摘要：專業(yè)錄音棚的聲學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)際效果之間的驗(yàn)證是建筑聲學(xué)領(lǐng)域研究的分支方向。本文著重針對(duì)四川廣播電視臺(tái)某中等體量的專業(yè)錄音棚進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)模擬，提供了粗略化、工程化、精細(xì)化三種不同模型形態(tài)下的聲學(xué)仿真。在不同的模擬仿真中，分別計(jì)算得到其混響時(shí)間、明晰度、清晰度、可懂度等廳堂客觀音質(zhì)參數(shù)，并將這些參數(shù)與實(shí)際裝飾裝修完工后在現(xiàn)場測得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算了在上述三種不同模型形態(tài)下計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際測量之間的結(jié)果誤差，以此來驗(yàn)證計(jì)算機(jī)仿真在客觀音質(zhì)參數(shù)的聲學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域大致的模擬能力。
關(guān)鍵詞：聲學(xué)仿真，Odeon，客觀音質(zhì)，聲學(xué)測試，主觀音質(zhì)
中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：
Abstract: In the past two years, we have participated in five professional recording studios about acoustic design and testing in Chengdu area. This article focuses on the acoustic design and computer simulation of one of the medium-sized professional recording studios. We provide three different models (a rough model, an engineering model, a refinement model) under the form of acoustic simulation. In different simulations, the objective sound quality parameters of the hall are calculated respectively, and we compare these parameters with the parameters obtained in the field testing. The relative errors between computer simulations and actual measurements are calculated in three different model forms in order to verify the computer simulation in the objective sound quality parameters of the simulation accuracy.
Key Word: Computer simulation, Odeon, Objective sound quality parameters, Field test
進(jìn)行廳堂場館的聲場仿真和模擬通常使用射線跟蹤法和聲源鏡像法[1]，它們是基于高頻假設(shè)來實(shí)現(xiàn)的，其基礎(chǔ)的假設(shè)條件就是幾何建模中的反射面是無限大的(至少相較于研究對(duì)象的波長該反射面應(yīng)該是足夠大的)。當(dāng)在實(shí)際工作中遇到反射面不能視作無限大的情況下，則引入“散射”的概念來考慮有限反射面引起的衍射和各種表面材料的非鏡面特性。
此情況下的建筑聲學(xué)仿真和模擬建模，若廳堂的幾何建模過于簡單，則可能無法從模型中獲得想要研究的聲學(xué)特性；若廳堂的幾何建模涵蓋過多的建筑細(xì)節(jié)，那它有可能就不能完全符合鏡面聲源法這一類高頻假設(shè)方法[2]。什么情況下才是最適宜用于廳堂音質(zhì)的聲學(xué)仿真模擬方法則是本文需要研究與驗(yàn)證之處。
用于研究的專業(yè)錄音棚分為控制室和錄音室，本文著重針對(duì)錄音室內(nèi)客觀音質(zhì)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算[3]和實(shí)際測量[4]。研究對(duì)象的建筑參數(shù)及三種模型的建模細(xì)節(jié)和反射面數(shù)量見表1。
| 地點(diǎn) | 錄音棚名字 | 體積 | 錄音棚用途 | 幾何建模面數(shù) CL/CM/CH |
| 成都 | 民族音樂 錄音棚 |
480m³ | 單人/多人/小型 民族樂隊(duì)錄音 |
986/2119/5438 |
表1 專業(yè)錄音棚的建筑參數(shù)
該錄音棚的粗略化、工程化、精細(xì)化三種不同模型形態(tài)通過計(jì)算機(jī)建模完成，如圖1所示。最左邊的模型是對(duì)大部分反射面進(jìn)行簡化并控制散射系數(shù)的粗略化建模(CL模型)；中間的模型是對(duì)部分反射面進(jìn)行簡化并調(diào)整反射面的散射系數(shù)情況下的工程化建模(CM模型)；另一種是包含了較高幾何細(xì)節(jié)的精細(xì)化建模(CH模型)。
圖1 用于仿真計(jì)算的三種模型
聲源和接收點(diǎn)位置根據(jù)錄音棚的實(shí)際使用需求來確定，如圖2所示。P1標(biāo)示處是典型的單人錄音時(shí)的站位處，P2標(biāo)示處是房間地面中心位置處(多人錄音時(shí)的站位處)。標(biāo)示R1-R12是室內(nèi)平均分布的12個(gè)測試點(diǎn)作為仿真時(shí)的傳聲器接收點(diǎn)位。仿真聲源采用聲壓級(jí)為97.7dB(A)的聲源信號(hào)，實(shí)際測量時(shí)采用B&K無指向性聲源，聲源離地距離1.7米。測試點(diǎn)采用精密系列麥克風(fēng)，離地距離約1.3米。
圖2 聲源及測點(diǎn)位置圖
本文針對(duì)四個(gè)客觀音質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了評(píng)估，分別是混響時(shí)間“T30”、明晰度“C80”、清晰度“D50”和房間語言可懂度“RASTI”。在建模和實(shí)測中都針對(duì)這四個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬和測試。每個(gè)客觀音質(zhì)參數(shù)模擬的計(jì)算方法和測量方法依據(jù)ISO 3382標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[5]。
