網絡化劇場擴聲系統的設計

梁 華

（同濟大學 聲學研究所，上海 200092）

網絡化劇場擴聲系統的設計

梁 華

（同濟大學 聲學研究所，上海 200092）

介紹CobraNet 網絡音頻協議，著重說明網絡技術在劇場擴聲系統中的應用；結合劇場具體實例，闡述網絡化劇場擴聲系統的設計與特點。

網絡；CobraNet；擴聲系統；熱備份

目前，大型劇場舞臺擴聲系統不僅實現了數字化，而且正在向網絡化方向發展。數字調音臺和數字信號處理技術的廣泛運用，使系統不僅具備模擬設備的性能和功能，而且通過數字化技術與網絡技術的結合，使擴聲系統發生質的變化，系統的處理能力和管理能力大為增強。

1 CobraNet 網絡

CobraNet是美國Peak Audio 公司在20世紀90年代開發的網絡音頻協議，它和EtherSound是目前音響領域比較成熟的兩款網絡音頻傳輸協議，由于它們具有良好的支持音頻傳輸的能力，因而，被越來越多的音響廠商和機構認可，正在上升為新的、公認的國際標準。

CobraNet完全兼容以太網，其數據是不壓縮的數據流，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，默認為48 kHz、20 bit，音質可達廣播級。CobraNet把音頻信號打成數據包，以便在以太網上傳輸，這種數據包稱為Bundle。一個Bundle的數據量可以包含8路20 bit的數字音頻數據，Bundle的數據流達到8 Mbps左右。在100 Mbps快速以太網上，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，只需提高網絡寬帶。若工作在千兆以太網上，CobraNet可搭載640路音頻數據。

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

在網絡拓撲上，CobraNet網絡采用星形接法，如圖1所示。由于日本YAMAHA公司支持CobraNet協議，且后述的實例也采用YAMAHA產品，因此圖1中的網絡設備均采用YAMAHA產品，如數字調音臺（M7CL、LS9、01V96）、數字矩陣處理器（DME64N、DME24N）、音頻I/O（DME410-C、DME8i-C、DME80-C）、網絡功放（TX6n），它們都接至網絡交換機。其中，數字調音臺和網絡功放必須配插上I/O網卡MY16-CII，才能接入CobraNet網絡，而數字處理器DME、DME音頻I/O則可直接接入網絡。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聲系統了。

CobraNet允許數據從一個端口通過5類雙絞線傳到另一臺設備的傳輸距離為100 m，若通過光纖傳輸可達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網絡技術。

由于CobraNet采用星形網絡，與采用菊花鏈形式（級聯式）或環形的EtherSound網絡相比，CobraNet具有一個顯著優點是網絡呈分布式配置，且便于添加設備或刪掉設備。雖然它也有缺點，即處于網絡中心的以太網交換機一旦出現故障，將影響所有設備，但這個問題可用交換機的備份辦法解決（后文將有詳述）。

2 網絡化劇場擴聲系統的設計

下面結合一個劇場實例，說明網絡化劇場擴聲系統的設計。

2.1 劇場的功能定位和指標要求

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，還可用于電視轉播。因此，擴聲系統要求音質好，由于是多用途的，故要求滿足GB/T50371-2006《廳堂擴聲系統設計規范》中多用途類擴聲系統一級指標的要求。對系統要求采用三聲道擴聲方式。由于舉辦的會議重要，因此，對系統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，又能實現集中管理。為此，本劇場擴聲系統采用網絡形式，還要有完善的備份冗余設計。

鑒于上述功能要求，本劇場設計采用數字擴聲設備（傳聲器、揚聲器系統除外）和CobraNet網絡技術，并實現系統的熱備份。系統的熱備份包括三個方面：

（1）網絡的熱備份；

（2）硬件（設備）的熱備份；

（3）控制參數（工作狀態）的熱備份。

2.2 揚聲器的選型與布置

揚聲器系統的選型與布局是整個擴聲系統設計的關鍵，因為聲學特性指標中的多項重要指標和最終的音質效果都與此密切相關。

本劇場觀眾廳從舞臺起長約28 m、寬約34 m，只有池座。揚聲器系統選用美國著名品牌Apogee音箱。揚聲器系統布置采用典型三聲道布置方式，左、中、右三組主擴聲音箱采用Apogee的ALA-3型線陣列揚聲器系統，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音箱構成線陣列，通過導波管耦合后形成90°×40°的覆蓋的角度，分別布置在舞臺口上方聲橋內的左側、中間和右側，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，為主擴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，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只固定安裝在側臺，4只作流動擺放。通過EASE計算機輔助聲場分析表明，設計的擴聲系統主要聲學特性指標全面達到并超過多用途擴聲系統一級指標的要求。其RASTI值為0.49 ～0.64，語言清晰度良好。

2.3 數字化和網絡化的設計

本劇場擴聲系統除傳聲器和揚聲器系統為模擬設備，其他如調音臺、音頻處理器、功放等設備全部數字化，并利用CobraNet傳輸技術實現網絡化。系統圖如圖2所示。可以看出，網絡形式與前述的圖1類似，通過網絡交換機采用星形接法。

調音臺由主、副調音臺組成，均為數字調音臺，互為備份。主調音臺采用YAMAHA PM5D型48路數字調音臺。為節省成本，副調音臺采用YAMAHA M7CL型32路數字調音臺。

兩款數字調音臺均支持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處理、延時控制、4段參數均衡等數字處理，并整合使用Add-On效果插件的內部多功能效果器，提供更多的效果類型。16路混音總線輸出能滿足各種復雜的應用場合，包括主擴聲、舞臺監聽、播出等用途。

