（信号与信息处理专业论文）百年老堂音质控制研究与实现.pdf

百年老堂音质控制研究与实现 捅要 一个城市的发展需要人文历史痕迹的保留和沉淀，而该座城市的建筑可以作 为其文化代表、城市的名片、城市历史文脉的传承与体现。 本文以中国海洋大学鱼山校区的百年老堂音质改造工程为背景，使用现代计 算机数据采集与分析系统对该老堂的音质缺陷进行了现场测量与准确的诊断。既 保留老堂的建筑风格又用现代声学技术对其进行音质改造，二者必须有机结合。 基于这一理念提出了可能的解决性方案。 本文在研究和实际实施过程中采取的主要技术路线是：( 1 ) 通过使用p u l s e 系统进行现场测量和o d e o n 计算机仿真平台上的模拟对比分析，准确判断百年 老堂的音质缺陷，为改建做好前期定位工作。( 2 ) 针对该缺陷提出解决方案，并 对该方案进行详细建模后预测改建后的效果。( 3 ) 改建施工过程中如何在细节上 保留老建筑的风格，同时又能符合声学技术的要求。( 4 ) 改建后再次使用p u l s e 完成现场测量工作，同时进行了模拟演讲录音，并将所测结果与改造前的数值采 用现代语音信号分析方法对其时域、频域、短时谱和语谱进行了详细的对比分析。 以期从主、客观两方面对百年老堂的音质改造效果做出正确的评价。 本文具有创新性的工作是：( 1 ) 设计研制了嵌入原巴洛克风格格栅吊顶的特 殊吸声结构：( 2 ) 设计研制了在中高频段有较高吸声量的大型帘幕吸声结构以期 改变老堂原巴洛克风格的大面积高窗对低频混响时间的衰减；( 3 ) 将现代舞台音 乐罩引入老堂舞台改造中，以期获得老堂的优化的扩散声场，从而满足老堂的音 乐厅功能，提高音乐的空间感。 关键词：百年老堂；音质缺陷；o d e o n ；语音信号处理 a c o u s tic air e s e a r c ha n dim pie m e n t a tio no f10 00idh ali a b s tr a c t ac i t y sd e v e l o p m e n tn e e d so fr e t e n t i o na n dp r e c i p i t a t i o no fi t sh u m a n i t i e s h i s t o r y st r a c e s ，a n dt h eb u i l d i n g si nt h i sc i t yc a nb eu s e da si t sc u l t u r e ，r e p r e s e n t a t i v e s o ft h eu r b a n sb u s i n e s sc a r d ，i n h e r i t i n ga n dr e f l e c to fh i s t o r i c a lc o n t e x ta b o u tt h e c l 够 t l i sa r t i c l er e s t so na c o u s t i c a lt r a n s f o r m a t i o no flo oo l dh a l lo fo c e a n u n i v e r s i t yo fc h i n a ，u s i n gm o d e mc o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e mt o m a k et h ef i e l dm e a s u r e m e n ta n da c c u r a t ed i a g n o s i sf o rt h es o u n dq u a l i t yo ft h eo l d h a l l k e e p i n g t h eo l dh a l l 谢t ht r a d i t i o n a l s t y l ea n du s i n gm o d e ma c o u s t i c a l t e c h n o l o g y f o ri t st i m b r e t r a n s f o r m a t i o n ，b o t ho ft h e mm u s tb ec o m b i n e d o r g a n i c a l l y t h ep o s s i b l es o l u t i o ni sb a s e do nt h i sc o n c e p t t h em a i nt e c h n i c a lr o u t ei nb o t hr e s e a r c ha n dp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o ni s ：( 1 ) t h r o u g ht h ef i e l dm e a s u r e m e n tw i t hp u l s es y s t e ma n ds i m u l a t i o na n a l y s i sw i t ht h e c o m p u t e rs i m u l a t i o np l a t f o r mt