高杰+庄元

【摘 要】 较为详细地介绍了波场合成技术的来由、北外滩景观3D全息交响音乐会的创意、场地设计、系统设计、拾音 与扩声技术细节等，并对3D声音技术的发展前景提出了看法。

【关键词】 3D交响音乐会；波场合成；拾音；扩声；声音设计

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.04.006

2013年10月28日晚，“北外滩景观3D全息交响音乐会”在上海黄浦江国际航运和金融服务中心开放式露天广场激情奏响。此次音乐会是国内首次在露天城市景观中创新性运用基于“波场合成”技术的3D扩声技术来演绎的交响音乐会，是一次在声音还原技术上革命性的突破。这场演出吸引了演艺界和音频工程界的极大关注，并迅速成为媒体报道的热点，8家电台电视台、10家主流报纸、30多家门户网站进行了报道，上海电视台艺术人文频道进行了实况转播。

笔者亲身体验了这场音乐会，希望通过本文与大家共同分享3D声音技术发展信息，研讨3D声音新技术对于文化创新的意义。为行文方便，文中的“上海北外滩景观3D全息交响音乐会”均简称为“北外滩3D音乐会”。

1 波场合成技术的由来

波场合成，英文全称Wave Field Synthesis，缩写WFS。波场合成技术最早由荷兰代尔夫特大学的Berkhout教授提出，其理论是基于荷兰物理学家惠更斯（Christiaan Huygens，1629—1695）①于1678年提出的“惠更斯原理”。惠更斯原理认为：空气中任意波前上的各点，都可以看作是新的子波源，其后的任一时刻，这些子波源发射的波前的包络线，就是声波这一时刻的新波前。举个简单的例子，小提琴演奏时发出的声波，其后的任意一道波前可以看作是由无数的子波源组成，这些子波源散发出新的波前，其后的任一时刻所有子波源波前的包络线，就是小提琴声波在这一时刻新的波前，如图1所示。

真实听感中，声音是在三维空间中传播的，因此，不仅有水平平面上的定位变化，也应该有垂直方向上的定位变化。目前所使用的虚拟听觉重放技术是依据双耳效应的原理，通过强度差、时间差、相位差产生虚拟的平面声像定位。然而由于中近场扬声器回放的都是球面波，听者稍微移动都会导致听感变化，因此，在定位上有很大的局限性，双声道立体声的最佳听音位置只有一个，俗称 “皇帝位”。5.1环绕声系统在同平面上添加了1只中置扬声器和2只环绕扬声器，弥补了正前方虚拟定位和后方定位的不足，扩大了最佳听音位置，但依然没有垂直方向（Z轴）的定位，且都无法还原平面波。

与以往双声道立体声和2D环绕声相比，波场合成系统通过X、Y、Z三维立体声场的重建，让听众仿佛置身于真实的声音空间，沉浸在四面八方传来的直达声、早期反射声和混响声等声音信息中，声源对象可以被定位在空间中的任意位置，任意不同的位置都能聆听到真实的、高品质的声音，消除了“皇帝位”的概念。

波场合成技术从理论到实用化之路并不平坦，这不能不提到IOSONO公司。德国IOSONO公司是为电影院、大型活动和娱乐场所等提供3D全息声音解决方案的创意公司，总部位于德国埃尔福特。自2004年成立以来，IOSONO开发出基于波场合成技术的商用化音频硬件和软件，这一新技术业已在全世界范围内迅速推广，并在展览、演出、文化地标、电影院线、娱乐游戏等众多领域和专业院校获得富有特色的运用。

2010年，国内四维音乐工程设计公司敏锐地觉察到波场合成技术的发展前景，引进这项跨时代的新技术，2012年，位于上海广中路的“SWD- IOSONO三维全息声音实验室”正式落成，这是国内首个3D全息声音实验室，中国的“3D声音”时代由这里开始了。

