摘要：本文以室內小空間的聲場(chǎng)為研究對象，針對兩個(gè)同等規模的室內小空間分別采用ODEON和CARA CAD對其聲場(chǎng)進(jìn)行了設計和模擬，其后根據聲場(chǎng)設計方案和仿真結果對兩個(gè)室內小空間實(shí)施聲學(xué)裝修，完工后再分別對兩個(gè)室內小空間的聲場(chǎng)進(jìn)行檢測和分析。全文旨在通過(guò)室內小空間的對比聲場(chǎng)設計和實(shí)踐來(lái)闡述基于ODEON及CARA兩種聲場(chǎng)設計軟件設計的效果及特點(diǎn)，最后從聲學(xué)設計的正確性、合理性、實(shí)施性三個(gè)方面對聲場(chǎng)設計指標進(jìn)行了驗證和分析，對這兩種軟件在室內小空間聲場(chǎng)設計中的表現給出了評價(jià)和建議。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；室內音質(zhì)；設計與實(shí)踐；ODEON；CARA，聲場(chǎng)設計，音質(zhì)設計

中圖分類(lèi)號：TB556    文獻標識碼：A

Abstract: This article is based on indoor acoustic field of small room as the research object. According to two of the same size small rooms, we use ODEON and CARA CAD to design and simulate the sound field. After that we decorate the two rooms according to sound field design and simulation results. When the decoration finished we test and analyse the sound field of the two rooms respectively. The whole text aims at expounding the effect and characteristic of ODEON and CARA by the sound quality design and practice in two small rooms. Finally, we verify and analyse the rusults of sound field design from the correctness ,rationality and operability. In the end, the evaluation and suggestion of ODEON and CARA used in design of small rooms are given.

Key Word: Acoustics; Room acoustics; Design and practice; ODEON; CARA CAD

0 引 言¹

近幾年，建筑聲學(xué)行業(yè)在諸如歌劇院、影劇院、演藝廳、體育場(chǎng)館、會(huì )展中心等大體量空間中的發(fā)展較為迅速，無(wú)論是建聲設計、設計預算、基建造價(jià)、施工監理、電聲器材比選及采購以及最后的工程驗收等都有一系列的正規流程可以參考及實(shí)施，然而針對普通民眾的例如家庭影院、視聽(tīng)室、琴房、練音間等室內小空間的聲學(xué)設計及實(shí)踐普遍就顯得隨意化、業(yè)余化。

2 室內音質(zhì)設計方法

本文以我們針對成都某高校兩間同等規模的小型演播室進(jìn)行了不同方法的對比室內音質(zhì)設計及實(shí)踐來(lái)闡述基于ODEON和CARA CAD兩種聲場(chǎng)設計軟件設計的效果及特點(diǎn)，最后從聲學(xué)設計的正確性，聲學(xué)設計合理性，聲學(xué)設計實(shí)施性的保證這三個(gè)方面對它們的設計指標進(jìn)行了驗證。

2.1 ODEON建模分析

ODEON是由丹麥技術(shù)大學(xué)基于幾何聲學(xué)理論發(fā)展起來(lái)的一款建筑音質(zhì)設計軟件，它通過(guò)虛聲源法與聲線(xiàn)跟蹤法相結合的理論進(jìn)行聲場(chǎng)仿真，在全世界范圍內已經(jīng)得到了聲學(xué)行業(yè)較為廣泛認可[1]。目前ODEON已經(jīng)在各個(gè)建筑設計領(lǐng)域發(fā)揮了作用，馬歇爾戴等國際知名聲學(xué)設計公司也將ODEON作為常用軟件在進(jìn)行廳堂場(chǎng)館的聲場(chǎng)設計；就國內來(lái)說(shuō)，北京人民大會(huì )堂音質(zhì)改造工程中也用到了ODEON進(jìn)行聲場(chǎng)模擬。其他還有屬于廳堂場(chǎng)館類(lèi)的東方藝術(shù)中心、上海黃埔青少年宮；屬于演播播音類(lèi)的西南民族大學(xué)演播廳；還有許多電影院和劇場(chǎng)的設計都用到了ODEON模擬。

