（信号与信息处理专业论文）教室声学环境分析的基本方法.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘翌墨 日 论文作者签名：盘查枣 日期：垒丝乞! 堡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名槛导师签名：牲f i 期：诬垒：三堡 山东大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论一1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 课题研究的主要内容：2 1 3 论文的章节安排一- ：2 第二章室内声学环境及分析方法3 2 1 室内声学环境一3 2 1 1 声音的计量3 2 1 2 听觉的特性3 2 1 3 室内声场特性一4 2 2 混响时间5 2 3 室内声学分析方法7 2 3 1 比例缩尺模型7 2 3 2 计算机声场模拟8 2 3 3 波动声学法1 1 2 4 电声法1 1 2 4 1 稳态噪声切断法1 2 2 。4 2 脉冲响应反向积分法1 3 第三章室内声学测量分析1 4 3 1 稳态噪声切断法测量系统1 4 3 2 脉冲响应反向积分法测量系统1 6 3 3 脉冲积分法实验测量及结果17 3 3 1 实验测量过程：。1 7 3 3 2 实验测量结果l8 3 4 噪声切断法实验测量及结果2 4 3 4 1 实验测量过程2 4 山东大学硕士学位论文 3 4 2 实验测量结果。2 5 3 5 结果分析2 7 第四章总结3 3 参考文献一3 5 致 射。3 7 附录1r 2 点7 个倍频程拟合直线及混响时间3 8 附录2r 3 点7 个倍频程拟合直线及混响时间3 9 附录3 噪声切断法r 1 点各倍频程波形图4 0 附录4 噪声切断法r 2 点各倍频程波形图4 l 附录5 噪声切断法r 3 点各倍频程波形图4 2 附录6 噪声切断法r 4 点各倍频程波形图4 3 附录7 噪声切断法r 5 点各倍频程波形图4 4 附录8 噪声切断法r 6 点各倍频程波形图4 5 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t a b s t r a c ti nc h i n e s e v a b s t r a c ti ne n g l i s h v i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n l 1 1b a c k g r o u n da n dm e a n i n go fs u b j e c t 1 1 2k e y p o i n t so f t h es u b j e c t 2 1 3a r r a n g e m e n t so f t h ec h a p t e r s 2 c h a p t e r2r o o m a c o u s t i c a le n v i r o n m e n ta n da n a l y s i sm e t h o d s 3 2 1r o o m a c o u s t i c a le n v i r o n m e n t 3 2 1 1t h en a t u r eo f s o u n d 3 2 1 2t 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so f h e a r i n g 3 2 1 3t h ec h a r a c t e r i s t i e so f r o o ms o u n df i e l d 4 2 2r e v e r b e r a t i o nt i m e 5 2 3a n a l y s i sm e t h o d sf o rr o o ma c o u s t i c a l 7 2 3 1t h ep r o p o r t i o ns c a l em o d e 7 2 3 2c o m p u t e ra c o u s t i c a ls i m u l m i o n 8 2 3 3s o u n d w a v em e t h o d 1 1 2 4e l e c t r o a c o u s t i cm e a s u r e m e n tm e t h o d 1 1 2 4 1s t e a d yi n t e r r u p t e dn o i s em e t h o d 12 2 4 2r e v e r s ei n t e g r a t i o ni m p u l s er e