wǎng)絡(luò)音頻協(xié)議，著重說明網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)中的應(yīng)用；結(jié)合劇場具體實例，闡述網(wǎng)絡(luò)化劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計與特點。

網(wǎng)絡(luò)；CobraNet；擴(kuò)聲系統(tǒng)；熱備份

目前，大型劇場舞臺擴(kuò)聲系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了數(shù)字化，而且正在向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。數(shù)字調(diào)音臺和數(shù)字信號處理技術(shù)的廣泛運用，使系統(tǒng)不僅具備模擬設(shè)備的性能和功能，而且通過數(shù)字化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，使擴(kuò)聲系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)的變化，系統(tǒng)的處理能力和管理能力大為增強(qiáng)。

1 CobraNet 網(wǎng)絡(luò)

CobraNet是美國Peak Audio 公司在20世紀(jì)90年代開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)音頻協(xié)議，它和EtherSound是目前音響領(lǐng)域比較成熟的兩款網(wǎng)絡(luò)音頻傳輸協(xié)議，由于它們具有良好的支持音頻傳輸?shù)哪芰?，因而，被越來越多的音響廠商和機(jī)構(gòu)認(rèn)可，正在上升為新的、公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

CobraNet完全兼容以太網(wǎng)，其數(shù)據(jù)是不壓縮的數(shù)據(jù)流，音頻采樣速率支持48 kHz和96 kHz，分辨率支持16 bit、20 bit和24 bit三種，默認(rèn)為48 kHz、20 bit，音質(zhì)可達(dá)廣播級。CobraNet把音頻信號打成數(shù)據(jù)包，以便在以太網(wǎng)上傳輸，這種數(shù)據(jù)包稱為Bundle。一個Bundle的數(shù)據(jù)量可以包含8路20 bit的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，Bundle的數(shù)據(jù)流達(dá)到8 Mbps左右。在100 Mbps快速以太網(wǎng)上，CobraNet可以支持64路音頻信號，也就是說，可以傳輸8個Bundle，如果需要傳輸更多音頻通道，只需提高網(wǎng)絡(luò)寬帶。若工作在千兆以太網(wǎng)上，CobraNet可搭載640路音頻數(shù)據(jù)。

許多CobraNet設(shè)備具有2個以太網(wǎng)接口。盡管這些接口不能同時工作來增加有效寬帶，但卻是提高系統(tǒng)冗余度和容錯性的好方法。如果主以太網(wǎng)口出現(xiàn)問題，比如網(wǎng)線故障或交換機(jī)的相應(yīng)端口出了故障，備用的以太網(wǎng)口就能自動啟用，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸不會中斷。CobraNet除傳輸音頻信號，還可以傳輸RS485串口通信數(shù)據(jù)及其他非同步IP數(shù)據(jù)，并且支持SNMP簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。因此，CobraNet網(wǎng)絡(luò)就功能性而言，對于一些需要遠(yuǎn)程控制或集中管理的場所，例如大型劇場、會議系統(tǒng)、體育場館、主題公園、交通樞紐等，顯得非常實用。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖希珻obraNet網(wǎng)絡(luò)采用星形接法，如圖1所示。由于日本YAMAHA公司支持CobraNet協(xié)議，且后述的實例也采用YAMAHA產(chǎn)品，因此圖1中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均采用YAMAHA產(chǎn)品，如數(shù)字調(diào)音臺（M7CL、LS9、01V96）、數(shù)字矩陣處理器（DME64N、DME24N）、音頻I/O（DME410-C、DME8i-C、DME80-C）、網(wǎng)絡(luò)功放（TX6n），它們都接至網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。其中，數(shù)字調(diào)音臺和網(wǎng)絡(luò)功放必須配插上I/O網(wǎng)卡MY16-CII，才能接入CobraNet網(wǎng)絡(luò)，而數(shù)字處理器DME、DME音頻I/O則可直接接入網(wǎng)絡(luò)。這樣，只要在DME音頻I/O接入傳聲器、CD、MD等，在功放接上揚聲器，那圖1就成為一個完整的擴(kuò)聲系統(tǒng)了。

CobraNet允許數(shù)據(jù)從一個端口通過5類雙絞線傳到另一臺設(shè)備的傳輸距離為100 m，若通過光纖傳輸可達(dá)2 km。CobraNet傳輸延遲有5.33 ms、2.66 ms和1.33 ms三種固定延時，這些延遲是人耳感覺不到的，但對現(xiàn)場演出來說5.33 ms延時是無法滿足的。因此，CobraNet比較適合于固定安裝的大型場所，如劇場、體育場館等。而對流動演出等場合，則可用延時極短的EtherSound網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

