黃志軒，彭小云，熊華希

(華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013)

0 引 言

音質客觀評價參量是聲學設計的依據(jù)，其中聲場不均勻度反映聲場中聲壓級的分布情況，聲擴散度反映聲場的聲強分布，而其他客觀參量僅反映其位置的音質情況。由于廳堂體型、聲源情況、材料的布置與形狀等因素的影響，上述的其他客觀參量在不同位置會有差別，當差別顯著時，會影響到觀眾的聽音感受。為了評價聲場中聲學參量分布情況，本文將聲場均勻度定義為廳堂中音質客觀評價參量最大值、最小值的差值。例如，進行室內(nèi)聲學參量測量時，可通過區(qū)域的聲場均勻度判斷混響時間是否存在顯著差異[1]。因此在進行聲學設計時，不僅要有合適的聲學參量范圍，還要有較好的聲場均勻度。本文以一個中型會議室為例，通過現(xiàn)場測量和Odeon軟件模擬，對中、小型廳堂聲場均勻度進行研究。

1 聲場均勻度的影響因素

聲場均勻度受房間體型、聲源、材料的布置與形狀等因素的影響。

1.1 房間體型

房間體型影響聲場的能量分布，不合適的體型容易導致回聲、聲聚焦、聲染色現(xiàn)象等聲缺陷，造成聲場分布不均勻。通過體型設計，可以充分利用有效聲能，使反射聲在時間和空間上分布合理，防止出現(xiàn)聲缺陷，提高聲場的擴散度，改善聲場均勻度。

1.2 聲 源

聲源的位置與指向性不同，會導致整個聲場能量分布發(fā)生變化，影響到聲場均勻度。彭健新[2]采用Odeon探討了5種不同聲源對教室內(nèi)語言清晰度參量的影響，指出采用不同聲源得到的明晰度(Clarity)C50結果差異較大。饒丹等[3]以兩個廳堂為對象，通過測量指向性和無指向性聲源的雙耳房間脈沖響應來研究聲源指向性對可聽化質量的影響，發(fā)現(xiàn)不同指向性聲源得到的可聽化質量在主觀距離感、明晰度、語言清晰度等多方面有明顯差異。Wang等[4]用不同指向性聲源對一小型廳堂進行模擬，并對聲壓級(Sound Pressure Level, SPL)、混響時間T30、C80三種音質參量進行分析，結果顯示大多數(shù)情況下SPL的模擬誤差可忽略，聲源指向性不同時T30和C80有所不同。

1.3 擴散體、吸聲材料的布置與形狀

擴散體、吸聲材料的布置與形狀可以提高房間的擴散度，改善聲場均勻度。提高擴散度的方法主要有三種：(1) 不規(guī)則的體型；(2) 界面起伏或布置擴散體；(3) 不同吸聲材料與擴散體間隔布置。吸聲材料間隔布置的方式通常如圖1所示，其中類型a、b、d又分高頻或低頻材料沿兩墻交界處布置的兩種情況。已有研究證明圓柱形擴散體效果略優(yōu)于三角形擴散體，單個擴散體的效果不如連續(xù)的[5]。為了研究擴散體布置的影響，按照擴散體連續(xù)個數(shù)、形狀、間距將擴散體分為如圖2～4所示的類型。

圖1 吸聲材料布置類型Fig.1 Layout types of sound-absorbing material

圖2 擴散體布置類型(單位：mm)Fig.2 Types of diffuser arrangement (unit: mm)

研究表明容積小于300 m3封閉的空間為中、小型廳堂，其平面大多為矩形，而且體型在建筑設階段已確定，所以調(diào)整代價較高[1]。因此本文將以某矩形多功能會議室為例，研究聲源、擴散體、吸聲材料的布置與形狀對聲場均勻度的影響。

2 會議室概況與音質實測

本文研究的會議室(見圖5、圖6)位于某辦公樓地下，以會議為主，兼顧 KTV的功能。會議室平面為矩形，長寬高為10.2 m×7.2 m×3 m，容積約為220.3 m3。該房間墻面采用聚酯纖維板與木質板，地面實鋪木地板，頂棚為紙面石膏板。墻上有1扇木門，室內(nèi)放置了10張干軟靠背椅，1張木制辦公桌。

