网络化剧场扩声系统的设计

梁 华

（同济大学 声学研究所，上海 200092）

网络化剧场扩声系统的设计

梁 华

（同济大学 声学研究所，上海 200092）

介绍CobraNet 网络音频协议，着重说明网络技术在剧场扩声系统中的应用；结合剧场具体实例，阐述网络化剧场扩声系统的设计与特点。

网络；CobraNet；扩声系统；热备份

目前，大型剧场舞台扩声系统不仅实现了数字化，而且正在向网络化方向发展。数字调音台和数字信号处理技术的广泛运用，使系统不仅具备模拟设备的性能和功能，而且通过数字化技术与网络技术的结合，使扩声系统发生质的变化，系统的处理能力和管理能力大为增强。

1 CobraNet 网络

CobraNet是美国Peak Audio 公司在20世纪90年代开发的网络音频协议，它和EtherSound是目前音响领域比较成熟的两款网络音频传输协议，由于它们具有良好的支持音频传输的能力，因而，被越来越多的音响厂商和机构认可，正在上升为新的、公认的国际标准。

CobraNet完全兼容以太网，其数据是不压缩的数据流，音频采样速率支持48 kHz和96 kHz，分辨率支持16 bit、20 bit和24 bit三种，默认为48 kHz、20 bit，音质可达广播级。CobraNet把音频信号打成数据包，以便在以太网上传输，这种数据包称为Bundle。一个Bundle的数据量可以包含8路20 bit的数字音频数据，Bundle的数据流达到8 Mbps左右。在100 Mbps快速以太网上，CobraNet可以支持64路音频信号，也就是说，可以传输8个Bundle，如果需要传输更多音频通道，只需提高网络宽带。若工作在千兆以太网上，CobraNet可搭载640路音频数据。

许多CobraNet设备具有2个以太网接口。尽管这些接口不能同时工作来增加有效宽带，但却是提高系统冗余度和容错性的好方法。如果主以太网口出现问题，比如网线故障或交换机的相应端口出了故障，备用的以太网口就能自动启用，保证网络传输不会中断。CobraNet除传输音频信号，还可以传输RS485串口通信数据及其他非同步IP数据，并且支持SNMP简单网络管理协议。因此，CobraNet网络就功能性而言，对于一些需要远程控制或集中管理的场所，例如大型剧场、会议系统、体育场馆、主题公园、交通枢纽等，显得非常实用。

在网络拓扑上，CobraNet网络采用星形接法，如图1所示。由于日本YAMAHA公司支持CobraNet协议，且后述的实例也采用YAMAHA产品，因此图1中的网络设备均采用YAMAHA产品，如数字调音台（M7CL、LS9、01V96）、数字矩阵处理器（DME64N、DME24N）、音频I/O（DME410-C、DME8i-C、DME80-C）、网络功放（TX6n），它们都接至网络交换机。其中，数字调音台和网络功放必须配插上I/O网卡MY16-CII，才能接入CobraNet网络，而数字处理器DME、DME音频I/O则可直接接入网络。这样，只要在DME音频I/O接入传声器、CD、MD等，在功放接上扬声器，那图1就成为一个完整的扩声系统了。

CobraNet允许数据从一个端口通过5类双绞线传到另一台设备的传输距离为100 m，若通过光纤传输可达2 km。CobraNet传输延迟有5.33 ms、2.66 ms和1.33 ms三种固定延时，这些延迟是人耳感觉不到的，但对现场演出来说5.33 ms延时是无法满足的。因此，CobraNet比较适合于固定安装的大型场所，如剧场、体育场馆等。而对流动演出等场合，则可用延时极短的EtherSound网络技术。

由于CobraNet采用星形网络，与采用菊花链形式（级联式）或环形的EtherSound网络相比，CobraNet具有一个显著优点是网络呈分布式配置，且便于添加设备或删掉设备。虽然它也有缺点，即处于网络中心的以太网交换机一旦出现故障，将影响所有设备，但这个问题可用交换机的备份办法解决（后文将有详述）。

2 网络化剧场扩声系统的设计

下面结合一个剧场实例，说明网络化剧场扩声系统的设计。

2.1 剧场的功能定位和指标要求

本剧场是某文化中心的一个多功能剧场，功能定位是综艺演出和重大会议使用，还可用于电视转播。因此，扩声系统要求音质好，由于是多用途的，故要求满足GB/T50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中多用途类扩声系统一级指标的要求。对系统要求采用三声道扩声方式。由于举办的会议重要，因此，对系统的安全可靠性要求特别高。而且，文化中心除了本剧场之外，还有其他多个会议厅，既要求每处能独立控制，又能实现集中管理。为此，本剧场扩声系统采用网络形式，还要有完善的备份冗余设计。