由于CobraNet采用星形網(wǎng)絡(luò)，與采用菊花鏈形式（級聯(lián)式）或環(huán)形的EtherSound網(wǎng)絡(luò)相比，CobraNet具有一個顯著優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)呈分布式配置，且便于添加設(shè)備或刪掉設(shè)備。雖然它也有缺點，即處于網(wǎng)絡(luò)中心的以太網(wǎng)交換機(jī)一旦出現(xiàn)故障，將影響所有設(shè)備，但這個問題可用交換機(jī)的備份辦法解決（后文將有詳述）。

2 網(wǎng)絡(luò)化劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計

下面結(jié)合一個劇場實例，說明網(wǎng)絡(luò)化劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 劇場的功能定位和指標(biāo)要求

本劇場是某文化中心的一個多功能劇場，功能定位是綜藝演出和重大會議使用，還可用于電視轉(zhuǎn)播。因此，擴(kuò)聲系統(tǒng)要求音質(zhì)好，由于是多用途的，故要求滿足GB/T50371-2006《廳堂擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中多用途類擴(kuò)聲系統(tǒng)一級指標(biāo)的要求。對系統(tǒng)要求采用三聲道擴(kuò)聲方式。由于舉辦的會議重要，因此，對系統(tǒng)的安全可靠性要求特別高。而且，文化中心除了本劇場之外，還有其他多個會議廳，既要求每處能獨立控制，又能實現(xiàn)集中管理。為此，本劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)形式，還要有完善的備份冗余設(shè)計。

鑒于上述功能要求，本劇場設(shè)計采用數(shù)字?jǐn)U聲設(shè)備（傳聲器、揚聲器系統(tǒng)除外）和CobraNet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并實現(xiàn)系統(tǒng)的熱備份。系統(tǒng)的熱備份包括三個方面：

（1）網(wǎng)絡(luò)的熱備份；

（2）硬件（設(shè)備）的熱備份；

（3）控制參數(shù)（工作狀態(tài)）的熱備份。

2.2 揚聲器的選型與布置

揚聲器系統(tǒng)的選型與布局是整個擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，因為聲學(xué)特性指標(biāo)中的多項重要指標(biāo)和最終的音質(zhì)效果都與此密切相關(guān)。

本劇場觀眾廳從舞臺起長約28 m、寬約34 m，只有池座。揚聲器系統(tǒng)選用美國著名品牌Apogee音箱。揚聲器系統(tǒng)布置采用典型三聲道布置方式，左、中、右三組主擴(kuò)聲音箱采用Apogee的ALA-3型線陣列揚聲器系統(tǒng)，單只ALA-3音箱為兩分頻，頻響65 Hz～17.5 kHz（±3dB）、600 W（RMS），最大聲壓級133 dB，水平指向角90°。每組用4只ALA-3音箱構(gòu)成線陣列，通過導(dǎo)波管耦合后形成90°×40°的覆蓋的角度，分別布置在舞臺口上方聲橋內(nèi)的左側(cè)、中間和右側(cè)，每聲道均獨立覆蓋全場。此外，選用2只Apogee AE12s2型超低音音箱，雙18英寸低音揚聲器，頻響30 Hz～105 Hz（±3 dB），最大聲壓級134 dB，暗裝在舞臺口兩側(cè)，為主擴(kuò)聲音箱延伸低頻下限。

左右拉聲像音箱采用2只Apogee AFI-8型全頻揚聲器，頻響53 Hz～17 kHz,指向性90°×45°，最大聲壓級131 dB，安裝在舞臺兩側(cè)，高度為2.5 m。另外，在舞臺臺唇暗裝4只Apogee SSM揚聲器，指向性90°×100°，頻響85 Hz～ 25 kHz，最大聲壓級118 dB，主要為前排貴賓席補(bǔ)聲，并作拉聲像用。舞臺返聽音箱用6只Apogee AFI-4揚聲器，頻響58 Hz～20 kHz（±3 dB），最大聲壓級128 dB。其中2只固定安裝在側(cè)臺，4只作流動擺放。通過EASE計算機(jī)輔助聲場分析表明，設(shè)計的擴(kuò)聲系統(tǒng)主要聲學(xué)特性指標(biāo)全面達(dá)到并超過多用途擴(kuò)聲系統(tǒng)一級指標(biāo)的要求。其RASTI值為0.49 ～0.64，語言清晰度良好。

2.3 數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計

本劇場擴(kuò)聲系統(tǒng)除傳聲器和揚聲器系統(tǒng)為模擬設(shè)備，其他如調(diào)音臺、音頻處理器、功放等設(shè)備全部數(shù)字化，并利用CobraNet傳輸技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。系統(tǒng)圖如圖2所示?？梢钥闯觯W(wǎng)絡(luò)形式與前述的圖1類似，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用星形接法。