圖3 擴散體形狀Fig.3 Diffuser shapes

圖4 頂棚擴散體布置類型(單位：mm)Fig.4 Layout types of ceiling diffuser (unit: mm)

圖5 會議室聲源及測點位置圖(單位：mm)Fig.5 Location map of sound sources and measuring points in meeting room (unit: mm)

圖6 會議室照片F(xiàn)ig.6 Meeting room photo

依據(jù)ISO 3382-2的測試方法選取了2個聲源位置和 6個測點(如圖 5)，對會議室的音質進行了測量。測量在房間空場狀況下進行，房間內(nèi)有少量設備和測量人員，測量時門窗密閉，空調(diào)設備處于關閉狀態(tài)。測量儀器為法國01dB公司生產(chǎn)的Solo，測量方法為脈沖響應積分法，測量聲源為發(fā)令槍。主要測量內(nèi)容為：混響時間T30、早期衰減時間EDT、清晰度D50、明晰度C80、聲壓級SPL、語言可懂度STI和背景噪聲級(Background Noise Level, BNL)。測量結果如表1、2所示。

表1 會議室不同頻率聲學參量測量的平均結果Table 1 Measurement data of acoustic parameters in the meeting room at different frequencies

表2 會議室STI測量結果Table 2 STI measurement data in the meeting room

3 會議室音質的模擬與結果分析

3.1 模擬的條件

采用Odeon軟件對該會議室的音質進行模擬，模型按照會議室實際尺寸建立。研究表明：用Odeon模擬中、小型空間時，需忽略微小尺寸的凹槽和凸起，并對天花和墻面擴散體進行簡化[6]。因此本模型中僅將圓弧擴散體簡化為多段折線擴散體。

選擇Odeon中無指向性聲源(Omni)，普通男聲聲源(Tlknorm)和Danley Sound提供的Labs-SH-95揚聲器聲源作為模擬聲源。Omni無指向性聲源不含頻譜均衡，其125 Hz～4 kHz各倍頻帶聲壓級均為0 dB，總聲壓級為9 dB。Tlknorm聲源是模擬成年男性正常講話時的發(fā)聲情況，125 Hz～4 kHz的6個倍頻帶的聲壓級依次為：61. 9、64.1、67.8、62.0、54.6和49.9 dB，其位置設置在前墻中部前1 m、高1.5 m處，聲源朝向正前方。Labs-SH-95聲源是模擬揚聲器聲源，250 Hz～4 kHz的5個倍頻帶的聲壓級依次為：102.1、100.6、96.7、97.0和97.7 dB，其位置設置在前墻兩端頂部，聲源方向與后墻夾角呈 45°，即指向房間中部。兩個聲源的1 kHz指向性如圖7所示。

圖7 兩種聲源在1 kHz的指向性圖Fig.7 Directivity patterns of two sound sources at 1 kHz

為了研究界面吸聲材料的最佳布置方式，不改變所選吸聲材料的賦值(其他家具等固有吸聲條件不變)，僅改變材料的布置方式。進行擴散體選用及布置研究時，擴散體的數(shù)量及投影面積保持不變。由于普通男聲與揚聲器聲源在低頻指向性弱，綜合考慮聲源指向性的影響與常用模數(shù)，將擴散體設計為寬度900 mm、凸出高度150 mm、有效擴散的最低頻率定為250 Hz。因此本文不對250 Hz以下低頻模擬結果進行對比。

由于會議室現(xiàn)有布置的材料吸聲系數(shù)難以獲得準確數(shù)據(jù)，為便于研究材料的布置與形狀對聲場均勻度的影響，基于會議室現(xiàn)有聲學布置情況，重新選擇吸聲材料作為模擬數(shù)據(jù)。重新選擇的吸聲材料應使廳堂參數(shù)模擬結果與實測結果的差值小于1JND(Just Noticeable Difference)，且不出現(xiàn)聲缺陷。

模擬時各表面的材料吸聲系數(shù)按照表3進行，將頂棚與擴散體表面設為反射面，其中材料的散射系數(shù)按照Odeon推薦值進行設置。采用工程計算模式，聲線數(shù)目按照默認狀態(tài)設置，TO(Transition Order)值設為 2，IRL(Impulse Response Length)設置為600 ms，背景噪聲與測量值一致。

表3 會議室各表面吸聲系數(shù)Table 3 Sound absorption coefficient of each surface in the meeting room