og e tt h ea c c u r a t ej u d g e m e n to fs o u n dq u a l i t yd e f e c t s o ft h e10 0o l dh a l l ( 2 ) t h ep r o p o s e ds o l u t i o n sa r em a d ea i m i n ga tt h ed e f e f e c t s a c c o r d i n gt ot h e s es o l u t i o n s ，b u i l d i n gt h e3 dm o d e lo nt h eo d e o ns o f t w a r et o p r e d i c tt h ee f f e c to ft h eo l dh a l la f t e rr e n o v a t i o n i 3 ) i nt h ep r o c e s so fm o d i f i c a t i o n c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，k e e p i n gt h es t y l eo ft h eo l dh a l li nd e t a i la n dc o m p l yw i t h r e q u i r e m e n t so fa c o u s t i ct e c h n o l o g ya tt h es a m et i m e ( 4 ) a c c o m p l i s ht h ef i e l d m e 删e m e n tw i t ht h ep u l s es y s t e ma f t e rr e n o v a t i o n ，a n dm a k eas p e e c hr e c o r d i n g s i m u l t a n e o u s l y m a k ead e t a i l e dc o m p a r a t i o v ea n a l y s i sb e t w e e nt h et e s tr e s u l t sa n dt h e o r i g i n a lm e a s u r e m e n t s ，u s i n gm o d e mv o i c es i g n a la n a l y s i sm e t h o do nt h et i m e d o m a i n ，f r e q u e n c yd a m a i n ，t h es h o r t - t e r ms p e c t r u ma n dl a n g u a g es p e c t r u m e x p e c tt o m a k et h er i g h te v a l u a t i o nt ot h eo l dh a l l st i m b r et r a n s f o r m a t i o ne f f e c tf r o mt w oa s p e c t so f s u b j e c t i v ea n do b j e c t i v e i i t h ei n n o v a t i v ew o r ko ft h i sp a p e ri s ：( 1 ) t h es p e c i a ls o u n da b s o r p t i o ns t r u c t u r e e m b e d d e dg r i l l ec e i l i n go fo r i g i n a lb a r o q u es t y l ew e r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d ； ( 2 ) t h el a r g e - s c a l ec u r t a i ns o u n d a b s o r b i n gs t r u c t u r eh a v eh i g h e ra b s o r p t i o nq u a n t i t y i nt h em i da n dh i g hf r e q u e n c ya r e a sw e r ed e s i g n e dt oc h a n g et h ea t t e n u a t i o no f l o w - f r e q u e n c yr e v e r b e r a t i o nt i m ew h i c hw i n d o w sw i t hb i g g e ra r e ai no l dh a l lo ft h e b a r o q u es t y l ei n f l u e n c e d ；( 3 ) t h em o d e ms t a g em u s i ch o o dw a si n t r o d u c e d t o r e c o n s t r u c t i o ni no l dh a l ls t a g