調(diào)音臺由主、副調(diào)音臺組成，均為數(shù)字調(diào)音臺，互為備份。主調(diào)音臺采用YAMAHA PM5D型48路數(shù)字調(diào)音臺。為節(jié)省成本，副調(diào)音臺采用YAMAHA M7CL型32路數(shù)字調(diào)音臺。

兩款數(shù)字調(diào)音臺均支持24 bit/48 kHz，48路或32路傳聲器輸入通道和4路立體聲輸入通道均能提供兩組獨立的動態(tài)處理、延時控制、4段參數(shù)均衡等數(shù)字處理，并整合使用Add-On效果插件的內(nèi)部多功能效果器，提供更多的效果類型。16路混音總線輸出能滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用場合，包括主擴(kuò)聲、舞臺監(jiān)聽、播出等用途。

系統(tǒng)配有24支鐵三角ES937aML短槍式強(qiáng)指向性鵝頸會議傳聲器，以滿足大型會議使用，另外，還配有部分無線傳聲器和有線傳聲器。

傳聲器管理通過日本YAMAHA AD8HR 8路數(shù)字可遙控傳聲器前置放大器完成，前置放大器安裝在功放間位于主席臺一側(cè)，并安裝有功放、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換界面等設(shè)備。遙控功能整合在PM5D或M7CL調(diào)音臺上。目前設(shè)計4臺AD8HR共32路傳聲器前置放大器，可滿足同時使用32只有線傳聲器需要，若今后有擴(kuò)展需求，只需增加傳聲器前置放大器即可。AD8HR采用標(biāo)準(zhǔn)AES/EBU輸出，通過YAMAHA NHB32-C 網(wǎng)絡(luò)集線器，將AES/EBU格式信號轉(zhuǎn)換為CobraNet網(wǎng)絡(luò)音頻信號，進(jìn)入CobraNet音頻網(wǎng)絡(luò)。每臺NHB32-C網(wǎng)絡(luò)集線器可傳輸32路信號和控制信號至CobraNet音頻網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)設(shè)計兩臺NHB32-C互為備份。

數(shù)字音頻處理器采用YAMAHA DME64N。它具有強(qiáng)大的數(shù)字處理能力和編輯能力，可實現(xiàn)均衡、壓限、分頻、音箱處理、效果、反饋抑制、波形文件播放等多種功能，從工作原理上說，它與百威媒體矩陣（24 bit/48 kHz）類似，但它采用24 bit量化和96 kHz采樣頻率，因此，具有更好音質(zhì)和更大的動態(tài)范圍，更適合劇場等音樂演出場所使用。而且，DME設(shè)備支持CobraNet和EtherSound兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供許多網(wǎng)絡(luò)配件，可以方便地構(gòu)建任何規(guī)模和水平的擴(kuò)聲系統(tǒng)，并且DME設(shè)備具有MIDI、GPI、RS232/422和USB等接口，提供外擴(kuò)能力。

圖2中的YAMAHA ACU-C功放控制單元支持CobraNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用以控制YAMAHA的Tn系列和PC-IN系列數(shù)字功放。它具有16路D/A轉(zhuǎn)換器，將來自CobraNet的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并送至功放，然后推動揚聲器系統(tǒng)。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，具有如下的優(yōu)點：

（1）全數(shù)字處理且整個系統(tǒng)只要一次A/D和D/A轉(zhuǎn)換，有效避免信號處理過程中產(chǎn)生的信號失真，保證了高音質(zhì)；

（2）網(wǎng)絡(luò)化傳輸有效避免信號傳輸過程中產(chǎn)生的信號衰減；

（3）簡單的線路連接；

（4）可實現(xiàn)程序化管理，通過場景預(yù)設(shè)快速實現(xiàn)各種應(yīng)用模式的轉(zhuǎn)換，無須頻繁更改設(shè)置，大大減少了操作的復(fù)雜性；

（5）較強(qiáng)大的系統(tǒng)管理功能。

3 熱備份設(shè)計

熱備份設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計的一大特點。利用YAMAHA數(shù)字音響設(shè)備的特點和CobraNet網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，可以很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的不間斷備份——熱備份。

3.1 網(wǎng)絡(luò)的熱備份

圖2中有兩臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)SWITCH A和SWITCH B，通過如圖3所示的接法，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的熱備份（圖中的SWITCH A兩臺，實為一臺）。每臺YAMAHA的數(shù)字設(shè)備的CobraNet的接口均有主、副兩個接口，CobraNet的主、副接口分別接在兩臺交換機(jī)上，形成兩個獨立的信號分配傳輸網(wǎng)絡(luò)。

傳聲器前置放大器仍然通過CobraNet交換機(jī)將信號傳給數(shù)字調(diào)音臺，兩臺調(diào)音臺所接受到的信號是完全相同的。兩臺數(shù)字臺之間通過MIDI控制端口連接，通過內(nèi)部MIDI控制協(xié)議，使兩臺調(diào)音臺保持控制參數(shù)完全一致（如果兩個數(shù)字臺的型號相同，則控制參數(shù)可以保持一致，如果不同，只可以保證通道音量控制參數(shù)一致）。數(shù)字臺的信號通過CobraNet交換機(jī)傳送給數(shù)字處理器。