為驗證吸聲材料的選擇是否合理，選擇無指向性聲源對房間模型進行多點響應計算模擬，計算EDT、T30、C80、D50、STI結果。模擬聲源與接收點位置與實測相同，聲源與接收點位置見表4。

表4 聲源與接收點位置坐標Table 4 Position coordinates of sound sources and receiving points

圖 8為接收點 2處的雙耳脈沖響應(Binaural Room Impulse Response, BRIE)分析圖，在直達聲后0.05 s沒有明顯脈沖聲出現(xiàn)。圖9為ODEON軟件計算的接收點2處的反射聲序列圖，圖中顯示直達聲后一定時間出現(xiàn)一系列連續(xù)反射聲，但均在0.05 s內(nèi)。

圖8 接收點2處雙耳脈沖響應曲線Fig.8 Binaural impulse response curves at the receiving point 2

圖9 接收點2處反射聲序列Fig.9 The reflected sound sequence at the receiving point 2

無指向性聲源情況下側墻吸聲材料布置模擬多點響應計算結果見表 5、6所示。模擬結果與實測結果相差小于1JND，材料選擇合理。

表5 會議室側墻吸聲材料布置模擬的聲學參量各頻率平均值Table 5 The average value of acoustic parameters in the meeting room with sidewall diffuser arrangement at different frequencies

表6 該會議室不同測點的STI模擬結果Table 6 STI simulation results at different measuring points in the above meeting room

分別選擇普通男聲聲源與揚聲器聲源按照模擬步驟進行網(wǎng)格響應計算模擬，網(wǎng)格距離地面1.2 m，尺寸為 0.6 m×0.6 m，計算參數(shù)設置同上，計算 EDT、T30、SPL、C80、D50、STI結果。

3.2 模擬的步驟

在中、小型房間的聲學設計中，吸聲材料的布置對每個界面的影響不同。側墻上吸聲材料的布置情況對早期側向反射聲的影響較大，吸聲量太大或擴散度不足，會導致某些位置沒有良好的早期側向反射聲，缺少空間感；后墻布置強吸聲材料，其主要作用是避免出現(xiàn)回聲、聲聚焦等聲缺陷，對提高房間聲場均勻度作用較小。因此本文在進行吸聲材料布置研究時，優(yōu)先進行側墻的吸聲材料布置模擬，在其基礎上再進行后墻的吸聲材料布置模擬。由于頂棚上材料的布置一般較為單一，不進行頂棚吸聲材料的布置模擬。

在側墻與頂棚上布置擴散體能使房間中部獲得豐富的早期反射聲，對增加聲音強度與提高清晰度有益。早期側向反射聲能起到加強空間感的作用，來自頂部的早期反射聲對空間感作用較小，而來自后方的反射聲則會影響清晰度與空間感。因此本文在進行擴散體的布置與形狀研究時，先進行側墻擴散體的布置模擬，在其基礎上進行頂棚擴散體的布置模擬。由于后墻反射聲已使用強吸聲材料處理，因此不進行后墻擴散體的布置模擬。

模擬分為4個步驟進行，除步驟(1)外，每個步驟均以此前步驟中聲場均勻度模擬結果最佳的模型為基礎，進行吸聲材料布置或擴散體形狀及布置的模擬。步驟(1)模擬側墻布置吸聲材料對聲場均勻度的影響；步驟(2)模擬后墻布置吸聲材料對聲場均勻度的影響；步驟(3)模擬側墻布置擴散體對聲場均勻的影響；步驟(4)模擬頂棚布置擴散體對聲場均勻度的影響。每個步驟的材料布置情況如表 7～9所示。在各步驟模擬中，分別選擇普通男聲與揚聲器聲源，對每種材料布置的組合方式，進行網(wǎng)格響應模擬。將兩種聲源模擬結果進行對比，研究聲源對聲場均勻度的影響。

表7 步驟1(側墻)和2(后墻)模擬吸聲材料布置情況Table 7 Steps 1 (sidewall) and 2 (back wall) for the simulation of sound-absorbing materials arrangement

吸聲材料布置方式見圖2，擴散體形狀見圖3，布置類型見圖4。

表8 步驟3模擬側墻擴散體布置情況Table 8 Step 3 for the simulation of the layout of sidewall diffuser

