教室聲場計算機(jī)模擬分析

肖永剛 梁志強(qiáng)

摘 要 本文利用EASE軟件，建立某大學(xué)1#教學(xué)樓的101教室的聲場模型，通過分析混響時間等聲學(xué)指標(biāo)，結(jié)果表明教室在滿場情況下其混響時間有一定程度的減小，各個參量均與聽音者在教室內(nèi)的位置有關(guān)。對各個頻率的混響時間進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了階梯教室室內(nèi)的主要音質(zhì)缺陷，為以后階梯教室的音質(zhì)改造和試驗研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 EASE軟件；混響時間；階梯教室；音質(zhì)評價

1 概述

準(zhǔn)確預(yù)測房間的聲學(xué)參數(shù)一直以來都是聲學(xué)設(shè)計者的目的，聲學(xué)模擬軟件可以預(yù)測廳堂聲學(xué)特性，評估和調(diào)整聲學(xué)設(shè)計方案，因此，計算機(jī)聲學(xué)輔助設(shè)計已成為當(dāng)前聲學(xué)領(lǐng)域的一種趨勢[1]。在教室聲學(xué)方面，由于EASE軟件在電聲和建聲相結(jié)合方面的優(yōu)勢，它被較多的應(yīng)用于教室聲學(xué)的計算模擬。

EASE是為聲學(xué)工程師設(shè)計的計算機(jī)模擬軟件，自從90年代被德國ADA聲學(xué)設(shè)計公司開發(fā)以來，已經(jīng)在許多國家被注冊使用。其主要功能為：擴(kuò)聲（特別是揚聲器布置的方案設(shè)計）和建聲的計算機(jī)輔助設(shè)計[1-2]。

2 多媒體階梯教室的模擬

2.1 1#101多媒體階梯教室的基本情況

本文以某大學(xué)1#教學(xué)樓的101階梯教室為研究對象介紹EASE聲學(xué)軟件在教室聲環(huán)境研究中的應(yīng)用[2]。

101階梯教室位于1#教學(xué)樓的東南角，其南面距體育場大概有10m的距離。該教室平面形式為遞增的長方形，其前部寬為12m，后部寬為12.8m，長為15.8m，教室前部凈高為4.3m，后隨臺階逐漸減小，有七個臺階，每個臺階高為0.12m，教室后部高為3.46m。地面面積約為195.9m2，其中有126個座位，所占面積約為66.2m2，容積約為777.1m3。

2.2 教室的聲場模型的建立

首先我們對101教室進(jìn)行了現(xiàn)場實測，得到建模所需的數(shù)據(jù)，然后針對教室聲場的音質(zhì)特點，進(jìn)行實例建模得到三維立體模型。如下圖所示：其中綠色為聽眾區(qū)，紅色座椅為試聽位置，藍(lán)色為揚聲器，粉色為窗戶，淡紫色為座席區(qū)，黑色為門，亮灰色為講臺和黑板。其具體模型如圖1所示：

3 計算結(jié)果分析

3.1 混響時間的分析

首先利用軟件模擬計算空場（教室內(nèi)沒有學(xué)生）情況下教室的混響時間，由模型分析可得教室空場時混響時間的頻率特性曲線圖，如圖2所示：

從曲線趨勢可以看出在低頻時，實測的混響時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬的混響時間，但在中高頻兩者相差約在0.2s左右，用艾潤混響時間公式作為多媒體階梯教室混響時間的模擬計算更符合實際情況。同時，該教室在中高頻的混響時間較長，這主要是教室未進(jìn)行任何聲學(xué)處理，且教室內(nèi)墻及其他裝修材料在中高頻時對聲能吸收較弱；在低頻部分可以明顯看出，實測的混響時間比模擬的混響時間長，這可能的原因是教室實際工況條件與模擬時理想工況條件的差異造成的。由于人耳對中高頻聲音較敏感，從上表可以看出，在中高頻段，實測值和模擬計算結(jié)果有一些誤差，偏離的范圍在10%之內(nèi)，這主要是因?qū)崪y和仿真中使用的聲源以及吸聲材料的吸聲系數(shù)有關(guān)，但總體來說誤差在可接受的范圍之內(nèi)，所以采用EASE聲學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行多媒體階梯教室的聲場分析是可行的。