s p o n s e 1 3 c h a p t e r3m e a s u r e m e n t & a n a l y s i so f r o o ma c o u s t i c 1 4 3 1m e a s u r e m e n ts y s t e mo f s t e a d yi n t e r r u p t e dn o i s e 1 4 ， 3 2m e a s u r e m e n ts y s t e mo fr e v e r s ei n t e g r a t i o ni m p u l s er e s p o n s e 16 3 3m e a s u r e m e n t & r e s u l to fr e v e r s ei n t e g r a t i o ni m p u l s er e s p o n s em e t h o d 17 3 3 1m e a s u r e m e n tp r o c e s so f t e s t 17 3 3 2m e a s u r e m e n tr e s u l to f t e s t l8 3 4m e a s u r e m e n t & r e s u l to f i n t e r r u p t e dn o i s em e t h o d 2 4 3 4 1m e a s u r e m e n tp r o c e s so f l e s t ：2 4 i i i 2 5 2 7 3 3 3 5 3 7 3 8 3 9 m e t h o d 4 0 m e t h o d 4 1 m e t h o d 4 2 m e t h o d 4 3 m e t h o d 4 4 m e t h o d 4 5 开始注重教室的声学环境建设，通过对教室声学环境的测量分析等，对声学环境 不好的教室进行了改造，取得了很好的效果。本文针对我校的具体情况，选定一 个具体教室作为实验目标，测量其声学环境，提出改进方法，从而改善教室的听 闻环境。 要对教室声学环境进行改进，最重要的工作是先对当前教室的声学情况进行 分析，只有掌握了当前教室的声学情况，了解其声学缺陷，才能更有针对性的进 行改造；其次是提出改进方案，进行计算机模拟，查看改进效果，确定方案；最 后是进行实际改造。本文研究的重点是第一步，通过对当前各种声学分析方法的 研究，总结出一种更实用、经济的方法。 当一声源在闭室发声时，声波将向四周辐射，遇到墙面和顶、地板时被吸收 一部分，另一部分将反射回来，反射回来的声波遇到墙面等将再被吸收，再次反 射，如此下去，在室内形成一个很复杂的声场。室内声学1 9 世纪末从赛宾的工 一作开始，经过1 0 0 多年的时间，有了很大发展，众多声学家们对厅堂声学的各 方面问题用各种方法进行了研究。虽然当今室内声学比起1 9 世纪已经有了很大 进步，但是在很多方面仍然疑云重重，不能完全为人们所掌握。 本文对当前声学分析的方法，比例缩尺模型法、计算机声场模拟法、波动声 学法以及电声测量法进行了详细介绍，其中计算机声场模拟法是基于几何声学理 论的，包括声线追踪法和虚声源法；电声测量法则包括了两个方面，声场测量和 结果分析，而声场测量法则包括稳态噪声切断法和脉冲响应反向积分法。通过对 +， 这几种方法的研究，分析其优缺点，从实用性和经济性方面考虑，本文对电声测 量法进行了适当改进，并选定一教室，进行了实际测量分析，通过m a t l a b 软件 计算出其混响时间，从而提出改进方法。 关键词：教室声学；室内声场；计算机声场模拟；声线追踪法；电声测量 v 山东大学硕士学位论文 v i t h e ya l s od i ds o m ee f f e c t i v ea n ds a t i s f a c t o r yi m p m v e m e mf o rt h en o t - s o - - e f f e c t i v e c l a s s r o o m sb ym e a s u r i n g ，a n a l y z i n ga n du p d a t i n g f o rt h eb e t t e ra c o u s t i cc o n d i t i o n s o fs h a n d o n gu n i v e r s i t ya tw e i h a i ，t h ea u t h o rc h o o s e sas p e c i f i cc l a s s m o ma st h e e x p e r i m e n t a lt a r g e t ，a n dw r i t e st h et h e s i so nt