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扁平空间特征的多功能厅音质控制仿真研究 学位论文完成f 1 期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；翅遗直墓宣盂要挂别主明的：奎拦豆窒2 或其它教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：一一参爹力匕签字日期：乙知年厂月刁同 尸“一 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信，i , i i 务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：儆 导师签字： 签字日期：珈d 年厂月刁日 签字日期山年厂月2 。、7 扁平空间特征的多功能厅音质控制仿真研究 摘要 目前，随着我国高等教育的快速发展，各高校同益重视对大学生素质教育的 硬件投入，其中对集演讲、会议和演出于一体的多功能厅的性能有了更高的要求。 这些大厅因建筑立面标高的原因使室内层高受限，而为满足室内舒适度，需要在 大跨度梁下全铺复杂的低速空调管网系统，结果形成大型扁平空间。而为保证多 功能厅的高标准音质，需要在上述空间内完成吸声结构的布置，这将形成突出的 矛盾，变得十分困难。 为了探索解决这一难题的方法，本文以中国海洋大学体育馆多功能厅的建设 工程为背景，为了解决扁平空问与顼部声学装修的矛盾，本文提出了两种音质控 制方案吸声吊顶方案( 配低速空凋管网) 和吸声井方案( 配高速宅调管网) 。 o d e o n 计算机声学仿真平台上对两种方案进行了三维数学建模，将复合吸声体 的关键结构和技术细节在虚拟空问晕进行了准确的表达，仿真的结果给出了改建 后的音质控制参数混响时| 日jt 3 0 、侧向反射冈子l f 8 0 、明晰度c 8 0 、清晰 度d 5 0 、声压级s p l 。通过对两种方案音质参数的对比分析，最后选出最优方案 并完成了该方案的声学设计。 在项目的实施过程中，使用p u l s e 数掂采集分析系统，不断地进行现场跟 踪测量，以便分析验证o d e o n 仿真结果并及时修正音质控制方案也能保证项目 实施的正确性。项目完成后，现场实测结果表明，该多功能厅的音质参数优良， 符合国家的有关标准。该多功能厅经过半年多的实际使用检验，在视觉和音质效 果两方面均获得了良好的主观评价。 采用预建模的声场模拟技术可以在方案预研阶段找到解决大型扁平空间音 质控制的最佳方案，从而对保证工程质量降低投资提供了科学的依据和技术保 障。这一探索的方法在现代化的多功能厅装修中值得推广。 关键词：多功能厅；o d e o n ；声场仿真；音质控制 a c o u s t i cq u a l i t yc o n t r o lr e s e a r c ha n dv i r t u a l i z a t i o nf o r t h em u l t i f u n c t i o n a lh a l lw h i c hi sal o ws c a l ea r c h i t e c t u r e a b s t r a c t a st h eg r o w i n ge n r o l l m e n to fc h i n e s eu n i v e r s i t yg o i n go n ，t h ee x i s t i n gh a r d w a r e a n de q u i p m e n t sa r eg e t t i n gh a r d e ra n dh a r d e rt om e e ts t u d e n t s d e m a n d s a sar e s u l t , m u l t i f u n c t i o nh a l l sh a v eb e c o m ep o p u l a ra r c h i t e c t u r e s h o w e v e r , t h e s eh a l l sa r e s o m e t i m e sr e s t r i c t e db yt h eb u i l d i n gs t o r e y , p l u st h ec o m p l e xi n t e r i o rp i p e l i n el a y o u t s u c ha sv e n t i l m i o na n da i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s t h e s ef a c t o r sm a k et h e s eh a l l st ob e al o wl a r g es c a l ea