e ，h o p e dt oo b t a i nt h eo p t i m i z a t i o ns p r e a ds o u n df i e l d o ft h eo l dh a l l ，s a t i s f yc o n c e r th a l lf u n c t i o ni no l dh a l l ，a n di m p r o v et h ed i m e n s i o n a l f e e l i n go fm u s i c k e y w o r d s ：o l dh a l l ；a c o u s t i c a ld e f e c t ；o d e o n ；s p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n g i i i 百年老堂音质控制研究与实现 1 绪论 1 1 引言 当今城市的发展日新月异，体现在建筑上的便是大面积的高楼耸立逐渐代替 了老式的低矮建筑，仅存的一些老建筑往往也是因具有历史价值而被保留下来 的。 目前，国内外有很多成功改造老建筑的案例，如意大利罗马的“红房子 老 年中心的改造工程，上海太平桥旧区的改造项目等等。中国海洋大学鱼山校区的 “六二楼”是一座古朴典雅的建筑，它的大门是拱形的，楼内的楼梯前也有拱形 廊柱，而楼梯却像登山的阶梯一样完全是石头打造，显得古雅、庄重而又充满异 域情调。 图1 - 1 古朴典雅的老堂外貌 1 9 1 4 年日德战争爆发，德国人战败，日本殖民者取代德国，开始了对青岛 的第一次殖民统治。“六二楼”最初便是日本殖民者在青岛的中学。这座建筑物 历经战火的洗礼，还是被完整地保存下来，成为中国海洋大学校舍的一部分。“六 二楼”的命名是为纪念青岛在1 9 4 9 年6 月2 号的解放而来的【i 】。 该楼还是山大“六二学运”的发源地。1 9 4 7 年6 月2 日，国立山东大学爆发 了“反饥饿、反迫害、反内战”的六二学运。这次学运就是在六二楼的“六二礼 百年老堂音质控制研究与实现 堂”拉开了序幕。“六- , k 堂”是1 9 2 1 年由日本建筑师三上贞设计的具有德国巴 洛克风格的建筑。这所百年老堂与海洋大学一同经历战争与和平，落后与繁荣， 是海洋大学历史的见证人，是文化传统的体现者。然而这个大厅多年来一直存在 一个未解之谜，即在此大厅内无论是演讲还是进行声乐演出，最终的听音效果都 很浑浊，致使很长一段时间内六二礼堂都处于空置状态，不再被使用。因此，解 开三上贞留给我们的这个谜团并通过改建使该礼堂得到更新再利用是我们目前 急需解决的问题。 1 2 音质实现的辅助工具计算机声场仿真 声场模拟可以简单概括为两种方法：第一种方法是传统的声学缩尺模型。所 谓缩尺模型口q 就是指将待设计的结构的尺寸缩小一定的倍数，再借助特定的声 源，通过对信号的测量、分析和计算来对结构内部的音质进行分析与评价的一种 物理模型方法；另一种方法是数字式声场模拟技术。近年来，随着计算机软、硬 件技术得到了迅猛的发展，计算机为人们提供了更为便捷的声场模拟途径。三维 声场的计算机模拟【4 j 建立的包括听觉、视觉在内的虚拟系统可以很好的模拟、复 原现实环境，更好的为实际工程的建筑声学设计提供可靠的决策依据。 1 2 1 基于计算机的声场仿真软件 各种计算机仿真为声场音质控制提供了强有力的工具，但是目前市场上比较 流行的计算机仿真软件【5 1 包括丹麦技术大学研制的o d e o n 声场仿真软件、德国 a d a 公司的声学设计软件e a s e 、比利时l m s 公司开发的r a y n o i s e 软件和 大型噪声分析软件s y s n o i s e 等。 e a s e 设计软件是专门的电声工程模拟软件，主要适用于以扩声系统为主的 室内厅堂设计。目前，很多声学设计者利用e a s e 软件并结合a d a 姊妹公司s d a 出品的一个关于线性阵列扬声器系统的声场模拟软件e a s ef o c u s 来设计并获得 较佳声学特性的各个扬声器的摆放数据，对工程施工有相当重要的实际指导作 用。 s y s n o i s e 软件【6 】精确来讲是声振耦合分析软件，它采用有限元法分析封闭 区域的内部噪声，一般结合有限元分析软件a n s y s 分析产生板混响现象的薄板 2 百年老堂音质控制研究与实现 的振动和声辐射特性。有时也会采用高级几何声学技术，分析复杂小型空间 的高频声舒适度，如汽车、火车和飞机的客舱等。 目前可以与o d e o n 设计软件相媲美的便是r a y n o i s e 软件了，它的主要 功能【7 】是可以对多种状态下的三维空间进行声学模拟，应用范围较广，包括封闭 空间、半封闭空间以及敞开空间等。r a y n o i s e 软件能够较准确地模拟声传播 的物理过程【8 】，这包括：镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等 现象并能最终重造接收位置的听音效果。该系统可以广泛应用于厅堂音质设计、 工业噪声预测和控制、录音设备设计、机场、地铁和车站等公共场所的语音系统 设计以及公路、铁路和体育场的噪声估计等。 