h eb a s i so ft h em e a s u r e m e n t ，t h e n p r o p o s e ss o m es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v i n g t oi m p r o v et h ea c o u s t i ce n v i r o n m e n to f ac l a s s r o o m ，t h ef i r s ta n dm o s t i m p o r t a n tt h i n gi st oa n a l y z et h ec u r r e n ta c o u s t i cc o n d i t i o n s ，w h i c hi n c l u d e sl e a r n i n g t h ec u r r e n ta c o u s t i cc o n d i t i o n sa n di t sd e f t sa sw e l l t h es e c o n di st op u tf o r w a r d a ni m p r o v e m e n tp r o g r a ma n d r a nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h en e x ti st oc o m p a r e t h er e s u l t sa n dc h o o s et h ep r o g r a ma n di m p l e m e n tt h ep r o g r a mf o rr e a lf i n a l l y t h e f o c u so ft h i st h e s i si st h ef i r s ts t e p ，w h i c hm e a n st op r o p o s eam o r ep r a c t i c a la n d e c o n o m i c a lm e t h o dt h r o u g hs t u d y i n gv a r i o u sc u r r e n ta c o u s t i ca n a l y s i sm e t h o d s w h e na na c o u s t i cs o u r c er a d i a t e ss o u n di nac l o s e dc h a m b e r , t h es o u n d w a v e s w i l lr a d i a t et oa l ld i r e c t i o n s s o m eo ft h es o u n d w a v e sw i l lb ea b s o r b e dw h e nt h e y m e e tt h ew a l l ，t h ec e i l i n ga n dt h ef l o o r ；w h i l eo t h e r sw i l lb er e f l e c t e da n da b s o r b e d w h e nt h e ym e e tt h ew a l l ，t h ec e i l i n g ，a n dt h ef l o o ra g a i n t h i ss i t u a t i o no c c u r s r e p e a t e d l y , t h u sf o r m i n gav e r yc o m p l e xr o o ms o u n df i e l d s t a r t i n gf r o ms a b i n e s w o r ki n19 mc e n t u r y , t h er o o ma c o u s t i c sh a sd e v e l o p e dv e r yw e l li nm o r et h a n10 0 y e a r s n u m e r o u sa c o u s t i c i a n sh a v ec o n d u c t e dr e s e a r c h e so nv a r i o u sa s p e c t so fh a l l a c o u s t i c si nm a n ym e t h o d s a l t h o u g h p r o g r e s so nr o o ma c o u s t i c st h a nt h a ti n r o o ma c o u s t i c st h a tr e m a i nu n k