系統配有24支鐵三角ES937aML短槍式強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，并安裝有功放、網絡轉換界面等設備。遙控功能整合在PM5D或M7CL調音臺上。目前設計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，若今后有擴展需求，只需增加傳聲器前置放大器即可。AD8HR采用標準AES/EBU輸出，通過YAMAHA NHB32-C 網絡集線器，將AES/EBU格式信號轉換為CobraNet網絡音頻信號，進入CobraNet音頻網絡。每臺NHB32-C網絡集線器可傳輸32路信號和控制信號至CobraNet音頻網絡，本系統設計兩臺NHB32-C互為備份。

數字音頻處理器采用YAMAHA DME64N。它具有強大的數字處理能力和編輯能力，可實現均衡、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，具有更好音質和更大的動態范圍，更適合劇場等音樂演出場所使用。而且，DME設備支持CobraNet和EtherSound兩種網絡協議，提供許多網絡配件，可以方便地構建任何規模和水平的擴聲系統，并且DME設備具有MIDI、GPI、RS232/422和USB等接口，提供外擴能力。

圖2中的YAMAHA ACU-C功放控制單元支持CobraNet網絡協議，用以控制YAMAHA的Tn系列和PC-IN系列數字功放。它具有16路D/A轉換器，將來自CobraNet的數字信號轉換成模擬信號，并送至功放，然后推動揚聲器系統。

本系統實現了數字化和網絡化，具有如下的優點：

（1）全數字處理且整個系統只要一次A/D和D/A轉換，有效避免信號處理過程中產生的信號失真，保證了高音質；

（2）網絡化傳輸有效避免信號傳輸過程中產生的信號衰減；

（3）簡單的線路連接；

（4）可實現程序化管理，通過場景預設快速實現各種應用模式的轉換，無須頻繁更改設置，大大減少了操作的復雜性；

（5）較強大的系統管理功能。

3 熱備份設計

熱備份設計是本系統設計的一大特點。利用YAMAHA數字音響設備的特點和CobraNet網絡傳輸技術，可以很容易實現系統的不間斷備份——熱備份。

3.1 網絡的熱備份

圖2中有兩臺網絡交換機SWITCH A和SWITCH B，通過如圖3所示的接法，可以實現網絡的熱備份（圖中的SWITCH A兩臺，實為一臺）。每臺YAMAHA的數字設備的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上，形成兩個獨立的信號分配傳輸網絡。

傳聲器前置放大器仍然通過CobraNet交換機將信號傳給數字調音臺，兩臺調音臺所接受到的信號是完全相同的。兩臺數字臺之間通過MIDI控制端口連接，通過內部MIDI控制協議，使兩臺調音臺保持控制參數完全一致（如果兩個數字臺的型號相同，則控制參數可以保持一致，如果不同，只可以保證通道音量控制參數一致）。數字臺的信號通過CobraNet交換機傳送給數字處理器。

兩臺數字臺的輸出Bundle號是相同的，主調音臺的Bundle號優先級別高，所以，數字處理器在正常情況下只會接受主調音臺的信號，一旦主調音臺出現故障，處理器則會自動接收副調音臺的信號，實現不間斷切換，由于兩個調音臺的控制參數一致，所以，音量及音色也不會有改變。

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

兩臺數字臺的輸出Bundle號是相同的，主調音臺的Bundle號優先級別高，所以，后端數字模擬轉換界面在正常情況下只會接受主數字處理器的信號，一旦主處理器出現故障，則會自動接收副處理器的信號，實現不間斷切換，由于兩臺調音臺處理器的控制參數一致，所以，音量及音色也不會有改變。

3.2 調音臺與處理器的熱備份

要使兩臺調音臺之間以及兩臺數字處理器之間實現熱備份，首先要保證兩臺調音臺（處理器）之間的工作狀態完全一致，這樣，在設備切換時才能保證音量、音色不會有變化。YAMAHA所有型號的數字調音臺（處理器）其底層的控制都是采用同一套MIDI控制協議，利用外部的MIDI界面可以實現同型號或不同型號的數字調音臺（數字處理設備）實現通信，保持各種控制參數一致，如不同型號的數字調音臺（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（模擬或數字），兩臺調音臺（數字處理器）的每個輸入信號要求是一樣的，就是兩臺數字調音臺（數字處理器）處理的信號是一樣的。能否快速切換的關鍵就是調音臺（數字處理器）的后級設備——數字處理器（模擬輸出界面ACU16C）。

通過Audio Detector 模組檢測主調音臺信號狀態，一旦信號中斷，聯動Source Selector模塊自動切換。

調音臺和處理器采用CobraNet的連接方式，利用Conductor的管理功能，信號的路由可以依據優先級別的高低，自動切換。從一個Conductor主控設備切換到另一個Conductor主控設備，切換時間不會被人耳覺察，非Conductor主控設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。

3.3 功放備份

YAMAHA的PC-1N和T-N系列功放都具有狀態檢測和遙控功能，通過ACU16-C功放管理界面可以檢測功放的各種狀態，包括電源狀態、工作溫度、輸出功率、輸出電壓、負載阻抗等，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轉換器，將來自CobraNet數字音頻信號轉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與揚聲器系統的阻抗實時監控，一旦功放或揚聲器系統的某些參數出現異常，軟件即會控制功放切換到備份功放上或關閉有故障的功放，保護系統的設備不會進一步損壞。

總之，利用CobraNet傳輸技術和YAMAHA數字產品的特點，實現了系統每一個環節的雙機熱備份，從而大大提高系統的可靠性和安全性。

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）