基于計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬的會場環(huán)境聲場仿真系統(tǒng)研究

成立然，吳蔚華，牛春娜，何永剛，胡 永，呂 靜

（1.解放軍61623 部隊(duì)，北京 100036；2.國家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100015）

0 引言

在建筑聲學(xué)和擴(kuò)聲系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，國外建筑廳堂聲場仿真軟件以丹麥ODEON 為主，擴(kuò)聲系統(tǒng)仿真軟件以德國EASE 為主。聲場仿真為前期聲學(xué)設(shè)計(jì)和后期整改提供了有力的數(shù)據(jù)支持，可降低建設(shè)成本，提高生產(chǎn)效率。

ODEON 是丹麥技術(shù)大學(xué)與BK 公司合作研發(fā)的聲場仿真模塊，主要用于體型較大、音質(zhì)較高的建筑聲場模擬。軟件具有建立模型、可視化仿真模型、可聽化聲場以及快速房間混響時間估算等功能，適用于音樂廳、報(bào)告廳及劇場等室內(nèi)空間。它利用反射圖、三維反射路徑顯示以及混響曲線顯示，可以直觀研究室內(nèi)聲學(xué)特性和聲音傳播。但是，它的聲場仿真模塊建模比較復(fù)雜，需要配合Sketch Up 和CAD 等繪圖軟件才能實(shí)現(xiàn)［1］。軟件內(nèi)置有模型，編輯建立工具復(fù)雜，如聲場模擬需要確定各種聲源參數(shù)，界面材料選型需要更專業(yè)的聲學(xué)知識等。此外，軟件建模后還需要不斷核查模型漏洞和軟件無法識別的錯誤平面，反復(fù)調(diào)整原始建模圖紙，導(dǎo)致建模周期較長。

擴(kuò)聲系統(tǒng)聲場仿真模塊EASE 是商品化擴(kuò)聲和建聲設(shè)計(jì)軟件，混合使用了聲線跟蹤法和聲像法，通過對廳堂中任意位置脈沖響應(yīng)的模擬計(jì)算，得出一系列的廳堂音質(zhì)參量。使用EASE 需要準(zhǔn)確建立廳堂模型，因?yàn)樗木戎苯雨P(guān)系到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，且同樣需在建模完成后反復(fù)檢查模型漏洞，不斷調(diào)整修改界面材料和音箱參數(shù)等。因此，操作人員必須擁有一定的聲學(xué)基礎(chǔ)和擴(kuò)聲工程應(yīng)用方面的知識儲備，才能在擴(kuò)聲設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)并解決問題。

國外軟件多是具備聲學(xué)專業(yè)知識的人員使用，一般用于研究和設(shè)計(jì)。對于一般的會場后勤保障人員而言，國外軟件專業(yè)性較強(qiáng)，應(yīng)用存在難度。此外，由于軟件模擬計(jì)算的周期較長，因此不能滿足級別較高的會場的快速保障需求。因此，開發(fā)一款適用于會場保障的一般用戶的仿真軟件系統(tǒng)，解決實(shí)際會場聲場調(diào)整的難題十分必要。

1 聲場聲學(xué)指標(biāo)

1.1 聲壓級

聲壓級是聲場分布中重要的聲學(xué)指標(biāo)。把聲壓的有效值取對數(shù)表示聲音的強(qiáng)弱，稱為聲壓級，單位是dB。具體地，聲壓級（Sound Pressure Level，SPL）可定義為將待測聲壓有效值p(e)與參考聲壓p(ref)的比值取常用對數(shù)后再乘以20，即：

在空氣中，參考聲壓p(ref)一般取為2×10-5Pa。這個數(shù)值是正常人耳對1 kHz 聲音剛剛能覺察其存在的聲壓值，也就是1 kHz 聲音的可聽閾聲壓。一般低于這一聲壓值，人耳往往不能覺察出這個聲音的存在。人耳對聲音強(qiáng)弱變化的感受不與聲壓成正比，而與聲壓對數(shù)成正比。

1.2 混響時間

混響時間是表示聲音混響程度的參數(shù)。當(dāng)室內(nèi)聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)、聲源停止發(fā)聲后，聲壓級降低60 dB 需要的時間稱為混響時間，記作T60或RT，單位是s?；祉憰r間是音質(zhì)設(shè)計(jì)中能定量估算的重要評價指標(biāo)，直接影響廳堂音質(zhì)的效果。房間的混響時間長短由房間的吸音量和體積大小決定。體積大且吸音量小的房間，混響時間長；吸音量大且體積小的房間，混響時間短?；祉憰r間過短會使聲音發(fā)干，枯燥無味，不親切自然；混響時間過長會使聲音含混不清；混響時間合適時，聲音圓潤動聽。