r c h i t e c t u r e a n dt h eh i g ha c o u s t i cq u a l i t yd e m a n dh a sm a d et h et o p s o u n da b s o r b e rs t r u c t u r ei ns o u n de f f e c tc o n t r o ld e s i g nv e r yd i f f i c u l t i no r d e rt oe x p l o r ew a y st os o l v et h i sp r o b l e m ，b a s i n go nt h ec o n s t r u c t i o no ft h e o c e a nu n i v e r s i t yo fc h i n ag y m n a s i u mm u l t i f u n c t i o nh a l l ，i no r d e rt oo v e r c o m et h e c o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nc o n s t r u c t i o ns t o r ya n dt h et o pa c o u s t i cr e n o v a t i o n , t h i sp a p e r p r e s e n t st w ow a y so fa c o u s t i cq u a l i t yc o n t r o lp r o g r a m s f l a tt o ps c h e m ea n d a u t i s t i cw e l l s c h e m e t h r o u g ht h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gw i t h a c c u r a t ee x p r e s s i o no ft h ek e yt ot h ec o m p o s i t ea b s o r b e rs t r u c t u r ea n dt e c h n i c a l d e t a i l si nt h ev i r t u a ls p a c eo no d e o n ，v i r t u a l i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h er e c o n s t r u c t e d s o u n dq u a l i t yc o n t r o lp a r a m e t e r s - t h er e v e r b e r a t i o nt i m et 3 0 ，t h ee a r l yl a t e r a l r e f l e c t i o nf a c t o rl f 8 0 ，t h ec l a r i t yc 8 0 ，t h ed e f i n i t i o nd 5 0 ，a n dt h es o u n dp r e s s u r e l e v e ls p l a f t e rc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e s ep a r a m e t e r so ft h e s et w op r o g r a m s ，t h e o p t i m a lo n e i sc h o s e n i nt h ep r o j e c ti m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s ，w eu s ep u l s ed a t aa c q u i s i t i o na n d a n a l y s i ss y s t e m ；a l o n g 、析t l lo n s i t et r a c k i n gm e a s u r e m e n t , f o rt h ea n a l y s i so f v i r t u a l i z a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h eo d e o na n dt i m e l ya m e n d m e n tt oa c o u s t i cq u a l i t y c o n t r o lp r o g r a m a f t e rc o m p l e t i o n ，t h ef i e l dm e a s u r e m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i - f u n c t i o nh a l lo ft h ev i s u a le f f e c t sa n ds o u n dq u a l i t yp a r a m e t e r sm e e tr e l e v a n tn a t i o n a l s t a n d a r d s a l t h o u g ht h ec o n s t r u c t i o no fl o wl a r g es c a l ea r c h i t e c t u r e si np r a c t i c a la p p l i c a t i o n i sv a r i o u s , t h eu s eo fp r e m o d e l i n go ft h ea c o u s t i cv i r t u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yc a n a l w a y sb ef o u n di nt h ep r o g r a mp r e r e s e a r c hp h a s eo fal a r g ef l a ts p a c ef o rt h eb e s t q u a l i t yc o n t r o l ，t h e r e b yp r o v i d ee n s u r i n gq u a l i t y , r e d u c i n gt h ei n v e s t m e n tw i t h s c i e n t i f i cb a s i sa n dt e c h n i c a ls u p p o r t k e y w o r d s ：m u l t i f u n c t i o nh a l l ；o d e o n ；a c o u s t i cv i r t u a l i z a t i o n ：a c o u s t i cc o n t r 0 1 i i i 目录 1 绪论1 1 1 引言l 1 2 多功能厅音质设计：2 1 3 计算机声场模拟仿真技术3 1 4 本文研究课题的意义和内容安排3 2 本文研究的工程背景6 2 1 工程背景简介6 2 2 扁平空间的形成与改造的难点7 2 3 提出音质改造的方案8 3o d e o n 下声场仿真模拟1o 3 1o d e o n 软件简介l o 3 1 1o d e o n 软件算法的基本原理1 0 3 1 2o d e o n 中混响时间的估算方法1 1 3 1 3o d e o n 软件的基本特点1 2 3 1 4o d e o n 软件的主要功能1 2 3 2o d e o n 下三维模型的建立1 3 3 3 三维模型检测：1 5 3 4 声源点与接收点设定1 6 3 5 吸声材料数据库的建立和选用1 7 4 不同方案下的仿真模拟结果对比分析1 9 4 1 混响时间模拟结果对比分析1 9 4 1 1 混响时间的定义1 9 4 1 2 多功能厅混响时间的评价标准2 0 4 1 3 两种方案的混响时间对比分析2 2 4 2 明晰度c 8 0 模拟结果对比2 4 4 2 1 明晰度c 8 0 定义：2 4 4 2 2 明晰度c 8 0 对比分析2 4 4 3 清晰度d 5 0 对比分析2 5 4 3 1 清晰度d 5 0 的定义2 5 4 3 2 两种方案的清晰度d 5 0 对比分析2 6 4 4 侧向反射因子l f 8 0 对比分析2 7 4 4 1 侧向反射因子l f 8 0 定义2 7 4 4 2 侧向反射因子l f s 0 对比分析。2 7 4 5 声压级对比分析：2 8 4 5 1 声压级的含义2 8 4 5 2 声压级对比分析2 9 4 6 模拟结果对比总结3 3 5 基于p u l s e 的施工进程跟踪测量实验3 5 5 1 现场声学跟踪测量设备3 5 5 1 1 混响时间测量方法3 5 5 1 2 传声器3 6 5 1 3p u l s e 声学测量分析系统3 7 5 2 现场跟踪测量内容：3 8 5 2 1 现场跟踪测量环境3 8 5 2 2 主要测量内容3 8 5 2 3 现场跟踪测量方案设计。3 9 5 3 现场跟踪测量结果分析一：3 9 6 总结与展望4 4 参考文献4 5 致谢4 8 个人简历：4 9 发表的学术论文4 9 v 扁、f 空间特衙的多功能厅膏质摔制仿真研究 1 绪论 1 1 引言 近年来，随着社会的发展和人们精神生活的不断丰富，各种类型的学术、文 娱活动逐步深入到广大民众中，很多公众性质的文娱场所的建筑形式随之出现较 大变化，兼顾音乐厅、活动室、文艺演出场所等功能；同时，因现代多媒体技 术的飞速发展，很多单独意义上的会议窀已经被各种兼顾报告厅、学术讨论厅、 培训教室以及视频会议厅1 2 l 等的多功能厅所取代。