上述四种软件是目前在厅堂高音质设计、工业噪声预测和控制、电声与音响 系统设计以及环境噪声评价四个领域中已经得到行业认可的，较成熟的仿真软 件。在实际应用中，往往以上四个领域互相穿插。例如，厅堂的音质控制中也会 遇到建筑设备噪声和使用布置电声系统的设计。所以，若条件允许可以采用多种 软件相结合的方式进行仿真对比研究。本文的研究对象是百年老堂的音质改造项 目，该厅堂的规模较小，最多可容纳4 0 0 人，人均容量为7 9 5 一，其使用功能 主要是面向艺术学院声乐与器乐的专业课教学和国际小提琴比赛，以及重大节日 的音乐会，这些未来的演出任务由于高度的专业化，均以自然声为主。而o d e o n 在上述软件中对室内厅堂的音质仿真具有自身显著的优势和精度。j h r i n d e l 等 p l 对维也纳m u s i k v e r e i n 音乐厅用o d e o n3 1 进行了声场模拟和实测，其结果 表明：通过o d e o n 对测点处的声压级和混响时间的计算所得的结果和实测结果 基本吻合。这说明o d e o n 可以可靠地应用在实际工程设计中，故本文优先采用 了o d e o n 声场仿真软件。 o d e o n 软件采用虚声源法与声线跟踪法相结合的混合法进行仿真模拟，它 可以计算很多关键的音质参数，包括【m 1 有声压级s p l 、a 计权声压级、早期衰变 时间e d t 、混响时间t 3 0 、语言传输指数s t i 、清晰系数c 8 0 、明晰度d 5 0 等。 1 2 20 d e o n 混响时间的计算方法 目前国际上对音乐厅的评价参数很多，但大家公认的具有决定意义的参数仍 是赛宾混响时间，这一现状可能会维持相当长的历史阶段。因此，我们在百年老 百年老堂音质控制研究与实现 堂改造项目中对评价参数的选定也以混响时间为主。首先利用计算机软件计算该 老堂的模拟混响时间，再与现场实测的混响时问进行对比研究。因此本文有必要 对计算机仿真求解混响时间的原理进行简单地分析与介绍。在本文将要采用的 o d e o n 声学仿真软件中，计算混响时间所用的三种方法l i t - 1 33 主要是： ( 1 ) 快速估算法 快速估算法可以分别采用两种公式估算厅堂的混响时间，即赛宾公式和伊林 公式。其中，赛宾公式又分为经典赛宾公式和修正的赛宾公式；伊林公式也分为 经典伊林公式和修正的赛宾公式两种。使用修正的赛宾公式或伊林公式时，首先 利用声线跟踪法得到各个反射面的撞击次数，然后根据各个反射面撞击次数的不 同而赋予不同的权重，最后求出此厅堂的平均系数从而得到混响时间值。 ( 2 ) 整体估算法 它是声源以随机的方向发出大量的声粒子，用声线跟踪方法进行追踪。 o d e o n 记录下每个粒子因为反射面的吸声和空气吸声造成的能量损失、所经历 的路程及其到达时间。一定数量的声粒子要发射出充满整个房间来得到可靠的计 算结果。越来越多的声粒子被方向随机的发射出来，直到混响时间的稳定到1 以内至少5 0 个声粒子。在运行结束的时候，每个面的撞击次数被记录下来，由 此可以得到这个厅堂的能量衰变特性，从而得出混响时间。以后，如果表面贴上 不同的材料，混响时间被相应的计算出来，而不用每一次都做新的声线跟踪。因 此，通过整体估算法得到的混响时间的值相比快速估算出的值更加可靠。 ( 3 ) 施罗德后向积分法 它是将仿真计算得到的声能衰变曲线根据i s 0 3 3 8 2 计算得到，由施罗德后向 积分法得到的混响时间的值最接近于实际值，但是利用此方法需要花费的时间也 比较长。 1 3 语音信号的短时分析 数字信号处理1 1 4 i 是- - f l 发展迅速、应用广泛的前沿性学科，它具有很强的理 论性和实践性。由于语音信号是时间和幅度都连续变化的一维模拟信号，用现代 4 百年老堂音质控制研究与实现 信息技术手段进行各种处理的第一步都是对信号进行数字化处理以及进行特征 分析。信号处理的传统方法是保证信号具有时不变特性，即信号是平稳的，不随 时间的改变而改变。由于经过数字化处理后的语音信号在整个时间域内是一个时 变信号，但是短时间内( 如几十毫秒) 可将其视为平稳信号，这样再利用传统处 理方法的手段我们称之为语音信号的短时分析。对语音信号进行短时分析f 1 5 1 分 为短时时域分析和频域分析两种，典型的时域特征包括短时能量、短时平均过零 率、短时自相关系数和短时平均幅度等。 对语音信号进行频域分析的方法很多，本文主要采用了基于m a t l a b 的傅 里叶频谱分析及语谱图分析，比较改造前后的六二礼堂内的相同一段语音在频域 上的差异性。 1 4 本文研究课题的意义及内容安排 评价室内音质的好坏有两个标准：客观评价标准f 6 i 和主观评价标准1 1 7 l 。我们 对厅堂实际施工前的音质设计( 包括计算机声学辅助设计) 是寻求厅堂建筑有关 声学的物理参数，使得到的客观指标符合获得良好音质的要求，这些要求称为客 观评价标准；听众( 也包括演讲者或演唱、演奏者) 对不同的声信号( 语言或音 乐等) 的主观感受有不同的要求，这些要求称为主观评价标准，也是评价室内音 质好坏的最后标准。 原始状态的老堂主观评价存在严重的音质缺陷：厅堂内听音浑浊，语言清晰 度差，观众无法分辨演讲者的话语。