計算機輔助設(shè)計技術(shù)在擴聲系統(tǒng)工程設(shè)計中的應用(共6頁)

1、計算機輔助設(shè)計技術(shù)(jsh)在擴聲系統(tǒng)工程設(shè)計中的應用吳帆 電氣(dinq)1201 U201211698（華中科技大學 電氣(dinq)與電子工程學院，武漢 430074）【摘 要】長期以來，室內(nèi)聲學設(shè)計一直都是建筑聲學領(lǐng)域內(nèi)的一項技術(shù)難題。由于聲音在建筑內(nèi)傳播和衰減比較復雜，容易造成建筑完工后聲學質(zhì)量難以達到預期標準，而后續(xù)的補救措施受到建筑整體結(jié)構(gòu)的限制有很大的局限性，同時也會造成人力物力的浪費。近年來，隨著聲場數(shù)值計算理論、計算機軟硬件技術(shù)和信號處理理論的快速發(fā)展，數(shù)字室內(nèi)聲場模擬技術(shù)有了很大的突破，已經(jīng)出現(xiàn)了一大批得到廣泛應用的聲場模擬軟件，如丹麥的ODEON、德國的EASE、瑞典的

2、CATT等等。這些軟件和技術(shù)能夠準確的在建筑結(jié)構(gòu)建成之前仿真模擬出設(shè)計方案的音質(zhì)效果，為建設(shè)施工提供有效的指導。本文簡要介紹了聲學擴聲設(shè)計基本思路以及這些軟件的簡介?！娟P(guān)鍵詞】計算機輔助設(shè)計 擴聲系統(tǒng) 工程設(shè)計The Application of the Technology of Computer Aided Design in Sound Amplifying System DesignWU Fan SEEE1201 U201211698(HUST SEEE, Wuhan 430074)【Abstract】For a long time, indoor acoustic design ha

3、s been a technical problem in the field of architectural acoustics. As the sound propagation and attenuation of sound in the building is complex, it is easy to achieve the expected standard of acoustic quality after construction, and the follow-up of the remedy is limited by the overall structure of

4、 the building, but also cause the waste of manpower and material resources. In recent years, with the rapid development of numerical calculation theory, computer software and hardware technology and signal processing theory, digital indoor acoustic field simulation technology has been a great breakt

5、hrough, has emerged a large number of widely used sound field simulation software, such as ODEON, Germanys EASE, CATT and so on. These software and technology can accurately simulate the sound quality effect of the design plan before the construction is completed, and provide effective guidance for

6、the construction. This paper briefly introduces the basic ideas and the acoustic sound reinforcement design software.【Key words】computer aided design; amplifying system; engineering design1 引言1900年，自賽賓發(fā)現(xiàn)混響時間公式后，建筑聲學不斷得到發(fā)展和完善。設(shè)計者為在設(shè)計階段能夠提前知道廳堂聲學特性和建成后音質(zhì)效果，采用多種方法研究廳堂聲學：早期的音質(zhì)模型實驗，采用水槽，從水波的反射來看出聲波的界面的反射

7、情況；1934年，斯朋多克提出最早的聲學縮尺模型技術(shù)，采用1：5的模型和變速錄音的方法研究混響過程；經(jīng)過幾十年發(fā)展和深入研究，到了60-70年代，聲學縮尺模型技術(shù)達到成熟期，并在模擬廳堂聲學特性上積累豐富經(jīng)驗。該技術(shù)至今應用廣泛，但是，由于經(jīng)濟成本較高，所需要實驗設(shè)施多，該技術(shù)只應用于一些重要的建筑上。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，為彌補聲學縮尺模型技術(shù)的不足，廳堂聲學數(shù)字仿真技術(shù)開始發(fā)展起來，從20世紀60年代至今，大約有40年的發(fā)展歷史。目前,室內(nèi)聲場計算機模擬技術(shù)已在建筑聲學、心理聲學、虛擬現(xiàn)實、計算機輔助設(shè)計等領(lǐng)域受到廣泛重視并已開始步入實際應用階段。據(jù)進展情況及研究規(guī)模,聲學計算機模擬發(fā)展歷

