摘要：依托計(jì)算機(jī)模擬仿真化手段進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)的預(yù)測在建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文通過對某省級廣播電臺播音室建筑聲學(xué)客觀音質(zhì)的探討，驗(yàn)證了室內(nèi)聲學(xué)中仿真預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量的相關(guān)性。文中主要采用計(jì)算機(jī)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(yīng)，并將脈沖響應(yīng)的仿真結(jié)果與基于丹麥Brüel & KjærK的DIRAC聲場分析測試平臺進(jìn)行了現(xiàn)場測試對比，該對比重點(diǎn)關(guān)注了T30、D50和RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)。分析結(jié)果表明預(yù)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(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中具有參考價(jià)值，這讓聲學(xué)工程師可以結(jié)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(xiàn)有聲學(xué)模擬仿真預(yù)測技術(shù)手段是一種有效的擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：有限元分析；聲學(xué)仿真；脈沖響應(yīng)；客觀音質(zhì)參數(shù)；DIRAC；后處理；SCILAB
中圖分類號：TB52,TU112 文獻(xiàn)標(biāo)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
通過計(jì)算機(jī)模擬仿真來進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)的預(yù)測在建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，聲學(xué)工程師經(jīng)常使用的傳統(tǒng)建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)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)的虛聲源法或射線聲學(xué)法的聲場仿真計(jì)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(shè)計(jì)領(lǐng)域和聲學(xué)工程領(lǐng)域得到了一定的驗(yàn)證。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法逐漸參與到了越來越多的物理聲學(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(yáng)聲器驅(qū)動器特性研究、車廂內(nèi)聲場特性NVH分析等方向都有聲學(xué)有限元法的應(yīng)用。目前市場上經(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(jì)算機(jī)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(yīng)，該脈沖響應(yīng)經(jīng)SCILAB進(jìn)行后處理，并將其結(jié)果與基于丹麥Brüel & KjærK的DIRAC聲場分析測試平臺實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比。本實(shí)驗(yàn)主要選取滿足ISO 3382標(biāo)準(zhǔn)中的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)作為研究對象。研究、
該播音室位于廣播電臺主樓1層走廊盡頭，室內(nèi)長約12m，較長寬約9.6m，較短寬約7.5m，平面圖呈弧形邊的類矩形結(jié)構(gòu)。室內(nèi)影響聲場分布的較大區(qū)域主要有：兩種裝修材質(zhì)的吸聲墻面、地毯、天花擴(kuò)散頂、門窗及布置于室內(nèi)的大型工作臺等。室內(nèi)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(yàn)采用固定1個(gè)聲源點(diǎn)，室內(nèi)隨機(jī)分布3個(gè)測點(diǎn)的方式進(jìn)行，建模中聲源點(diǎn)坐標(biāo)為(8,2)，各個(gè)測點(diǎn)坐標(biāo)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
進(jìn)行有限元模擬仿真需要對部分計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，室內(nèi)空氣域參數(shù)設(shè)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(kuò)散系數(shù)為0.05，分析頻段設(shè)為125Hz~4000Hz的倍頻帶范圍。室內(nèi)各聲學(xué)面吸聲系數(shù)定義如表1所示，其主要來源為中測院聲學(xué)所相似材料或結(jié)構(gòu)的材料庫吸聲系數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4,5]。
| 頻率Hz/ 聲學(xué)面 |
墻面1 | 墻面2
|
門 | 窗 | 地毯 | 擴(kuò)散 | 臺面 |
| 125 | 0.23 | 0.34 | 0.04 | 0.08 | 0.12 | 0.30 | 0.02 |
| 250 | 0.27 | 0.52 | 0.02 | 0.06 | 0.11 | 0.20 | 0.03 |
| 500 | 0.30 | 0.69 | 0.11 | 0.04 | 0.14 | 0.10 | 0.05 |
| 1000 | 0.26 | 0.59 | 0.07 | 0.03 | 0.37 | 0.09 | 0.10 |
| 2000 | 0.45 | 0.65 | 0.05 | 0.02 | 0.64 | 0.10 | 0.20 |
| 4000 | 0.50 | 0.53 | 0.05 | 0.02 | 0.65 | 0.08 | 0.20 |
表1 各聲學(xué)面吸聲系數(shù)表
