摘要：依托計算機模擬仿真化手段進(jìn)行室內音質(zhì)的預測在建筑聲學(xué)設計中的應用越來(lái)越廣泛。本文通過(guò)對某省級廣播電臺播音室建筑聲學(xué)客觀(guān)音質(zhì)的探討，驗證了室內聲學(xué)中仿真預測結果與實(shí)際測量的相關(guān)性。文中主要采用計算機有限元仿真手段模擬了該播音室多個(gè)測點(diǎn)處的脈沖聲響應，并將脈沖響應的仿真結果與基于丹麥Brüel & KjærK的DIRAC聲場(chǎng)分析測試平臺進(jìn)行了現場(chǎng)測試對比，該對比重點(diǎn)關(guān)注了T30、D50和RASTI等客觀(guān)音質(zhì)參數。分析結果表明預測值與實(shí)測值具有較高的相關(guān)性和置信率，該置信率表明有限元分析在建筑聲學(xué)室內音質(zhì)設計中具有參考價(jià)值，這讓聲學(xué)工程師可以結合DIRAC聲學(xué)分析測試平臺進(jìn)行更多的聲信號后處理研究，對現有聲學(xué)模擬仿真預測技術(shù)手段是一種有效的擴展。

關(guān)鍵詞：有限元分析；聲學(xué)仿真；脈沖響應；客觀(guān)音質(zhì)參數；DIRAC；后處理；SCILAB

中圖分類(lèi)號：TB52,TU112    文獻標識碼：A

ZHOU Yuanbo

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

Abstract: The prediction of indoor sound quality through computer simulation is more and more widely used in architectural acoustic design. This article verifies the correlation between the simulated prediction results and actual measurements in the room acoustics by discussing the objective sound quality of the architectural acoustics of a broadcasting station of a provincial radio station. In this paper, the computer finite element method is mainly used to simulate the impulse acoustic response at multiple measurement points in the broadcasting room, and the impulse response simulation results are compared with the DIRAC sound field analysis and test platform based on Brüel & KjærK. The comparison focused on objective sound quality parameters such as T30, D50 and RASTI. The analysis results show that the predicted value and the measured value have a high correlation and confidence rate, which indicates that the finite element analysis has a reference value in the acoustic design of architectural acoustics. This allows acoustic engineers to combine the DIRAC acoustic analysis test platform for more sound signal post-processing research. It is an effective extension to the existing acoustic simulation and prediction technology.

Key words:Finite element analysis; Acoustic simulation; Impulse response; Objective sound quality parameters; Dirac; Post processing; Scilab

0 引 言

通過(guò)計算機模擬仿真來(lái)進(jìn)行室內音質(zhì)的預測在建筑聲學(xué)設計中的應用越來(lái)越廣泛，聲學(xué)工程師經(jīng)常使用的傳統建筑聲學(xué)設計軟件主要有丹麥的ODEON、德國的EASE、澳大利亞的INSUL和ZORBA等。ODEON等廳堂聲學(xué)軟件普遍采用的是基于幾何聲學(xué)的虛聲源法或射線(xiàn)聲學(xué)法的聲場(chǎng)仿真計算技術(shù)，其原理和效果經(jīng)由多年的發(fā)展已經(jīng)在聲學(xué)設計領(lǐng)域和聲學(xué)工程領(lǐng)域得到了一定的驗證。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法逐漸參與到了越來(lái)越多的物理聲學(xué)領(lǐng)域中[1]，例如B&K4134電容麥克風(fēng)聲學(xué)性能分析[2,3]、揚聲器驅動(dòng)器特性研究、車(chē)廂內聲場(chǎng)特性NVH分析等方向都有聲學(xué)有限元法的應用。目前市場(chǎng)上經(jīng)常使用的FEA軟件主要有美國的ANSYS，比利時(shí)的SYSNOISE和ACTRAN等等。本文采用計算機有限元仿真手段模擬了某省級廣播電臺播音室中多個(gè)測點(diǎn)處的脈沖聲響應，該脈沖響應經(jīng)SCILAB進(jìn)行后處理，并將其結果與基于丹麥Brüel & KjærK的DIRAC聲場(chǎng)分析測試平臺實(shí)測結果進(jìn)行了對比。本實(shí)驗主要選取滿(mǎn)足ISO 3382標準中的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內聲學(xué)語(yǔ)言傳輸指數RASTI等客觀(guān)音質(zhì)參數作為研究對象。研究、