鉴于上述功能要求，本剧场设计采用数字扩声设备（传声器、扬声器系统除外）和CobraNet网络技术，并实现系统的热备份。系统的热备份包括三个方面：

（1）网络的热备份；

（2）硬件（设备）的热备份；

（3）控制参数（工作状态）的热备份。

2.2 扬声器的选型与布置

扬声器系统的选型与布局是整个扩声系统设计的关键，因为声学特性指标中的多项重要指标和最终的音质效果都与此密切相关。

本剧场观众厅从舞台起长约28 m、宽约34 m，只有池座。扬声器系统选用美国著名品牌Apogee音箱。扬声器系统布置采用典型三声道布置方式，左、中、右三组主扩声音箱采用Apogee的ALA-3型线阵列扬声器系统，单只ALA-3音箱为两分频，频响65 Hz～17.5 kHz（±3dB）、600 W（RMS），最大声压级133 dB，水平指向角90°。每组用4只ALA-3音箱构成线阵列，通过导波管耦合后形成90°×40°的覆盖的角度，分别布置在舞台口上方声桥内的左侧、中间和右侧，每声道均独立覆盖全场。此外，选用2只Apogee AE12s2型超低音音箱，双18英寸低音扬声器，频响30 Hz～105 Hz（±3 dB），最大声压级134 dB，暗装在舞台口两侧，为主扩声音箱延伸低频下限。

左右拉声像音箱采用2只Apogee AFI-8型全频扬声器，频响53 Hz～17 kHz,指向性90°×45°，最大声压级131 dB，安装在舞台两侧，高度为2.5 m。另外，在舞台台唇暗装4只Apogee SSM扬声器，指向性90°×100°，频响85 Hz～ 25 kHz，最大声压级118 dB，主要为前排贵宾席补声，并作拉声像用。舞台返听音箱用6只Apogee AFI-4扬声器，频响58 Hz～20 kHz（±3 dB），最大声压级128 dB。其中2只固定安装在侧台，4只作流动摆放。通过EASE计算机辅助声场分析表明，设计的扩声系统主要声学特性指标全面达到并超过多用途扩声系统一级指标的要求。其RASTI值为0.49 ～0.64，语言清晰度良好。

2.3 数字化和网络化的设计

本剧场扩声系统除传声器和扬声器系统为模拟设备，其他如调音台、音频处理器、功放等设备全部数字化，并利用CobraNet传输技术实现网络化。系统图如图2所示。可以看出，网络形式与前述的图1类似，通过网络交换机采用星形接法。

调音台由主、副调音台组成，均为数字调音台，互为备份。主调音台采用YAMAHA PM5D型48路数字调音台。为节省成本，副调音台采用YAMAHA M7CL型32路数字调音台。

两款数字调音台均支持24 bit/48 kHz，48路或32路传声器输入通道和4路立体声输入通道均能提供两组独立的动态处理、延时控制、4段参数均衡等数字处理，并整合使用Add-On效果插件的内部多功能效果器，提供更多的效果类型。16路混音总线输出能满足各种复杂的应用场合，包括主扩声、舞台监听、播出等用途。

系统配有24支铁三角ES937aML短枪式强指向性鹅颈会议传声器，以满足大型会议使用，另外，还配有部分无线传声器和有线传声器。

传声器管理通过日本YAMAHA AD8HR 8路数字可遥控传声器前置放大器完成，前置放大器安装在功放间位于主席台一侧，并安装有功放、网络转换界面等设备。遥控功能整合在PM5D或M7CL调音台上。目前设计4台AD8HR共32路传声器前置放大器，可满足同时使用32只有线传声器需要，若今后有扩展需求，只需增加传声器前置放大器即可。AD8HR采用标准AES/EBU输出，通过YAMAHA NHB32-C 网络集线器，将AES/EBU格式信号转换为CobraNet网络音频信号，进入CobraNet音频网络。每台NHB32-C网络集线器可传输32路信号和控制信号至CobraNet音频网络，本系统设计两台NHB32-C互为备份。

数字音频处理器采用YAMAHA DME64N。它具有强大的数字处理能力和编辑能力，可实现均衡、压限、分频、音箱处理、效果、反馈抑制、波形文件播放等多种功能，从工作原理上说，它与百威媒体矩阵（24 bit/48 kHz）类似，但它采用24 bit量化和96 kHz采样频率，因此，具有更好音质和更大的动态范围，更适合剧场等音乐演出场所使用。而且，DME设备支持CobraNet和EtherSound两种网络协议，提供许多网络配件，可以方便地构建任何规模和水平的扩声系统，并且DME设备具有MIDI、GPI、RS232/422和USB等接口，提供外扩能力。

