數(shù)字電影LED 放映透聲技術(shù)研究

董強(qiáng)國 龔 波 董志剛

1.中國電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測所），北京 100086 2.深圳市洲明科技股份有限公司，廣東深圳 518103

1 引言

2017 年三星公司生產(chǎn)的數(shù)字電影用Onyx LED屏幕通過數(shù)字電影倡導(dǎo)組織（DCI）和聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS）認(rèn)證，標(biāo)志著LED 作為一種新的放映模式正式進(jìn)入數(shù)字影院。LED 屏幕與傳統(tǒng)的投射式放映設(shè)備相比，具有高亮度、高對(duì)比度、亮度均勻性好等技術(shù)優(yōu)勢，一經(jīng)推出便受到電影業(yè)界廣泛關(guān)注。近幾年我國對(duì)數(shù)字電影用LED 屏幕的研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，2021年5月由中國電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測所）和深圳市洲明科技股份有限公司聯(lián)合研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的UC-A41 LED 電影屏通過DCI 和FIPS 認(rèn)證，該產(chǎn)品依托自主科技研發(fā)，創(chuàng)新解決了數(shù)字電影放映核心技術(shù)長期被國外DMD 芯片卡脖子的難題，實(shí)現(xiàn)了彎道超車，并為“電影+”產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展提供了多元化平臺(tái)和技術(shù)支撐。隨后時(shí)代華影、中影光峰、利亞德等廠家相繼推出了國產(chǎn)數(shù)字電影LED 放映系統(tǒng)。

但由于目前數(shù)字電影LED 屏幕均采用全密閉箱體，幾乎沒有透聲性，主揚(yáng)聲器系統(tǒng)無法按照傳統(tǒng)模式安裝到屏幕后方，只能放置在LED 屏幕的四周，如何令影院觀眾所聽到的聲音發(fā)聲位置信息與圖像發(fā)聲點(diǎn)位置信息保持一致是困擾數(shù)字電影LED 影廳發(fā)展的一個(gè)主要因素，這一因素也導(dǎo)致了影院部署國產(chǎn)數(shù)字電影LED 屏幕的積極性不高。

為了使LED 影廳能夠呈現(xiàn)與傳統(tǒng)銀幕影廳較為一致的沉浸式還音效果，完美呈現(xiàn)導(dǎo)演的創(chuàng)作意圖，推動(dòng)數(shù)字電影新型顯示技術(shù)的快速落地和應(yīng)用，亟需開展與傳統(tǒng)銀幕透聲方式較為一致的LED 屏幕透聲和還音技術(shù)解決方案研究，徹底解決數(shù)字電影LED 屏幕在還音環(huán)節(jié)存在的技術(shù)短板。

2 數(shù)字電影LED 放映技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

LED 采用直顯、逐個(gè)點(diǎn)像素單獨(dú)顯示的方式將影像呈現(xiàn)給觀眾，與傳統(tǒng)背投式顯示技術(shù)相比，其具有高亮度、高對(duì)比度和亮度均勻性好等天然技術(shù)優(yōu)勢，因此將成為高新技術(shù)格式（尤其是HDR）能夠在數(shù)字影院應(yīng)用的重要載體。從發(fā)展趨勢分析，數(shù)字電影LED 放映技術(shù)將對(duì)電影制作、發(fā)行、放映帶來革命性變化，對(duì)電影的表現(xiàn)方式、鏡頭語言、場景再現(xiàn)等帶來革命性影響，它將促進(jìn)高新技術(shù)格式電影發(fā)展，成為電影放映的一種創(chuàng)新形式，也將成為下一代數(shù)字電影放映的主流顯示技術(shù)。