n o w r l p e o p l en o w a d a y sh a v em a d em u c hm o r e 19 恤c e n t u r y , t h e r ea r es t i l lm a n ya s p e c t so f m e t h o d si n t r o d u c e di n t h i st h e s i si n c l u d e ：t h ep r o p o r t i o n r e d u c e ds c a l em o d e l l 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 教室作为学校建筑最重要的一个组成部分，其室内听闻环境的好坏将直接影 响到师生之间的交流，甚至影响到学校教学质量【lj 。在校园建筑迅猛发展的今天， 人们不仅应关心教室的外观，更应注重教室室内的声音效果。 随着现代教育技术的发展，多媒体教学环境的建设越来越广泛，多媒体教室 则成为各院校建设的主流。在多媒体教室里既要保证传播者语言的清晰度，又要 保证音乐、效果声的保真度，使其具有感染力，这就对教室的声学环境有一定的 要求。然而在实际建设中往往忽略了声学环境的营造，效果并不理想。现在很多 学校的多媒体教室并不是在教学建筑建设之前就进行规划设计的，而是把原来的 普通教室，直接装上多媒体设备，改造成多媒体教室的，并且改造时也没有按照 声学特征及技术指标进行设计和施工，因此这种教室的声学环境并不好，无论是 声场分布、听音效果，还是房屋结构都不同程度的存在缺陷。 近年来，国外对教室室内声学环境进行了大量的研究【2 j ，包括室内外噪声的 种类、噪声对师生的影响以及不同年龄段人群和特殊人群对噪声影响的不同反应 等【3 】。研究结果表明，不良的声学环境对学生的学习成绩和课堂表现都有不利的 影响，对少儿早期智力的开发也很不利。同时，在声学环境不好的教室里学习的 学生，其注意力更难集中，对声音的辨别能力以及对语言的理解能力都较差。 教室声学问题已经成为当前建筑声学领域越来越重要的课题，并且教室声学 研究的重点已经从早期的室内外噪声及其影响的分析转移到室内听闻环境的研 究上来【4 】。欧美等许多发达国家都对此做了很多的研究，并且已经建立了相应的 ， 教室室内声学环境方面的标准或规范。而国内很多学校也都开始注重教室的声学 环境建设，并对声学环境不好的教室进行了改造，例如清华大学建筑馆北1 1 4 教 室的声学测量改造1 5 等，都取得了很好的效果。 首先考虑减少噪声的影响，包括室外噪声和室内噪声，本底噪声应控制在 3 5 d b 之内【6 】。室外噪声主要包括：工业生产噪声、人们生活噪声以及交通噪声； 而室内噪声主要有：师生活动噪声和机电噪声。其次，要对教室的混响时间等参 实际，对具体的教室进行了实地测量，并通过软件对测量结果进行了分析。 2 第四章，对本文所做的工作进行了总结。 山东大学硕士学位论文 第二章室内声学环境及分析方法 2 1 室内声学环境 2 1 1 声音的计量 声音的强弱、音调的高低以及音色的差异是声音的基本性质，这就是所谓的 声音三要素，在物理学中可用声压的幅度，频率和频谱三个客观参量来描述。 声功率指的是声源在单位时间内向外辐射的声音的能量。声源的声功率通常 都很低，f l a i l 大声说话时约为5 0 i _ t w ，唱歌时可以达到5 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 1 t w 9 1 。 声强是指垂直于声波传播方向单位面积所具有的声功率，是表示声音强弱的 客观物理量。声压是由于声波的存在而引起的压力变化相对于无声波时的增量。 听力正常的人，在声音频率为1 0 0 0 h z 时能听到的最低声压为2 1 0 p a ，这个最 低极限称为可听削1 0 j 。 在实际的应用中，为了计量方便，也为了更适合人耳的听力分辨力，我们采 一。一k 一：- 用了一种相对量的计量方法来表示声音的大小，也就是级的计量方法。所谓级是 一个相对比较的无量纲量，例如声功率级、声强级和声压级等。 2 1 2 听觉的特性 掩蔽效应是指同一环境中的其它声音会使聆听者降低对某一声音的听力，或 者说一个声音的听阈因为另一个较强声音的存在而上升的现象称为掩蔽。一个声 音对另一个声音的掩蔽值，被规定为由于掩蔽声的存在，被掩蔽声的听阈必须提 高的分贝数，提高后的听阈称为掩蔽阈【l l 】。 实验表明，当几个内容相同的声音相继到达听者处时，听者不一定能分辨出 是几个先后来到的声音，就是说，人的听觉对延时声的分辨能力是有限的，这种 现象即人类听觉的延迟效应，也称“哈斯( h a s s ) 效应 。 