1 室內聲場(chǎng)有限元分析

1.1 建筑模型的建立

該播音室位于廣播電臺主樓1層走廊盡頭，室內長(cháng)約12m，較長(cháng)寬約9.6m，較短寬約7.5m，平面圖呈弧形邊的類(lèi)矩形結構。室內影響聲場(chǎng)分布的較大區域主要有：兩種裝修材質(zhì)的吸聲墻面、地毯、天花擴散頂、門(mén)窗及布置于室內的大型工作臺等。室內建筑模型初步建立如下圖1所示。

圖1 播音室建筑模型圖(三維視圖)

本次對比實(shí)驗采用固定1個(gè)聲源點(diǎn)，室內隨機分布3個(gè)測點(diǎn)的方式進(jìn)行，建模中聲源點(diǎn)坐標為(8,2)，各個(gè)測點(diǎn)坐標為(10,7)(7,5)(9.5,3)，聲源及接收傳聲器距離地面高度均為1.5m，聲源點(diǎn)及測點(diǎn)位置示意圖如圖2所示。

圖2 聲源及測點(diǎn)位置示意圖

1.2 計算參數的設置

進(jìn)行有限元模擬仿真需要對部分計算參數進(jìn)行設置，室內空氣域參數設置為聲速343m/s，空氣密度為1.2kg/m³，房間體積約為615m³，聲學(xué)擴散系數為0.05，分析頻段設為125Hz~4000Hz的倍頻帶范圍。室內各聲學(xué)面吸聲系數定義如表1所示，其主要來(lái)源為中測院聲學(xué)所相似材料或結構的材料庫吸聲系數實(shí)測數據和文獻經(jīng)驗數據[4,5]。

因為基于有限元分析模型得到的精度與所采用的有限元網(wǎng)格相關(guān)，剖分越細化網(wǎng)格單元就越小，求解結果會(huì )更接近真實(shí)解，但是越精細的網(wǎng)格劃分占用的計算機資源就越多，計算機算力和求解時(shí)間往往受此所限，因此本例基于實(shí)驗室現有硬件條件移除和簡(jiǎn)化了某些模型特征和細節，采用全局自適應網(wǎng)格進(jìn)行了模型細化。剖分后最大單元大小為0.24m，最小單元大小為0.0024m，滿(mǎn)足每個(gè)波長(cháng)內網(wǎng)格節點(diǎn)數要求。網(wǎng)格剖分圖如圖3~圖4所示。

圖3 播音室網(wǎng)格剖分(正視圖)

圖4 播音室網(wǎng)格剖分(三維視圖)

1.3 模擬結果

經(jīng)計算分析后得到測點(diǎn)1~測點(diǎn)3脈沖響應的仿真結果，將該脈沖響應仿真結果進(jìn)行SCILAB歸一化處理，導出用于DIRAC平臺聲頻信號后處理的*.wav格式文件。經(jīng)SCILAB處理的脈沖響應仿真結果如下圖5~圖7所示。