表9 步驟4模擬頂棚擴散體布置情況Table 9 Step 4 for the simulation of the layout of ceiling diffuser

3.3 模擬結果

3.3.1 模擬結果的處理

通過網(wǎng)格響應計算得出整個廳堂聲學參量的累積分布結果，由于會議室存在交通等輔助面積，同時為避免離散程度大的結果影響聲場均勻度，分別選取結果中第10與第90百分位數(shù)為聲學參量的最小值與最大值，進行聲場均勻度計算。為評價聲場均勻度的優(yōu)劣，將聲場均勻度與最小差別閾限1JND進行差值計算，差值越小(甚至小于0)，表明聲場均勻度越好，其中各客觀參量的1JND的數(shù)值是采用Odeon軟件給出的建議值[10](如表10所示)。為了更直觀地描述不同因素對聲場均勻度的影響，引入?yún)⒘喀p(見式(1))。然后對兩種聲源情況下不同客觀參量的ΔLp大小排序并評分，并將各參量的得分相加，總得分最高的模型為聲場均勻度最優(yōu)的模型。

表10 Odeon中1JND建議值Table 10 1JND recommended value in Odeon

式中：ΔLp為聲場均勻度受影響的程度；Lp為250～4 000 Hz 5 個頻率聲場均勻度的平均值；T1JND為最小差別閾限。

3.3.2 模擬結果分析

步驟(1)模擬中各參量的影響度結果如圖10、11所示，評分結果如圖12、13所示；步驟(2)模擬中各參量的影響度結果如圖14、15所示，評分結果如圖 16、17所示；步驟(3)模擬中各參量影響度結果如圖18、19所示，評分結果如圖20、21所示；步驟(4)模擬中各參量的影響度結果如圖 22、23所示，評分結果如圖24、25所示。

圖10 步驟(1) EDT、T30、SPL影響度Fig.10 Effect of step (1) combination on EDT, T30, SPL

圖11 步驟(1) C80、D50、STI影響度Fig.11 Effect of step (1) combination on C80, D50, STI

圖12 步驟(1) 普通男聲聲源總得分Fig.12 The total score of common male sound sources under different step (1) combinations

圖13 步驟(1) 揚聲器聲源總得分Fig.13 The total score of speaker sound source under different step (1) combinations

圖14 步驟(2) EDT、T30、SPL影響度Fig.14 Effect of step (2) combination on EDT, T30, SPL

圖15 步驟(2) C80、D50、STI影響度Fig.15 Effect of step (2) combination on C80, D50, STI

圖16 步驟2 普通男聲聲源總得分Fig.16 The total score of common male sound sources under different step (2) combinations

圖17 步驟2 揚聲器聲源總得分Fig.17 The total score of speaker sound source under different step (2) combinations

圖18 步驟(3) EDT、T30、SPL影響度Fig.18 Effect of step (3) combination on EDT, T30, SPL

圖19 步驟(3) C80、D50、STI影響度Fig.19 Effect of step (3) combination on C80, D50, STI

圖20 步驟(3) 普通男聲聲源總得分Fig.20 The total score of common male sound sources under different step (3) combinations

圖21 步驟(3) 揚聲器聲源總得分Fig.21 The total score of speaker sound source under different step (3) combinations

圖22 步驟(4) EDT、T30、SPL影響度Fig.22 Effect of step (4) combination on EDT, T30, SPL

圖23 步驟(4) C80、D50、STI影響度Fig.23 Effect of step (4) combination on C80, D50, STI

圖24 步驟(4) 普通男聲聲源總得分Fig.24 The total score of common male sound sources under different step (4) combinations

圖25 步驟(4) 揚聲器聲源總得分Fig.25 The total score of speaker sound source under different step (4) combinations

(1) 吸聲材料

圖 10、11表明，在側墻上以相同方式布置相同吸聲材料時，聲源為揚聲器的SPL、D50、STI均勻度較好，聲源為普通男聲的 EDT均勻度較好。側墻吸聲材料的布置情況對EDT與T30均勻度的影響較大，而對 SPL、C80、D50與 STI均勻度的影響較小；聲源對EDT、SPL、D50與STI均勻度的影響較大，而對T30與C80均勻度的影響較小。圖12、13顯示，相同吸聲材料布置方式與聲源的情況下，沿兩墻交接處布置低頻吸聲材料時，聲場均勻度好。無論是揚聲器還是普通男聲聲源，側墻上水平交替布置吸聲材料時，沿兩墻交接處布置低頻吸聲材料的總得分最高。

