摘要：近年來(lái)建筑廳堂聲學(xué)設計需求日趨增多，但現有常用的專(zhuān)業(yè)聲學(xué)軟件在滿(mǎn)足前期會(huì )審需求時(shí)有一定的局限性。本文通過(guò)分析以往工程案例的共通性和一致性，針對室內吸聲材料的選型和面積、擴散體造型和面積、天地材料和面積、聲能覆蓋面等，以及混響時(shí)間、聲壓級均勻度等常規建筑聲學(xué)指標初步開(kāi)發(fā)了一種模塊化、成型化的建筑聲學(xué)初期分析平臺，用于在一定程度上解決方案初期快速演示和聲學(xué)出圖的設計需求。實(shí)驗結果表明，本分析平臺其數據有效性能夠滿(mǎn)足粗略的聲場(chǎng)評估需求，可以作為一種工程化的聲學(xué)技術(shù)手段予以利用。

關(guān)鍵詞：矩形廳堂；建筑聲學(xué)；混響時(shí)間；聲場(chǎng)評估；分析平臺

中圖分類(lèi)號：TB556    文獻標識碼：A

ZHOU Yuanbo

(Sichuan Haiyan Acoustic Technology Co., Ltd, Chengdu 610000, Sichuan China)

Abstract: The demand for acoustic design of hall buildings has been increasing in recent years, but the existing commonly used professional acoustic software has some limitations when it meets the needs of pre-trial review. Based on the analysis of the commonality and consistency of the previous engineering cases, a modularized and shaped initial analysis platform of architectural acoustics is preliminarily developed for the selection and area of indoor sound-absorbing materials, the shape and area of diffusers, the materials and area of ceiling and floor, the coverage of sound energy, as well as the conventional architectural acoustics indexes such as reverberation time and sound pressure level uniformity. To a certain extent, this analysis platform solves the design requirements of rapid demonstration and acoustic mapping in the early stage of the solution. The experimental results show that the data validity of the analysis platform can meet the needs of rough sound field evaluation and can be used as an engineering acoustic technology.

Key words: rectangular hall; architectural acoustics; reverberation time; sound field evaluation; analysis platform

0 引 言

室內音質(zhì)在近年的基礎建設中越來(lái)越受到業(yè)主方的重視。除擴聲系統、公共廣播系統等傳統電聲設備的設計及招采外，建筑本身的廳堂音質(zhì)設計需求也常常見(jiàn)諸于招投標信息中。這種情況下，建筑聲學(xué)設計行業(yè)的從業(yè)者往往需要針對不同業(yè)主的不同建筑平面圖進(jìn)行單獨建模和模擬仿真的研究，其中涉及到大量相似的、重復的幾何建模和初期聲學(xué)分析工作，倘若直接運用例如Odeon、Ease等成熟的專(zhuān)業(yè)聲學(xué)仿真平臺來(lái)處理的話(huà)，就會(huì )涉及到CAD幾何建模、聲學(xué)建模、聲學(xué)定義、聲源測點(diǎn)布置、仿真計算等一套完整的聲學(xué)模擬仿真步驟，其人員、時(shí)間、經(jīng)費等往往都不能及時(shí)滿(mǎn)足業(yè)主方前期會(huì )審的需求?；诖?，本文開(kāi)發(fā)了一套初步滿(mǎn)足矩形廳堂的建筑聲學(xué)分析平臺，用于解決此類(lèi)問(wèn)題。

1 平臺需求分析

面對上述問(wèn)題，類(lèi)似的項目經(jīng)驗表明，在內裝方案尚未明確的溝通前期，往往過(guò)會(huì )的建筑或聲學(xué)初設方案都帶有一定的共通性和一致性，這些共通點(diǎn)和一致性主要集中在室內吸聲材料的選型和面積、擴散體造型和面積、天地材料和面積、聲能覆蓋面等，以及混響時(shí)間、聲壓級均勻度等常規建筑聲學(xué)指標。本文基于此介紹了一種模塊化、成型化的建筑聲學(xué)初期分析平臺，用于在一定程度上解決方案初期快速演示和聲學(xué)出圖的設計需求。

2 關(guān)鍵點(diǎn)分析

本文所述的分析平臺幾何基礎選取了較為常見(jiàn)的矩形廳堂建筑平面，基于射線(xiàn)聲學(xué)理論進(jìn)行初步設計和實(shí)現，該理論目前適用于波長(cháng)遠小于廳堂建筑幾何特征的中高頻頻段的室內聲學(xué)仿真分析。