2 北外滩3D音乐会的创意

为进一步提高上海的国际大都市的影响力，丰富市民的文化生活，上海市政府计划2013年举办上海国际艺术节和上海首届市民文化节，在上海市文广影视管理局、上海市教委和虹口区政府的支持下，音乐会主办方上海交响乐团和四维音乐工程设计公司共同提出了一个大胆的创意——举办中国首次户外景观3D全息交响音乐会，作为两节的重头戏。

音乐会的场地选定在黄浦江北外滩，北外滩作为上海中央商务区“黄金三角”的重要组成部分，也是上海航运发祥地，拥有悠久的历史和丰厚的文化积淀。目前，这片核心区域是亚洲规模最大的绿色建筑商办楼群，已经通过了中国绿色建筑三星级标识、美国LEED、英国BREEAM等三项国际绿色权威的绿色认证，成为世界知名企业的办公总部集聚地，新的城市黄金CBD以及上海金融、航运、贸易、文化中心，成为商界、艺术界等各路明星汇聚之地。

黄浦江北外滩国际客运码头开放式露天广场，周围高楼林立、江水滔滔。当夜幕降临的时候，浦江两岸灯光璀璨、游人如织，江面上凉风习习、游船如梭，上海的标志——东方明珠电视塔近在咫尺，中国改革开放的一幅美丽画卷呈现在人们面前。在户外运用波场合成技术为交响音乐会扩声，让观众在欣赏黄浦江两岸夜景的同时，在露天环境下享受到与音乐厅相媲美的音响效果。毫无疑问，这是一个富有想象力的创意。上海黄浦江北外滩夜景见图2，音乐会现场景观见图3。

交响乐团由90名成员组成，考虑到室外的因素，这场交响音乐会的总时长定在70 min。音乐会特邀著名指挥家陈燮阳先生执棒，上海交响乐团演奏，以歌剧、芭蕾舞剧、独奏、二重奏、独唱等多种的形式演绎众多耳熟能详的曲目，包括《威廉·退尔》序曲、《红色娘子军》、《流浪者之歌》、《胡桃夹子》、《菊花台》等中外经典名曲。

3 北外滩3D音乐会场地设计

根据现场的地形，工程师们为音乐会特别设计了一个穹顶半开放式舞台，该舞台离地高1.5 m，宽20 m，深15 m，由订制的钢桁架搭成，舞台穹顶外部包裹了一层复合材料制成的柔性外衣，这种特殊材料的外衣有很好的声学性能，可以解决交响乐队在露天舞台无限声场环境下演奏时听觉的不适应感，且能防风防雨。endprint

观众席约长40 m，宽约17 m，能够容纳500位观众；观众席四周和头顶上架设了大型钢桁架，桁架分为三层，第一层为观众区环绕扬声器阵列，第二层为观众区头顶扬声器，第三层是舞台龙门架扬声器阵列。如此设计，就是为了在这个户外音乐会上创造出在室内音乐厅的聆听音响效果。北外滩3D音乐会舞台和观众区设计效果，搭建完成的北外滩3D音乐会现场见。

4 北外滩3D音乐会系统设计

北外滩3D音乐会的音响系统，由德国IOSONO公司、TAUCHER声音环境设计公司和四维音乐工程公司共同完成，使用的是IOSONO 86.3波场合成技术。此前在德国柏林爱乐音乐会、澳大利亚悉尼音乐会都运用了IOSONO先进的3D声音技术。 IOSONO 3D系统的设计理念，是将现场捕捉到的声音信号，在音频工作站专用软件的界面上，按照乐队的摆位进行声音设计，经过3D处理器运算后的信号流通过若干层扬声器阵列重放，最终还原交响乐队演奏的宏大声场，让听众宛如身处真实的音乐厅。

调音台使用了声艺Soundcraft Vi6数字扩声调音台，见图9。Soundcraft Vi6具有32路电动推子的控制界面，可以同时输入64路单声道，所有通道都可以直接输出，可以通过内部路由分配到32条编组/辅助/矩阵母线，以及主立体声输出。Soundcraft 优质的超低噪声传声器前置放大器和Studer先进的40 bit浮点数字音频处理技术保证了音乐会的拾音音质。

