墻面擴(kuò)散體位置對多功能廳音質(zhì)影響仿真分析

王靜 傅榮

(中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的文化事業(yè)也越來越受到重視。由于多功能廳能夠?qū)崿F(xiàn)“一廳多用”，大大提高了其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，廣受歡迎。在多功能廳里既要保證語言的清晰度，又要保證聲場均勻的擴(kuò)散，避免出現(xiàn)不良的聲學(xué)缺陷[1]。運(yùn)用聲擴(kuò)散體可以有效地提供側(cè)向反射聲,消除聲聚焦,使室內(nèi)聲場更加均勻。

工程中布置擴(kuò)散體時(shí)，首先需要解決的問題就是墻面擴(kuò)散體的布置位置。本文將以典型的矩形多功能廳為研究對象，采用基于ODEON的計(jì)算機(jī)仿真軟件，對目前裝飾工程中應(yīng)用最廣泛的三角柱擴(kuò)散體進(jìn)行研究。探討相同面積擴(kuò)散體分布在不同位置時(shí)，對多功能廳聲場的影響，以獲得良好的擴(kuò)散聲場。

2 多功能廳模型和擴(kuò)散體布置

廳堂的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免駐波的產(chǎn)生[2]，因此，設(shè)計(jì)該多功能廳長24m，寬16m，高7m，如圖1所示，該圖是使用ODEON建立的3D模型圖。ODEON軟件經(jīng)過了15多年的不斷完善，基于虛聲源和聲線跟蹤相結(jié)合的方法，系目前計(jì)算機(jī)聲場仿真領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的準(zhǔn)確度最高的軟件之一[3]。聲源點(diǎn)設(shè)置在 P1（6，8，1.2）處，如圖 1 中紅點(diǎn)所示；6個(gè)接收點(diǎn)設(shè)置在觀眾廳一側(cè)，其坐標(biāo)如表1所示。在圖1中為藍(lán)點(diǎn)標(biāo)示，由于該廳堂是完全對稱的，因此在另一側(cè)沒有設(shè)置接收點(diǎn)。

圖1 多功能廳3D模型圖及聲源點(diǎn)和接收點(diǎn)位置

表1 接收點(diǎn)坐標(biāo)

本文采用三角柱體擴(kuò)散體，如圖2所示，將其頻率下限定為200Hz左右。根據(jù)公式[4]

圖2 三角柱擴(kuò)散體模型及其尺寸

可選取a=1m，b=0.2m，如圖2中所標(biāo)示。該尺寸對頻率為216Hz以上的聲波可達(dá)到有效的聲擴(kuò)散。

為了探討擴(kuò)散體布置在不同位置時(shí)對多功能廳聲學(xué)特性的影響，本文共研究11種典型的布置方案，將面積為56m2的三角柱擴(kuò)散體分別布置在側(cè)墻、后墻、頂棚等部分，如圖3所示。

表2 多功能廳各界面吸聲材料一覽表

圖3 擴(kuò)散體布置方案

各界面吸聲材料列于表2中，擴(kuò)散體為硬質(zhì)木板，地面為地毯，天花為石膏板，墻面為木制吸聲板。

3 仿真結(jié)果及分析

圖4 各聲學(xué)參數(shù)仿真平均值

表3 各聲學(xué)參數(shù)1000Hz倍頻帶統(tǒng)計(jì)結(jié)果

ODEON可模擬計(jì)算接收點(diǎn)位置處的許多聲學(xué)參數(shù)，如早期衰變時(shí)間EDT、混響時(shí)間T30、聲壓級SPL、清晰度C80等。圖4為對11種不同方案仿真得到的各聲學(xué)參數(shù)結(jié)果的平均值，表3為各聲學(xué)參數(shù)在1000倍頻帶處的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖4、表3與圖3中的數(shù)字編號是對應(yīng)的。

早期衰變時(shí)間EDT是指聲能量停止輻射后，能量最先衰減10dB的時(shí)間，早期衰變時(shí)間EDT對人們的混響時(shí)間感受特別重要。由圖4(a)和表3可知，各模型的EDT平均值相差不大，當(dāng)方案為5、7、8、11幾種情況時(shí)，其中頻早期衰變時(shí)間的空間標(biāo)準(zhǔn)偏差較小[5]，均不大于0.07s。

混響時(shí)間T30描述室內(nèi)聲音衰減快慢的程度，其長短主要決定于廳堂中吸聲材料的設(shè)置，因此在圖4(b)中，混響時(shí)間的平均值無明顯差異，由表 3 可得，當(dāng)方案為 4、5、6、7、8 時(shí)，中頻混響時(shí)間的空間標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎不大于0.05s，這表明廳堂的各座位之間的混響時(shí)間差異甚小，可以認(rèn)為整個(gè)廳內(nèi)混響時(shí)間基本均勻。

由圖4(c)可知，各模型聽眾區(qū)域聲壓級差異不大，對同一頻段處的各模型聽音區(qū)域的聲壓級差異在2dB之內(nèi)。擴(kuò)散體設(shè)置在不同位置對平均聲壓級無明顯影響。當(dāng)方案為 3、5、6、7、8時(shí)，其聲壓級的空間標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎不大于1.5dB。整個(gè)廳內(nèi)的聲壓級基本達(dá)到均勻。

清晰度C80反映了聽眾區(qū)域的語言清晰度。由圖4(d)和表3可知，清晰度空間分布較為均勻的方案有 3、5、7、8、11幾種。

綜合以上分析可知，當(dāng)擴(kuò)散體布置方案為3、5、7、8、11 幾種情況時(shí)，該矩形模擬多功能廳擴(kuò)散情況較好，各聲學(xué)參數(shù)的空間分布比較均勻，空間標(biāo)準(zhǔn)偏差比較小。在這幾種布置方案中，擴(kuò)散體布置在多功能廳的后部，包括側(cè)墻后部、頂棚后部以及后墻。但是，這幾種布置方案其聲學(xué)參數(shù)的平均值較其它方案欠理想，可以通過改變吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)達(dá)到理想的聲學(xué)條件。因此，建議在廳堂后部敷設(shè)一定的擴(kuò)散體，以達(dá)到良好的擴(kuò)散聲場。

結(jié)論

通過使用ODEON聲學(xué)仿真軟件對多功能廳進(jìn)行模擬，探討將擴(kuò)散體布置在多功能廳不同位置時(shí)，對廳堂聲學(xué)特性和聲場分布的影響。結(jié)果表明，將相同面積的三角柱擴(kuò)散體布置在廳堂后部時(shí)（側(cè)墻、天花、后墻），其聲場分布較為均勻，各聲學(xué)參數(shù)的空間標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。這個(gè)結(jié)論能夠?yàn)閺d堂擴(kuò)散體的聲學(xué)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

[1]牛麟,蔡利達(dá).多功能廳的聲學(xué)環(huán)境營造.電聲技術(shù).2002(201).

[2]秦佑國,王炳麟.建筑聲環(huán)境.清華大學(xué)出版社,1992.

[3]Clause Lynge Christensen.Odeon room acousticsprogram,version9.0,User Manual[Z].Industrial,Auditorium and Combined Editions,2007.

[4]王崢,項(xiàng)端祈,陳金京等.建筑聲學(xué)材料與結(jié)構(gòu)——設(shè)計(jì)和應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5]杜功煥,朱哲民,龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ).南京大學(xué)出版社,2004