大量测量统计发现，若有两个声音，后到者不比先到者的声压级高，不管后 到者( 延时声) 是从哪个方向传来的，当延时声滞后时间不超过1 7 m s 时，人们 就不会发现是两个声音；当两个声音的方向相近时，延时3 0 m s 的延时声也不一 3 博 山东大学硕士学位论文 定能被发现；当延时3 5 5 0 m s 时，延时声的存在才会被感觉到；当延时声超过 5 0 m s 时，人们会感到延时声像回声一样起干扰作用。h a s s 效应在扩声工程和室 内声学以及立体声技术巾必然要遇到并应充分利用。 2 1 3 室内声场特性 室内声学的研究对象是建筑空间内的声音传输。声波在室内传播过程中，当 遇到的界面和障碍的尺寸与声波的波长相比足够大时，声波将按照几何光学反射 定律反射。界面不同，反射的结果就不相同，我们希望声场越均匀越好。 由声源直接传播到听者( 或传声器) 的声音，称为直达声：由界面反射后而到 达听者( 或传声器) 的声音，称为反射声；还有一些经多次反射分布很密、方向不 明确、能量更少一些的反射声，专业上称为混响声。直达声影响声音的亲切感， 直达声不够，声音就缺乏亲切感；反射声影响声音的清晰度；混响声主要影响声 音丰满度。厅堂中声音之所以好听，是三者配比适当的结果。 室内声学问题，首先涉及到室内声场的物理方面和从声源到接收者的声音传 输问题，再有是做为接收者的人对室内声场中的声音( 直达声与反射声共同存在) 的感知和审美问题。 室内声场的显著特点是： ( 1 ) 距声源有一定距离的接收点上，声能密度比在自由场中要大，不随距离 的平方衰减，这是反射声的加强所引起的。 ( 2 ) 声源在停止发声以后，在一定的时间里，声场中还存在着来自各个界面 的延迟的反射声，即所谓“混响现象。 房间的共振频率指的是，当房间中的声源产生声音时，整个房间对不同的频 率会有不同的响应，其中最容易被激发起来的频率成分就是房间的共振频率，房 ， 间的共振频率主要由房间的大小决定。如果共振频率分布不均，就会使声音中某 些频率成份不自然或单调地得到加强，使声音变得生硬或刺耳，这就是“染色现 象”【12 1 。 对于容积比较小的矩形房间等，在低频段更容易引起这种现象。改变房间的 尺寸比例或者形状，就可以改善或消除简并现象，改变房间的装饰与吸声材料的 不规则配置也可以改善这种现象。 4 2 2 房间 的室 内声 声音达到稳定状态，声源停止发声后，残余声音在房间内反复反射，经吸声材料 吸收，平均声能密度自原始值衰减到百分之一，即衰减6 0 d b 所需的时间，记为 r t 6 0 或t 6 0 。， 混响时间是音乐建筑，乃至所有厅堂建筑在声学设计当中最重要的指标，也 是唯一没有争议的定量指标。自从1 9 0 0 年塞宾( s a b i n e ) 提出著名的混响时间 计算公式以来，至今已经有一百多年了，一直是声学设计和音质评价的最重要依 据，当我们谈论建筑声学设计时，首先谈到的就是混响时间。 赛宾公式为： 个 o 16 1 v 1 6 0 = 百 ( 2 1 ) 式中，死d 是闭室的混响时间( s ) ，s 是室内表面总面积( m 2 ) ，二是地面、墙面和天 花板等房间内表面的平均吸声系数( 无量纲) ，v 是室内的容积。 赛宾公式的意义极其重要，但当总吸声量超过一定范围时，其计算结果将与 实际情况有较大出入。如室内的平均吸声系数趋于l 时，实际的混响时间应该趋 于0 ，但按照赛宾公式的计算却不为0 ，而有一定的值。 鉴于赛宾公式的局限性，艾润( e y r i n g ) 在理想模型的基础上，运用声线法及 统计原理导出了新的混响公式，并与1 9 3 0 年发表了艾润公式，即： 砭：塑l ( 2 2 ) 6 05 - s i n ( i - a ) l 厶句 式中室内的平均吸声系数a 趋于l 时，混响时间趋于0 ，这与理论结果一致。 显然艾润公式克服了赛宾公式的局限性。 山东大学硕士学位论文 若将一i n ( 1 一云) 展开，则一l n ( 1 一_ ) = 二+ 冬+ 冬+ ， 当二l 时， i n ( 1 一口) 口，这和赛宾公式就完伞一样。 式2 2 巾只考虑了室内表面的吸声作用，当声音的频率较高( 2 0 0 0 h z 以上) ， 间较大时，声音在传播过程中，空气的吸声量也不能忽视。 我们把空气的吸声量加入计算后，即空气的吸收系数( 4 m ) 乘以房间容积以 到空气吸收量，加到式2 2 的分母巾，就得到了下面的公式： 一1 6 0 ：坠( 2 3 ) 一- s l n ( 1 - a ) + 4 m v u j j 上述混响理论以及由此导出的混响计算公式是基于扩散声场前。一护散声场主 包含两方面：一、声能密度在室内均匀分布，即在室内任一点上，其声能密度 一， 相等。二、在室内任一点上，来自各个方向的声能强度都相同。 由于混响时间的计算，受到很多方面的影响，其计算结果与实际测量值往往 差较大。