8、程大致分為三個階段：發(fā)展初期:20世紀60年代末開始,對室內(nèi)聲學的研究(ynji)仍以經(jīng)典的統(tǒng)計學理論及縮尺模型技術(shù)為主。快速發(fā)展:20世紀80年代前后,A.Krokstad,A.Kulowski,Borish,H.Lee等人從算法設(shè)計和程序?qū)崿F(xiàn)方面對RTM和ISM方法進行了進一步研究,使得它們可直接用于三維封閉聲場的模擬。盡管受當時計算機技術(shù)的限制,該軟件還不完善,但其商品化信號表明,實現(xiàn)全數(shù)字式可聽化已經(jīng)(y jing)指日可待,同時也標志著室內(nèi)聲場計算機模擬研究開始向應用階段邁進。面向應用:20世紀90年代中期至今進入20世紀90年代后,出現(xiàn)了一個研究聲場計算機模擬方法的高峰時期。這一階

9、段,對聲場計算機模擬方法的研究出現(xiàn)了多樣化的趨勢,除了最為流行(lixng)的聲線跟蹤法、虛聲源法和混合法外,聲束跟蹤法以及聲學輻射度法等改良的方法陸續(xù)被提出,并在不同的算法中得到了應用。建筑聲學設(shè)計正面臨著從傳統(tǒng)的經(jīng)典設(shè)計模式向計算機輔助設(shè)計模式轉(zhuǎn)變，這是計算機硬件、聲場數(shù)字模擬與廳堂音質(zhì)設(shè)計相結(jié)合技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。經(jīng)典設(shè)計模式:是指廳堂形體設(shè)計、容積選擇、混響控制、噪聲控制、聲場均勻度估算、建筑縮尺模型實驗、修改和調(diào)整設(shè)計方案。計算機輔助設(shè)計模式:是指采用聲場模擬軟件在計算機中建立房間模型、設(shè)置與國家標準要求相一致的建筑聲環(huán)境、進行音質(zhì)參量模擬和預測、在房間不同聽聲位置進行聲效預聽、修改

10、和調(diào)整設(shè)計方案。通過設(shè)計，提供吸聲材料布置方案和揚聲器布置、安裝方案。計算機輔助設(shè)計模式能夠為建筑廳堂聲學隨著計算機及信號處理技術(shù)的發(fā)展，國際上一些研究機構(gòu)和大型聲學公司經(jīng)過10多年的研究，相繼推出了各種聲學模擬軟件。比較著名的如德國ADA公司的EASE，比利時LMS公司的SYNIOSE和RAYNOISE，丹麥科技大學的ODEON、瑞典的CATT公司的CATT，意大利帕爾瑪大學的RAMSETE。它們都能對ISO3383標準所規(guī)定的聲學參量進行聲場模擬運算，大多具有可視化和可聽化功能。20世紀90年代(nindi)前后，中國也先后有研究機構(gòu)開展室內(nèi)聲場計算機模擬研究，國內(nèi)由于在這方面研究投入不足

11、，研究規(guī)模有限，持續(xù)開展該方向研究的機構(gòu)少，總體水平與國外存在一定差距。2 聲學(shngxu)擴聲系統(tǒng)簡介擴聲系統(tǒng)通常是把講話者的聲音對聽者進行實時放大的系統(tǒng)，講話者和聽者通常在同一個聲學環(huán)境中。成功的擴聲系統(tǒng)必須要具有足夠響度(足夠的聲增益)和足夠的清晰度(低的語言(yyn)子音清晰度損失百分率)，并且能使聲音均勻地覆蓋聽眾，而同時又不覆蓋沒有聽眾的區(qū)域。擴聲系統(tǒng)包括擴聲設(shè)備和聲場組成，主要包括聲源和它周圍的聲環(huán)境，把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕脑捦?，放大信號并對信號加工的設(shè)備、傳輸線，把信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘柕膿P聲器和聽眾區(qū)的聲學環(huán)境。擴聲系統(tǒng)設(shè)計通常從聲場設(shè)計開始，逐步向后推進到功放、聲處理、調(diào)音臺和

12、聲源。因為聲場設(shè)計是滿足系統(tǒng)使用功能和音響效果的基礎(chǔ)。因此這種向后推進的設(shè)計步驟是十分必要的。室內(nèi)擴聲系統(tǒng)的供聲方案根據(jù)使用功能、房間體型和服務區(qū)大小選擇供聲方案。1.集中供聲（點聲源供聲）優(yōu)點：可有效減小聲源間的干擾，音質(zhì)清晰、視聽方向一致、聽感自然、聲場均勻。缺點：聲能損失較大，不適宜空間較低的房間和狹長的房間，集中式供聲系統(tǒng)的揚聲器吊掛高度不應低于810m，否則聲場不易均勻。2.分散式供聲適用于狹長房間、高度較低的房間、混響時間較長的房間或隧道擴聲系統(tǒng)。優(yōu)點：聲場均勻，聲能損失少。缺點：視聽不一致，聲源之間干擾大，尤其是在兩個聲源覆蓋的交叉重疊區(qū)音質(zhì)差。3 ease軟件簡介EASE是El