圖5 測點(diǎn)1脈沖響應仿真圖

圖6 測點(diǎn)2脈沖響應仿真圖

圖7 測點(diǎn)3脈沖響應仿真圖

2 室內聲場(chǎng)現場(chǎng)測試

2.1 測試設備

播音室室內聲場(chǎng)現場(chǎng)實(shí)地測試采用本實(shí)驗室經(jīng)CNAS考核授權的聲環(huán)境現場(chǎng)快速檢測平臺[6]。該平臺主要設備包括：便攜式全指向性聲源(B&K 4295)、聲源功率放大器(B&K 2734B)、USB音頻接口(B&K ZE-0948)、聲校準器(B&K 4231)、測試傳聲器(B&K 4942)、無(wú)線(xiàn)麥克風(fēng)(P8)、CCLD信號放大器(B&K 1704)、筆記本電腦(DELL)、DIRAC聲場(chǎng)分析測試平臺(B&K 7841)等。系統簡(jiǎn)要結構框圖見(jiàn)下圖8所示。

圖8 系統簡(jiǎn)要結構框圖

2.2 測試內容

對比實(shí)驗主要選取滿(mǎn)足ISO 3382標準中的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內聲學(xué)語(yǔ)言傳輸指數RASTI等客觀(guān)音質(zhì)參數作為研究對象。測試過(guò)程如下：將便攜式無(wú)指向性聲源放置于房間中部距側墻約2m處位置，測量麥克風(fēng)分別放置于各個(gè)測點(diǎn)位置，采用脈沖反向積分法進(jìn)行測量[7]，首先用脈沖聲對房間進(jìn)行激勵，記錄房間的脈沖響應，對這個(gè)脈沖響應的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線(xiàn)。每個(gè)測點(diǎn)位置測量至少3次，數據取多次測量后的平均值；記錄測試時(shí)室內溫濕度及大氣壓值?，F場(chǎng)實(shí)測圖如下圖9所示。

圖9 DIRAC現場(chǎng)實(shí)測圖

圖10 測點(diǎn)1脈沖響應實(shí)測圖

圖11 測點(diǎn)2脈沖響應實(shí)測圖

圖12 測點(diǎn)3脈沖響應實(shí)測圖

3 結果對比

將取均值后的各測點(diǎn)客觀(guān)音質(zhì)參數的計算機仿真分析結果與現場(chǎng)實(shí)地測試結果進(jìn)行比較，如表2所示。

從表2的對比結果看出，2000Hz以下頻段部分混響時(shí)間T30模擬值與實(shí)測值偏差均在5%以?xún)龋?000Hz以上高頻部分混響時(shí)間T30的模擬值和實(shí)測值偏差較高超過(guò)了+5%，分別為+10%和+8%左右；而清晰度D50參數的模擬值和實(shí)測值除250Hz頻率外，其余頻段均有±5%左右的偏差；用于評價(jià)廳堂音質(zhì)可懂度的室內聲學(xué)語(yǔ)言傳輸指數RASTI指標模擬值與實(shí)測值之間的偏差在5%以?xún)?，?.4%。

4 結論

針對該播音室的室內客觀(guān)音質(zhì)參數的模擬值和實(shí)測值具有可接受的相關(guān)性和可參考性，基于此類(lèi)室內聲場(chǎng)環(huán)境采用有限元分析方法在一定程度上可以較為真實(shí)地模擬求解被測點(diǎn)的脈沖響應信號，上述分析結果表明該播音室的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內聲學(xué)語(yǔ)言傳輸指數RASTI的預測值與實(shí)測值特別是在1000Hz以下頻帶部分具有較高的相關(guān)性和置信率，該置信率表明有限元分析在指導和參與建筑聲學(xué)室內音質(zhì)設計中具有一定的參考價(jià)值，其仿真和實(shí)測偏差程度在工程應用可接受的層面。這讓聲學(xué)工程師可以結合DIRAC聲學(xué)分析測試平臺進(jìn)行更多的聲信號后處理研究，對現有聲學(xué)模擬仿真預測技術(shù)手段是一種有效的擴展。本次實(shí)驗在三維模型建立的準確把握、聲學(xué)材料實(shí)驗室參數和現場(chǎng)參數的可靠性和源測點(diǎn)位布置的精確性等方面還有可以深入探討之處。