目前國產(chǎn)數(shù)字電影LED 屏幕均采用全密閉箱體，幾乎沒有透聲性，主揚(yáng)聲器系統(tǒng)無法按照傳統(tǒng)模式安裝到屏幕后方，只能放置在LED 屏幕四周。與傳統(tǒng)銀幕還音效果相比，此方案存在聲像偏離主畫面過大、音質(zhì)還音效果較差等技術(shù)缺陷。為了改善非透聲LED 屏幕主聲道還音效果存在的技術(shù)缺陷，部分揚(yáng)聲器廠家采用聲像和波場合成技術(shù)，通過犧牲部分音質(zhì)來獲得與傳統(tǒng)銀幕近似的還音效果，但無法真實(shí)還原與傳統(tǒng)銀幕一致的還音效果，導(dǎo)致影院部署國產(chǎn)數(shù)字電影LED 屏幕的積極性不高，嚴(yán)重阻礙了國產(chǎn)數(shù)字電影LED 放映系統(tǒng)的發(fā)展。

當(dāng)前多數(shù)影片的聲音制作均在傳統(tǒng)透聲幕的環(huán)境下混錄制作完成，數(shù)字電影LED 影廳為了能夠獲得與傳統(tǒng)銀幕影廳一致的還音效果，在數(shù)字電影LED 屏幕上做透聲設(shè)計(jì)，將徹底解決數(shù)字電影LED非透聲屏幕存在聲像不一致的技術(shù)缺陷，該項(xiàng)技術(shù)已成為數(shù)字電影LED 還音技術(shù)研究的熱點(diǎn)，將成為下一代數(shù)字電影LED 影廳主流的還音技術(shù)。

3 數(shù)字電影LED 透聲技術(shù)要求和測量方法探討

為了能夠確保數(shù)字電影LED 還音系統(tǒng)具備與傳統(tǒng)銀幕影廳一致的還音效果，LED透聲性能應(yīng)與放映銀幕具備較為一致的透聲效果，本章節(jié)結(jié)合數(shù)字電影放映銀幕的技術(shù)規(guī)范，針對(duì)LED透聲模塊的技術(shù)特點(diǎn)提出了相應(yīng)的技術(shù)要求和測量方法，為開展數(shù)字電影LED 透聲技術(shù)的研究提供測試和評(píng)價(jià)手段。

3.1 數(shù)字電影LED 透聲技術(shù)要求

為使數(shù)字電影LED 透聲屏幕與傳統(tǒng)銀幕保持較為一致的還音效果，LED 透聲屏幕主揚(yáng)聲器系統(tǒng)安裝位置應(yīng)與傳統(tǒng)銀幕安裝位置一致，即通常放置在LED 透聲屏幕的后方，這種安裝方式對(duì)LED 透聲屏幕的透聲性能提出了更高的挑戰(zhàn)，LED 透聲性能的好壞一般用聲衰減指標(biāo)表示，即聲波不通過透聲結(jié)構(gòu)和通過透聲結(jié)構(gòu)后的聲壓級(jí)之差。

數(shù)字電影放映銀幕JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數(shù)和測定方法》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，打孔銀幕8000Hz和12500Hz 的聲衰減與500Hz 的聲衰減之差分別不大于4dB 和6dB。由于數(shù)字電影LED 透聲屏幕的透聲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)各個(gè)頻段還音效果都有可能產(chǎn)生不利影響，因此建議增加其他頻率的技術(shù)要求，LED 屏幕各頻率相對(duì)于500Hz 時(shí)的聲衰減特性應(yīng)至少滿足表1 中的相關(guān)規(guī)定。因LED 透聲孔為硬質(zhì)穿孔結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮諧波失真對(duì)還音效果造成的影響，建議聲波透過LED 透聲模塊時(shí)的總諧波失真不大于1%。考慮到整體的透聲效果，建議有效開孔率不小于9%，有效開孔率即為揚(yáng)聲器單元尺寸所覆蓋區(qū)域的開孔面積除以該區(qū)域的面積。

