錄音棚客觀音質(zhì)參數(shù)的計算機仿真與現(xiàn)場測試對比

王 莉，萬宇鵬，桂 桂，李冬梅

(1.四川廣播電視臺，四川 成都 610094;2.中國測試技術(shù)研究院聲學研究所，四川 成都 610021)

0 引 言

為了進行廳堂場館的聲場仿真和模擬，通常會使用射線跟蹤法和聲源鏡像法[1]，這些方法是基于高頻假設(shè)來實現(xiàn)的，其中最基礎(chǔ)的假設(shè)條件就是幾何建模中的反射面是無限大的，或相較于研究對象的波長該反射面應(yīng)該是足夠大的。當在實際工作中遇到反射面的確不能視作無限大的情況下，就會引入“散射”的概念來考慮有限反射面引起的衍射和各種表面材料的非鏡面特性。

在“包含可能影響廳堂音質(zhì)的所有幾何特性”與“完全尊重客觀幾何聲學規(guī)律”之間存在著明顯的矛盾。一方面，如果廳堂的幾何建模過于簡單，那么可能無法從模型中獲得想要研究的聲學特性；另一方面，如果廳堂的幾何建模涵蓋過多的建筑細節(jié)，那它有可能就不能完全符合類似于鏡面聲源法等這一類高頻假設(shè)方法[2]。

正常情況下，不僅是為了獲得更精確的室內(nèi)音質(zhì)參數(shù)而對仿真建模進行簡化，而更多是節(jié)省在建模過程中繪制不需要涵蓋的細節(jié)的時間。通常來說，創(chuàng)建用于聲學仿真的室內(nèi)建筑模型可能會占用大量的工作時間。因此，本文通過模型選擇和參數(shù)對比來確定最適宜用于廳堂音質(zhì)的聲學仿真模擬方法。

1 計算機仿真的幾何數(shù)據(jù)

1.1 錄音棚的建模

專業(yè)錄音棚分為控制室和錄音室[3]，本文針對錄音室內(nèi)客觀音質(zhì)參數(shù)進行仿真計算和實際測量[4-5]。研究對象的建筑參數(shù)及3種模型的建模細節(jié)和反射面數(shù)量見表1。

該錄音棚的粗略化、工程化、精細化3種不同模型形態(tài)通過計算機建模完成，如圖1～圖3所示。粗略化建模（CL模型）是對大部分反射面進行簡化并控制散射系數(shù)的模型；工程化建模（CM模型）是對部分反射面進行簡化并調(diào)整反射面的散射系數(shù)的模型；精細化建模（CH模型）是包含了較高幾何細節(jié)的模型。

圖1 粗略化建模模型（CL模型）

1.2 聲源和接收點位置

聲源和接收點位置根據(jù)錄音棚的實際使用需求確定，如圖4所示。P1是典型的單人錄音時的站位處，P2是房間地面中心位置處（多人錄音時的站位處）。1～12標示處是室內(nèi)平均分布的12個測試點作為仿真時的傳聲器接收點位。仿真聲源采用聲壓級為97.7 dB（A）的聲源信號，實際測量時采用B&K無指向性聲源，聲源離地距離1.7 m。測試點采用精密系列麥克風，離地距離約1.3 m。

圖2 工程化建模模型（CM模型）

2 聲學參數(shù)及其精確度

2.1 客觀音質(zhì)參數(shù)

針對4個客觀音質(zhì)參數(shù)進行評估，分別是混響時間“T30”、明晰度“C80”、清晰度“D50”和房間語言可懂度“RASTI”[6]。在建模和實測中都針對這4個參數(shù)進行模擬和測試，每個客觀音質(zhì)參數(shù)模擬的計算方法和測量方法依據(jù)ISO 3382標準進行[7]。

圖3 精細化建模模型（CH模型）

2.2 聲學參數(shù)精確度

為了評估客觀音質(zhì)參數(shù)的精度，本文對每個測點的測量數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)做了誤差分析。

T30，D50在每個頻率成分上的相對誤差計算公式如下：

C80，RASTI結(jié)果誤差的計算公式如下：

用于計算誤差的主觀門限值[8]見表2。計算值和模擬值的結(jié)果誤差越接近于0，則計算值和模擬值的一致性就越高。

圖4 聲源及測點位置圖

表2 聲學參數(shù)的主觀門限值

3 對比結(jié)果

實測時選擇31.5～16 000 Hz作為測試頻率范圍，但是考慮到該錄音棚的用途，本文主要針對63～8 000 Hz的倍頻程頻率范圍進行對比與分析[9-10]。

3.1 聲源位于角落區(qū)域

首先針對聲源位于P1處的各客觀音質(zhì)參數(shù)指標進行對比，T30模擬值與測試值（CT）的對比見圖5。各狀態(tài)下模擬值與實測值折線走向較為一致，而其中CM折線除了在125 Hz處大幅超過了主觀門限值外，其他頻率測點與實測值有較好的跟隨性。

T30模擬值與實測值的誤差分析見表3，可以看出，針對T30參數(shù)，CL和CH模型中多數(shù)頻點參數(shù)超過了主觀門限值，模擬效果不理想；CM模型中僅有2個頻點參數(shù)超過了主觀門限值，數(shù)據(jù)符合率為75%左右，效果較為理想。