Soundcraft Vi6调音台主要用于传声器信号电平调整和频率均衡，输出的所有声道均设为单声道模式，并从调音台的MADI接口转换为MADI信号流，送往多通道音频数字接口分配器，从数字音频分配器出来的MADI信号主要送往3个去处。

第一路信号送往装有IOSONO 3D插件的PC音频工作站。音乐会扩声的3D声场设计主要在PC音频工作站的界面上完成。

PC音频工作站安装有STEINBERG公司的Nuendo音频编辑软件，并加装了IOSONO公司的3D制作插件，音乐会场地尺寸和扬声器阵列摆位诸多参数需要事先录入音频工作站，形成直观的音乐会现场图形，然后将调音台送来的多轨信号在音频工作站的界面上进行声场设计，即将声音对象进行组合分配，调整其方位、远近，设置波的性质（球面波、平面波、柱形波），添加其他效果。PC音频工作站并不直接进行WFS运算，而是将设计数据再送入2台IOSONO IPC100数字声音处理器进行处理，IOSONO IPC100音频处理器见图10。这两台处理器包含着3D声音的核心技术，即IOSONO的WFS算法。从3D处理器出来的数字信号流被送入4台D/A转换器，转换后的模拟音频信号被送往133只Meyer Sound有源扬声器和扬声器阵列。

第二路从数字音频分配器出来的MADI信号被送往一台MAC音频工作站进行现场分轨录音，以便进行后期商业制作。

第三路MADI信号被送往电视转播车。

北外滩3D音乐会音响系统信号流程。

5 北外滩3D音乐会拾音与扩声

北外滩3D音乐会现场乐队拾音使用了71支传声器，使用的品牌有NEUMAN、DPA、SCHOEPS、sE、Mics等，就其90人的乐队规模而言，基本上是弦乐两人1支，管乐和打击乐一人1支，独唱和独奏演员一人1支，采取近距离多点拾音方式，这样可以提高信号的分离度，为后期处理提供较大的自由。现场传声器拾音设置见图12、图13。

北外滩3D音乐会音响系统与其他扩声系统相比最显著的特点在于扬声器的布置不同。IOSONO 3D声音系统是一种能够控制整个听音区域内波场的空间声重放技术，它不仅能还原基于水平X轴、纵深Y轴的声音信息，而且能还原高度Z轴上的信息，因此，原则上扬声器的层数要大于或等于3层，同时需要用上百个独立通道所组成的扬声器阵列，在给定的听音区域中重建出室内的空间感。

舞台的正面共有3层扬声器，设置如下：

（1）舞台龙门架上方装有7组M' elodie小型扬声器阵列，扬声器间距约2.5 m，用于观众区纵深的覆盖；

（2）舞台台口装有13只MINA扬声器，间距约0.6 m，负责近场补声；

（3）台口下摆放8只1100-LFC低频控制单元提供低频补充，间距约2 m；

（4）台上另有4只UPJ-1P和2只UPA-1P扬声器用于舞台返听；

（5）观众区左右各装24只UPA-1P扬声器，间距约1 m，并有一定的倾角覆盖观众区；

（6）观众区头顶上方分5排装有13只UPA-1P扬声器，行距约7 m；

（7）观众席后方吊有8组M' elodie扬声器小型阵列，间距约2 m。

音乐会共使用了96个通路信号，133只扬声器。所有的扬声器均采用美国产Meyer Sound有源扬声器。北外滩3D音乐会扬声器设置实景见图14～图16。

6 对北外滩3D音乐会评价

在男高音韩蓬的《今夜无人入眠》中北外滩3D音乐会被推向高潮，经典交响乐与创新3D声音技术的完美结合让现场四百多名听众度过了一个难忘的夜晚。音乐会演出场景见图19。

音乐会结束后，有关3D音乐会的评价如潮涌来……

音乐会的组织者——中国上海国际艺术节总监刘文国说：“本来在室外就很难举办音乐会，比如天气因素影响。但是这次调音好，音响的声音质量也好，所以，听的感觉非常不错。后面的音箱营造了混响的感觉，利用效果声给了观众很好的音乐厅的感觉。”