这种功能多样化的建筑形式， 在人们r 益倡导建设节约型社会的今天，受到广泛认可和普遍应用，并在近几年， 无论从兼容模式，还是到技术解决方案都取得了迅猛发展，成为功能性建筑发展 的主流方向。 图1 1 各种多功能厅 高校作为教育机构，势必要承载相当数量、各种形式的学术、人文方面的群 体活动。首先，校园需要频繁的学术交流和专业培训；第二，校园内经常举办形 式丰富的文娱活动，其中不乏影视欣赏、音乐表演、舞台演出等室内形式；第三， 很多课程公开性大，受众广，需要有足够的教学条件来保障课程实施。可见，作 为教育用途的集会场所以演讲、会议、授课、文娱为主，其多功能性的使用特点 对音质的要求比较高。如果以上需求全部建设成专项功能建筑，则耗资巨大。这 需要具有多重功能的活动场所作为载体，它能够具兼容多种使用模式、有一定的 空间、容纳足够的人数、有支撑其稳定运作的技术和设备以及相对低廉的成本。 扁、r 窄问特征的多功能厅聋质控制仿真研究 几乎所有国内外高校都拥有适合自身教育需求的多功能厅，这已经成为各大高校 的建设舰划的鉴础硬件设施之一。 本文以中国海洋大学新校区中华人民共和国第十一届运动会综合体育馆建 设中的难题攻关项目扁平空f n j 多功能厅的音质控制为背景。随着计算机仿真 技术的发展，计算机声场仿真模拟技术也逐渐被应用到多功能厅的建设中来，由 于计算机技术中各种理论模犁和模拟算法的不断改进，使得仿真模拟结果的准确 性有了很大提高。计算机模拟技术的优点不仅体现在计算机模拟、易于修改、节 省时间费用，而且可以通过计算机声场模拟技术更好地将声场环境视觉化，能够 对客观声学参数模拟结果做进一步分析，为音质设计控制研究指明方向，为后续 的施工提供科学的指导。 1 2 多功能厅音质设计 多功能厅是厅堂类建筑的一种，指的是能实现多种使用功能的观演类场所。 因此，多功能厅特别强调它的视听效果，因为这是它的核心使用功能要素。由于 不同的厅堂的使用模式不同，而多功能厅则强调其多种使用功能，对多功能厅的 音质提出了较高的要求，所以必须做好厅堂的音质设计 现代化的多功能厅是建筑声学1 3 】的发展的产物，建筑声学的发展为多功能厅 的建设提供了理论上的基础。建筑声学是声学的一个分支，是一门边缘学科，它 不仅与建筑技术密切相关，同时还与生理、心罩、音乐、语言、电子、机械、计 算机科学等学科有着密切的关系。 1 9 0 0 年，美国哈佛大学赛宾教授提出了著名的赛宾公式【4 】，得出了它与房间 体积、吸声材料用量和混响时间之间的简单的关系式。就这样，赛宾把厅堂声学 问题从原来推测的领域解放出来，并把它作为工程科学中的一门系统的分支学 科，开创了建筑声学的研究史。二次世界大战之后，声学家们掀起了尝试提出新 的厅堂音质物理指标的热潮【5 】，混响时间不再成为建筑声学中的唯一指标。自7 0 年代以来，声场计算机数字仿真技术 6 - 9 1 逐渐得到了蓬勃发展。 多功能厅建筑声学研究的是厅掌声场的客观性质。就总体构成来讲，可以 将多功能厅的声场分为两个部分i i i i ：一是发声部分，即多功能厅中的各类声源， 包括演员、乐器、讲话者、扬声器或音响等等，其中最有意义也是在设计中优先 考虑的是各类自然声。二是受众接收部分，即观众席各个位置对于声音的接收情 扁、p 窄问特征的多功能厅| = ：j 质摔制仿真研究 况；三是具体的每个多功能厅的客观声学性质，从发声部分到接收部分的过程中 对声音传播、分和产，卜的作 j 和影响的是客观声学性质，它是由j 亍常空间的体平； 、 体型、表面积、乔面材料、观众席特性等因素决定。根据信号处理理论，如果把 声源当作一种“激励”，则观众接收到的声音就可以当作一种“响应”，客观声学 性质就是从这种“激励”到“响应”的非线性多元“空间传递函数”。所以，从 理论上讲，多功能音质设计是研究这些影响及其相互作用的性质和规律、找出合 适的空间传递函数，使得对各种声源的“激励”，大都能得到最佳的场点“响应”， 即所谓优良的音质效果。 1 3 计算机声场模拟仿真技术 近年来，随着声场数值汁算理论、计算机软硬件技术和信号处理理论的迅速 发展，使得原来基于人工依据公式对厅章音质参数的音质设计方式逐渐被计算机 辅助设计所代替。这样，不但可以节省大量的施工时间，还能直观的提前得到设 计方案施工后的音质效果，减少时间人力物力的浪费，对施工提供科学的指导。 计算机声场模拟仿真技术f 1 2 】的根本含义是通过计算机建立封闭的声环境的 模型，借助特定的算法模拟出声场的各个声学参数或听音效果。自从5 0 年代计 算机声场模拟仿真技术被提出以来，这项技术越来越受到声学工作者们的重视。 经过大量声学、建筑物理的研究人员的努力，计算机声场模拟仿真技术越来越完 善，特别是在模拟算法的研究上，取得了很大的进展，产生了诸如声线跟踪法、 虚声源法、声束跟踪法、有限元法、边界元法、声学幅度法等在内的一系列算法 1 1 3 - 1 5 】。 