产生误差的原因，主要是计算时的假设条件与实际情况不符，无法把 际情况的细节部分都考虑进去，另一个原因就是代入公式的各项数据不准确。 们分成三个方面来考虑： ( 1 ) 在一个房间中，声源通常都是位于房间的一端发声，其方向具有一定的 向性的，并且房间的形状又各不相同，这就会造成室内声场分布的不均匀。 ( 2 ) 在有观众座位区域的房间中，观众区域的吸声量很大，通常比墙面和天 板的吸声量大的多，为了消除回声，经常在后墙上做强吸声处理，这就使室内 部分的吸声分布很不均匀，所以声场通常是非扩散声场。一r ：。j ：。 ( 3 ) 公式中的各项数值，主要是各种材料的吸声系数，而这些系数通常是查 找资料得到的，但是由于实验室与现场条件的不同，这些吸声系数肯定会有误差。 同样，观众与座椅的吸收值通常也是不精确的。 从上面可以看出，混响时间的理论计算与实际测量结果会有一定的误差，但 并不能因此而放弃理论计算，因为这是我们分析声场最为简便也较为可靠的方 法，尤其是在预测声场效果方面。所以，室内混响时间的现场测量有不可替代的 重要性。通过现场测量，我们可以发现设计中预想的效果和实际情况的偏差，并 由此对室内声学设计进行调整。 6 山东大学硕士学位论文 2 3 室内声学分析方法 现代建筑声学( 室内声学) 在1 9 世纪末从赛宾的工作开始，经过1 0 0 多年 的时间，有了很大发展，已经能够在相当程度上指导厅堂的声学设计。在过去 1 0 0 多年中，声学家们对厅堂声学的各方面问题用各种方法进行了研究。虽然当 今厅堂声学比起1 9 世纪已经有了很大进步，但是在很多方面仍然疑云重重，不 能完全为人们所掌握，因此，厅堂的声学设计在很大程度上仍要依靠经验，甚至 要“碰运气 【1 3 】。目前最好的音乐厅是在近代声学发展以前建成的，如1 8 7 0 年 建成的维也纳音乐厅，而近代声学研究了1 0 0 年，却没有建成1 座音质超过以往 的音乐厅。 一_ 一 对室内声学环境分析的方法主要有四种，分别是比例缩尺模型、计算机声场 模拟、波动声学法以及电声法。下面我们就来了解下这四种方法及其特点。 2 3 1 比例缩尺模型 比例缩尺模型的原理是相似性原理。我们把实际房间按一定的比例做成模 型，通过缩尺模型的实验，对这个模型的声场进行分析，就可以比较全面的了解 房间的实际音质效果，有无声音缺陷。 当缩尺模型与实际厅堂的几何相似比为1 ：刀时，即l m = l n 时( 下标m 代 表缩尺模型，无下标者为实际厅堂，下同) ，时间的相似比为t m = t n ，频率为厶= 够 声速为印，波长为a 所= a n ，声波在介质( 空气) 中传播过程的衰减系数为 当模型中的混响时间为 乙：1 业一 ( 2 4 ) 云争砌， 卜1 式中、品、分别是缩尺模型的混响时间、表面积、体积，a 为实物的平均 吸声系数。 模型的比例为l ：n 时，则可得到实际厅堂的混响时间为 7 山东大学硕士学位论文 卜螺j 丽奇 q 5 ) - 甲 0 1 6 m 中t 、m 分别为实物的混响时间和相应频率的空气吸声系数1 4 1 。 比例缩尺模型应用的可行性，始于德国的f s p o n d o c k 于1 9 3 4 年发表的研 报告，这篇报告标志着建筑声学缩尺模型技术的开始。从上个世纪5 0 年代， 实际厅堂设计中开始了比例缩尺模型的应用，比如h c h a r d y 和f g t y z z e r 别用l ：2 0 和l ：1 6 的模型对两座多功能剧场声场的研究，v l j o r d a n 在 约剧院和悉尼歌剧院的音质设计中，也应用了缩尺模型技术。我国在缩尺模型 面的研究，始于5 0 年代末，在设计人民大会堂时，就进行了缩尺模型试验， 华大学还制作了一个l ：l o 的国家歌剧院的模型。 声学缩尺模型的比例调节很简单，由于空气中声速是恒定的，因此可将距离 时间一起收缩，而缩尺频率与波长成反比关系。因此在1 ：1 0 模型中，时间减 1 0 倍，测试频率则将增加1 0 倍。当声波在室内撞及一个障碍物时，其所出现 现象取决于障碍物体尺度和声波波长之间的关系，这正好与实际大厅一样。尤 是，它能反映出所引起的非常复杂的衍射现象，这是它的一大优点【l5 1 。 近年来随着高频声学仪器和测量技术的发展，高质量的高频扬声器和传声 、专业的高频多速录音机、实时分析仪和数据处理设备相继问世，为缩尺模型 验在高频声进行各种声学测量提供了技术手段。例如在衰减过程、混响时间、 冲响应等测量中，可在模型中对传声器输出信号进行高速录音，然后以1 ：刀 度低速重放，即可得到实物厅堂中的结果。然而由于模型制作成本比较高，需 利用填充氮气或干燥空气的方法降低高频空气吸收，以及模拟材料吸声特性难 于控制的因素，这种方法存在很大的局限性。 。