本文選取矩形廳堂建筑作為研究對象，其運用的關(guān)鍵點(diǎn)在于：

1. 矩形廳堂有著(zhù)較為明確的、方便設置的長(cháng)寬高幾何尺寸；
2. 其室內影響因子較大的聲學(xué)材料例如門(mén)、窗、主席臺、觀(guān)眾區、天花、地面、墻面、擴散體等便于定義和調整；
3. 聲學(xué)計算需求較為統一，集中在聲能射線(xiàn)分布、混響時(shí)間、穩態(tài)聲壓級分布等方面。

3 平臺設計與實(shí)現

本文所述平臺提供了一套簡(jiǎn)單易用的矩形廳堂室內音質(zhì)仿真分析的工作流程，其主要操作流程如圖1所示。

3.1 理論基礎

在靜止流體中，聲波通常用以下平面波的形式表示[1]：

其中，

Φ(m2/s) — 流質(zhì)的速度勢，

a — 速度勢的振幅，

Ψ(rad) — 相位。

圖1 平臺設計流程圖

Fig.1 System design flow chart

當廳堂建筑的幾何尺寸遠大于聲波波長(cháng)時(shí)，可以認為該波局部近似平面波，導出如下公式：

其中，

k (rad/m) — 矢量波，

q (m) — 位置向量，

c (m/s) — 介質(zhì)中的聲速，

t (s) — 時(shí)間。

雖然速度勢是由一個(gè)靜止的流體定義的，但通過(guò)在流體靜止的坐標系中建立聲波方程，可以對以速度u(m/s)運動(dòng)的均勻流體應用相同的處理方法。得到聲波方程的下列形式，

按表達式（4）定義波的角頻率：

因此，聲波方程可以用哈密爾頓函數形式來(lái)表示：

混合時(shí)頻公式優(yōu)勢在于能夠將射線(xiàn)聲學(xué)問(wèn)題分解為傅里葉分量，從而解決每條射線(xiàn)傳播一個(gè)頻率分量的問(wèn)題[2][3]。此外，它能夠更簡(jiǎn)單地使用與頻率相關(guān)的邊界條件。

3.2 幾何建模模塊

本分析平臺設置了幾何建模模塊，使用時(shí)方便針對不同項目對建筑輪廓、墻面擴散體、墻面吸聲區域、天花吸聲擴散區域、聽(tīng)眾區域進(jìn)行快速的幾何調整和修改，有利于現場(chǎng)交流方案時(shí)實(shí)時(shí)演示不同吸聲擴散體型對室內音質(zhì)的影響。

其中幾何建模尺寸做了一定的數值限制，例如建筑輪廓限定值為(0m,35m]區間范圍，如果超出限制條件，平臺會(huì )有報錯提示；且尺寸過(guò)大的建模在常規網(wǎng)格剖分后會(huì )對分析計算時(shí)間造成較大影響，不利于實(shí)時(shí)演示的效果。如果有大體量建筑需要做聲學(xué)仿真分析，本文還是建議采用專(zhuān)業(yè)的商業(yè)化聲學(xué)模擬仿真平臺來(lái)執行。

建筑幾何模型確定后需要重新生成體積、內壁表面積，還需設置溫濕度等室內聲學(xué)環(huán)境參數。

平臺界面及幾何建模模塊見(jiàn)圖2。

圖2 平臺界面及幾何建模模塊圖

Fig.2 Platform interface and geometric modeling module

3.3 聲源點(diǎn)及測試點(diǎn)模塊

該聲學(xué)分析平臺的初步設計中，暫只添加了1個(gè)聲源點(diǎn)和1個(gè)接收點(diǎn)用于評估室內聲壓級分布情況和接收點(diǎn)脈沖響應時(shí)間衰減情況。

圖3 典型聲源位置及測點(diǎn)位置圖

Fig.3 Typical sound source location and measuring point location

該聲源點(diǎn)(如十二面體)和接收點(diǎn)(如麥克風(fēng))在三維幾何中的位置均可以自定義設置，如圖3所示，本文給出了一個(gè)位于主席臺正中的典型發(fā)言位置和位于觀(guān)眾區域中前部的典型聽(tīng)音位置作為分析示例。

3.4 有效面及聲學(xué)材料模塊

有效面及聲學(xué)材料模塊主要用于設置模型中鏡面反射和漫反射的邊界條件，可以用于聲壓評估和重建時(shí)間脈沖響應。模型中已經(jīng)參考聲學(xué)手冊和噪聲與振動(dòng)控制工程手冊等文獻結合工作經(jīng)驗預設了各有效面的吸聲系數、散射系數和反射方式，此部分亦可以根據實(shí)際使用材料的聲學(xué)性能進(jìn)行自定義修改。各有效面預設吸聲系數值如表1所述[4][5]：