目前，计算机声场模拟仿真软件主要分为两种，一种是以建筑声学模拟为主， 如丹麦技术大学的o d e o n 软件、比利时声学设计公司的r a y n o i s e 软件等； 另一种是以电子声学模拟为主，主要用于扩声电声系统的设计研究中，有代表性 的有德国a d a 声学设计公司的e a s e 和e a r s 软件。本文就采用了丹麦的 o d e o n 软件对多功能厅的音质设计方案的模拟仿真工具。 1 4 本文研究课题的意义和内容安排 目自订，随着我国高等教育的快速发展，各高校闷益重视对大学生素质教育的 硬件投入，其中对集演讲、会议和演出于一体的多功能厅的性能有了更高的要求。 一方面，为了满足观众舒适度的要求，需要在多功能厅的大跨度梁下铺设各种空 扁，f 窄问特征的多功能厅音质控制仿真研究 调排烟管网系统使得大厅的建筑窄i 、日j 降低：另一方面，多功能厅多种使用模式又 对音质提出了更高的要求。而为保汪多功能厅的高标准音质，需要在上述空| 日j 内 完成吸声结构的布置，这将形成突出的矛盾，变得十分困难。 本课题研究的内容取自中国海洋大学新校区中华人民共和国第十一届运动 会综合体育馆建设中的难题攻关项目，为了解决施工过程中空间过低和各种管网 的限制使得空间吸声结构难以安装的难题，提出了两种音质设计方案。利用建筑 声学仿真软件o d e o n 对两种方案下的各种声学参数进行了对比分析，找出了最 佳音质控制方案。利用p u l s e 声学测量系统对后续整个的施工过程进行了跟踪 测量，及时调整设计方案和解决施工中存在的文艺，保证了每个施工阶段的顺利 进行，最终完工的多功能厅完全满足设计的预期和幽家标准的规定。本文成功得 利用计算机仿真模拟技术创造性地解决了实际施一 中的难题，保证了多功能厅良 好的音质效果，节省了施工时间，避免了人力物力的浪费，实现了良好的经济效 益和社会效益。本课题实施技术路线图如图l 一2 所示。 提出音质控制方案 上 i基丁o d e o n 的计算机仿真 上 仿真结果对比分析 1 l l 选出最优方案完成c a d 设计 上 l 现场跟踪监测，跟踪音质参数 i的变化，及时修正设计方案 图1 2 本课题实施技术路线图 4 扁 ，窄问特征的多功能厅音质控制仿真1 ) f 究 本文全文由六部分组成： 第一章绪论，简单综述与本课题相关的背景及技术方法的发展状况。 第二章从本文研究的工程背景出发，详细介绍了原有建筑存在的复杂管网 和空间过低的问题，为解决这些问题提出了两套音质改造方案。 第三章为评价提出的两套音质控制方案，运用计算机声场模拟仿真技术， 在建筑声学模拟软件o d e o n 中对两种方案的多功能厅分别建立了三维声学模 型。 第四章详细对比分析了两种方案下声场的各种模拟参数包括混响时间 t 3 0 、清晰度c 8 0 、明晰度d 5 0 、侧向反射因子l f 8 0 、声压级s p l ，最后选出了 最优方案最为后续施工方案。 第五章在施工过程中利用p u l s e 声学测量系统对施工的不同阶段进行了 跟踪测试实验，然后对得出的数据进行了对比分析，最终利用实测数据验证了音 质控制方案的正确性。 第六章总结与展望。总结本文完成的理论与实践实验工作，提出了还需要 完善的地力+ ，以待以后解决。 扁、f 空问特征的多功能厅啬质控制仿真研究 2 本文研究的工程背景 目前，在我国高校建设中经常要建设一种多功能厅，这类厅掌具有多种使用 模式，能同时满足音乐表演和演讲会议等多种情形对音质的要求。但这些大厅有 的受原建筑层高的限制，使之形成了一个大型的扁平空间，而多功能的音质高标 准要求又使得在音质控制设计中顶部空间吸声体布置十分困难。 为了探索解决这一难题的方法，本文以中国海洋大学综合体育馆内多功能厅 建设的工程为背景，对针对已有建筑的扁平空间这一影响音质控制的问题提出了 两种改造方案，利用计算机声场模拟仿真技术进行了两种方案的对比分析，找出 最优的音质控制方案，解决了了施工的难题。 2 1 工程背景简介 图2 1 多功能厅位置示意图 本课题研究的内容取自中国海洋大学新校区中华人民共和国第十一届运动 会综合体育馆建设中的难题攻关项目。该综合体育馆位于崂山脚下，总建筑面积 2 1 5 2 0 m 2 ，它由篮球比赛主馆、篮球训练馆、游泳馆和大学生活动中心多功能厅 四个功能建筑单元组合一体( 如图2 - 1 所示) 。为了凸显全运会比赛主题和海洋文 化及青岛市国际丌放旅游城市的多种文化背景融为一体，整个建筑群在外观造型 上采取了一个平放的大型贝壳配以高高扬起的风帆旁边放一长方形的矩书。该造 型气势宏伟，在周围群山的映射下既显示了高校的文化特色，又张扬了全运会的 6 扁i i 夺问特征的多功能厅啬质拧制仿真研究 竞赛精神，成为了崂山脚下一道亮丹i 的风景线。 2 2 扁平空间的形成与改造的难点 多功能厅建筑整体呈长方形平面，长2 9 5 m ，宽2 2 2 m ，在建筑后部为八级 高为1 2 c m 台阶的阶梯教室形式。