音乐会的主办者之一，上海交响乐团团长陈光宪说：“我觉得这是一个别开生面的音乐会。对于室外音乐会，最大的问题就是音响。今天的音乐会解决了音响问题，使得整场交响乐听起来非常清晰。别的室外音乐会往往还在某些方面存在问题，如一些扩声的调制等。所以我觉得这次是个很大的进步。”endprint

八十高龄的著名指挥家曹鹏说：“我一直很担心广场音乐会，因为我认为它的音响几乎不可能搞好，但是今天3D全息音响在我们国家首次应用。我听了之后很满意。因为它能够把乐队的声部放射出来，使得整个交响乐的演奏生动，回归到自然。这项技术是行业的发展，这样不管在广场，还是室内都能听到更好的音乐。”

业内行家IMax中国副总裁周子衡说：“我听下来的感觉非常好。没想到这样一个露天的音乐会能够产生如此好的效果，所以，我觉得这是一件了不起的事。这可以说是在露天创造了一个没有墙的音乐厅。我觉得非常好，很有前景。因为这样就不用受到音乐厅的限制，在很多景点都可以举办这样的音乐会。”

7 几点思考

当然，也有一些质疑的声音，归结起来大概有以下几个方面。

质疑一：经过3D扩声的室外音乐会现场的声音能与坐在音乐厅听到的声音相媲美吗？

笔者认为，以目前的技术水平，露天的3D交响音乐会与坐在音乐厅相比，从听觉上尚有相当差距。不言而喻，经过良好声学设计的音乐厅，不插电演出是欣赏古典音乐的最好环境，别的场地都无法比拟。

质疑二：既然六、七百平米不大的场地动用了133只扬声器，70多支传声器，2台昂贵的3D处理器；搭建了舞台灯光系统，工程浩大，花费不小，音响效果还赶不上音乐厅室内演出，这还有什么意义？

笔者认为，科学技术的进步是社会发展最重要的生产力。3D声音技术与其他艺术的结合已经产生了多种新的艺术形式，例如澳大利亚悉尼户外水上3D全息歌剧《卡门》、德国3D全息音响歌剧《Neither》、使用3D音频创意的德国奔驰汽车新车发布会、德国和英国的Kraftwerk巡回电子音乐会、德国PROXIMITY游戏音频等等。3D声音技术将成为一种新的景观艺术、声音艺术、时尚艺术……虽然这场演出花费不菲，但上海作为国际大都市应当有这种与国际接轨、一流的文化活动。当然，作为尝试，北外滩3D音乐会只演出了一场，费用确实很高，但如果今后把它做成一个固定的城市文化景观、一个文化旅游项目，通过长期有效的运作，应当能产生可观的经济效益。在“创意为王”的时代，一个好的创意将对所在城市、地区的发展产生长远的影响，云南丽江山水实景大型歌舞剧《印象丽江》的长盛不衰就是一个绝好的案例。

质疑三： 3D扩声技术效果比通常所用的两声道扩声或多声道扩声技术相比有很大的优势吗？

笔者认为，真的有天壤之别。以前所有的声音技术都是基于声道的矢量电平控制，波场合成技术是基于算法的技术，也就是说，随着人类在声音技术方面不断进步，不仅可以人工合成语音、人工合成音色，也可以合成任意声场。作为音频工作者，笔者最恐惧的扩声现场是：想靠近舞台看清楚可耳朵受不了，耳朵舒服些却离舞台远看不清了；而经过扩声的露天交响乐队演出，声音简直惨不忍睹、毫无美感。这场北外滩3D音乐会，声压级合适、声场均匀，方位清晰、空间感舒适，加上黄浦江夜晚的景观，真给人一种美的享受。

