小型影院聲場模擬與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對比分析

葉穎

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100024)

1 緒論

建筑聲學(xué)的迅猛發(fā)展體現(xiàn)了人們對視聽感受需求的不斷升級。廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)是建筑聲學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要方面。而使用聲學(xué)軟件來輔助輔助廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)已經(jīng)是大勢所趨。聲場模擬軟件可以預(yù)測廳堂的各種聲學(xué)參數(shù)，評估和調(diào)整廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)方案［1］。目前市場上主流的聲場模擬軟件有ODEON、EASE等。本文采用的EASE是一款首次由德國科學(xué)家研制成功，能夠設(shè)計(jì)、計(jì)算和顯示聲場并預(yù)測聲音質(zhì)量和效果的計(jì)算機(jī)仿真軟件。

本文建模對象為中國傳媒大學(xué)二號樓一樓的小型影院，約310m2。通過EASE聲場建模，得到預(yù)測的客觀聲學(xué)參數(shù)，如總聲壓級衰變曲線、混響時(shí)間T30(T20)、早期衰變時(shí)間EDT、明晰度C50等。并且，對該小型影院進(jìn)行了實(shí)際聲學(xué)參數(shù)測量，采用的是MLS序列法獲得其脈沖響應(yīng)函數(shù)，再應(yīng)用脈沖響應(yīng)反向積分法得到聲壓級衰變曲線，進(jìn)而計(jì)算出聲學(xué)參數(shù)。通過對兩種方法得到的數(shù)據(jù)對比分析，提出了計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬中存在的一些問題。

2 EASE建模的基本方法

首先根據(jù)房間設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑膸缀涡螤顢?shù)據(jù)(各個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo))、界面聲學(xué)屬性數(shù)據(jù)(界面吸聲材料的吸聲系數(shù))等在軟件環(huán)境中作圖創(chuàng)建房間模型，制圖形成的房間模型及尺寸必須與實(shí)際房間相一致。

圖1 房間模型圖

EASE中有多種繪制房間模型的方法。其中最基礎(chǔ)的方法是逐個(gè)地用頂點(diǎn)和面的X、Y、Z坐標(biāo)來建立房間模型，把廳堂的各表面分割成若干有邊界的平面，并把這些平面的各參數(shù)如頂點(diǎn)坐標(biāo)、方向、吸聲系數(shù)等輸入計(jì)算機(jī)。此外EASE還提供了便利的房間模板資料庫，我們可以在模板的基礎(chǔ)上修改為接近實(shí)際需要的房間。除了以上兩種方法，還可以使用AUTOCAD中畫好的三維模型，經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為符合EASE模擬要求的模型導(dǎo)入。

本文采用第一種方法，房間模型圖如圖1所示。該小型影院的尺寸約為310m2，其中圓弧形區(qū)域A為放映室。

建模基本步驟如下:

1.輸入房間幾何數(shù)據(jù)，繪制房間模型圖。不要忘記封閉房間，這一點(diǎn)十分重要，要將建模過程中產(chǎn)生的孔洞全部消除。

2.加入聽眾區(qū)，為圖中綠色矩形區(qū)域，設(shè)置其高度為1.2米，即人耳的高度。接著在該房間的聽眾區(qū)插入了四個(gè)聽眾座椅。

3.設(shè)置吸聲材料，EASE中自帶了吸聲材料數(shù)據(jù)庫。本房間各個(gè)吸聲面所用吸聲材料、面積以及各個(gè)頻段的吸聲系數(shù)如表1所示。

表1 吸聲材料數(shù)據(jù)

4.添加揚(yáng)聲器，EASE的LSP數(shù)據(jù)庫中存有世界著名揚(yáng)聲器廠家生產(chǎn)的各種揚(yáng)聲器型號及參數(shù)，選擇好型號之后，還要調(diào)整揚(yáng)聲器高度、方向、角度等［2］。