圖1是一個(gè)用ODEON建模進(jìn)行聲場(chǎng)模擬的流程圖[2]。

2.2 CARA CAD建模分析

CARA(Computer Aided Room Acoustics) CAD是一款由德國ETS Services GmbH & Co. KG公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)針對家庭影院、視聽(tīng)室等室內聲場(chǎng)的設計軟件。CARA

以有限元分析為基礎，它將房間分割成若干小單元，根據對每個(gè)小單元的聲學(xué)性能進(jìn)行計算組合完成整個(gè)聲場(chǎng)的聲環(huán)境分析和結果數據計算，更加適合小房間的聲學(xué)設計?？梢酝ㄟ^(guò)軟件進(jìn)行室內聲場(chǎng)的建模、造型、選材、選設備、模擬、試聽(tīng)等一系列的聲學(xué)設計及模擬操作。軟件目前已經(jīng)在德國、美國、澳大利亞、奧地利、芬蘭、瑞士、印度等國有了不錯的銷(xiāo)量。

圖1 ODEON建模聲場(chǎng)模擬流程圖

Fig.1 Flow chart of the sound field simulation by ODEON modeling

CARA目前在國內應用量較少，因其功能與ODEON、EASE、RAYNOISE等聲學(xué)軟件相比較為簡(jiǎn)單，音響設備庫、聲學(xué)材料庫等雖然能夠自定義但是還是存在數據庫基數不夠大等問(wèn)題。CARA在針對大體量空間的聲學(xué)設計可能與實(shí)際聲場(chǎng)參數有一些差異，但是它在室內小空間的聲場(chǎng)設計和后期驗收中還是具有比較高的設計還原度，所以本次我們就用ODEON和CARA針對同等規模的演播室分別進(jìn)行室內聲場(chǎng)設計，然后按照設計方案施工，最后對比ODEON和CARA之間聲場(chǎng)設計實(shí)踐結果。

3 室內小空間聲場(chǎng)設計及實(shí)踐

房間長(cháng)5.9米，寬4.1米，高3.75米，建成后室內計劃放置一張演播臺、兩張旋轉座椅、一盆綠色植物、背景布、三基色落地燈、藝術(shù)畫(huà)等物件，我們分別用ODEON和CARA建模對房間內的聲場(chǎng)進(jìn)行設計及模擬。

3.1 ODEON聲場(chǎng)設計（1號演播室）

因為這兩間小型演播室是在一間大教室中用輕質(zhì)隔墻隔斷出來(lái)的，所以墻體隔聲效果很差，門(mén)也是一般的普通門(mén)需要進(jìn)行后期改造。整個(gè)房間挑高3.75米，不利于聲場(chǎng)傳播，需要進(jìn)行吊頂處理。

根據矩形房間中共振頻率的通用計算公式[3]：

c——聲速；

L_x、L_y、L_z ——房間的長(cháng)寬高，m；

n_x、n_y、n_z ——零或任意正整數，但不同時(shí)為零。

為了克服小房間容易出現的簡(jiǎn)并現象，我們初步設計將吊頂下降為距地3.15m處，使室內長(cháng)寬高比例不同，由此使得室內共振頻率的分布更加均勻。

該小型演播室功能很簡(jiǎn)單，以滿(mǎn)足日常錄播為主，整體墻面首先設計進(jìn)行隔聲處理，通過(guò)輕鋼龍骨填棉，固定隔音氈及石膏板，再以石膏板為基層進(jìn)行擴散及吸聲處理。墻面進(jìn)行凸弧形造型作為聲場(chǎng)擴散，輔以天花一定程度的不規則擴散使演播室內聲場(chǎng)更加均勻。吸聲部分采用聚酯纖維板材料、環(huán)保玻璃棉等材料來(lái)實(shí)現[4]。1號演播室我們設計中頻混響時(shí)間指標為0.35s，要求室內本底噪聲滿(mǎn)足NR-30，錄制時(shí)聲場(chǎng)分布均勻，沒(méi)有聲聚焦、二次回聲、顫動(dòng)回聲等聲場(chǎng)缺陷。

經(jīng)設計與模擬，我們的ODEON仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2 ODEON混響時(shí)間模擬圖