图2中的YAMAHA ACU-C功放控制单元支持CobraNet网络协议，用以控制YAMAHA的Tn系列和PC-IN系列数字功放。它具有16路D/A转换器，将来自CobraNet的数字信号转换成模拟信号，并送至功放，然后推动扬声器系统。

本系统实现了数字化和网络化，具有如下的优点：

（1）全数字处理且整个系统只要一次A/D和D/A转换，有效避免信号处理过程中产生的信号失真，保证了高音质；

（2）网络化传输有效避免信号传输过程中产生的信号衰减；

（3）简单的线路连接；

（4）可实现程序化管理，通过场景预设快速实现各种应用模式的转换，无须频繁更改设置，大大减少了操作的复杂性；

（5）较强大的系统管理功能。

3 热备份设计

热备份设计是本系统设计的一大特点。利用YAMAHA数字音响设备的特点和CobraNet网络传输技术，可以很容易实现系统的不间断备份——热备份。

3.1 网络的热备份

图2中有两台网络交换机SWITCH A和SWITCH B，通过如图3所示的接法，可以实现网络的热备份（图中的SWITCH A两台，实为一台）。每台YAMAHA的数字设备的CobraNet的接口均有主、副两个接口，CobraNet的主、副接口分别接在两台交换机上，形成两个独立的信号分配传输网络。

传声器前置放大器仍然通过CobraNet交换机将信号传给数字调音台，两台调音台所接受到的信号是完全相同的。两台数字台之间通过MIDI控制端口连接，通过内部MIDI控制协议，使两台调音台保持控制参数完全一致（如果两个数字台的型号相同，则控制参数可以保持一致，如果不同，只可以保证通道音量控制参数一致）。数字台的信号通过CobraNet交换机传送给数字处理器。

两台数字台的输出Bundle号是相同的，主调音台的Bundle号优先级别高，所以，数字处理器在正常情况下只会接受主调音台的信号，一旦主调音台出现故障，处理器则会自动接收副调音台的信号，实现不间断切换，由于两个调音台的控制参数一致，所以，音量及音色也不会有改变。

两台数字处理器所接收的Bundle号也是一致的，同样通过Midi端口作控制同步连接，保持控制参数同步。数字处理器的信号通过CobraNet交换机传送给数字模拟转换界面。

两台数字台的输出Bundle号是相同的，主调音台的Bundle号优先级别高，所以，后端数字模拟转换界面在正常情况下只会接受主数字处理器的信号，一旦主处理器出现故障，则会自动接收副处理器的信号，实现不间断切换，由于两台调音台处理器的控制参数一致，所以，音量及音色也不会有改变。

3.2 调音台与处理器的热备份

要使两台调音台之间以及两台数字处理器之间实现热备份，首先要保证两台调音台（处理器）之间的工作状态完全一致，这样，在设备切换时才能保证音量、音色不会有变化。YAMAHA所有型号的数字调音台（处理器）其底层的控制都是采用同一套MIDI控制协议，利用外部的MIDI界面可以实现同型号或不同型号的数字调音台（数字处理设备）实现通信，保持各种控制参数一致，如不同型号的数字调音台（处理器）功能有所差异时，最少能保证相同功能部分的参数一致。

另外一个问题是要保证信号路由可以快速切换。不管用哪种传输方式（模拟或数字），两台调音台（数字处理器）的每个输入信号要求是一样的，就是两台数字调音台（数字处理器）处理的信号是一样的。能否快速切换的关键就是调音台（数字处理器）的后级设备——数字处理器（模拟输出界面ACU16C）。

通过Audio Detector 模组检测主调音台信号状态，一旦信号中断，联动Source Selector模块自动切换。

调音台和处理器采用CobraNet的连接方式，利用Conductor的管理功能，信号的路由可以依据优先级别的高低，自动切换。从一个Conductor主控设备切换到另一个Conductor主控设备，切换时间不会被人耳觉察，非Conductor主控设备间的切换一般会在1 s左右完成路由的切换，无需人工干预。

3.3 功放备份

YAMAHA的PC-1N和T-N系列功放都具有状态检测和遥控功能，通过ACU16-C功放管理界面可以检测功放的各种状态，包括电源状态、工作温度、输出功率、输出电压、负载阻抗等，同时，可以遥控功放的电源、音量、连接方式等等。

功放控制单元ACU16-C具有16路D/A转换器，将来自CobraNet数字音频信号转换成模拟信号馈入功放，可接16台功放。利用ProLSI公司的功放管理软件对功放的各种状态与扬声器系统的阻抗实时监控，一旦功放或扬声器系统的某些参数出现异常，软件即会控制功放切换到备份功放上或关闭有故障的功放，保护系统的设备不会进一步损坏。

总之，利用CobraNet传输技术和YAMAHA数字产品的特点，实现了系统每一个环节的双机热备份，从而大大提高系统的可靠性和安全性。

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

（编辑 潘 浪）