建筑高5 3 m ，顶部由9 根大跨度( 跨度为2 2 2 m ) 的横梁承托，梁深1 1 m 。 体育馆整体的矩书造型是由篮球训练馆、游泳馆、大学生活动中心多功能厅 三个建筑单元组成，其屋顶平面为同一建筑标高一表达矩书封面的造型，训练馆 和游泳馆均在1 5 m 高度内单层表达，而大学生活动中心为三层结构，多功能厅位 于第三层。如图2 - 2 所示，整个多功能厅的建筑高度为5 3 m ，由于在后半部设 置了8 级高度均为1 2 c m 的台阶使得最后排的高度大约为4 2 m 。而整个多功能厅 的大跨度空间由9 跟高深度( 深度为1 1 m ) 横梁承托，由于横梁的存在，使得整个 多功能厅的空问高度最低处仅有2 8 m ，而整个建筑空f f i j 就形成了这么一个长 2 9 5 m ，宽2 2 2 m ，高2 5 m 3 5 m 这么一个大型的扁平空间。 多功能厅的大型扁平空间剖面图 活动舞台上平 图2 2 多功能厅的大型扁平空间剖面图 如此的扁平空间使得空间音质存在先天的缺陷，高度过低使得早期反射声 所占比重过大，导致混响时间过低，混响声所占比例不足就会使得整个空间的 听音感觉很“干”、不圆润，不适合音乐表演等活动；另一方面，过深的梁空会 使得声音进入到如此狭小的空间内会发生连续反射而不能到达其他地方，这就 会使整个建筑的声场不均匀度增大，严重影响多功能厅的使用。同时如此扁平 的空问使得无法对顶部安装空间吸声结构，而这些吸声结构会对空间音质的改 善起到关键性作用。 扁，f ，空间特征的多功能厅音质控制仿真研究 2 3 提出音质改造的方案 在建筑声学中，对于空i 口j 高度过低的j 口j 题，一般有三种解决方式 i 6 1 ：第一， 直接将顶部拆除，重新建造项部。在施工过程中发现空i h j 高度不足这个严重的问 题后，曾提出变更多功能厅屋顶标高，但这会破坏整个建筑的外观造型，因此， 解决这一难题的途径只能在过功能厅室内寻找，这也是摆在我们面前唯一可行的 方向；第二，紧贴顶部和置吸声平顶，不做过多的吸声结构以节省顶部空间；第 三，设法最大化的利用顶部空i 日j ，尽量设计一些与现实建筑结构相匹配的空间吸 声结构。本文对于现实中的建筑难题，提出了两套音质改造方案，吸声吊顶方案 和吸声井方案。 吸声吊项方案是紧贴低速平铺的近程散流中央空调管网布置吸声平顶，这样 能在不对原有建筑做任何改动的条件下最大化的节省顶部空i h j 同时还能对声场 的音质起到改善作用。而吸声井方案是将低速平铺的中央空调管改为沿四周布置 的高速远程射流中央空调将大厅中部空出，利用横梁的深梁宅做成一系列的吸声 井结构，利用吸声井独特的自身结构来使得空间高度和声场的音质得到最优的改 善。 图2 3 扁平空间顶部中央空调近程散流风口分布图 为了使多功能厅既满足舒适度指标又满足音质控制的要求，我们针对大型扁 平空间天花顶面的装修提出的两种可能性的方案再做一下进一步的对比说明： 扁、r 空间特行的多功能厅岛质控制仿真 f j f 究 ( 1 ) 扁平空间顼部中央空调采取近程散流风口( 见图2 3 ) ，在天花上满铺空调管 阀后，管网f 面以卜加装吸声吊顶。此方案的优点足宅调出口风速低，散流器百 叶处在每秒5 米左右，且与观众席的距离近( 约3 米) ，人体处感觉风速为每秒l 米，具有良好的舒适感。此方案的缺点是整个天花吸声吊顶比大跨度梁底下降了 1 米，使原本扁平的空间更加扁平，对音质控制的设计增加了难度。 目阅：i j i - - 5 干1 。i ，l i i ；t ， 1 tj 耀1 ；w 崩r 。 菖 堡 5 刈 t - - 一l 一_ 斗 可 k； 。d堋 8 r 讳 测 缈 k ， 理 0 自 ：i 3 蔓插入l 3 7 0 r z t 4 一i 目蛳入，孽， b 晕 由t y 军粕妻 lj 【 墓善 圭 5 ，一 ! 疆妇虽r 8 型插刈智 i - - 1 2 3 0 0 。1 - 一 j _ 口 士就 酌螳位置 _ 一土尉 。 j l 卜嘏曼 害 十8 l | i d “哪 i鞘o2垂 a 蓥妇a瞥 i ! o 藩4 i ，。 蘑 一菩 箩 lj !、 l _ 唾i 粤 l l 曩k 瑚 + 讵 i 钪 霹 ，| j ：、 4 5 0 i 瞄 1 1 7 诵t - 一 五j 鱼 c 1 1 6 0 0 x 5 j ji n 删i 奠 一 1 f 一!f | 一 一| 一 i h _ t 目j j ( 5 积 j j j i ，叮m ，一_ lr 。 al 图2 4 扁平空间顶部中央空调远程射流风口分布图 ( 2 ) 若扁平空i 日j 顶部空调管网采用远程高速喷口( 见图2 4 ) ，即大厅中部天花 无管网主风管均沿四周护围墙面布置，或采用来回弯技术将主风管布置在大跨度 梁的根部( 即楼板的下平) 。