3 聲學(xué)參數(shù)計(jì)算與分析

首先，介紹一下室內(nèi)聲學(xué)分析工具AURA，它是EASE4.1引入的強(qiáng)有力的聲學(xué)分析工具，可進(jìn)行聲學(xué)模擬和更準(zhǔn)確地預(yù)測聲學(xué)參量。為使EASE可聽化模塊Auralization聽聲效果自然，EASE程序需要運(yùn)算1～4 s的脈沖響應(yīng)，程序計(jì)算需要很長時(shí)間。所以，在開始可聽化模擬程序之前，EASE用一段統(tǒng)計(jì)估算代替計(jì)算的尾部數(shù)據(jù)加到計(jì)算出來的脈沖響應(yīng)后面，即給反射序列圖強(qiáng)制統(tǒng)計(jì)加尾，從而得到房間的脈沖響應(yīng)。模擬的結(jié)果很理想，但花費(fèi)的時(shí)間很長，而且后期反射聲只是近似結(jié)果。EASE4.1加入AURA模塊，便解決了這個(gè)問題［3］。

AURA中有兩種模擬方法:音質(zhì)參量運(yùn)算(AURA Mapping)和脈沖響應(yīng)運(yùn)算(AURA Response)，本文采用前一種方法。由于此次建模的主要目的是測量該小影院的混響時(shí)間是否滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3382中定義的標(biāo)準(zhǔn)，因此主要對聲壓級衰變曲線、混響時(shí)間、早期衰減時(shí)間進(jìn)行了運(yùn)算。

為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，選擇在單個(gè)測試點(diǎn)運(yùn)行AURA計(jì)算，分別計(jì)算出圖中四點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)。#1—#4四點(diǎn)處的總聲壓級曲線如圖2所示，T30、EDT值如表2所示。

圖2 #1—#4各點(diǎn)總聲壓級曲線

表2 #1—#4各點(diǎn)聲學(xué)參數(shù)

從四點(diǎn)的總聲壓級曲線可看出，該影院聽音區(qū)在125Hz到4000Hz頻率范圍內(nèi)總聲壓級平均約為101.3dB—106.8dB，達(dá)到小型影院聲壓級的要求，并且滿足《小型影院聲學(xué)設(shè)計(jì)與等級認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中最低聲壓級與最高聲壓級相差不超過6dB的要求［4］，說明該影院的聲場均勻度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中指出，200-350m3影院滿場時(shí)的中頻(500-1000Hz)混響時(shí)間應(yīng)在0.25-0.40s之間，而模擬時(shí)為空場，因此可以上調(diào)0.1-0.2s。從表2中各點(diǎn)的聲學(xué)參數(shù)可發(fā)現(xiàn)，中高頻的混響時(shí)間基本滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是低頻混響時(shí)間偏差較大。

4 實(shí)際測量

目前，測量房間脈沖響應(yīng)比較實(shí)用的方法有三類［5］:聲源采用真實(shí)的脈沖聲源，如氣球爆破、發(fā)令槍、夾板發(fā)聲、電火花等，然后利用錄音機(jī)或錄音軟件記錄脈沖響應(yīng);激勵(lì)采用最大長度序列信號(MLS信號)，MLS信號是一種周期性偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，其自相關(guān)函數(shù)近似為沖擊函數(shù)，頻譜與白噪聲相同。將MLS信號傳至揚(yáng)聲器系統(tǒng)，并在一接收點(diǎn)接收信號，該信號是MLS信號與聲學(xué)空間的脈沖響應(yīng)的卷積，再將該接收信號與MLS信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即可得聲學(xué)空間的脈沖響應(yīng);激勵(lì)信號為掃頻信號，用激勵(lì)信號的反轉(zhuǎn)信號對測得的信號作卷積而得到脈沖響應(yīng)函數(shù)。本文采用MLS序列法測量脈沖響應(yīng)，MLS信號的主要優(yōu)點(diǎn)是:MLS信號是確定性序列，可以精確地重復(fù)，方便地進(jìn)行多次平均，以降低背景噪聲對測量的影響。

實(shí)驗(yàn)使用的室內(nèi)聲學(xué)測量系統(tǒng)由以下設(shè)備構(gòu)成:PC、聲卡、Cool Edit Pro2.0錄音編輯軟件、AD/DA轉(zhuǎn)換器、聲功率放大器、十二面體全指向型揚(yáng)聲器、全指向型傳聲器、8通道傳聲放大器等，測量系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 測量系統(tǒng)圖