质疑四：波场合成技术的发展前景如何？

笔者认为，波场合成技术具有的三维空间声场的营造和声像定位精准的技术优势是显而易见的。未来它可以与高清数字媒体结合，广泛运用于大型高端会展，也可以运用于交响乐、歌剧、音乐剧等大型演出，更可以结合IMax 3D等3D视频技术，组合成超级的双3D全景影视系统。这种具有革命性创新的声音制作与重放方式，或许能成为推动文化产业向前发展的新动力。endprint

八十高龄的著名指挥家曹鹏说：“我一直很担心广场音乐会，因为我认为它的音响几乎不可能搞好，但是今天3D全息音响在我们国家首次应用。我听了之后很满意。因为它能够把乐队的声部放射出来，使得整个交响乐的演奏生动，回归到自然。这项技术是行业的发展，这样不管在广场，还是室内都能听到更好的音乐。”

业内行家IMax中国副总裁周子衡说：“我听下来的感觉非常好。没想到这样一个露天的音乐会能够产生如此好的效果，所以，我觉得这是一件了不起的事。这可以说是在露天创造了一个没有墙的音乐厅。我觉得非常好，很有前景。因为这样就不用受到音乐厅的限制，在很多景点都可以举办这样的音乐会。”

7 几点思考

当然，也有一些质疑的声音，归结起来大概有以下几个方面。

质疑一：经过3D扩声的室外音乐会现场的声音能与坐在音乐厅听到的声音相媲美吗？

笔者认为，以目前的技术水平，露天的3D交响音乐会与坐在音乐厅相比，从听觉上尚有相当差距。不言而喻，经过良好声学设计的音乐厅，不插电演出是欣赏古典音乐的最好环境，别的场地都无法比拟。

质疑二：既然六、七百平米不大的场地动用了133只扬声器，70多支传声器，2台昂贵的3D处理器；搭建了舞台灯光系统，工程浩大，花费不小，音响效果还赶不上音乐厅室内演出，这还有什么意义？

笔者认为，科学技术的进步是社会发展最重要的生产力。3D声音技术与其他艺术的结合已经产生了多种新的艺术形式，例如澳大利亚悉尼户外水上3D全息歌剧《卡门》、德国3D全息音响歌剧《Neither》、使用3D音频创意的德国奔驰汽车新车发布会、德国和英国的Kraftwerk巡回电子音乐会、德国PROXIMITY游戏音频等等。3D声音技术将成为一种新的景观艺术、声音艺术、时尚艺术……虽然这场演出花费不菲，但上海作为国际大都市应当有这种与国际接轨、一流的文化活动。当然，作为尝试，北外滩3D音乐会只演出了一场，费用确实很高，但如果今后把它做成一个固定的城市文化景观、一个文化旅游项目，通过长期有效的运作，应当能产生可观的经济效益。在“创意为王”的时代，一个好的创意将对所在城市、地区的发展产生长远的影响，云南丽江山水实景大型歌舞剧《印象丽江》的长盛不衰就是一个绝好的案例。

质疑三： 3D扩声技术效果比通常所用的两声道扩声或多声道扩声技术相比有很大的优势吗？

笔者认为，真的有天壤之别。以前所有的声音技术都是基于声道的矢量电平控制，波场合成技术是基于算法的技术，也就是说，随着人类在声音技术方面不断进步，不仅可以人工合成语音、人工合成音色，也可以合成任意声场。作为音频工作者，笔者最恐惧的扩声现场是：想靠近舞台看清楚可耳朵受不了，耳朵舒服些却离舞台远看不清了；而经过扩声的露天交响乐队演出，声音简直惨不忍睹、毫无美感。这场北外滩3D音乐会，声压级合适、声场均匀，方位清晰、空间感舒适，加上黄浦江夜晚的景观，真给人一种美的享受。

质疑四：波场合成技术的发展前景如何？

笔者认为，波场合成技术具有的三维空间声场的营造和声像定位精准的技术优势是显而易见的。未来它可以与高清数字媒体结合，广泛运用于大型高端会展，也可以运用于交响乐、歌剧、音乐剧等大型演出，更可以结合IMax 3D等3D视频技术，组合成超级的双3D全景影视系统。这种具有革命性创新的声音制作与重放方式，或许能成为推动文化产业向前发展的新动力。endprint