这一系统出风e l 风速高，约每秒1 0 米，与观众席的 人体距离远，人体感应风速约每秒1 5 米，人体舒适度显然不如方案1 ，但这样 将空调管网与吸声井结合布置，相当于将吊顶平面比梁底平面升高了l 米，将会 有利于下步音质控制的设计。 通过进一步的计算机声场模拟，我们可以对上述两方案中音质控制的关键参 数给出一个详细的对比定量分析，从而找到最优的方案。 9 扁f 窄问特征的多功能厅爵质控制仿真研究 3o d e o n 下声场仿真模拟 3 1o d e o n 软件简介 o d e o n 软件是由丹麦技术大学声学技术系于1 9 8 4 年推出并且已经实现商 业化的一款计算机声场模拟软件，时至今日仍然在不段的发展之中，主要用于建 筑声学方向的设计、指导和研究等领域。根据其不同的使用环境和适用的不同侧 面，o d e o n 有i n d u s t r i a l 、a u d i t o r i u m 以及c o m b i n e d 三个版本，前两者分别适 用于工业与环境声学领域和建筑声学领域，而后者的功能则是前两者的综合。本 文利用的是o d e o n 8 5 a u d i t o r i u m 版本对大型扁平空问下的声场进行研究。 o d e o n 软件具有很高的准确度和可靠性。1 9 9 3 年至1 9 9 5 年i 日j ，德国声学 学会建筑声学技术委员会组织了一次l h ：界7 个国家1 2 个单位的室内声场模拟软 件的评比活动【1 7 - 1 8 】，在1 6 款参加评比活动的软件中，o d e o n 的早期版本 o d e o n 2 5 版本被评为准确度最高的三款软件之- - b 9 1 。并且有研究【2 0 】己通过实 验证明了以o d e o n 为仿真模拟工具对声场进行研究与实测结果基本上一致。 3 1 1o d e o n 软件算法的基本啄理 o d e o n 软件的计算机模拟算法是以几何声学为基础，即声波的传播和能量 的衰减过程用声源发出的大量声线或声源对反射界面所形成的各级声像来描述 ，主要涉及到两种经典的模拟方法：声线跟踪法 2 2 - 2 4 】和虚声源法【2 5 - 2 6 】。 ( 1 ) 声线跟踪法 【2 7 - 2 9 】在室内声环境下，声源通过向四周均匀发出的大量声射线传播能量，声 射线与壁面碰撞发生发射使得能量衰减和传播方向改变【3 0 1 。对于任意一根声线， 根据概率论知识在碰撞点一部分做镜面发射，一部分做扩散反射。该声线沿着新 方向继续前进，每次碰撞后能量减少为原来的( 1 口) 倍( 其中口为界面的吸声 系数) ，当声线能量低于预先设定的阈值时，计算机停止对该声线的跟踪。重复 以上过程直至所有的声线都被跟踪完毕，就能确定这个声场的空间分布。 ( 2 ) 虚声源法 【3 i - 3 ：墟! 声源法基于镜面成像的虚像的原理，即某一反射面的镜面反射路径可 由该反射面的镜像声源和接收点的位置决定的。声源在反射壁面对称点上的“像” 称之为一级虚源；该虚声源又可在其他壁面类似地找到它的下一级虚声源，称之 为二级虚源，以此类推。例如在图3 1 1 3 3 1 d t 口，s i ，s 2 ，s 3 ，s 4 ，s 5 是声源s 1 0 扁、f 宅问特征的多功能厅音质拎制仿真埘f 究 在各个壁面上产生的一级虚声源：s 2 l 是一级虚声源s l 产生的二级虚声源；s 3 l 是二级虚声源s 2 l 产生的j 级虚声源。各级虚声源的能量大小取决于它得以产生 的壁面的吸声系数和该虚卢源的级别。当求的全部虚声源的位置及能量后，就可 以把声源对于接收点的贡献等效于各级虚声源的贡献之和，这样就能确定整个空 间的声场分布状况。 图3 1 虚声源法原理示意图 o d e o n 软件采用了声线跟踪法和虚声源法的混合方法【3 4 l ，它吸收了两种经 典算法的优点。o d e o n 软件算法中，将模拟分成直达声及早期反射声和后期反 射声两部分，直达声级早期反射声包含了声场的强度、清晰度和空间感等信息， 需要准确地确定其时间空间上的分布情形，采用声线跟踪法与修萨的虚声源法的 混合方法【3 5 】对其进行准确的模拟，同时考虑早期反射声对壁面的有限尺度所产生 的衍射以及壁面的散射作用；而对于后期反射声则采用特殊的声线跟踪法以节省 资源和时间。o d e o n 软件对不同声阶段采取不用的模拟计算方法使得仿真模拟 结果与实测结果更具可比性，实现了计算精度和计算效率上的兼顾。 3 1 20 d e o n 中混响时间的估算方法 由于室内环境的壁面予变万化，使得声波在室内环境中的传播相比较室外环 境而言更加复杂多变，声源在室内的发声与传播，壁面的反射、吸收、扩散和透 射，构成了室内声学的特点。o d e o n 中对于混响时间的估算提供三种方法【3 6 】， 分别是快速估算方法、整体估算方法和施罗德后向积分法，供用户根据所研究的 声学环境的不同而灵活选择。 快速估算法是用赛宾公式 3 7 j g l 伊林公式 3 8 】来计算厅掌的混响时i m j ，此方法 给出了两种估算结果，一个是根据经典的公式计算得来，另一个是根掘修正后的 公式计算得来。