將傳聲器放在圖中位置，并且話筒高度與人耳高度齊平，約1.2m。使用matlab軟件生成16階MLS序列，采樣頻率為44.1kHz，量化位數(shù)為16bit，持續(xù)時(shí)長1.486s。生成的M序列經(jīng)過功放由揚(yáng)聲器播放，將傳聲器收集到的信號與原M序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，經(jīng)過數(shù)據(jù)截取、零點(diǎn)選取處理后，得到的就為房間脈沖響應(yīng)，最后測得信號的信噪比約為54dB。在matlab中，對得到的脈沖響應(yīng)其進(jìn)行反向積分，Schoroeder積分公式為:但該公式是對模擬量時(shí)域的積分，我們通過A/D轉(zhuǎn)換后，就變?yōu)閷β晧浩椒胶蟮碾x散量的求和，再對其求對數(shù)，就得到聲壓級衰變曲線。得到聲壓級衰變曲線后，用最小二乘法作直線擬合。本次實(shí)驗(yàn)計(jì)算的混響時(shí)間為T30，由聲壓級衰減曲線的斜率推算得到，而直線的斜率通過對聲壓級衰減曲線進(jìn)行最小二乘法線性擬合得到［6］。在能量衰減曲線從-5dB至-35dB的段落作直線擬合，可求出T30。在能量衰減曲線最初衰減10dB段進(jìn)行直線擬合，由此可求出EDT［7］(即聲能衰減60dB所需的時(shí)間)。在#1—#4四點(diǎn)處的T30和EDT值如表3。

表3 #1—#4各點(diǎn)實(shí)測聲學(xué)參數(shù)

5 對比分析與結(jié)論

各點(diǎn)混響時(shí)間模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果如下折線圖所示:

圖4 各點(diǎn)T30對比圖

圖5 各點(diǎn)EDT對比圖

通過折線對比圖可以看到，影院各點(diǎn)中高頻對應(yīng)的混響時(shí)間中模擬值都要低于實(shí)測值，且只在最佳聽音頻率500—1000Hz時(shí)比較相近，高頻差值相對較大。在低于500Hz的低頻段，模擬值都要高于實(shí)測值。說明EASE模擬系統(tǒng)在中小型封閉空間內(nèi)處理低頻的混響時(shí)間上存在一定的缺陷，對低頻聲波的發(fā)射情況考慮不夠全面。而在高于2000Hz的高頻段模擬值過低，已經(jīng)不在該影院混響時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且高頻段模擬已經(jīng)忽略了空氣對高頻的吸收。此外，離聲源較近點(diǎn)的模擬值與實(shí)測值差值相對較小，這說明模擬準(zhǔn)確度在一定程度上與聲源、測點(diǎn)之間的距離有關(guān)，靠近聲源的混響時(shí)間模擬值更加準(zhǔn)確。產(chǎn)生這些誤差的原因還有可能是建模時(shí)無法設(shè)置房間溫度與濕度所造成，這兩個(gè)因素也是不可忽視的。

由對比分析后發(fā)現(xiàn)EASE模擬系統(tǒng)存在的這些問題，提出了一些優(yōu)化軟件的建議:低頻聲段的模擬計(jì)算誤差普遍大于中高頻，軟件開發(fā)者可以設(shè)法解決低頻衍射模擬的問題;添加房間溫度、濕度設(shè)置選項(xiàng)，使得模擬更加接近真實(shí)情況，這一點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)困難還是很大的。

本文分析對象為小型封閉房間，在大型封閉房間中模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的差異還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。且以上問題在其他聲場模擬軟件，如ODEON中是否也存在還有待進(jìn)一步研究。

［1］高玉龍.廳堂建筑音質(zhì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)——EASE4.1使用詳解［J］.音響技術(shù)，2008，(01):60.

［2］王明臣.EASE軟件建模的基本方法［J］.音響技術(shù)，2006，(12):19-21.

［3］高玉龍.EASE中的 AURA 程序模塊(上)［J］.音響技術(shù)，2007，(09):26-29.

［4］本刊記者.小型影院聲學(xué)設(shè)計(jì)與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)探索［J］.家庭影院技術(shù)，2013，(09):70-73.

［5］孟子厚.廳堂聲學(xué)測量中不同激勵(lì)聲源的比較［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2005，(01):19-23.

［6］Patti Kendrick，Trevor JCox，F(xiàn)rancis F Lietc.Monaural room acoustic parameters from music and speech［J］.J Acoust Soc Am，2008，124:278-287

［7］Canclini A，Antonacci F，et al.Exact localization of acoustic reflectors from quadratic constraints［C］.Proc IEEE Workshop Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics(WASPAA)，2011:17-20.