本文通过现场测量得到的混响时间曲线找出 可能导致百年老堂音质缺陷的根源所在，并利用现代计算机声场仿真技术辅助老 堂现场的音质改造工程。最后，在改造后的老堂内录制采集语音信号，连同改造 前的语音信号一起进行时域兼频域的分析，以期客观评价改造后的音质效果。 本文全文由六部分组成： 第一章绪论。首先简述了本文的研究背景，其次重点讲述了研究过程使用 的辅助工具计算机声场仿真技术，然后对本文的重点研究方法做了简单的介 绍 第二章解开三上贞之谜。通过实际的测量与研究，找出礼堂声学谜团的原 百年老堂音质控制研究与实现 因所在，为后期的改造提出解决方案。 第三章利用o d e o n 声场仿真技术对各种解决方案进行计算机模拟，并根据模 拟前后的结果对比，找出最适合老堂音质改建工程的方案，为老堂改造的真正实 施提供辅助参考依据。 第四章六二礼堂音质优化的具体实施。针对老堂的音质缺陷进行具体的施 工改造，并在改造完成后空场的状态下进行p u l s e 系统的现场测量，客观地分析 改建前后的音质效果对比。 第五章厅堂语音信号的短时分析。在改造前、后的老堂内，分别录制采集 一段相同的语音信号，利用基于m a t l a b 的现代数字信号处理技术分析对比两段 语音信号在时域及频域上的差异所在，从侧面验证老堂音质改建工程的优化程 度。 第六章总结与展望。总结本文完成的理论及实践工作，并展望人类对厅堂的 音质探索特别是非赛宾参数的发现，将会有许多突破性的进展。 6 百年老章音质控制研究与实现 解开三上贞之谜 2 1 混响时间的测量 解开这个谜团，就需要了解该礼堂的关键音质参数，尤其是需要知道该礼堂 的混响时间参数情况。 当室内声源停止发声后，声音衰减的过程称之为混响过程，而混响时间便是 度量混响过程重要的参数之一。所谓混响时间f 1 8 l 是指从声源停止发声到室内声 能密度衰减到原来的百万分之一( 衰减6 0 d b ) 时所经历的时间，记作t 6 0 。 理论上讲，可以通过赛宾公式求解混响时间，前提条件是声场满足扩散场的 条件。赛宾是美国著名的物理学家，是建筑声学这门学科的创始人。在1 8 9 5 年 到1 8 9 8 年的三年中，赛宾为解决哈佛大学f o g g 讲演厅语言可懂性差的问题研究 和测量中，得到了著名的s a b i n e 混响公式，它也是最早被用来计算混响时间的 公式，即 丁：堕鱼! 兰 式( 2 1 ) 上6 0 a 。 式中，t 6 0 为混响时间( s ) ；v 为闭室的容积( m 3 ) ；a 为房间吸声量( m 2 ) 。 a 是室内总表面积s 与其平均吸声系数万的乘积，即 a - - - 嬲 其中，万：堡! 蓬! 鱼蓬! ：堡! 墨! ：逃 s t + s2 + + sn s 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，s l ，s 2 ，o 9 s n 为室内不同材料的表面积( m 2 ) ；a 。，a ：，a 。 为室内不同材料的吸声系数。 实际测量中，由于本底噪声的干扰等原因一般选取t 3 0 或t 2 0 来取代t 6 0 。本 文选用了t 3 0 ，t 3 0 1 1 9 】为声压级衰减3 0 d b 所经历的时间乘以2 。 混响时间的长短对室内听音有很大影响，不同用途的房间有相应的最佳混响 时间。一般来说，混响时间过短，声音会变得沉闷、枯燥、使人容易感到疲劳； 7 百年老堂音质控制研究与实现 混响时间过长则会使声音前后叠加，产生含混不清的感觉。表2 1 列出了不同用 “途类型的最佳混响时间( 5 0 0 h z ) 的推荐值。 l ， 表2 - 1 不同类型厅堂的最佳混响时间( 5 0 0 h z ) 【1 8 j 厅堂用途 混响时间( s ) 厅堂用途 混响时间( s ) 电影院、会议厅 1 0 1 2电视演播厅0 8 1 演讲、戏剧、话剧 1 0 1 4语音录音 o 3 o 4 歌剧、音乐厅1 5 1 8音乐录音 1 4 1 6 多功能厅 1 3 1 5多功能厅体育馆 小于1 8 由表2 一l 可知，混响时间在5 0 0 f l z 下应该满足1 5 1 8 s 。好的音乐厅，如维 也纳金色音乐厅，阿姆斯特丹、波士顿和纽约卡内基音乐厅，其内墙甚至天花板 全部是用钢丝网灰泥结构，不用木板。这些音乐厅只有舞台是用木板搭制的，目 的是使演奏者可以感觉到音乐的振动。 本文使用p u l s e 数据采集与分析系统对改建前的六二礼堂进行了混响时间 的实地测量。根据混响时间的测量标准以及六- - e l 堂对称性的格局，我们在观众 厅内选取了9 个测点即听音点，测点编号分别为p t l p t 9 ，如图2 1 所示。 图2 1 测点及声源分布 8 百年老章旨质控制研究。j 实现 图2 - 2 原始状态下六二礼堂的混响时间 由图2 - 2 可知，礼堂的混响时间在低频处过短而在中高频处又过长。赛宾混 响公式的全面认可是美国声学学会的功劳，该学会成立于1 9 2 9 年1 1 月，每年举 行两次年会。当三上贞设计六二礼堂之时，正是赛宾混响时间并未被广为推广的 阶段，由此可以推断，混响时间并非三上贞所主要考虑的范围，这是造成六二礼 堂混响时间过高的主要原因之一。 2 2 音质缺陷的根源 2 2 1板混响 分析混响时间曲线发现，该曲线与板混响的混响时间曲线( 图2 3 所示) 吻 合。