兩臺數(shù)字臺的輸出Bundle號是相同的，主調(diào)音臺的Bundle號優(yōu)先級別高，所以，數(shù)字處理器在正常情況下只會接受主調(diào)音臺的信號，一旦主調(diào)音臺出現(xiàn)故障，處理器則會自動接收副調(diào)音臺的信號，實現(xiàn)不間斷切換，由于兩個調(diào)音臺的控制參數(shù)一致，所以，音量及音色也不會有改變。

兩臺數(shù)字處理器所接收的Bundle號也是一致的，同樣通過Midi端口作控制同步連接，保持控制參數(shù)同步。數(shù)字處理器的信號通過CobraNet交換機(jī)傳送給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換界面。

兩臺數(shù)字臺的輸出Bundle號是相同的，主調(diào)音臺的Bundle號優(yōu)先級別高，所以，后端數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換界面在正常情況下只會接受主數(shù)字處理器的信號，一旦主處理器出現(xiàn)故障，則會自動接收副處理器的信號，實現(xiàn)不間斷切換，由于兩臺調(diào)音臺處理器的控制參數(shù)一致，所以，音量及音色也不會有改變。

3.2 調(diào)音臺與處理器的熱備份

要使兩臺調(diào)音臺之間以及兩臺數(shù)字處理器之間實現(xiàn)熱備份，首先要保證兩臺調(diào)音臺（處理器）之間的工作狀態(tài)完全一致，這樣，在設(shè)備切換時才能保證音量、音色不會有變化。YAMAHA所有型號的數(shù)字調(diào)音臺（處理器）其底層的控制都是采用同一套MIDI控制協(xié)議，利用外部的MIDI界面可以實現(xiàn)同型號或不同型號的數(shù)字調(diào)音臺（數(shù)字處理設(shè)備）實現(xiàn)通信，保持各種控制參數(shù)一致，如不同型號的數(shù)字調(diào)音臺（處理器）功能有所差異時，最少能保證相同功能部分的參數(shù)一致。

另外一個問題是要保證信號路由可以快速切換。不管用哪種傳輸方式（模擬或數(shù)字），兩臺調(diào)音臺（數(shù)字處理器）的每個輸入信號要求是一樣的，就是兩臺數(shù)字調(diào)音臺（數(shù)字處理器）處理的信號是一樣的。能否快速切換的關(guān)鍵就是調(diào)音臺（數(shù)字處理器）的后級設(shè)備——數(shù)字處理器（模擬輸出界面ACU16C）。

通過Audio Detector 模組檢測主調(diào)音臺信號狀態(tài)，一旦信號中斷，聯(lián)動Source Selector模塊自動切換。

調(diào)音臺和處理器采用CobraNet的連接方式，利用Conductor的管理功能，信號的路由可以依據(jù)優(yōu)先級別的高低，自動切換。從一個Conductor主控設(shè)備切換到另一個Conductor主控設(shè)備，切換時間不會被人耳覺察，非Conductor主控設(shè)備間的切換一般會在1 s左右完成路由的切換，無需人工干預(yù)。

3.3 功放備份

YAMAHA的PC-1N和T-N系列功放都具有狀態(tài)檢測和遙控功能，通過ACU16-C功放管理界面可以檢測功放的各種狀態(tài)，包括電源狀態(tài)、工作溫度、輸出功率、輸出電壓、負(fù)載阻抗等，同時，可以遙控功放的電源、音量、連接方式等等。

功放控制單元ACU16-C具有16路D/A轉(zhuǎn)換器，將來自CobraNet數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換成模擬信號饋入功放，可接16臺功放。利用ProLSI公司的功放管理軟件對功放的各種狀態(tài)與揚聲器系統(tǒng)的阻抗實時監(jiān)控，一旦功放或揚聲器系統(tǒng)的某些參數(shù)出現(xiàn)異常，軟件即會控制功放切換到備份功放上或關(guān)閉有故障的功放，保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備不會進(jìn)一步損壞。

總之，利用CobraNet傳輸技術(shù)和YAMAHA數(shù)字產(chǎn)品的特點，實現(xiàn)了系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)的雙機(jī)熱備份，從而大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

Design of Network Sound Amplifying System

LIANG Hua
（Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The network acoustic protocols CobraNet was introduced in this paper.Application of network technology in sound amplifying system was particularly emphasized.Meanwhile the design process and features of network sound amplifying system were expounded with specif i c examples.

network; CobraNet; sound amplifying system; hot standby

10.3969/j.issn.1674-8239.2010.05.006

（編輯 潘 浪）