Fig2 Simulated diagram of RT by ODEON

在我們的中期監控下，施工方按照聲學(xué)設計對演播間進(jìn)行了裝修。完工后我們對該室內聲場(chǎng)進(jìn)行了聲場(chǎng)檢測，檢測設備為丹麥B&K公司3560C PULSE聲分析儀、4190傳聲器、發(fā)令槍等[5]。經(jīng)測室內中頻混響時(shí)間為0.33s，本底噪聲29dB(A)，室內聲場(chǎng)分布均勻，且沒(méi)有發(fā)現顫動(dòng)回聲、聲陰影等明顯聲場(chǎng)缺陷?；祉憰r(shí)間采用脈沖法檢測，檢測數據如下：

3.2 CARA聲場(chǎng)設計（2號演播室）

CARA建模比ODEON繁瑣，操作性不如ODEON簡(jiǎn)單、方便，兼容性也沒(méi)有ODEON那么好。但因其獨特的建模方式，使得CARA建模更直觀(guān)，雖不太符合國人的操作習慣，但是在室內小空間的聲場(chǎng)建模和設計上還是能夠滿(mǎn)足基本要求。為了與ODEON的聲場(chǎng)設計與實(shí)踐相比，我們在2號演播室中的裝飾造型環(huán)節比對1號演播室來(lái)設計，隔音層的處理、墻體的凸弧形擴散、天花的吸聲與擴散、墻面的軟包、隔聲門(mén)的處理、燈光、室內物件等都保證與1號演播室相同。同樣，我們也在CARA軟件中對所有室內材質(zhì)進(jìn)行定義，所取材料吸聲系數做了少量處理，但也盡可能的采用ODEON數據庫中的值。2號演播室我們設計中頻混響時(shí)間指標為0.40s，同樣要求室內本底噪聲滿(mǎn)足NR-30，錄制時(shí)聲場(chǎng)分布均勻，沒(méi)有聲聚焦、二次回聲、顫動(dòng)回聲等明顯聲場(chǎng)缺陷。

圖3 ODEON聲場(chǎng)擴散模擬圖

Fig3 Simulated diagram of sound diffusion by ODEON

圖4 1號房混響時(shí)間檢測圖

Fig4 Tested diagram of RT in Room.1

我們的CARA仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 CARA混響時(shí)間模擬圖

Fig5 Simulated diagram of RT by CARA

設計完成后，在我們的中期監控下，施工方按照聲學(xué)設計對2號演播間進(jìn)行了裝修，其間因中期檢測混響時(shí)間偏

圖6 CARA聲場(chǎng)擴散模擬圖

Fig6 Simulated diagram of sound diffusion by CARA

短對方案進(jìn)行了一次細小調整。完工后同樣用脈沖法對2號廳進(jìn)行了聲場(chǎng)檢測。我們發(fā)現室內中頻混響時(shí)間為0.44s，與設計值有較大誤差，但是與模擬值相近。室內本底噪聲31.2dB(A)，室內聲場(chǎng)分布較為均勻，但是房間中存在一定程度的顫動(dòng)回聲，沒(méi)有發(fā)現聲陰影等其他明顯聲場(chǎng)缺陷?；祉憰r(shí)間檢測數據如下圖7[6]：

圖7 2號房混響時(shí)間檢測圖

Fig7 Tested diagram of RT in Room.2

4 結論

由上述針對體量相當的兩個(gè)房間的聲學(xué)設計與實(shí)踐，我們發(fā)現ODEON在室內音質(zhì)設計中建模方便、材料庫豐富、自定義靈活，在設計過(guò)程中較為順利地滿(mǎn)足了聲學(xué)設計師的各種需求。ODEON仿真結果與實(shí)踐結果相近，在聲場(chǎng)設計時(shí)具有較大的數據參考價(jià)值。CARA在等小體量房間中的聲場(chǎng)模擬數據在設計中還是具有較大的參考價(jià)值，施工中期因吸聲軟包的填棉問(wèn)題出現了混響時(shí)間偏短的現象，在對方案進(jìn)行了調整后最后檢測的混響時(shí)間符合預期要求。由此可見(jiàn)，至少在同等規模的室內小空間中，ODEON與CARA的聲場(chǎng)設計與模擬數據都能夠給聲學(xué)設計提供參考[7]。今后，我們還將對稍大空間的聲場(chǎng)模擬與實(shí)踐進(jìn)行驗證。