所谓板混响是指一块薄板可以用来产生某种混响信号。薄板上有一个驱 动器负责产生弯曲波，该弯曲波通过薄板进行传播，到达边缘时反射回来，就可 以不断积累类似混响的能量，再通过一个传声器来拾取该混响信号。板混响每个 倍频程内测量的混响时间都低于0 5 s 。 9 百年老堂音质控制研究与实现 图2 3 板混响每个倍频程的混响时间 分析六二礼堂的地板及天花板结构：木质地板铺设在地下室楼顶垫起的2 5 厘米宽的大梁上，地板相当于悬空着的一块大的木板；天花板采用了板条抹灰的 结构，而且天花板上面是很大的空间( 如图2 - 4 及图2 - 5 所示) ，这样的薄板空 体结构会因导致板混响现象而产生共振，这种共振最容易发生在低频，使低频混 响时间缩短，音色变得生硬刺耳，而对高频的吸收效果不明显。 图2 - 4 顶棚上方空腔结构 图2 - 5 板条抹灰结构的灯池 1 0 百年老堂音质控制研究与实现 图2 - 6 老堂木质地板 2 2 2 主要吸声材料 图2 7 通往地下室的阶梯 当声波入射到材料表面时，部分声能将被材料吸收，使反射的能量小于入射 能量，这就是材料的吸声 2 1 - 2 2 。任何一种材料都不可能达到完全吸声或完全反 射，也没有吸声性能完全一样的两种不同材料。一般情况下，我们采用吸声系数 ( 吸收声能入射声能) 来衡量一种材料的吸声性能；利用吸声量( 材料吸声系 数与该材料实际使用在围壁结构上的面积的乘积) 来表征某个材料的具体实际吸 声效果。 材料的吸声系数都是跟频率相一致的，对于一种材料，对应各个频率有各自 的吸声系数与之对应。六二礼堂天花板的板条抹灰结构及木地板的吸声系数如图 2 8 所示，表2 - 2 给出上述两种材料在六二礼堂的吸声量。 图2 8 板条抹灰及木地板的吸声系数 百年老堂音质控制研究与实现 表2 2 天花板及木地板材料在礼堂内的吸声量 6 3 h z1 2 5h z2 5 0h z5 0 0h z1 kh z 2 kh z 4 kh z8 kh z 板条抹灰 4 5m 24 5m 23 4m 2 2 0m 21 8m 21 2m 2 1 0m 2 l o m 2 地板 6 5m 25 5m 2 4 4m 2 3 8m s3 0m 22 1m s2 5m s1 0m 2 由图2 8 曲线可以看出，虽然板条抹灰及木地板的低频吸声系数高于在高频 的吸声系数，符合礼堂的混响时间低频偏低而高频偏高的状况，但在整个频率段 内的吸声系数最高也只达到0 1 6 ，因此我们对天花板及地板的板混响推断是正 确的。 六二礼堂长2 8 5 m ，宽1 5 9 m ，高7 9 m ，总面积为1 4 1 5 4 m 2 。大厅两侧的玻 璃窗( 图2 - 9 所示) 面积为1 0 5 2 2m 2 ，约占整个厅堂总面积的7 4 。由于玻璃 的吸声系数也存在“低频高、高频低 的特点，通过添加“低频低、高频高 的吸声帘幕将会改善厅堂的混响时间。 图2 0 老堂巴洛克风格的高窗 1 2 百年老堂音质控制研究与实现 经过如上分析，我们得出六二礼堂的改造理念，即在保留传统风格的前提下 消除声音缺陷，并把六二礼堂改建成为传统与现代特色相结合的礼堂。针对礼堂 混响时间低频偏低、中高频偏高的特点，我们在吸声处理方面主要是通过在礼堂 天花板的格栅内添加吸声材料或窗户上加吸声帘幕的办法；同时考虑该礼堂具有 一定的历史文化价值，对其古朴的建筑风格进行了保留。 百年老堂音质控制研究与实现 详算机仿真辅助设计 为了科学有效地指导和辅助六- - + l 堂的改建工作，我们在改建前进行了基于 声场仿真软件o d e o n 的计算机仿真研究。使用计算机辅助设计来计算混响时间 可以节约大量时间，另外通过计算机辅助设计还能得到除混响时间以外的影响厅 堂音质效果的其他参数。o d e o n 软件的使用大致可以分为以下几个步骤瞄】： ( 1 ) 建立房间模型 ( 2 ) 向房间添加声源和接受点 ( 3 ) 向房间各面添加材料 ( 4 ) 设置计算参数并进行计算 3 1 礼堂原始三维建模及仿真 为确保计算机仿真与现实相符合，我们严格按照老堂的实际建筑尺寸来绘制 三维模型，此精确尺寸是使用激光测距仪对六二礼堂进行了现场测绘( 空场条件 下) 得到的数据。此外，o d e o n 获得老堂的空间几何信息有三种途径：一是直 接在编辑软件o d w e d i t 中进行编辑代码实现；二是使用o d e o ne x t r u s i o nm o d e r l e r 工具；三是将从a u t o c a d 导出的d x f 格式的文件导入到o d e o n 中即可生成。 本文是结合前两种方式创建了老堂的三维模型。 f r e q u e n c y ? 。j 藜t ：s 确a b 鼬m e 。：( m 。o 。d + ”i f i 爱e i d i ) i t e 姘n g i ? t e y l i n g ( m o d i f i e 回 藏乏二。童j 幺鍪鍪鍪釜二。瘿照鹣鱼点霞滋遵曼麓缝童i ；誊董鍪。芝鼗爱誊笙。i 釜童琵遂 迫6 i 战裔醯i f | 诺碗鬻鋈蠢毹诺章童迁i 赢漱籀鞴釜目褥每舔薹荔馨，誓。j0 。j ，爱协譬萎r 。乎。i 。