廳堂最佳混響時間是對大量音質(zhì)效果評價較好的各種用途的廳堂（如音樂廳、歌劇院、電影院、報(bào)告廳、會議室、錄音室及演播室等）實(shí)測的500 Hz和1 000 Hz 滿場（指實(shí)際使用狀態(tài)，如座椅坐有觀眾）混響時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得到的混響時間。最佳混響時間與房間的用途和體積有關(guān)。語言用途的房間，混響時間應(yīng)短一些；低頻的混響時間可以比中頻長一些，一般在20%～50%，其中音樂用途的房間可以提升得多一些［2］；2 000 Hz 以上高頻的混響時間最好與中頻基本相同，但由于室內(nèi)常用材料和聽眾的高頻吸聲比較大，加上空氣對高頻的吸聲作用，空氣吸聲與其容積成正比，因此高頻混響時間會有所下降，一般容許比中頻（500～1 000 Hz）下降10%～20%，這樣對音質(zhì)不會有明顯影響［3］。

2 聲場仿真技術(shù)原理

聲場仿真是在一定的操作系統(tǒng)下，利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用語言或工具編程，通過仿真模擬算法，對房間的聲場特性進(jìn)行模擬仿真，并與聲場的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行比照后得出評價結(jié)果，從而發(fā)現(xiàn)可能存在的音質(zhì)缺陷，提出優(yōu)化或改進(jìn)措施。首先，對房間建模，包括原始的建筑坐標(biāo)輸入或圖形輸入，劃分房間各個表面并進(jìn)行編號和賦材（可輸入或選擇吸聲材料或結(jié)構(gòu)），生成表面特性；其次，確定聲源或揚(yáng)聲器數(shù)量、聲功率級、指向性因數(shù)及位置等，確定聽眾位置；最后，進(jìn)行模擬仿真運(yùn)算，得到聲場特性結(jié)果并顯示輸出。

3 聲場仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聲場仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作主要有仿真系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)房間模型建立、仿真系統(tǒng)混響模擬顯示輸出、仿真系統(tǒng)聲壓級模擬顯示輸出以及仿真系統(tǒng)聲場調(diào)整建議。它的主要工作流程如圖1 所示。

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1.1 輸入功能

軟件可支持的輸入功能有：

（1）選擇房間功能類型，按規(guī)范設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)混響時間，并預(yù)留允差范圍；

（2）設(shè)置房間幾何參數(shù)，包括房間尺寸（長、寬、高）、主席臺高以及門窗位置和尺寸等；

（3）對不同規(guī)模的經(jīng)典會議類建筑進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、測量并建模，建立基本的會議空間模型庫，可直接選擇調(diào)用，并可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；

（4）輸入屋頂、墻面、地面及門窗材質(zhì)名稱；

（5）可對會議建筑常用的墻面材質(zhì)結(jié)構(gòu)、頂棚材質(zhì)結(jié)構(gòu)及門窗材質(zhì)的聲學(xué)特性進(jìn)行調(diào)研測試和統(tǒng)計(jì)分類，建立基礎(chǔ)模型材質(zhì)集；

（6）設(shè)置擴(kuò)聲系統(tǒng)聲源，對常用的主流擴(kuò)聲產(chǎn)品的性能進(jìn)行實(shí)測、分析及評價，建立基礎(chǔ)擴(kuò)聲系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，包括音箱種類、品牌型號、點(diǎn)位及指向性角度等，可直接選擇輸入調(diào)用；

（7）對于未能在數(shù)據(jù)集中找到的實(shí)際應(yīng)用的擴(kuò)聲設(shè)備，可在實(shí)驗(yàn)室對其性能進(jìn)行實(shí)測，并在完成測試后將性能數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)集，以不斷完善補(bǔ)充；

（8）設(shè)置室內(nèi)環(huán)境溫度和相對濕度。

3.1.2 輸出功能

軟件輸出功能主要有產(chǎn)生聲場仿真圖形（如聲場的聲壓級分布色塊圖并帶圖例）、界面顯示房間建模效果圖、會場聲場總聲壓分布圖以及房間混響時間分布圖等。

3.2 數(shù)據(jù)輸出

仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示輸出有柱狀圖顯示輸出、曲線顯示輸出和色塊圖顯示輸出3 種直觀顯示方式。