圖14、15表明，在后墻上以相同方式布置相同吸聲材料時，聲源為揚聲器的SPL、D50、STI均勻度較好，聲源為普通男聲的EDT均勻度較好。后墻吸聲材料的布置情況對EDT與T30均勻度的影響較大，而對SPL、C80、D50與STI均勻度的影響較?。宦曉磳DT、SPL、D50與STI均勻度的影響較大，而對T30與C80勻度的影響較小。后墻吸聲材料的布置情況對聲場均勻度影響較小，而聲源對聲場均勻度的影響較大。圖 16、17顯示，聲源為普通男聲，后墻上垂直交替布置吸聲材料時，沿兩墻交接處布置低頻吸聲材料的總得分最高；聲源為揚聲器，后墻上垂直交替布置吸聲材料時，沿兩墻交接處布置高頻吸聲材料總得分最高。

(2) 擴散體

圖18、19表明，無論揚聲器聲源還是普通男聲聲源，在側墻上布置擴散體，擴散體連續(xù)數(shù)量較少時，布置三角形擴散體的房間聲場均勻度較好。

隨著連續(xù)數(shù)量的增加，梯形擴散體效果更好，當連續(xù)數(shù)量較多時，布置弧形擴散體的房間聲場均勻度最好。側墻布置相同擴散體時，聲源為揚聲器的SPL、D50、STI均勻度較好，聲源為普通男聲的EDT均勻度較好。側墻上布置擴散體對EDT與T30均勻度的影響較大，而對SPL、C80、D50、STI均勻度的影響較??；聲源對 EDT、SPL、D50與 STI均勻度的影響較大，而對 T30與 C80均勻度的影響較小。圖 20、21顯示，無論揚聲器還是普通男聲聲源，當側墻上吸聲材料與擴散體間隔布置時，連續(xù)布置3個梯形擴散體的總得分最高。

圖22、23表明，在頂棚上以相同方式布置相同擴散體時，聲源為揚聲器的SPL、D50、STI均勻度較好，聲源為普通男聲的 EDT均勻度較好。頂棚上布置擴散體對EDT與T30均勻度的影響較大，而對SPL、C80、D50與STI均勻度的影響較??；聲源對 EDT、SPL、D50與 STI均勻度的影響較大，而對T30與C80均勻度的影響較小。圖24、25顯示，聲源為普通男聲時，頂棚按類型3布置三角形擴散體總得分最高；聲源為揚聲器時，頂棚按類型4布置等腰三角形擴散體總得分最高。最佳聲場均勻度模型如圖26所示。

圖26 兩種聲源情況下最佳聲場均勻度擴散體布置模型Fig.26 Diffuser layout models for optimal sound field uniformity of two sound sources

4 結 論

材料的布置與形狀對聲場均勻度的影響與聲源指向性及位置有關。通過對兩種聲源情況下的會議室進行材料的布置與形狀的優(yōu)化模擬，可以得到以下結論：

(1) 側墻與頂棚材料的布置與形狀對 EDT與T30均勻度的影響較大，而對SPL、C80、D50與STI均勻度的影響較小。后墻吸聲材料的布置情況對聲場均勻度的影響較小。聲源對 EDT、SPL、D50與STI均勻度的影響較大，而對T30與C80均勻度受影響較小；

(2) 相同的吸聲材料布置方式與聲源的情況下，沿兩墻交接處布置的吸聲材料為低頻時，聲場均勻度較好；

(3) 墻面與頂棚材料的布置與形狀相同的情況下，聲源為揚聲器時SPL、D50、STI均勻度較好，聲源為普通男聲時EDT均勻度較好；

(4) 無論是揚聲器還是普通男聲聲源，在側墻上布置擴散體，擴散體連續(xù)數(shù)量較少時，布置三角形擴散體的房間聲場均勻度較好。隨著連續(xù)數(shù)量的增加，梯形擴散體效果更好，當連續(xù)數(shù)量較多時，布置弧形擴散體時房間的聲場均勻度最好；

(5) 當房間布置吸聲材料與擴散體時，相對于僅布置吸聲材料，EDT、T30均勻度有所提高，而D50均勻度有所降低。