13、ectroAcousticSimulatorforEngineers的英文縮寫,意思是電子聲學模擬工程軟件。EASE軟件是目前在全球聲學設(shè)計界對于廳堂的建聲和電聲系統(tǒng)設(shè)計模擬分析過程中使用最廣泛的聲學設(shè)計軟件。它將建筑設(shè)計師、裝修工程師、音響師和聲學專家之間建立了共同語言。它能在建筑完工之前就能模擬最終的聲音質(zhì)量，并能聽到和看到聲音效果。這就是EASE開發(fā)的目的和意義。EASE是由德國ADA公司研發(fā)的世界最權(quán)威的聲學設(shè)計軟件，也是國內(nèi)權(quán)威部門認定的聲學設(shè)計軟件。Ease的主要(zhyo)功能有：建造房間(fngjin)模型，進行建聲設(shè)計和電聲系統(tǒng)配置；2）計算和顯示(xinsh)廳堂的混響時間

14、及其頻率特性；3）計算和顯示廳堂的聲壓級分布曲線；a）計算和顯示直達聲聲場的聲壓級分布曲線b)計算和顯示直達聲和混響聲的總聲壓級分布曲線計算和顯示廳堂的聲音質(zhì)量；輔音清晰度損失b）快速語言傳遞指數(shù)c）聲音清晰度查看聲音的傳輸特性；a）聲線跟蹤b）影視顯示6）預聽廳堂的聲音效果；7）計算直達聲與混響聲的聲能比；8）計算和顯示一定時間內(nèi)的直達聲與混響聲聲能之和；9）計算和顯示揚聲器在聽眾區(qū)的瞄準點及聲場的等聲壓級圖；10）顯示揚聲器在-3Db、-6dB、-9dB覆蓋角的聲線圖；11）計算和顯示在聽眾席某一測試點處的頻率響應曲線。4 ODEON軟件簡介ODEON建筑聲學模擬軟件(聲學模擬、聲學測量和

15、聽覺模擬)是丹麥技術(shù)大學的聲學研究人員研制的一款建筑聲學模擬軟件。目前，獨立公司Odeon A/S還一直在進行研究和開發(fā)工作。ODEON開發(fā)用于建筑室內(nèi)聲學仿真模擬?；谑覂?nèi)幾何和表面性質(zhì)，可預測、圖解并試聽室內(nèi)聲學效果。該軟件結(jié)合了虛源法和聲線追蹤法。利用ODEON進行室內(nèi)聲學模擬，即對3D模型中聲源到接收點的房間脈沖響應進行預測，這些模型可以從SketchUp或其他CAD軟件中導入。軟件可以導出T30, T20, EDT, SPL, STI, Clarity等聲學參數(shù)。通過控制室內(nèi)反射、聲吸收和界面散射性質(zhì)，可使音樂、語音及揚聲器系統(tǒng)達到想要的聲學或降噪效果。這款聲學預測軟件能很好地處理室

16、內(nèi)聲學、擴聲系統(tǒng)，從而用于幾何形狀比較復雜的廳堂、劇院、音樂廳、教堂、運動場、開放式辦公室、門廳、餐廳、錄音室、地鐵站、機場、工業(yè)環(huán)境(hunjng)及室外場所。ODEON軟件的計算機模擬算法是以幾何聲學為基礎(chǔ)，即聲波的傳播和能量的衰減過程用聲源發(fā)出的大量聲線或聲源對反射界面所形成的各級聲像來描述，主要涉及到兩種經(jīng)典(jngdin)的模擬方法:聲線跟蹤法和虛聲源法。1聲線跟蹤(gnzng)法在室內(nèi)聲環(huán)境下，聲源通過向四中均勻發(fā)出的大量聲射線傳播能量，聲射線與壁面碰撞發(fā)生發(fā)射使得能量衰減和傳播方向改變。對于任意一根聲線，根據(jù)概率論知識在碰撞點一部分做鏡面發(fā)射，一部分做擴散反射。該聲線沿著新方向繼

