摘要：近年來(lái)建筑廳堂聲學(xué)設(shè)計(jì)需求日趨增多，但現(xiàn)有常用的專(zhuān)業(yè)聲學(xué)軟件在滿足前期會(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(duì)室內(nèi)吸聲材料的選型和面積、擴(kuò)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(jí)均勻度等常規(guī)建筑聲學(xué)指標(biāo)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(tái)，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(shè)計(jì)需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本分析平臺(tái)其數(shù)據(jù)有效性能夠滿足粗略的聲場(chǎng)評(píng)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(píng)估；分析平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB556    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(nèi)音質(zhì)在近年的基礎(chǔ)建設(shè)中越來(lái)越受到業(yè)主方的重視。除擴(kuò)聲系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)等傳統(tǒng)電聲設(shè)備的設(shè)計(jì)及招采外，建筑本身的廳堂音質(zhì)設(shè)計(jì)需求也常常見(jiàn)諸于招投標(biāo)信息中。這種情況下，建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)行業(yè)的從業(yè)者往往需要針對(duì)不同業(yè)主的不同建筑平面圖進(jìn)行單獨(dú)建模和模擬仿真的研究，其中涉及到大量相似的、重復(fù)的幾何建模和初期聲學(xué)分析工作，倘若直接運(yùn)用例如Odeon、Ease等成熟的專(zhuān)業(yè)聲學(xué)仿真平臺(tái)來(lái)處理的話，就會(huì)涉及到CAD幾何建模、聲學(xué)建模、聲學(xué)定義、聲源測(cè)點(diǎn)布置、仿真計(jì)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(fèi)等往往都不能及時(shí)滿足業(yè)主方前期會(huì)審的需求?；诖耍疚拈_(kāi)發(fā)了一套初步滿足矩形廳堂的建筑聲學(xué)分析平臺(tái)，用于解決此類(lèi)問(wèn)題。

1 平臺(tái)需求分析

面對(duì)上述問(wèn)題，類(lèi)似的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)表明，在內(nèi)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(shè)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(nèi)吸聲材料的選型和面積、擴(kuò)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(jí)均勻度等常規(guī)建筑聲學(xué)指標(biāo)。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(tái)，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(shè)計(jì)需求。

2 關(guān)鍵點(diǎn)分析

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

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

1. 矩形廳堂有著較為明確的、方便設(shè)置的長(zhǎng)寬高幾何尺寸；
2. 其室內(nèi)影響因子較大的聲學(xué)材料例如門(mén)、窗、主席臺(tái)、觀眾區(qū)、天花、地面、墻面、擴(kuò)散體等便于定義和調(diào)整；
3. 聲學(xué)計(jì)算需求較為統(tǒng)一，集中在聲能射線分布、混響時(shí)間、穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)分布等方面。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文所述平臺(tái)提供了一套簡(jiǎn)單易用的矩形廳堂室內(nèi)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(chǔ)

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(shì)，

a — 速度勢(shì)的振幅，

Ψ(rad) — 相位。

圖1 平臺(tái)設(shè)計(jì)流程圖

Fig.1 System design flow chart

當(dāng)廳堂建筑的幾何尺寸遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng)時(shí)，可以認(rèn)為該波局部近似平面波，導(dǎo)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(shì)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(biāo)系中建立聲波方程，可以對(duì)以速度u(m/s)運(yùn)動(dòng)的均勻流體應(yīng)用相同的處理方法。得到聲波方程的下列形式，

按表達(dá)式（4）定義波的角頻率：

因此，聲波方程可以用哈密爾頓函數(shù)形式來(lái)表示：

混合時(shí)頻公式優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⑸渚€聲學(xué)問(wèn)題分解為傅里葉分量，從而解決每條射線傳播一個(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(tái)設(shè)置了幾何建模模塊，使用時(shí)方便針對(duì)不同項(xiàng)目對(duì)建筑輪廓、墻面擴(kuò)散體、墻面吸聲區(qū)域、天花吸聲擴(kuò)散區(qū)域、聽(tīng)眾區(qū)域進(jìn)行快速的幾何調(diào)整和修改，有利于現(xiàn)場(chǎng)交流方案時(shí)實(shí)時(shí)演示不同吸聲擴(kuò)散體型對(duì)室內(nèi)音質(zhì)的影響。

其中幾何建模尺寸做了一定的數(shù)值限制，例如建筑輪廓限定值為(0m,35m]區(qū)間范圍，如果超出限制條件，平臺(tái)會(huì)有報(bào)錯(cuò)提示；且尺寸過(guò)大的建模在常規(guī)網(wǎng)格剖分后會(huì)對(duì)分析計(jì)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(tái)來(lái)執(zhí)行。

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

平臺(tái)界面及幾何建模模塊見(jiàn)圖2。

圖2 平臺(tái)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(cè)試點(diǎn)模塊

該聲學(xué)分析平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)中，暫只添加了1個(gè)聲源點(diǎn)和1個(gè)接收點(diǎn)用于評(píng)估室內(nèi)聲壓級(jí)分布情況和接收點(diǎn)脈沖響應(yīng)時(shí)間衰減情況。