孑，孑乒 6 31 2 5 2 5 0 j 卿1 o2 0 0 0 l | i i 。i 8 0 0 0 嘲删o t z ) 图3 1o d e o n 软件快速估算法( q u i c ke s t i m a t e ) 计算的原始混响时间 1 4 呻一锶一撇汹鬻一黪謦 j蕈l|皴一l芝m_一 嚣谚嚣j 拗?，鬣童_镬。强 ? 缀_ 唧嚣磁攀锾繇 m童壹蕴。盘麓， 叩鳓骥缫强：一一。 够一以黔匏辚箍，。jjl蠢 2 曩乏z z z 5。9，7，7 s 舷黪鳓鸺。和埘、：- 醛鬻。镗，们码曩一 f 3 v z s 1 5 0 。jj一蒋u口箍o【喝 百年老堂音质控制研究与实现 图3 - 2o d e o n 软件整体估算法( g l o b a le s t i m a t e ) 计算的原始混响时间 图3 - 3o d e o n 软件施罗德后向积分法( g l o b a le s t i n 锄e ) 计算的原始混响 由图3 1 、图3 - 2 及图3 3 中模拟的结果可以看出，o d e o n 模拟的原始混响 时间与p u l s e 系统现场测量的结果相吻合，由此可以证明o d e o n 软件仿真能 得到比较精确的声学效果。 3 2o d e o n 辅助设计 3 2 1 混响时间的控制 考虑到o d e o n 只能模拟封闭空间的声场情况，礼堂v a r y 的地板以下的处理 无法模拟，本文主要从天花板、舞台侧墙、舞台台口及吸声帘幕等几个方面进行 耋蘸甏翳j一潮鬻黎琵垂鬣壁曩匿 鼍够峰啦警冀粤|jil8：|一|l m 坤1 2 m 孳臻哆 百年老堂音质控制研究与实现 计算机模拟比较： ( 1 ) 在天花板巴洛克格栅内添加吸声材料，降低高频混响时间； ( 2 ) 增加窗户及后墙上的吸声帘幕，增加低频混响时间。 根据上述方案对o d e o n 建模的原始三维模型进行修改，图3 - 4 是六二礼堂 改进后的三维模型，图中绿色部分便是在礼堂原始状态的基础上添加的顶棚吸声 ： 面。图3 5 则是为老堂的计算机模型中添加半帘幕后的3 do p e ng l 显示图。 图3 4o d e o n 系统中礼堂添加巴洛克格栅吸声后的3 d 模型 图3 - 5 添加吸声帘幕后的3 do p e ng l 显示图 经过精确地建模及合理的吸声材料配置，我们得到如图3 - 6 所示的两种情况 1 6 百年老堂音质控制研究与实现 下o d e o n 的计算结果。对比原始状态下老堂的混响时问曲线可知，为老堂的天 花板做吸声处理后，混响时间曲线在中高频段明显得到抑制，实现了对中高频段 混响时间的控制；再此基础上添加对低频吸声相对较低的帘幕，得到的结果是整 个老堂的混响时间在低频段有所提升。 o g4 屠3 豳 蕃2 曩 商1 c 、- 。 绷嘲 u 6 312 52 5 0 5 0 0l k2 k4 k 8 k 频率( h z ) + 原始状态 一巴洛克格栅吸声十帘幕吸声 巴洛克格栅吸声 3 2 2 语言传输指数 图3 - 6 模拟结果对比显示 厅堂的声学设计中另一重要的一项指标就是语言清晰度，它与室内空间的声 学特性有关。在过去的研究中已有学者指出5 1 除了采用混响时间外，还有其他 因素影响语言清晰度，诸如早期衰变时间e d t 、基于声能比的清晰度d 5 0 、早 迟声能比c 5 0 、语言传输指数s 耵等。采用混响时间t 3 0 评价和预测语言清晰度 的准确性不如采用上述参数评价和预测厅堂内的语言清晰度。清晰度d 5 0 、早迟 声能比c 5 0 、语言传输指数s 1 1 与主观评价汉语言清晰度得分之间具有高相关性， 标准偏差较小；早期衰变时间e d t 次之；混响时间t 3 0 与其他参数相比，与主 观评价汉语言清晰度相关性一般，标准偏差较大。 在一厅堂内讲话时，从声源到听众构成传输通道。语言传输指数【2 6 】 s t i ( s p e e c ht r a n s m i s s i o ni n d e x ) 的值可以客观的表述传输通道的清晰度即语言传 输质量。国际电工委员会和我国电声标准委员会也先后建议用s t i 或其简化指标 作为厅堂和扩声系统语言清晰度的客观评价参数。 1 7 百年老堂音质控制研究与实现 o d e o n 软件仿真将调制转移函数m ( o 转化为语言传输指数，并用脉冲响应 p ( t ) 或传输函数p ( f ) 来表示房间的传输特性。s c h r o e d e r l - 7 1 指出复调制转移函数对 应于房间脉冲响应的复数傅里叶变换，其实部等于平方脉冲响应的归一化傅里叶 变换： 川，= 等掣 ， 将调制转移函数的每个r l l 值都用来求出信噪比( s n ) 是求出语言传输指数 的前提和关键： ( s n ) 。= 1 0l o g 南 式( 3 _ 2 ) 把表现信噪比限制在- 4 - _ 1 5 d b 范围内求平均，得到平均表现信噪比： _7 ( s n ) = 国。( s 儿) k = l 式( 3 1 ) 式中，仞。为计权因子。最后，由平均表现信噪比经过归一化便可导出语言传输 指数： s 刀：! 垒! 丛! 竺 式( 3 _ 4 ) j u 利用o d e o n 仿真软件通过改变室内各表面材料以及添加不同的吸声结构来 对老堂进行不同情况的分别仿真模拟，获取观众区内8 个听音点处的语言传输指 数s t i 的值并作平均。 ( 1 ) 台口和台唇加宽1 5 米并将两侧侧墙设置反射板 ( 2 ) 舞台中设置音乐罩( 见图3 7 中的舞台区域) 1 8 百年老堂音质控制研究与实现 图3 7o d e o n 系统中礼堂舞台改进后的3 d 模型 已有文献指出，s t i = 0 4 5 作为语言清晰度的临界值【嚣】。图3 8 是采用o d e o n 仿真得到的老堂原始状态、巴洛克格栅吸声处理、巴洛克格栅吸声处理加帘幕设 置以及巴洛克格栅吸声处理加舞台反射罩设置等四种情况下8 个听音位置的语 言传输指数的平均模拟值。 图3 8o d e o n 系统中语言传输指数的模拟值 1 9 百年老堂音质控制研究j 实现 从o d e o n 系统中语言传输指数的模拟结果来看，老堂原始状态的语言传输 指数s t i l 由此可以看出，经过改造后的六二礼堂完全满足于国 际小提琴比赛的音质要求。图4 1 2 是改造后的六二礼堂同国际三大标准音乐厅 在低频比上的对比图。 1 1 2 1 1 1 0 8 丑1 - 0 6 骚 警l - 0 4 1 0 2 l 0 9 8 图4 1 2 六二礼堂和标准大厅低频比的对比 3 0 百年老常音质控制研究与实现 礼堂语音信号的短时分析 对厅堂音质好坏的评估分为主观评估和客观评估两个方面。为了检验六二 礼堂改在前后的听音效果，我们采用p u l s e 系统中的d a t ar e c o r d e r 软件分别录制 了改造前的湿声文件以及改造后的湿声文件。湿声是相对干声而言的，干声又叫 裸声，属于音频术语，一般指录音以后未经过任何后期处理和加工的原始人声， 本文的干声侧重于在没有混响的室外录制的声音文件。 语音信号具有时变特性p 卯，也就是说语音信号是随时间而随机变化的，在整 个时间域内具有不平稳性。但是，我们可以把语音信号在一个短时间范围内的特 性视为稳定的【3 6 。7 1 。这是因为人的肌肉运动有一个惯性，从一个状态到另一个状 态的转变是不可能瞬间完成的，而是存在一个时间过程。所以可以假设在没有完 成状态转变时，可以近似认为它不变。只要时间足够短，这个假设是成立的。 在一个较短的时间内语音信号的特性基本保持不变，即语音的“短时平稳 性 ，是语音信号处理的一个重要出发点。因而可将语音看做是一个准平稳过程， 可以采用平稳过程的分析处理方法来处理语音。对语音进行“短时分析 【38 】的 首要工作便是对语音信号的分段处理工作，此分段处理以时间为标准，一般认为 1 0 3 0 m s 是最佳的时长范围，也就是我们通常所说的帧长。 m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 的简称，它是一款功能强大的 具备交互式环境的数学软件，是实现数据分析及计算的有力工具，主要包括 m a t l a b 和s i m u l i n k 两大部分。用m a t l a b 实现语音信号的分帧【3 91 有两种方法： ( 1 ) 在语音工具箱v i o c e b o x 中有分帧的函数e n f r 锄e ； ( 2 ) 自行分帧：如将长为n 的语音信号x ，分成每帧长为l ，每两帧之间重叠m ， 则共可分成k 帧，s 是分帧后的数据。 5 1 语音的采集与处理 本文采用p u l s e 系统中的d a t ar e c o r d e r 软件在改造前后的六二礼堂内录制了 一段语音信号，并利用m a t l a b 对其进行加窗处理完成对该语音的时域和频域 的短时分析。音频格式采用脉冲编码调制的单通道、2 5 6 k b p s 位速、1 6 k h z 采样 3 1 百年老堂音质控制研究与实现 频率及1 6 位编码制。 如图5 1 所示，录音之前我们首先需要将p u l s e 系统的r e c o r d e r 软件、3 5 6 0 b 数据采集硬件部分通过计算机连接起来，并将传声器连接到3 5 6 0 b 数据采集前 端的响应接口。这样，演讲者的声音变可通过传声器发送到3 5 6 0 b 数据采集前 端，继而p u l s e 系统的r e c o r d e r 软件便可对声音进行时域信号的记录及回放分析。 巷= 忿 5 6 0 b 数据采集前端 图5 - 1p u l s e 系统录音总体设置 本文采用的r e c o r d e r 软件是p u l s el a b s h o pv e r s i o n11 2 0 版本，此软件录制出 的声音文件为时域缸文件，将此格式的文件导入到p u l s e 系统的s o u n dq u a l i t y 即声音品质中便可转化为w a y 格式文件输出，方便我们主观聆听其声音效果。 信号是传递信息的函数，语音信号是信号的一种，它是基于时间轴上的一维 数字信号。在信号分析中，频域往往包含了更多的信息，在这里主要是对语音信 号进行频域上的分析。对于频域来说，大概有8 种波形可以让我们分析：矩形方 波，锯齿波，梯形波，临界阻尼指数脉冲波形，三角波，余旋波，余旋平方波， 高斯波。对于各种波形，我们都可以用一种方法来分析，就是傅立叶变换：将时 域的波形转化到频域来分析。