表1 LED 透聲屏幕聲衰減特性

3.2 數(shù)字電影LED 透聲測量環(huán)境

為了降低測試周邊環(huán)境反射聲的干擾，數(shù)字電影LED 透聲性能測量需要在近似自由聲場的環(huán)境下進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數(shù)和測定方法》中規(guī)定測量有孔銀幕時(shí)，測試室應(yīng)由兩個(gè)相鄰室組成，兩室間有測試用的2m2方孔，兩室間體積和形狀差異不大于10%，且每室體積應(yīng)大于50m3。要求在距揚(yáng)聲器口水平前方0.5m 處所測的聲壓與距離1m 處所測得的聲壓差在4dB～6dB 之間，環(huán)境噪聲應(yīng)比各種頻率下聲級(jí)計(jì)所測得的聲壓低10dB 以上。結(jié)合數(shù)字電影LED 透聲孔對(duì)高頻段的聲學(xué)特性影響較大，考慮到建設(shè)成本和實(shí)際用途，建議兩個(gè)測試室的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)至少滿足以下技術(shù)要求：（1）單個(gè)測試室內(nèi)部凈空尺寸不小于1400mm×1400mm×1400mm；（2）吸聲尖劈尺寸應(yīng)不小于300mm×300mm×300mm，截止頻率不高于300Hz；（3）測試室內(nèi)部吸聲材料平均吸聲系數(shù)不低于0.86，吸聲降噪系數(shù)（NRC）不低于0.90，在315Hz 以上吸聲系數(shù)不低于0.98；（4）測試室隔聲量不低于40dB；（5）測試室應(yīng)滿足350Hz 以上為自由場，125Hz～350Hz 之間近似自由場的要求；（6）測試試件掛框建議厚度200mm，測試邊框應(yīng)做隔聲處理，隔聲量不低于40dB。

為開展數(shù)字電影LED 透聲屏幕的研究工作，依據(jù)上述技術(shù)要求和使用要求，中國電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測所）定制開發(fā)了一款可根據(jù)不同被測材料尺寸進(jìn)行調(diào)整的聲學(xué)評(píng)測平臺(tái)，該平臺(tái)的效果圖如圖1 所示，聲學(xué)測試平臺(tái)由消聲箱1、消聲箱2和測試樣品放置臺(tái)組成，總長度為4600mm，高度為2500mm，寬度2400mm。此測試平臺(tái)由兩個(gè)尺寸相同的消聲箱和一個(gè)測試樣品放置臺(tái)組成，測試樣品放置臺(tái)可以根據(jù)被測樣品的尺寸進(jìn)行洞口大小的適當(dāng)調(diào)整，以便掛件連接處能達(dá)到符合檢測條件的隔聲效果。

圖1 數(shù)字電影LED 透聲性能測試平臺(tái)效果圖

3.3 數(shù)字電影LED 透聲性能測量

數(shù)字電影LED 透聲性能測量系統(tǒng)由消聲箱、測試樣品放置臺(tái)、測試揚(yáng)聲器、測量傳聲器和聲學(xué)分析儀組成（圖2），測量揚(yáng)聲器的有效頻率范圍應(yīng)不小于100Hz～16000Hz，總諧波失真應(yīng)不大于0.5%。為了確保高低頻聲像的一致性，建議使用同軸揚(yáng)聲器單位。測量傳聲器應(yīng)符合SJ/T 10724-2013《電聲學(xué)測量電容傳聲器通用規(guī)范》規(guī)定的1 級(jí)要求。進(jìn)行LED透聲性能測量時(shí)，LED 透聲模塊應(yīng)安裝在測試樣品放置臺(tái)上，確保被測平面與測試樣品臺(tái)垂直水平面平行，并緊貼測試樣品放置臺(tái)垂直平面。LED 透聲模塊與測試樣品臺(tái)連接處如有漏聲，應(yīng)使用阻尼泥封堵完整。