為了評(píng)估客觀音質(zhì)參數(shù)的精度，本文對(duì)每個(gè)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)做了誤差分析，其誤差的平均值按照下述公式(1)和公式(2)分別計(jì)算得出。公式(1)用于T30，D50在每個(gè)頻率成分上的計(jì)算；公式(2)用于C80，RASTI的計(jì)算。
T30，D50相對(duì)誤差的計(jì)算公式如下：
C80，RASTI結(jié)果誤差的計(jì)算公式如下：
A測試=當(dāng)前音質(zhì)參數(shù)的測量值；
A模擬=當(dāng)前音質(zhì)參數(shù)的模擬值。
用于計(jì)算誤差的主觀門限值[6]見表2。計(jì)算值和模擬值的結(jié)果誤差越接近0值，則計(jì)算值和模擬值的一致性就越高。
| 客觀音質(zhì)參數(shù) | 主觀門限值 |
| T30混響時(shí)間 | 5% |
| C80明晰度 | 1dB |
| D50清晰度 | 5% |
| RASTI房間語言可懂度 | 0.05 |
表2 聲學(xué)參數(shù)的主觀門限值
實(shí)測時(shí)選擇31.5Hz~16000Hz作為測試頻率范圍，但是考慮到該錄音棚的用途，本文主要針對(duì)63Hz~8000Hz的倍頻程頻率范圍進(jìn)行對(duì)比與分析[7][8]。
首先針對(duì)聲源位于P1處的各客觀音質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。
混響時(shí)間T30模擬值與測試值的對(duì)比見圖3。各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測值折線走向較為一致，而其中CM折線除了在125Hz處大幅超過了主觀門限值外，其他頻率測點(diǎn)與實(shí)測值有較好的跟隨性。
圖3 T30模擬值與實(shí)測值對(duì)比(角落)
T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表3。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 5.4% | 17.9% | 3.0% | 7.5% | 6.7% | 10.2% | 0.0% | 6.0% |
| Error-M | 2.7% | 14.3% | 0.0% | 5.0% | 4.4% | 6.1% | 3.9% | 4.0% |
| Error-H | 8.1% | 7.1% | 12.1% | 10.0% | 0.0% | 6.1% | 11.8% | 2.0% |
表3 T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析(角落)
明晰度C80模擬值與測試值的對(duì)比見圖4。各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測值的折線走向較為一致，但在CH狀態(tài)下，模擬值在2000Hz頻點(diǎn)以上部分與實(shí)測值有較大偏差。
圖4 C80模擬值與實(shí)測值對(duì)比(角落)
C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表4。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 0.9 | 2.2 | 0.3 | 0.9 | 1.1 | 0.4 | 1.4 | 1.4 |
| Error-M | 0.9 | 1.2 | 1.1 | 0.2 | 0.8 | 0.9 | 0.4 | 0.6 |
| Error-H | 0.4 | 1.6 | 1.4 | 0.3 | 0.2 | 2.0 | 3.2 | 3.8 |
表4 C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析(角落)
清晰度D50模擬值與測試值的對(duì)比見圖5。各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測值的折線走向較為一致，但在CH狀態(tài)下，模擬值在4000Hz頻點(diǎn)以上部分與實(shí)測值有較大偏差。
圖5 D50模擬值與實(shí)測值對(duì)比(角落)
D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表5。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 6.1% | 0.0% | 2.3% | 3.5% | 5.0% | 6.4% | 5.3% | 5.4% |
| Error-M | 4.9% | 1.1% | 3.4% | 1.2% | 1.3% | 3.8% | 3.9% | 2.7% |
| Error-H | 6.1% | 1.1% | 4.5% | 2.3% | 2.5% | 2.6% | 10.5% | 10.8% |
表5 D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析(角落)
聲源位于錄音室內(nèi)偏向角落位置時(shí)得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實(shí)測值及其結(jié)果誤差見表6?？梢钥闯觯琑ASTI模擬值與實(shí)測值有較好的相符性，其中只有CH狀態(tài)下稍有超差。
| RASTI [-] | 示值 | 門限值 |
| CL | 0.82 | 0.05 |
| CM | 0.81 | 0.04 |
| CH | 0.83 | 0.06 |
| CT | 0.77 | / |
表6 RASTI的模擬值與實(shí)測值及其誤差分析(角落)
第二種情況針對(duì)聲源位于P2處的各客觀音質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。
T30模擬值與測試值的對(duì)比如圖6所示。在CM狀態(tài)下，其模擬值與實(shí)測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實(shí)測值均偏低；而在CL及CH狀態(tài)下，其模擬值在中高頻頻段與實(shí)測值均有較大偏差。
圖6 T30模擬值與實(shí)測值對(duì)比(中央)
T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表7。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 0.0% | 12.9% | 3.0% | 7.7% | 11.6% | 4.3% | 7.8% | 15.7% |
| Error-M | 5.6% | 3.2% | 3.0% | 5.1% | 4.7% | 4.3% | 3.9% | 5.9% |