再根據(jù)滿場與空場時，座席區(qū)吸聲量的變化，模擬得到滿場（教室內(nèi)坐滿學(xué)生）情況下教室的混響時間，可以得出不論是賽賓公式還是艾潤公式，教室在滿場情況下其混響時間有一定程度的減小，尤其是在高頻部分，兩者相差較大，約在0.2秒左右，但在低頻部分，滿場時對混響時間的影響相對較小，約在0.05秒左右。產(chǎn)生這種情況的主要原因是：教室內(nèi)部涂刷的白漿與石膏水泥的吸聲系數(shù)較小，抹灰的磚墻和光滑的地板其剛性面吸聲系數(shù)更小，滿場時座席區(qū)的吸聲系數(shù)相對較大，與空場時相比，其在低頻相差不大，但在高頻時相差較大，因此就造成滿場時對高頻混響影響較大。同時由于本教室有電聲設(shè)備，為避免學(xué)生就座率對擴(kuò)聲的影響，不僅要求室內(nèi)有較低的混響時間，同時也要求在空場和滿場的情況的混響時間大致相同，從這點來說，本教室的混響情況也相對較差。

3.2 其他各指標(biāo)的計算結(jié)果的分析與匯總

在聽眾區(qū)，對1000Hz時二維的各個參量的等壓線進(jìn)行分析可以得出，由于揚聲器布置于房間內(nèi)對稱的位置，各個參量的結(jié)果基本也都以房間中軸線為基準(zhǔn)對稱分布，對直達(dá)聲聲壓級等壓線，其在教室前部中間位置得到最大值，然后輻射減小，在教室后部兩個角部得到最小值；對最大聲聲壓級等壓線，其教室前部的聲壓級較大，然后做圓弧輻射，到教室后部其聲壓級明顯減小。綜上對聲壓級的分析可知，對多媒體階梯教室即是有擴(kuò)聲系統(tǒng)，依然是教室前部的聲壓級大于后部，只是由于電聲的補(bǔ)充，其差值相對較小，對直達(dá)聲約為5dB，對總聲壓級約為3dB，這樣的差值對人耳聽聞來說，沒有明顯的區(qū)別，所以此教室的聲場均勻度較好。對C50的等壓線分布，其在教室前部中間位置有最大值，然后依次輻射減小，在教室后部的兩個角部得到最小值；對輔音清晰度損失率的等壓線也存在類似的分布。由以上對各參量的分析可以看出，在教室不同位置各個參量的值并不相同，尤其在教室前排座席區(qū)差異較顯著，說明教室內(nèi)語言清晰度分布不均勻，這主要是因為聲源具有指向性。各個參量均與聽音者的位置有關(guān)。

4 結(jié)論

本文介紹了利用EASE軟件對階梯教室建模的基本情況。然后利用軟件模擬計算得到空場和滿場情況下各頻率的賽賓和艾潤公式混響時間，比較分析得到：用艾潤公式混響時間與實際情況有較好的符合度；將空場與滿場兩種情況下的比較分析得到，教室在滿場情況下其混響時間有一定程度的減小，尤其是在高頻部分，兩者相差較大；對各個參量在教室內(nèi)不同位置的值分析得到，各個參量均與聽音者在教室內(nèi)的位置有關(guān)；此外，對各個頻率的混響時間進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了階梯教室室內(nèi)的主要音質(zhì)缺陷，為以后階梯教室的音質(zhì)改造和試驗研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳金京，王崢. 廳堂音質(zhì)的模糊評判法—第五屆物理會議論文集[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987：22-28.

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