圖2 數(shù)字電影LED 透聲測試原理圖

數(shù)字電影LED 透聲性能測量步驟如下：

（1）將測量揚(yáng)聲器與測量傳聲器置于同一水平軸線上，高度在LED 透聲模塊樣品的中心處，兩者相距1m；

（2）未放置被測樣品時(shí)，分別將頻率為125Hz、250Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、8000Hz、12500Hz、16000Hz 的正弦波信號(hào)以穩(wěn)定功率輸入于揚(yáng)聲器，使用聲學(xué)分析儀分別測得各個(gè)頻率的聲壓級(jí)，單位為dB；

（3）將LED 透聲模塊（圖2）垂直而對(duì)稱地掛設(shè)于離揚(yáng)聲器口150mm 處，并緊貼測試樣品臺(tái)方孔平面，在同上條件下分別測得各個(gè)頻率的聲壓級(jí)；

（4）計(jì)算各個(gè)頻率下在放置LED 透聲模塊前后的衰減值，然后再計(jì)算各個(gè)頻率的聲衰減與500Hz處的聲衰減之差，所得數(shù)值即為該數(shù)字電影LED 透聲模塊聲衰減特性；

（5）驗(yàn)證數(shù)字電影LED 透聲屏幕整體透聲特性時(shí)，可使用粉紅噪聲信號(hào)測量LED 透聲模塊放置前后，頻率在125Hz～16000Hz 范圍內(nèi)每倍頻帶的聲壓級(jí)。計(jì)算各個(gè)倍頻帶下在放置LED 透聲模塊前后的衰減值，之后再計(jì)算各個(gè)倍頻帶下的聲衰減與中心頻率為500Hz 的倍頻帶下的聲衰減之差，即為該數(shù)字電影LED 透聲模塊聲衰減特性。

4 數(shù)字電影LED 透聲模塊設(shè)計(jì)探討

4.1 數(shù)字電影LED 模塊

數(shù)字電影放映用LED 模塊通常由印刷電路板（PCB）、燈珠、驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成。它在印刷電路板上集成了多行、多列的燈珠，驅(qū)動(dòng)芯片通過內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路向各個(gè)LED燈珠傳遞控制信號(hào)，如圖3所示。

圖3 數(shù)字電影LED 模塊

該結(jié)構(gòu)設(shè)置導(dǎo)致主揚(yáng)聲器系統(tǒng)無法按照傳統(tǒng)模式安裝到屏幕后方，僅能安裝到LED 屏幕的周圍，造成聲像位置信息與導(dǎo)演的創(chuàng)作意圖偏差較大的情況，致使LED 屏幕整體還音效果不佳。為了能夠獲得與傳統(tǒng)銀幕放映較為一致的還音效果，需要在LED 模塊上開孔，以達(dá)到LED 模塊透聲的效果。

4.2 數(shù)字電影LED 透聲孔研究

自2018 年起，中國電影科學(xué)技術(shù)研究所（中央宣傳部電影技術(shù)質(zhì)量檢測所）就開展了LED 透聲相關(guān)技術(shù)研究，筆者對(duì)LED 透聲孔的尺寸、厚度、結(jié)構(gòu)、空腔、排布方式等對(duì)聲波的影響做了大量測試，得出以下結(jié)論：

(1)圓形透聲孔的尺寸越小，高頻透聲效果越好。筆者分別對(duì)直徑為0.2mm、0.5mm、0.6mm、0.8mm 和1.0mm 共五種尺寸透聲孔的聲衰減特性進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖4 所示，開孔直徑越大，在4kHz以上頻段的聲衰減特性越差。

圖4 不同開孔尺寸下各頻率聲衰減特性

(2)開孔厚度直接影響LED 透聲模塊的高頻特性，在頻率為8kHz 以上表現(xiàn)尤為突出。筆者在開孔位置不變的情況下增加基板厚度，經(jīng)過測試比對(duì)發(fā)現(xiàn)隨著開孔厚度的增加，高頻衰減特性越明顯，總諧波失真也變大。