因?yàn)榛谟邢拊治瞿Ｐ偷玫降木扰c所采用的有限元網(wǎng)格相關(guān)，剖分越細(xì)化網(wǎng)格單元就越小，求解結(jié)果會更接近真實(shí)解，但是越精細(xì)的網(wǎng)格劃分占用的計(jì)算機(jī)資源就越多，計(jì)算機(jī)算力和求解時(shí)間往往受此所限，因此本例基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件條件移除和簡化了某些模型特征和細(xì)節(jié)，采用全局自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行了模型細(xì)化。剖分后最大單元大小為0.24m，最小單元大小為0.0024m，滿足每個(gè)波長內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)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)
經(jīng)計(jì)算分析后得到測點(diǎn)1~測點(diǎn)3脈沖響應(yīng)的仿真結(jié)果，將該脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果進(jìn)行SCILAB歸一化處理，導(dǎo)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(yīng)仿真結(jié)果如下圖5~圖7所示。
圖5 測點(diǎn)1脈沖響應(yīng)仿真圖
圖6 測點(diǎn)2脈沖響應(yīng)仿真圖
圖7 測點(diǎn)3脈沖響應(yīng)仿真圖
播音室室內(nèi)聲場現(xiàn)場實(shí)地測試采用本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)CNAS考核授權(quán)的聲環(huán)境現(xiàn)場快速檢測平臺[6]。該平臺主要設(shè)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(zhǔn)器(B&K 4231)、測試傳聲器(B&K 4942)、無線麥克風(fēng)(P8)、CCLD信號放大器(B&K 1704)、筆記本電腦(DELL)、DIRAC聲場分析測試平臺(B&K 7841)等。系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖見下圖8所示。
圖8 系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖
對比實(shí)驗(yàn)主要選取滿足ISO 3382標(biāo)準(zhǔn)中的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)作為研究對象。測試過程如下：將便攜式無指向性聲源放置于房間中部距側(cè)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(lì)，記錄房間的脈沖響應(yīng)，對這個(gè)脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。每個(gè)測點(diǎn)位置測量至少3次，數(shù)據(jù)取多次測量后的平均值；記錄測試時(shí)室內(nèi)溫濕度及大氣壓值。現(xiàn)場實(shí)測圖如下圖9所示。
圖9 DIRAC現(xiàn)場實(shí)測圖
圖10 測點(diǎn)1脈沖響應(yīng)實(shí)測圖
圖11 測點(diǎn)2脈沖響應(yīng)實(shí)測圖
圖12 測點(diǎn)3脈沖響應(yīng)實(shí)測圖
將取均值后的各測點(diǎn)客觀音質(zhì)參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)地測試結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。
| 頻率Hz | 125 | 250 | 500 | |||
| 參數(shù) | 模擬值 | 實(shí)測值 | 模擬值 | 實(shí)測值 | 模擬值 | 實(shí)測值 |
| T30 [s] | 0.79 | 0.80 | 0.73 | 0.76 | 0.70 | 0.73 |
| D50 [-] | 0.74 | 0.78 | 0.76 | 0.71 | 0.73 | 0.72 |
| 頻率Hz | 1000 | 2000 | 4000 | |||
| 參數(shù) | 模擬值 | 實(shí)測值 | 模擬值 | 實(shí)測值 | 模擬值 | 實(shí)測值 |
| T30 [s] | 0.70 | 0.68 | 0.53 | 0.48 | 0.38 | 0.35 |
| D50 [-] | 0.76 | 0.71 | 0.90 | 0.86 | 0.94 | 0.92 |
| RASTI [-] | 0.79 | 0.75 |
表2 室內(nèi)客觀音質(zhì)的模擬值與實(shí)測值對比表
從表2的對比結(jié)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%以內(nèi)，2000Hz以上高頻部分混響時(shí)間T30的模擬值和實(shí)測值偏差較高超過了+5%，分別為+10%和+8%左右；而清晰度D50參數(shù)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(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI指標(biāo)模擬值與實(shí)測值之間的偏差在5%以內(nèi)，為4.4%。
針對該播音室的室內(nèi)客觀音質(zhì)參數(shù)的模擬值和實(shí)測值具有可接受的相關(guān)性和可參考性，基于此類室內(nèi)聲場環(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(yīng)信號，上述分析結(jié)果表明該播音室的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI的預(yù)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(dǎo)和參與建筑聲學(xué)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)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(yīng)用可接受的層面。這讓聲學(xué)工程師可以結(jié)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(xiàn)有聲學(xué)模擬仿真預(yù)測技術(shù)手段是一種有效的擴(kuò)展。本次實(shí)驗(yàn)在三維模型建立的準(zhǔn)確把握、聲學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室參數(shù)和現(xiàn)場參數(shù)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。
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