本模塊預定義了不同精細程度的邊界網(wǎng)格劃分模式，便于使用者根據模型參數精度需求自行定義如圖4、圖5所示。

圖4 網(wǎng)格剖分圖1

Fig.4 Mesh division diagram 1

圖5 網(wǎng)格剖分圖2

Fig.5 Mesh division diagram 2

3.5 聲學(xué)參數模塊

在聲學(xué)參數模塊中，本分析平臺對初步聲學(xué)計算的需求較為統一，集中在聲能射線(xiàn)分布、混響時(shí)間、聲壓級分布等幾方面。通過(guò)聲能射線(xiàn)，可大致評估不同尺寸擴散體對室內聲場(chǎng)擴散的影響；通過(guò)接收點(diǎn)的設置，可以得到測點(diǎn)位置處的脈沖響應，并經(jīng)計算評估測點(diǎn)處的T60混響時(shí)間；通過(guò)受聲面的設置，可以得到主席臺區域或觀(guān)眾區域的穩態(tài)聲壓級分布（與聲源設置的參數相關(guān)）。

設置好聲學(xué)參數模塊后，經(jīng)本分析平臺計算，可以較快速的解得聲能射線(xiàn)圖、混響時(shí)間曲線(xiàn)、脈沖響應圖、聲壓級分布圖等可視化仿真結果。如下列所示，圖6~圖8是本例的聲學(xué)射線(xiàn)圖，時(shí)間節點(diǎn)選取5ms~50ms區間范圍。

圖6 5ms聲能射線(xiàn)圖

Fig.6 Acoustic energy ray of 5ms

圖7 25ms聲能射線(xiàn)圖

Fig.7 Acoustic energy ray of 25ms

圖8 50ms聲能射線(xiàn)圖

Fig.8 Acoustic energy ray of 50ms

由聲能射線(xiàn)圖可以反映全指向性聲源在聲能發(fā)出后，與室內反射面作用后的聲音能量分布，利于調整擴散體的幾何設計結構。下圖是本例觀(guān)眾區域的穩態(tài)聲壓級分布圖。

圖9 1000Hz穩態(tài)聲壓級

Fig.9 Steady sound pressure level of 1000Hz

由圖9可見(jiàn)，預設觀(guān)眾區域聲壓級分布符合實(shí)際情況，區域前排聲壓級在95dB左右，區域后排聲壓級在86dB~90dB左右，整個(gè)區域因聲學(xué)吸聲面及擴散體的不均勻布置使穩態(tài)聲壓級出現一定程度（約3dB）的不均勻性。下圖10是本例接收點(diǎn)位置模擬測得的脈沖響應圖。

圖10 測點(diǎn)處脈沖響應圖

Fig.10 Impulse response diagram at the measuring point

圖11是本例測點(diǎn)位置處的混響時(shí)間曲線(xiàn)圖?；祉憰r(shí)間是建立在sabine公式上計算的，其中一條曲線(xiàn)沒(méi)有考慮環(huán)境對聲場(chǎng)的影響，一條曲線(xiàn)考慮了環(huán)境對聲場(chǎng)的影響，結果分別建于圖11中綠色曲線(xiàn)和藍色曲線(xiàn)。

4 測試與對比

本文所述案例中的聲能射線(xiàn)模塊與Odeon平臺（工程建模）做了對比評價(jià)；針對混響時(shí)間模塊和穩態(tài)聲壓級仿真模塊與基于B&K DIRAC平臺的現場(chǎng)聲學(xué)測試結果進(jìn)行了對比。對比結果表明現場(chǎng)實(shí)測結果與初步仿真結果趨勢一致，具體數值針對不同頻段約有2%~11%的誤差。

圖11 測點(diǎn)處混響時(shí)間估算圖

Fig.11 Estimated reverberation time at the measuring point

5 結 語(yǔ)

綜上，基于幾何射線(xiàn)聲學(xué)理論的矩形廳堂建筑聲學(xué)仿真分析平臺的初步設計基本達到預期目的，能夠針對特定體態(tài)（本文特指矩形）廳堂的部分建筑聲學(xué)指標進(jìn)行快速的設定、計算和可視化仿真，較大程度降低了實(shí)際工程設計中的設計師人力成本和時(shí)間成本，在項目前期的方案交流中有較為突出的演示優(yōu)勢。該平臺的仿真結果經(jīng)過(guò)了一定數據量的驗證，其數據有效性能夠滿(mǎn)足粗略的聲場(chǎng)評估需求，可以作為一種工程化的聲學(xué)技術(shù)手段予以利用。但該平臺目前尚存一些不足，例如對建筑幾何及室內聲學(xué)布置局限較大，吸聲系數自定義模塊操作較為繁瑣，僅適用于中高頻段的室內聲學(xué)仿真等。本平臺目前也在開(kāi)發(fā)求解室內聲能有限元部分功能。