圖3 典型聲源位置及測(cè)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(shè)置，如圖3所示，本文給出了一個(gè)位于主席臺(tái)正中的典型發(fā)言位置和位于觀眾區(qū)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(shè)置模型中鏡面反射和漫反射的邊界條件，可以用于聲壓評(píng)估和重建時(shí)間脈沖響應(yīng)。模型中已經(jīng)參考聲學(xué)手冊(cè)和噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)等文獻(xiàn)結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)了各有效面的吸聲系數(shù)、散射系數(shù)和反射方式，此部分亦可以根據(jù)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(yù)設(shè)吸聲系數(shù)值如表1所述[4][5]：

本模塊預(yù)定義了不同精細(xì)程度的邊界網(wǎng)格劃分模式，便于使用者根據(jù)模型參數(shù)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(shù)模塊

在聲學(xué)參數(shù)模塊中，本分析平臺(tái)對(duì)初步聲學(xué)計(jì)算的需求較為統(tǒng)一，集中在聲能射線分布、混響時(shí)間、聲壓級(jí)分布等幾方面。通過(guò)聲能射線，可大致評(píng)估不同尺寸擴(kuò)散體對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)擴(kuò)散的影響；通過(guò)接收點(diǎn)的設(shè)置，可以得到測(cè)點(diǎn)位置處的脈沖響應(yīng)，并經(jīng)計(jì)算評(píng)估測(cè)點(diǎn)處的T60混響時(shí)間；通過(guò)受聲面的設(shè)置，可以得到主席臺(tái)區(qū)域或觀眾區(qū)域的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)分布（與聲源設(shè)置的參數(shù)相關(guān)）。

設(shè)置好聲學(xué)參數(shù)模塊后，經(jīng)本分析平臺(tái)計(jì)算，可以較快速的解得聲能射線圖、混響時(shí)間曲線、脈沖響應(yīng)圖、聲壓級(jí)分布圖等可視化仿真結(jié)果。如下列所示，圖6~圖8是本例的聲學(xué)射線圖，時(shí)間節(jié)點(diǎn)選取5ms~50ms區(qū)間范圍。

圖6 5ms聲能射線圖

Fig.6 Acoustic energy ray of 5ms

圖7 25ms聲能射線圖

Fig.7 Acoustic energy ray of 25ms

圖8 50ms聲能射線圖

Fig.8 Acoustic energy ray of 50ms

由聲能射線圖可以反映全指向性聲源在聲能發(fā)出后，與室內(nèi)反射面作用后的聲音能量分布，利于調(diào)整擴(kuò)散體的幾何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。下圖是本例觀眾區(qū)域的穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)分布圖。

圖9 1000Hz穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)

Fig.9 Steady sound pressure level of 1000Hz

由圖9可見(jiàn)，預(yù)設(shè)觀眾區(qū)域聲壓級(jí)分布符合實(shí)際情況，區(qū)域前排聲壓級(jí)在95dB左右，區(qū)域后排聲壓級(jí)在86dB~90dB左右，整個(gè)區(qū)域因聲學(xué)吸聲面及擴(kuò)散體的不均勻布置使穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)出現(xiàn)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(cè)得的脈沖響應(yīng)圖。

圖10 測(cè)點(diǎn)處脈沖響應(yīng)圖

Fig.10 Impulse response diagram at the measuring point

圖11是本例測(cè)點(diǎn)位置處的混響時(shí)間曲線圖。混響時(shí)間是建立在sabine公式上計(jì)算的，其中一條曲線沒(méi)有考慮環(huán)境對(duì)聲場(chǎng)的影響，一條曲線考慮了環(huán)境對(duì)聲場(chǎng)的影響，結(jié)果分別建于圖11中綠色曲線和藍(lán)色曲線。

4 測(cè)試與對(duì)比

本文所述案例中的聲能射線模塊與Odeon平臺(tái)（工程建模）做了對(duì)比評(píng)價(jià)；針對(duì)混響時(shí)間模塊和穩(wěn)態(tài)聲壓級(jí)仿真模塊與基于B&K DIRAC平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與初步仿真結(jié)果趨勢(shì)一致，具體數(shù)值針對(duì)不同頻段約有2%~11%的誤差。

圖11 測(cè)點(diǎn)處混響時(shí)間估算圖

Fig.11 Estimated reverberation time at the measuring point

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上，基于幾何射線聲學(xué)理論的矩形廳堂建筑聲學(xué)仿真分析平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)基本達(dá)到預(yù)期目的，能夠針對(duì)特定體態(tài)（本文特指矩形）廳堂的部分建筑聲學(xué)指標(biāo)進(jìn)行快速的設(shè)定、計(jì)算和可視化仿真，較大程度降低了實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)師人力成本和時(shí)間成本，在項(xiàng)目前期的方案交流中有較為突出的演示優(yōu)勢(shì)。該平臺(tái)的仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)了一定數(shù)據(jù)量的驗(yàn)證，其數(shù)據(jù)有效性能夠滿足粗略的聲場(chǎng)評(píng)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(tái)目前尚存一些不足，例如對(duì)建筑幾何及室內(nèi)聲學(xué)布置局限較大，吸聲系數(shù)自定義模塊操作較為繁瑣，僅適用于中高頻段的室內(nèi)聲學(xué)仿真等。本平臺(tái)目前也在開(kāi)發(fā)求解室內(nèi)聲能有限元部分功能。