(3)不規(guī)則的透聲孔排布對(duì)LED 透聲效果影響較小。在有效透聲率相等的情況下，筆者將透聲孔的排布進(jìn)行了不規(guī)則打孔，經(jīng)過測試比對(duì)發(fā)現(xiàn)均勻排布和不規(guī)則排布的開孔結(jié)構(gòu)對(duì)LED 透聲的效果影響較小。

(4)正向喇叭口形狀的開孔方法能夠有效改善中頻段透聲性能。筆者對(duì)正常開孔、正向喇叭口形狀開孔和逆向喇叭口形狀開孔三種開孔方式進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)正向喇叭口開孔方式能夠有效改善中頻段的聲衰減問題，尤其是在500Hz～2500Hz 區(qū)間改善明顯，正向喇叭口開孔數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)于正常開孔方式，正常開孔方式優(yōu)于逆向喇叭口開孔方式。

(5)底板與印刷電路板之間的空腔對(duì)中高頻衰減特性影響較大。筆者對(duì)底板與印刷電路板緊密結(jié)合和底板與印刷電路板形成一定的空腔兩種方式進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)有空腔的聲衰減特性與無空腔的聲衰減特性在中高頻差距明顯，尤其頻率在5kHz～8kHz區(qū)間會(huì)迅速衰減。

(6)筆者使用單頻點(diǎn)、掃頻和粉紅噪聲三種不同測試方法對(duì)LED 透聲模塊的特性進(jìn)行了測量，三種方法都能夠反映LED 透聲屏幕的聲學(xué)特性，其中掃頻法更適用于產(chǎn)品研發(fā)工作，粉紅噪聲法更適用于影院現(xiàn)場環(huán)境測試。

4.3 數(shù)字電影LED 透聲模塊設(shè)計(jì)原則

數(shù)字電影LED透聲模塊由印刷電路板、顯示單元和透聲單元組成，在印刷電路板合適區(qū)域安裝燈珠，嵌入驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成顯示單元。在印刷電路板合適區(qū)域按照一定的規(guī)律開孔，形成透聲單元。現(xiàn)有LED 模塊透聲方案主要存在開孔有效區(qū)域小、透聲孔徑尺寸不合理、透聲孔厚度大、安裝支架對(duì)聲波傳播路徑造成遮擋等結(jié)構(gòu)缺陷：開孔有效區(qū)域小將導(dǎo)致LED模塊透聲性較差；透聲孔徑尺寸的大小將導(dǎo)致高頻衰減較為嚴(yán)重；透聲孔厚度大將導(dǎo)致聲波在傳播過程中極易形成駐波現(xiàn)象和諧波失真。LED 模塊不當(dāng)?shù)拈_孔方式直接影響數(shù)字電影的整體還音效果，不利于LED透聲屏幕在電影行業(yè)的推廣應(yīng)用。

根據(jù)數(shù)字電影LED 透聲研究所取得的研究成果，筆者認(rèn)為在進(jìn)行數(shù)字電影LED 透聲模塊設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素和建議如下：

(1)印刷電路板上的驅(qū)動(dòng)電路和芯片位置選擇。應(yīng)盡最大可能增加印刷電路板上的可開孔區(qū)域，盡量確保LED 透聲孔開孔區(qū)域均勻分布；

(2)LED 圓形透聲孔直徑的大小選擇。應(yīng)綜合考慮工藝的復(fù)雜程度和對(duì)有效開孔面積的影響，建議透聲孔開孔圓直徑在0.4mm～0.6mm 之間；

(3)LED 透聲模塊的有效開孔區(qū)域?qū)挾冗x擇。為了確保揚(yáng)聲器系統(tǒng)的中高頻單元能夠有較好的透聲效果，建議LED 透聲模塊的有效開孔區(qū)域最小寬度應(yīng)不低于15.2cm；

(4)LED 透聲孔對(duì)光學(xué)觀影效果的影響。面對(duì)LED 透聲屏背面光環(huán)境和LED 透聲屏幕反射、散射現(xiàn)象對(duì)LED 觀影效果帶來的影響，建議LED 透聲孔使用黑色強(qiáng)吸光材料進(jìn)行噴涂，同時(shí)在LED 透聲孔后部添加強(qiáng)阻燃吸光透聲材料；