3.2.1 柱狀圖顯示輸出

仿真系統(tǒng)的處理運(yùn)算結(jié)果以柱狀圖形式顯示輸出，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行評價，如聽眾位置的混響時間。柱狀圖橫軸表示各倍頻程中心頻率，縱軸表示對應(yīng)的混響時間，同時標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)值，使得仿真模擬值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值的偏差對比清晰直觀。

3.2.2 曲線顯示輸出

仿真系統(tǒng)的處理運(yùn)算結(jié)果以曲線圖形式顯示輸出，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行評價，如聽眾位置的混響時間。曲線圖的橫坐標(biāo)表示各倍頻程中心頻率，縱坐標(biāo)表示對應(yīng)的混響時間，同時標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)值曲線，使得仿真模擬值曲線與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值曲線在同一圖上顯示輸出，可清晰發(fā)現(xiàn)它們的偏差。

3.2.3 色塊圖顯示輸出

仿真系統(tǒng)的處理運(yùn)算結(jié)果以色塊圖形式顯示輸出，顯示效果直觀。例如，聽眾位置的聲壓級分布在設(shè)定的0～120 dB 動態(tài)范圍，以0.1 dB 為精度，用不同顏色的色塊加以區(qū)分，最終得到整個聽眾席的聲壓級分布，從而可以直觀準(zhǔn)確地顯示聲壓級分布的均勻度水平，進(jìn)一步判斷是否有聲聚焦或聲影區(qū)，也可判斷聲源或揚(yáng)聲器位置是否合理和指向性分布是否合適等。

3.3 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件具備良好的人機(jī)交互界面，采用國內(nèi)外主流商用軟件如ODEON、EASE、RAYNOISE 及CATT 等的界面模式，清晰簡潔，明了大方，包含菜單、工具欄、下拉選項(xiàng)以及鼠標(biāo)點(diǎn)至顯示翻譯等多種直觀的易懂人機(jī)交互模式。主要界面功能有項(xiàng)目任務(wù)、新建或打開已有項(xiàng)目、參數(shù)編輯、模型顯示、運(yùn)算結(jié)果顯示、運(yùn)算結(jié)果拷貝與剪切以及文件存儲等。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

針對會場的特有性質(zhì)，調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析會場的建筑聲學(xué)材料和擴(kuò)聲系統(tǒng)，測定部分建筑聲學(xué)材料和擴(kuò)聲系統(tǒng)，從而獲取材料吸聲特性數(shù)據(jù)和音箱的擴(kuò)聲特性參數(shù)。分類編輯采樣的數(shù)據(jù)，便于軟件直接調(diào)用。數(shù)據(jù)庫支持編輯具體參數(shù)，可不斷增補(bǔ)完善。

3.5 聲學(xué)指標(biāo)算法原理

會場聲學(xué)仿真系統(tǒng)的聲學(xué)指標(biāo)算法包括混響時間仿真算法和聲場聲壓級仿真算法兩部分。

3.5.1 混響時間仿真算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

混響時間以擴(kuò)散場為條件，在聲場達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件下，聲源停止發(fā)聲，會場內(nèi)的聲能隨時間以指數(shù)形式衰減。如果以聲壓級表示，則按線性衰減。目前，室內(nèi)聲學(xué)關(guān)于封閉圍合空間的聲場特性理論和商業(yè)聲學(xué)軟件（如國外的ODEON、CATT、RAYNOISE 以及德國ADA 聲學(xué)設(shè)計(jì)公司在20 世紀(jì)90 年代研發(fā)的電聲模擬軟件EASE 等［2］）基本以擴(kuò)散場為基礎(chǔ)，局部加以某些邊界特性修正。我國現(xiàn)行的建筑聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，室內(nèi)混響時間部分也是基于聲場的擴(kuò)散性，因此本次設(shè)計(jì)中仿真軟件的混響時間算法以擴(kuò)散場為基礎(chǔ)。

按混響時間T60為聲壓級衰減60 dB 計(jì)算，得到：

式中，V是會場體積；S是會場各個表面（包括主席臺、前墻、后墻、觀眾席、過道、頂棚或天花板、左右側(cè)墻及門窗等）的總面積，單位為m2；α為房間的平均吸聲系數(shù)，單位為m3，4mV為空氣對高頻聲波的影響參數(shù)，與會場的室內(nèi)溫度、相對濕度有關(guān)。