C80模擬值與測試值的對比見圖6，各狀態(tài)下模擬值與實測值的折線走向較為一致，但在CH狀態(tài)下，模擬值在2 000 Hz頻點以上部分與實測值有較大偏差。

圖5 T30模擬值與實測值對比（角落）

表3 T30模擬值與實測值的誤差分析（角落）

圖6 C80模擬值與實測值對比（角落）

表4 C80模擬值與實測值的誤差分析（角落） dB

C80模擬值與實測值的誤差分析見表4，可以看出CL模型和CH模型數(shù)據(jù)符合率分別為50%和37.5%，超限部分主要集中在低頻段和中高頻段；CM模型數(shù)據(jù)符合率為75%左右，超限部分主要集中在低頻段，效果較為理想。

清晰度D50模擬值與測試值的對比見圖7，各狀態(tài)下模擬值與實測值的折線走向較為一致；但在CH狀態(tài)下，模擬值在4 000 Hz頻點以上部分與實測值有較大偏差。

圖7 D50模擬值與實測值對比（角落）

D50模擬值與實測值的誤差分析見表5，可以看出，CM模型數(shù)據(jù)符合率達到了100%，而CL和CH模型中的中高頻部分都有超過主觀門限值較多的情況發(fā)生。

表5 D50模擬值與實測值的誤差分析（角落）

聲源位于錄音室內(nèi)偏向角落位置時得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實測值及其誤差值見表6?？梢钥闯觯琑ASTI模擬值與實測值有較好的相符性，其中只有CH狀態(tài)下稍有超差。

表6 RASTI的模擬值與實測值及其誤差分析（角落）

3.2 聲源位于室內(nèi)中心區(qū)域

針對聲源位于P2處的各客觀音質(zhì)參數(shù)指標進行對比，T30模擬值與測試值的對比如圖8所示。在CM狀態(tài)下，其模擬值與實測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實測值均偏低；而在CL及CH狀態(tài)下，其模擬值在中高頻頻段與實測值均有較大偏差。

T30模擬值與實測值的誤差分析見表7，可以看出P2處T30參數(shù)在CL模型和CH模型中也有多數(shù)頻點參數(shù)超過了主觀門限值，模擬效果不理想；CM模型中也有3個頻點參數(shù)超過了主觀門限值，數(shù)據(jù)符合率為62.5%左右，效果稍優(yōu)于另外兩種模型的結(jié)果。

圖8 T30模擬值與實測值對比（中央）

表7 T30模擬值與實測值的誤差分析（中央）

C80模擬值與測試值的對比見圖9，在CM狀態(tài)下，其模擬值與實測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實測值偏高；在CL狀態(tài)下，模擬值折線總體跟隨性與實測值較為一致，但個別測點有一定偏差；CH狀態(tài)下，在500 Hz以上的模擬值與實測值均有較大偏差。

圖9 C80模擬值與實測值對比（中央）

C80模擬值與實測值的誤差分析見表8，可以看出P2處的C80參數(shù)在CH模型中得到的結(jié)果很差，全部頻點的模擬值與實測值的對比都超過了主觀門限值，CL模型的數(shù)據(jù)符合率僅有37.5%，并且各頻段均有超限的情況發(fā)生；CM模型數(shù)據(jù)符合率為62.5%左右，優(yōu)于另外兩種模型的結(jié)果。

表8 C80模擬值與實測值的誤差分析（中央） dB

D50模擬值與測試值的對比見圖10。各狀態(tài)下模擬值與實測的折線基本走向較為一致，但模擬值均比實測值偏大，其中又以CH狀態(tài)下的模擬值偏差最大。

圖10 D50模擬值與實測值對比（中央）

D50模擬值與實測值的誤差分析見表9，可以看出P2處的D50參數(shù)與聲源位于P1處所得結(jié)果非常相似，CL和CH模型中的中高頻部分都有超過主觀門限值較多的情況發(fā)生；但CM模型的數(shù)據(jù)符合率有所下降，符合率約為62.5%。

表9 D50模擬值與實測值的誤差分析（中央）

聲源位于錄音室內(nèi)中央位置時得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實測值及其誤差值見表10?？梢钥闯觯琑ASTI模擬值與實測值均有較好的相符性。

4 結(jié)束語

通過上述整個模型建立以及計算機仿真結(jié)果與實測結(jié)果的對比過程可以看出：

1）粗略化建模方便快捷，所需建模時間及軟件仿真時間最短，而精細化建模會花費較長的建模、定義材質(zhì)和計算的時間，因此在實際工作中應(yīng)該對建模的深入程度有所取舍。

表10 RASTI的模擬值與實測值及其誤差分析（中央）

2）根據(jù)不同的構(gòu)件形狀和大小，在一定程度上對建模的復雜度進行提升，可以取得相較于粗略化建模更好的模型效果和仿真效果。

3）在63 Hz以上的中低頻頻域范圍內(nèi)，各模型狀態(tài)下計算機仿真結(jié)果可以一定程度上作為指導實際工程的參考；但在偏高頻部分的計算機仿真中，精細化建模狀態(tài)下的仿真結(jié)果與實測值偏差幅度較大。

4）在日常進行聲學仿真計算的工作中，粗略化及工程化建模已經(jīng)能夠基本滿足計算機仿真精度的需要，可以在一定程度上作為指導實際工程的參考。而考慮太多構(gòu)件（增加反射面）的精細化建模因軟件的限制，其計算機仿真效果在一定程度上并不理想。