17、續(xù)前進，每次碰撞后能量減少為原來的（1-）倍（其中為界面的吸聲系數(shù)），當聲線能量低于預先設(shè)定的閾值時，計算機停止對該聲線的跟蹤。重復以上過程直至所有的聲線都被跟蹤完畢，就能確定這個聲場的空間分布。2虛聲源法聲源在封閉空間的各個壁面的對稱點上都存在著它的“像”，稱之為一級虛源；該虛聲源又可在其他壁面類似地找到它的下一級虛聲源，稱之為二級虛源，以此類推。如在圖2中，S1，S2，S3，S4，S5是聲源S在各個壁面上產(chǎn)生的一級虛聲源；S21是一級虛聲源S1產(chǎn)生的二級虛聲源；S31是二級虛聲源S21產(chǎn)生的三級虛聲源。各級虛聲源的能量取決于它得以產(chǎn)生的壁面的吸聲系數(shù)和該虛聲源的級別。當球的全部虛聲源的位置

18、及能量后，就可以把聲源對于接收點的貢獻等效于各級虛聲源的貢獻之和，這樣就能確定整個空間的聲場狀況。ODEON軟件采用了聲線跟蹤法和虛聲源法的混合方法，它吸收了兩種經(jīng)典算法的優(yōu)點，軟件算法中，將模擬分成直達聲及早期反射聲和后期反射聲兩部分，對不同的階段采取不用的模擬方法使得模擬結(jié)果與實測結(jié)果更具可比性，實現(xiàn)了計算精度和計算效率上的兼顧。5 總結(jié)EASE和ODEON軟件在擴聲系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮著重要作用,已經(jīng)成為電聲設(shè)計工作者手中的一件得心應手的武器,同時相關(guān)單位也開始逐漸開始重視。隨著EASE軟件應用的普及,越來越多的建筑聲學機構(gòu)、廳堂擴聲系統(tǒng)設(shè)計單位、裝修設(shè)計單位家及相應高校師生開始學習和掌握這門

19、技術(shù)。像其他任何工具一樣,單純的軟件并不能代替人的設(shè)計經(jīng)驗,更不能代替人的聲學基礎(chǔ)知識和人的創(chuàng)造性思考。所以掌握設(shè)計所需的聲學基礎(chǔ)知識、軟件運行的工作原理和適用條件十分必要,同時也不能把音質(zhì)設(shè)計軟件模擬結(jié)果絕對化、抽象化。軟件采用幾何聲學的算法通常適用于中、高頻頻率,在低頻的模擬效果比較差。所以預測結(jié)果僅供設(shè)計者參考,而不能代替現(xiàn)場測量和現(xiàn)場聆聽的實踐。參考文獻1 陳劍軍. HYPERLINK /detail_38502727e7500f2669f33b81baeaeef282d6957b458be5e01921b0a3ea255101928fa69a765a3d2d3c53c81618474

20、874ff22f53c56cd81c3c6543bdc34e9be804fe9c9cac70901553dec262397f5931f t /_blank 建筑聲學軟件(run jin)ODEON應用研究D. 重慶(zhn qn): 重慶大學, 2012.2 HYPERLINK /s?wd=authoruri:(670b7d2cd867ba53) author:(%E6%9D%8E%E5%BC%82%E7%90%83) %E5%AE%89%E5%BE%BD%E5%B9%BF%E6%92%AD%E5%BD%B1%E8%A7%86%E8%81%8C%E4%B8%9A%E6%8A%80%E6%9C%

21、AF%E5%AD%A6%E9%99%A2&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8&sc_f_para=sc_hilight=person&sort=sc_cited t /_blank 李異球, HYPERLINK /s?wd=authoruri:(8256fca2d8a7afa5) author:(%E5%BC%A0%E4%B8%9A%E6%95%8F) %E5%AE%89%E5%BE%BD%E5%B9%BF%E6%92%AD%E5%BD%B1%E8%A7%86%E8%81%8C%E4%B8%9A%E6%8A%80%E6%9C%AF%E5%AD%A6%E9%9

22、9%A2&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8&sc_f_para=sc_hilight=person&sort=sc_cited t /_blank 張業(yè)敏, HYPERLINK /s?wd=authoruri:(8c65827043cfeac4) author:(%E9%92%B1%E9%94%8B) %E5%AE%89%E5%BE%BD%E5%B9%BF%E6%92%AD%E5%BD%B1%E8%A7%86%E8%81%8C%E4%B8%9A%E6%8A%80%E6%9C%AF%E5%AD%A6%E9%99%A2&tn=SE_baiduxueshu_c1gjeupa&ie=utf-8&sc_f_para=sc_hilight=person&sort=sc_cited t /_blank 錢鋒. HYPERLINK /s?wd=paperuri:(23dcce6265a3217126ac61d1ea7121fa)&filter=sc_long_sign&tn=SE_xueshus