3.5.2 聲場聲壓級仿真算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

會場的聲壓級仿真計(jì)算以幾何場為條件，適用于一般情況下的建筑室內(nèi)聲學(xué)，在局部特殊界面可增加擴(kuò)散系數(shù)。幾何場通常采用聲線追蹤法和虛聲源鏡像法兩種基本方法［4］。其他方法有綜合法、聲束圓錐法等，也是以這兩種方法為基礎(chǔ)。比較分析上述算法的特點(diǎn)，本文優(yōu)化采用聲像法。不同于建筑聲學(xué)普通的點(diǎn)聲源鏡像，將會場布置的電聲源用極化量（聲源指向性的輻射角）轉(zhuǎn)化為三維空間球坐標(biāo)下的衰減曲線，將比普通的非指向性自然聲源更準(zhǔn)確。另外，聲線法自20 世紀(jì)60 年代由Krokstand A、Strm S 和Srsdal S 提出后，基本采用等角度分布法，與實(shí)際的點(diǎn)聲源線分布存在差異。這是本仿真算法采用聲像法的又一原因［5］。

4 軟件仿真與實(shí)測

為了驗(yàn)證仿真軟件的可操作性和仿真精度，建模仿真分析實(shí)際會場，并對比實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的偏差范圍。實(shí)際會場溫度為20 ℃，濕度40%，聽眾席有350 個座位，會場總面積為512 m2。具體軟件仿真界面如圖2～圖4 所示。

依據(jù)廳堂擴(kuò)聲特性測量方法GB/T 4959—2011，測試會場混響時間和不均勻度。分別選取12個測點(diǎn)位置進(jìn)行測量，選取12 個測點(diǎn)的平均值作為室內(nèi)聲場的混響時間值，頻率為500 Hz 和1 000 Hz兩個頻點(diǎn)，結(jié)果界面如表1、圖5 和圖6 所示。

表1 會場實(shí)測與仿真混響時間對比

此外，仿真軟件依據(jù)《劇場、電影院和多用途廳堂 建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50356—2005 設(shè)置了一個合理的混響時間推薦值（即標(biāo)準(zhǔn)混響時間值）作為設(shè)計(jì)參考值，既可以比較實(shí)測值與仿真值，又可對比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測值，為房間的混響時間設(shè)計(jì)提供了參考。

選取1 000 Hz 和4 000 Hz 兩個頻點(diǎn)進(jìn)行聲壓級仿真，聲壓級仿真值效果如圖7 和圖8 所示，會場實(shí)測結(jié)果與仿真值對比如表2 所示。

表2 會場實(shí)測與仿真聲壓級對比

可見，聲場仿真的聲壓級值的偏差均在3 dB以內(nèi)，能夠較好地體現(xiàn)會場實(shí)際聲場環(huán)境。此外，聲壓級在各個測點(diǎn)處的分布較為均勻，與實(shí)測值相差較小，能夠真實(shí)反映會場聲場環(huán)境。

由于會場擴(kuò)聲系統(tǒng)和界面材質(zhì)的實(shí)際特性數(shù)據(jù)較難獲得，參考同類相近產(chǎn)品的特性數(shù)值進(jìn)行模擬，因此仿真結(jié)果與實(shí)際會存在偏差。

5 結(jié)語

通過對實(shí)際會場進(jìn)行仿真與實(shí)際測量，系統(tǒng)地對比驗(yàn)證了混響時間和聲壓級，分析了影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的因素。研究結(jié)果表明：在仿真模型與實(shí)際空間的聲學(xué)等效較為準(zhǔn)確的情況下，仿真軟件計(jì)算的結(jié)果誤差較?。辉跓o法獲得準(zhǔn)確的現(xiàn)場環(huán)境條件數(shù)據(jù)的情況下，仿真結(jié)果與實(shí)際偏差較大，結(jié)果不能準(zhǔn)確說明聲場問題。由于影響仿真結(jié)果的因素較多，仿真模型與實(shí)際空間的等效也比較復(fù)雜，尤其是對于沒有時間參照標(biāo)準(zhǔn)的房間來說，獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果預(yù)測比較困難。因此，聲場仿真具有重要作用，可在一定基礎(chǔ)上快速準(zhǔn)確地為聲場調(diào)整提供參考。