八十高龄的著名指挥家曹鹏说：“我一直很担心广场音乐会，因为我认为它的音响几乎不可能搞好，但是今天3D全息音响在我们国家首次应用。我听了之后很满意。因为它能够把乐队的声部放射出来，使得整个交响乐的演奏生动，回归到自然。这项技术是行业的发展，这样不管在广场，还是室内都能听到更好的音乐。”

业内行家IMax中国副总裁周子衡说：“我听下来的感觉非常好。没想到这样一个露天的音乐会能够产生如此好的效果，所以，我觉得这是一件了不起的事。这可以说是在露天创造了一个没有墙的音乐厅。我觉得非常好，很有前景。因为这样就不用受到音乐厅的限制，在很多景点都可以举办这样的音乐会。”

7 几点思考

当然，也有一些质疑的声音，归结起来大概有以下几个方面。

质疑一：经过3D扩声的室外音乐会现场的声音能与坐在音乐厅听到的声音相媲美吗？

笔者认为，以目前的技术水平，露天的3D交响音乐会与坐在音乐厅相比，从听觉上尚有相当差距。不言而喻，经过良好声学设计的音乐厅，不插电演出是欣赏古典音乐的最好环境，别的场地都无法比拟。

质疑二：既然六、七百平米不大的场地动用了133只扬声器，70多支传声器，2台昂贵的3D处理器；搭建了舞台灯光系统，工程浩大，花费不小，音响效果还赶不上音乐厅室内演出，这还有什么意义？

笔者认为，科学技术的进步是社会发展最重要的生产力。3D声音技术与其他艺术的结合已经产生了多种新的艺术形式，例如澳大利亚悉尼户外水上3D全息歌剧《卡门》、德国3D全息音响歌剧《Neither》、使用3D音频创意的德国奔驰汽车新车发布会、德国和英国的Kraftwerk巡回电子音乐会、德国PROXIMITY游戏音频等等。3D声音技术将成为一种新的景观艺术、声音艺术、时尚艺术……虽然这场演出花费不菲，但上海作为国际大都市应当有这种与国际接轨、一流的文化活动。当然，作为尝试，北外滩3D音乐会只演出了一场，费用确实很高，但如果今后把它做成一个固定的城市文化景观、一个文化旅游项目，通过长期有效的运作，应当能产生可观的经济效益。在“创意为王”的时代，一个好的创意将对所在城市、地区的发展产生长远的影响，云南丽江山水实景大型歌舞剧《印象丽江》的长盛不衰就是一个绝好的案例。

质疑三： 3D扩声技术效果比通常所用的两声道扩声或多声道扩声技术相比有很大的优势吗？

笔者认为，真的有天壤之别。以前所有的声音技术都是基于声道的矢量电平控制，波场合成技术是基于算法的技术，也就是说，随着人类在声音技术方面不断进步，不仅可以人工合成语音、人工合成音色，也可以合成任意声场。作为音频工作者，笔者最恐惧的扩声现场是：想靠近舞台看清楚可耳朵受不了，耳朵舒服些却离舞台远看不清了；而经过扩声的露天交响乐队演出，声音简直惨不忍睹、毫无美感。这场北外滩3D音乐会，声压级合适、声场均匀，方位清晰、空间感舒适，加上黄浦江夜晚的景观，真给人一种美的享受。

质疑四：波场合成技术的发展前景如何？

笔者认为，波场合成技术具有的三维空间声场的营造和声像定位精准的技术优势是显而易见的。未来它可以与高清数字媒体结合，广泛运用于大型高端会展，也可以运用于交响乐、歌剧、音乐剧等大型演出，更可以结合IMax 3D等3D视频技术，组合成超级的双3D全景影视系统。这种具有革命性创新的声音制作与重放方式，或许能成为推动文化产业向前发展的新动力。endprint