二者的不同之处在于，修正后的公式的平均吸声系数对不同反射 壁面因撞击次数的不同而赋予不用的权重，其中撞击次数由声线跟踪法获得。 扁f 窄间特征的多功能厅音质控制仿真研究 整体估算方法是声源随机地向四周发出大量的声粒子，利用声线跟踪的思 想，o d e o n 记录下每个例子因为反射面的吸声及空气吸声所造成的能量的损失 以及每个声粒子所经历的路程和达到时间。对大量声粒子进行统计便可以得到整 个厅堂的能量衰变曲线，由声能衰变曲线就可以得出混响时l 旬。 施罗德后向积分法是利用上述的整体估算方法中得到的声能衰变曲线，根据 厅章音质参量测最标准i s 0 3 3 8 2 1 3 9 1 ，按照声线跟踪法与虚声源法的混合法计算得 到。有研究表明，o d e o n 提供的三种混响时间的估算方法中，施罗德后向积分 法得到的结果最为精确，但是所花费的时l 日j 也是最长。 3 1 3o d e o n 软件的基本特点 ( 1 ) o d e o n 软件是个不断发展的软件。从早期的o d e o n i 0 版本，经过2 0 余年的发展，o d e o n 软件在其i 【j j 经过很多版本的演变，目前最新的版本是 o d e o n 9 1 版本( 根据不同的应用方向又有i n d u s t r i a l 、a u d i t o r i u m 和c o m b i n e d 三个子版本) 。 ( 2 ) o d e o n 软件可在w i n d o w s 9 5 、9 8 、n t 、2 0 0 0 以及w i n d o w sx p 操作系 统下均可运行，程序基j 二m d i 方式，日j 运仃十面 j 聊：境下，具有有好的用户界 面和较强的图形编辑能力。 ( 3 ) o d e o n 软件提供多种建模方式1 4 0 1 。o d e o n 提供o d e o ne d i t o r 和 o d e o ne x t r u s i o nm o d e l e r 两个工具行进建模，同时o d e o n 还有多种c a d 接 口，可以直接将c a d 图纸文件通过接口直接导入到o d e o n 软件中来。 ( 4 ) o d e o n 软件对于吸声材料的使用数量没有限制，o d e o n 软件吸声材料 数据库中中有上万种材料的吸声参数，同时也允许用户修改吸声材料的吸声系数 和散射系数。 3 1 4o d e o n 软件的主要功能 ( 1 ) o d e o n 可以模拟计算出各种音质参数，包括混响时间t 3 0 、各接收点在 各倍频点的清晰度d 5 0 、明晰度c 8 0 、侧向反射因子l f 8 0 、声压级s p l 、a 计 权声压级s p l ( a ) 、早期衰变时i 日je d t 等等【4 l 】。 ( 2 ) o d e o n 软件对于厅堂的特定定义位置，能够提供该位黄的声能衰变曲 线、声线方向分布刺猬图、声粒子运动分佰图、早期反射声的回声图以及双耳脉 冲响应。 扁r 窄问特征的多功能厅占质控制仿真研究 ( 3 ) 利用人头传输函数( h r t f ) ，实现双耳可听化和多通道( 最多1 0 个通道混 合) 町听化，可以模拟出厅章建成后的听音效果。 本文利用上述o d e o n 的主要功能对扁平空间下两种声学装修方案就行对 比模拟分析。首先采用o d e o n 内置的o d e o ne d i t o r 参数建模语言和o d e o n e x t r u s i o nm o d e l e r 画图模板相结合的方法建立两种方案下多功能厅的三维声学 模型。然后利用o d e o n 提供多种工具对所建的模型是否有重叠面、扭曲面、声 线泄露等情况的产生进行检查。通过检查后，设置参数( 包括空气的湿度、温度， 背景噪声大小等) ，定义吸声材料的吸声系数，为每个面分配吸声材料，定义声 源的位置、特性和接收点的位置。最后进行计算，得到两种方案下的声场仿真结 果。这些结果既可以以数扼的形式输出，也可以以彩色二维或三维的的形式呈现。 图2 2o d e o n 软件使用的主要流程 3 2o d e o n 下三维模型的建立 三维模型的建立是利用o d e o n 模拟声场的研究中最基础同时也是最费时 费力的工作。o d e o n 中一般可以通过以下三种方式创建几何文件：一是直接在 文本编辑软件o d w e d i t 中使用规定的格式进行编辑：二是使用o d e o ne x t r u s i o n m o d e l e r ：三是使用第三方c a d 软件( i n t e l l i c a d ，3 d s t u d i o m a x ，m i c r o s t a t i o n ，r h i n o 或a u t o c a d ) 创建文件，并以d x f 文件导出，再导入o d