， 2 3 2 计算机声场模拟 随着计算机技术的高速发展，利用计算机技术对各种声学环境进行仿真模拟 已经越来越广泛了。现在，已经开发出了很多室内声场模拟的软件。其中有一些 效果比较好，例如，比利时声学设计公司开发的r a t n o i s e ，德国s d a 声学设 计公司开发e a s e 等。这些软件基本上都采用了相同的设计理念，先用计算机进 行建模，然后再对房间的脉冲响应( 即r o o mi m p u l s er e s p o n s e ，简称r i r ) 进 8 山东大学硕士学位论文 行计算，最后把输入声信号和r i r 进行多通道卷积并通过耳机重放可听声。同 时，软件根据设计者的不同需要还可以获得混响时间、早后期声能比、明晰度等 各类声学参数，而模拟计算中最为重要的工作是计算房间的脉冲响应r i r 。房间 脉冲响应，是指输入声音信号、声学环境、输出的重造可听声信号三者所构成的 系统的脉冲响应函数。所以，房间脉冲响应的计算速度与精度决定了整个系统的 计算速度与精度i 1 6 1 。计算机室内声场模拟技术是以几何声学为基础的，有两种 经典的模拟方法：声线追踪法和虚声源法。 1 声线追踪法 声线追踪法是假定把一个声源辐射出的能量看成许多离散的声线，每根声线 的能量都是相同的，声线都是以声速传播。首先，声源发出的声线与壁面发声碰 撞，计算出声线与每一个壁面的交点。声线在这一点，能量和传播方向均发生改 变，一部分可以由镜像反射定律来确定反射方向；另一部分认为发生了扩散反射， 可以用概率论知识来选取反射方向。其能量，每次碰撞后减少为原来的( 1 一口) 倍( 口为壁面的吸声系数) ，当改声线的能量低于事先设定的阈值时，计算机就 停止跟踪，然后跟踪下一声线，重复这个过程，直到所有的声线重复完为止。而 在接收点，计算机计算并记录下声线的到达时间、能量和新的传播方向，根据这 些参数就可以得到一个能量的时间分布。 声线追踪法的主要优点是算法相对简单，容易在计算机中实现，算法的复杂 度与房间壁面的数量成正比，同时还可以将散射影响加以考虑；其缺点是精度不 够理想，而为了提高精度，就要产生大量声线，从而导致计算量大增，并且无法 一 考虑干涉和衍射现象。 2 虚声源法 虚声源法基于镜像反射的原理，根据几何声学的理论，将声音抽象为声线， 则声线的传播遵守反射定律。如同几何光学中的虚像一样，反射会产生虚声像， 即某一反射面的镜像反射路径可由该反射面的镜像声源和接收点的位置确定，实 际上每次反射都会产生一个虚声像。虚声源法在计算时必须先确定好声源点和接 收点，其模拟对象是声场中的一个点，所以，在模拟声场中具体位置的详细声学 特性方面更具优势。 9 响了模拟计算的精度。 ( 3 ) 几乎所有的计算机声学模拟软件都只接受由平面搭建的空间模型，而无 法对具有弧面的空间模型进行模拟。弧形界面在建立计算机空间模型时只能用平 面来逼近，会产生一定的误差。 ( 4 ) 在使用计算机进行房间建模时，有很多细节的地方很难处理，往往需要 1 0 山东大学硕士学位论文 进行一定程度的简化，这样，计算机模型与实际房间的差别也会增加，模拟的精 度对误差有较大的影响。总体上说，计算机声学模拟技术适合于在方案阶段对体 形和界面形式的总体把握1 引。 2 3 3 波动声学法 声音本质是一种波动现象，无论是经典声线跟踪法、虚声源法，还是改进的 方法，理论基础都是几何声学，适用于高频情况和几何形状规则的牢间，而且它 们都难以解释干涉和衍射现象。对于复杂的几何形状、边界条件以及低频情况， 通常用波动理论来处理。 波动声学法主要有有限元法和边界元法两种方法。但是现阶段只有具有刚性 墙的矩型房间才能够利用声波动方程进行解析求解，得到精确的结果。而对一般 房间来说，就无法使用解析的方法求解其波动方程。实际上，所有房间的声场都 是遵从波动规律的，并存在其波动方程，因此我们可以使用数字化的方法来模拟 和逼近房间的波动方程的解。首先把窄问( 和时间) 细分为元( 质点) ，然后， 波动方程以一系列这些元的线性方程表达，迭代计算求数值解。这两种方法随着 声音频率的增加，计算量和存储量都会变的越来越大，所以只适用于小封闭房间 和低频段。 一一有限元和边界元法的优点是能够在需要的地方( 如墙角等) 产生稠密网格， 并且可以处理耦合空间。缺点是，边界条件很难确定。这两种方法有共同的特点， 那就是对于单一频率的结果很准确，但当具有带宽的倍频程时，结果经常出入较 大，并且用以计算的初始数据( 形状、尺寸、界面声学特性等) 和实际情况的误 差，就足以改变具体的计算结果的数值。所以，在实际应用中波动声学法还没有 能够达到如几何声学一样的实用效果。 2 4 电声法 1 9 3 5 年贝尔实验室的w e n t e 最先将传输系统的概念引入室内声学，他在房 间的声传输特性的论文中写道：“在室内声学的研究中，就像在电路传输工程 中，我们主要对于两点之间的信号传输感兴趣。 