(5)LED 透聲屏幕的鏈路安全性。DCI 對(duì)數(shù)字電影放映物理鏈路的安全性具有較高要求，為了能夠滿足DCI 規(guī)定的安全規(guī)范，建議將主揚(yáng)聲器系統(tǒng)嵌入到LED 透聲屏幕中。

4.4 數(shù)字電影LED 透聲模塊設(shè)計(jì)

依據(jù)數(shù)字電影LED 透聲模塊的設(shè)計(jì)原則，筆者設(shè)計(jì)了一套低聲衰減、低失真的LED 模塊透聲結(jié)構(gòu)及LED 透聲屏幕的安裝結(jié)構(gòu)，LED 透聲模塊具有透聲孔有效開孔區(qū)域大、聲衰減小，透聲孔厚度小、諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)。LED 透聲屏幕采用拼塊式安裝方式，將LED 透聲模塊固定在安裝支架上，安裝支架分布在主揚(yáng)聲器系統(tǒng)的兩側(cè)，有效規(guī)避了支架對(duì)聲波傳播路徑的遮擋。該結(jié)構(gòu)還具備安裝和拆卸方便的特點(diǎn)。數(shù)字電影LED 透聲模塊如圖5 所示，模塊的燈珠分布如圖6 所示，其驅(qū)動(dòng)芯片位置如圖7 所示，安裝方式如圖8所示。

圖5 數(shù)字電影LED 透聲模塊示意圖

圖6 數(shù)字電影LED 透聲模塊燈珠分布示意圖

圖7 LED 透聲模塊驅(qū)動(dòng)芯片示意圖

圖8 LED 透聲模塊安裝方式示意圖

4.5 數(shù)字電影LED 透聲模組測試

依據(jù)本研究提出的LED 透聲測量方法，筆者對(duì)制作的數(shù)字電影LED 透聲模組的透聲效果進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明單個(gè)LED 透聲模塊的有效開孔率為9.4%，總諧波失真為0.42%，聲衰減特性符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數(shù)和測定方法》對(duì)透聲放映銀幕的相關(guān)要求，數(shù)字電影LED 透聲模組的聲衰減特性測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)字電影LED 透聲模組各頻率下的聲衰減特性

5 總結(jié)

數(shù)字電影LED 透聲技術(shù)已成為近幾年研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，LED 透聲模塊通常由印刷電路板、顯示單元和透聲單元組成，造成聲波傳播路徑極其復(fù)雜，很難建立符合真實(shí)效果的聲學(xué)理論模型。本文通過分析數(shù)字電影LED 透聲特性和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，制定了一套能夠評(píng)測LED 透聲效果的技術(shù)要求和評(píng)價(jià)方法，對(duì)不同尺寸厚度、空腔和結(jié)構(gòu)的LED 透聲孔進(jìn)行了大量的測試和分析，得出可能影響LED 透聲性能的主要因素，總結(jié)LED 透聲設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，提出LED 透聲設(shè)計(jì)的一些建議，供相關(guān)研究和開發(fā)人員參考，并制作了一套數(shù)字電影LED 透聲模組，該LED透聲模組的有效開孔率達(dá)到9.4%，總諧波失真為0.42%，各頻點(diǎn)相對(duì)于500Hz 的最大聲衰減為5.48dB，該指標(biāo)已滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7809-2005《放映銀幕特性參數(shù)和測定方法》對(duì)穿孔銀幕所規(guī)定的相關(guān)要求。該項(xiàng)技術(shù)為數(shù)字電影LED 影廳早日實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)銀幕影廳一致的主聲道還音效果提供了一種技術(shù)解決方案，它將徹底解決數(shù)字電影LED 非透聲屏幕存在的聲像不一致缺陷。