| Error-H | 5.6% | 3.2% | 6.1% | 5.1% | 4.7% | 14.9% | 15.7% | 17.6% |
表7 T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析(中央)
C80模擬值與測試值的對(duì)比見圖7。
圖7 C80模擬值與實(shí)測值對(duì)比(中央)
在CM狀態(tài)下，其模擬值與實(shí)測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實(shí)測值偏高；在CL狀態(tài)下，模擬值折線總體跟隨性與實(shí)測值較為一致，但個(gè)別測點(diǎn)有一定偏差；CH狀態(tài)下，在500Hz以上的模擬值與實(shí)測值均有較大偏差。
C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表8。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 0.9 | 1.1 | 1.2 | 1.0 | 1.9 | 0.3 | 1.5 | 1.2 |
| Error-M | 1.4 | 0.5 | 1.5 | 0.8 | 0.6 | 1.0 | 1.1 | 0.9 |
| Error-H | 2.2 | 1.2 | 1.7 | 2.1 | 2.1 | 4.2 | 6.1 | 5.7 |
表8 C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析(中央)
D50模擬值與測試值的對(duì)比見圖8。各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測的折線基本走向較為一致，但模擬值均比實(shí)測值偏大，其中又以CH狀態(tài)下的模擬值偏差最大。
圖8 D50模擬值與實(shí)測值對(duì)比(中央)
D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表9。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 6.8% | 0.0% | 2.2% | 2.2% | 1.2% | 3.7% | 5.2% | 8.1% |
| Error-M | 6.8% | 2.2% | 4.4% | 4.5% | 2.4% | 6.2% | 2.6% | 5.4% |
| Error-H | 6.8% | 2.2% | 4.4% | 4.5% | 3.6% | 11.1% | 11.7% | 16.2% |
表9 D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析(中央)
聲源位于錄音室內(nèi)中央位置時(shí)得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實(shí)測值及其主觀門限值見表12。可以看出，RASTI模擬值與實(shí)測值均有較好的相符性。
| RASTI [-] | 示值 | 門限值 |
| CL | 0.81 | 0.02 |
| CM | 0.82 | 0.03 |
| CH | 0.84 | 0.05 |
| CT | 0.79 | / |
表10 RASTI的模擬值與實(shí)測值及其結(jié)果誤差(中央)
通過上述整個(gè)模型建立以及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比過程可以看出：
1）粗略化建模方便快捷，所需建模時(shí)間及軟件仿真時(shí)間最短，而精細(xì)化建模會(huì)花費(fèi)較長的建模、定義材質(zhì)和計(jì)算的時(shí)間，因此在實(shí)際工作中應(yīng)該對(duì)建模的深入程度有所取舍。
2）根據(jù)不同的構(gòu)件形狀和大小，在一定程度上對(duì)建模的復(fù)雜度進(jìn)行提升，可以取得相較于粗略化建模更好的模型效果和仿真效果。
3）在63Hz以上的中低頻頻域范圍內(nèi)，各模型狀態(tài)下計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果可以一定程度上作為指導(dǎo)實(shí)際工程的參考；但在偏高頻部分的計(jì)算機(jī)仿真中，精細(xì)化建模狀態(tài)下的仿真結(jié)果與實(shí)測值偏差幅度較大。
4）在日常進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算的工作中，粗略化及工程化建模已經(jīng)能夠基本滿足計(jì)算機(jī)仿真精度的需要，可以一定程度上作為指導(dǎo)實(shí)際工程的參考。而考慮太多構(gòu)件(增加反射面)的精細(xì)化建模因?yàn)檐浖南拗?，其?jì)算機(jī)仿真的效果在一定程度上并不能讓人滿意。
參考文獻(xiàn)
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[2] Comparisons between Computer Simulations of Room Acoustical Parameters and Those Measured in Concert Halls. Hiroyoshi SHIOKAWA. Report of the Research Institute of Industrial Technology，Nihon University Number 89，2007.
[3] Odeon Room Acoustics Program Manual. Claus Lynge Christensen. Denmark.
[4] Validation of Lecture Hall Acoustics Through Experimental and Computer Analysis.
[5] ISO 3382-2:2008 Acoustics-Measurement of room acoustic parameters-Part2 Reverberation time in ordinary rooms. 2008:6-7.
[6] M.Vorlander，“International Round Robin on Room Acoustical Computer Simulations” Proc. 15th International Congress on Acoustics，Trondheim，Norway，Vol.II， pp.689-692，1995.
[7] MEASURING IMPULSE RESPONSES USING DIRAC. Acoustics Engineering，Technical Note，TN001.
[8] MEASURING SPEECH INTELLIGIBILITY USING DIRAC. Acoustics Engineering，Technical Note，TN002.