系统传输特性分析不考虑系统 内部的结构细节，把其看作1 个“黑箱，只通过其输入( 激励) 和输出( 响应) 山东大学硕士学位论文 来分析研究系统的传输特性。这种方法应用到室内声学巾，正好可以避开室内声 场波动问题的复杂性，通过直接的测量声源信号和接收点的接收信号，来获取声 场特性，重点放在测量技术及结果分析，这就是电声法理论。 传统的声学测量是通过各种声学测量仪器来实现的，每台声学仪器只具有某 些特定的功能，一般的声学测量都要将多台仪器组合起来使用。例如测量一个扬 声器箱的1 3 倍频程频率响应，需要用到一个粉红噪声发生器作为信号源，用到 一个带通滤波器对源信号进行滤波。滤波器的输出经功率放大后激励扬声器，传 声器接收扬声器发出的声音，经电压放大后送到电平记录仪进行处理( 求均方值) 并进行记录，较为复杂的声学测量还要连接更多仪器设备f 1 9 】。因此卜传统声学 测量仪器容易出现故障，并且其测量受到测量环境的很大影响。 随着计算机的发展和普及，人们开始使用计算机对声学信号进行分析处理。 通过接收器把声音信号接收并转换为数字信号输入到计算机中进行处理，这样可 以对声音信号进行很复杂的分析计算。在迸行声学测量时，声学测量仪器等都有 严格的规范要求【2 0 】 2 1 1 。 当前室内声场测量的方法主要有稳态噪声切断法和脉冲响应积分法，下面我 们就来分别介绍一下这两种方法。 2 4 1 稳态噪声切断法 在大多数实际的厅堂中，声源发声后，经过一定的时间后，声能密度即可接 近最大值( 稳态声能密度) 。声源停止发声后，室内总吸声量越大，混响声衰减 就越快；室内容积越大，混响声衰减越缓慢。 1 2 1 嘲， 图2 2 室内声音声压级衰变曲线 山东大学硕士学位论文 室内声音的增长、稳态和衰减过程可以用图2 2 形象地表示1 2 2 1 。稳态噪声切 断法就是基于上述原理，它先在房间内用声源建立一个稳定的声场，然后使声源 突然停止发声，用传声器监视室内声压级的衰变，同时记录衰变曲线，最后通过 声压级衰变曲线斜率计算声压级下降6 0 d b 的时间而测得混响时间【2 3 1 。通常，我 们是通过带通滤波器对白噪声信号发生器产生的白噪声信号进行滤波，滤波后的 信号经放大反馈给扬声器作为测试声源，因此称为“稳态噪声切断法。 由于衰减量程及本底噪声的干扰，造成很难在6 0 d b 内都有良好的衰减曲线， 因此有时取t 3 0 或t 2 0 代替t 6 0 。混响时间t 2 0 指5 d b 到2 5 d b 的衰减时间折 算到衰减6 0 d b 的时间；混响时间t 3 0 指5 d b 到3 5 d b 的衰减时间折算到衰减 6 0 d b 的时间，这主要看衰减曲线的线性度。但这种方法有一个缺点就是声衰变 严重地受到无规过程中不可避免的瞬时起伏的影响，所以对相同的声源和传声器 点必须测量多次进行平均。 2 4 2 脉冲响应反向积分法 德国哥廷根大学的m r s c h r o e d e r 在1 9 6 5 年提出了测量混响时间的脉冲 积分法1 2 4 1 ，脉冲积分法是对常规测量方法的巨大改进。这一方法是基于下面的 公式： = n f r 2 ( x ) d x ( 2 6 ) ； 式中s 2 ( t ) 是稳态噪声的声压衰减函数，尖括号表示群体平均；如) 是被测房 间的脉冲声响应；n 为谱密度。 它表明，在同样的声场条件下，连续稳态的白噪声停止后，声场的声能密度 衰减的群体平均 ，和一次脉冲响应r ( x ) 的平分从t 到无穷的积分相等。方 程的左边，群体平均要求对噪声衰减测量多次；而方程的右边，脉冲响应只要测 一次，这是脉冲积分法的一大优点。用它测量混响时间得到的曲线比较平滑，波 动小，不但能很精确得出混响时间，还能算出e d t 等声学参数。 山东大学硕士学位论文 第三章室内声学测量分析 1 稳态噪声切断法测量系统 稳态噪声切断法的原理就是通过声压级衰变曲线斜率计算声压级衰减6 0 分 的时间而测得混响时间。传统的测量原理图如图3 1 所示【2 5 1 。 图3 1 稳态噪声切断法测量混响时间原理图 图3 1 中，通过带通滤波器对噪声信号发生器产生的噪声信号进行滤波，从 得到中心频率分别为1 2 5 h z ，2 5 0 h z ，5 0 0 h z ，1 0 0 0 h z ，2 0 0 0 h z ，4 0 0 0 h z 等倍 频程的频带信号，滤波后的信号经放大后馈给扬声器作为测试声源，传声器接收 声音信号后将其转变为电信号送入传声放大器放大，放大后的信号送入电平记录 仪，当声源突然停止发声，记录仪在记录纸上描绘出声压级衰变曲线。 传统的测量方法需要用到多个仪器，改进后，带通滤波器、信号发生器和电 平记录仪都