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        小型影院聲場(chǎng)模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

        2013-09-20 05:31:30葉穎
        關(guān)鍵詞:混響時(shí)間脈沖響應(yīng)聲壓級(jí)

        葉穎

        (中國(guó)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(duì)視聽(tīng)感受需求的不斷升級(jí)。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(lái)輔助輔助廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)已經(jīng)是大勢(shì)所趨。聲場(chǎng)模擬軟件可以預(yù)測(cè)廳堂的各種聲學(xué)參數(shù),評(píng)估和調(diào)整廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)方案[1]。目前市場(chǎng)上主流的聲場(chǎng)模擬軟件有ODEON、EASE等。本文采用的EASE是一款首次由德國(guó)科學(xué)家研制成功,能夠設(shè)計(jì)、計(jì)算和顯示聲場(chǎng)并預(yù)測(cè)聲音質(zhì)量和效果的計(jì)算機(jī)仿真軟件。

        本文建模對(duì)象為中國(guó)傳媒大學(xué)二號(hào)樓一樓的小型影院,約310m2。通過(guò)EASE聲場(chǎng)建模,得到預(yù)測(cè)的客觀聲學(xué)參數(shù),如總聲壓級(jí)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(duì)該小型影院進(jìn)行了實(shí)際聲學(xué)參數(shù)測(cè)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(jí)衰變曲線,進(jìn)而計(jì)算出聲學(xué)參數(shù)。通過(guò)對(duì)兩種方法得到的數(shù)據(jù)對(duì)比分析,提出了計(jì)算機(jī)聲學(xué)模擬中存在的一些問(wèn)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(lái)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(kù),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(huà)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?;静襟E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(guò)程中產(chǎn)生的孔洞全部消除。

        2.加入聽(tīng)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(tīng)眾區(qū)插入了四個(gè)聽(tīng)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(kù)。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(kù)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(hào)及參數(shù),選擇好型號(hào)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(cè)聲學(xué)參量。為使EASE可聽(tīng)化模塊Auralization聽(tīng)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(zhǎng)時(shí)間。所以,在開(kāi)始可聽(tīng)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(lái)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(zhǎng),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(wèn)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(cè)量該小影院的混響時(shí)間是否滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3382中定義的標(biāo)準(zhǔn),因此主要對(duì)聲壓級(jí)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(cè)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(jí)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(jí)曲線

        表2 #1—#4各點(diǎn)聲學(xué)參數(shù)

        從四點(diǎn)的總聲壓級(jí)曲線可看出,該影院聽(tīng)音區(qū)在125Hz到4000Hz頻率范圍內(nèi)總聲壓級(jí)平均約為101.3dB—106.8dB,達(dá)到小型影院聲壓級(jí)的要求,并且滿足《小型影院聲學(xué)設(shè)計(jì)與等級(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》中最低聲壓級(jí)與最高聲壓級(jí)相差不超過(guò)6dB的要求[4],說(shuō)明該影院的聲場(chǎng)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(chǎng)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?qǐng)?,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(cè)量

        目前,測(cè)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(zhǎng)度序列信號(hào)(MLS信號(hào)),MLS信號(hào)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(hào)傳至揚(yáng)聲器系統(tǒng),并在一接收點(diǎn)接收信號(hào),該信號(hào)是MLS信號(hào)與聲學(xué)空間的脈沖響應(yīng)的卷積,再將該接收信號(hào)與MLS信號(hào)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(hào)為掃頻信號(hào),用激勵(lì)信號(hào)的反轉(zhuǎn)信號(hào)對(duì)測(cè)得的信號(hào)作卷積而得到脈沖響應(yīng)函數(shù)。本文采用MLS序列法測(cè)量脈沖響應(yīng),MLS信號(hào)的主要優(yōu)點(diǎn)是:MLS信號(hào)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(duì)測(cè)量的影響。

        實(shí)驗(yàn)使用的室內(nèi)聲學(xué)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)圖如圖3所示。

        圖3 測(cè)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(zhǎng)1.486s。生成的M序列經(jīng)過(guò)功放由揚(yáng)聲器播放,將傳聲器收集到的信號(hào)與原M序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,經(jīng)過(guò)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(cè)得信號(hào)的信噪比約為54dB。在matlab中,對(duì)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(duì)模擬量時(shí)域的積分,我們通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,就變?yōu)閷?duì)聲壓平方后的離散量的求和,再對(duì)其求對(duì)數(shù),就得到聲壓級(jí)衰變曲線。得到聲壓級(jí)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T(mén)30,由聲壓級(jí)衰減曲線的斜率推算得到,而直線的斜率通過(guò)對(duì)聲壓級(jí)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(cè)聲學(xué)參數(shù)

        5 對(duì)比分析與結(jié)論

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

        圖4 各點(diǎn)T30對(duì)比圖

        圖5 各點(diǎn)EDT對(duì)比圖

        通過(guò)折線對(duì)比圖可以看到,影院各點(diǎn)中高頻對(duì)應(yīng)的混響時(shí)間中模擬值都要低于實(shí)測(cè)值,且只在最佳聽(tīng)音頻率500—1000Hz時(shí)比較相近,高頻差值相對(duì)較大。在低于500Hz的低頻段,模擬值都要高于實(shí)測(cè)值。說(shuō)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(duì)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(guò)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(duì)高頻的吸收。此外,離聲源較近點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值差值相對(duì)較小,這說(shuō)明模擬準(zhǔn)確度在一定程度上與聲源、測(cè)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(wú)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(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)EASE模擬系統(tǒng)存在的這些問(wèn)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(kāi)發(fā)者可以設(shè)法解決低頻衍射模擬的問(wèn)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(duì)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(cè)結(jié)果的差異還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。且以上問(wèn)題在其他聲場(chǎng)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(cè)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

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