CARA 简单教程.doc

CARA 简单教程之一：房间设计准备直接翻译一下官方的教程，方便大家学习CARA，由于最近实在忙，不一定会及时更新，请见谅。 一、房间基础（新房间设计向导） New Room Design可以方便地进行一个新文章的基本设置，有四项：房间平面图模板、尺寸、墙面材料和扬声器配置。 首先要选择一种房间平面模板，可以是简单的矩形，也可以是其它的，如 L 形。在第二页，你要定义房间的基本尺寸，按 F10 可以输入非公制单位如英尺等。如何要做倾斜天花板，输入房间的最大尺寸。注意：房间的高度在向导关闭后就不能再修改。第三页，选择基本材料。地板、墙、天花板的材料决定声学特性(吸声系数)。“Grid points level”定义网格水平面高度，推荐与听音耳朵齐平。默认 100cm 是假设听音者坐在沙发上。最后一页，选择你的扬声器配置。可以选择立体声、四声道等环绕声配置。CARA 2.1 PLUS 包含10种数字环绕配置，可以适应未来的发展需要。二、修改房间平面结构 如果房间模板中没有你的房间类型，你可以选择最相近的模板，然后对平面结构进行修改。从 Draw 菜单中选Floor Plan。选择一个角落点或点击墙内沿插入一个角落点。使用 Guidelines 辅助线可以精确地度量你的房间平面。单击四周的标尽可以添加和删除辅助线。在 View 菜单可以找到更多方便房间设计的工具。他们是：Snap to Floor Plan 吸附到平面结构Snap to Object Points 吸附到对象点Use Guide Lines 吸附到辅助线Use Grid 吸附到网格 三、插入家具 从 Edit 菜单选择 Load Group 就可以从 CARA 的家具数据库中选择家具放入你的房间设计。 另外，你也可以自定义家具。家具都是几个 3D 对象组合而成，并会保存数据库中，可以用于其它的房间设计中。 在房间设计中，3D 对象（家具）可以任意扭曲和移动。3D 对象不仅用来模拟家具，还可以用于更多的应用场合，如内部的墙壁、门框、窗台、托梁、倾斜的天花板、平台等。 但是，你要考虑如自动位置优化等的计算时间，会随房间内反射或吸收面的数量增加而增加。因此不必考虑全部的家具。家具的放置靠近扬声器或听音者音染的影响最大。同样大家具也比小家具影响大。 另外，新版 CARA 2.1 PLUS 的功能 Acoustic Ambiance（声学环境）评估你房间的声学特性并提出一些改进意见。因此，房间设计中有2个建议：新建一个详细的房间设计，确保包括所有的家具和材料表面。详细信息都在声学环境（Acoustic Ambiance）分析中。新建一个最简的房间设计，只有主要家具。通过计算确定声场和扬声器和听音位的优化，计算时间短但精度差些。 四、材料表面 房间墙壁和 3D 对象的材质可以从材料数据库中选择。材料的吸声系数影响混响时间，进而影响声学环境的评估。 你也可以定义墙内的特定矩形区域（材料表面），模拟门、窗、窗帘、地毯。通常它们的吸声系数不同于各自的墙面。 材料表面和墙壁是二维的，因而不会增加计算时间，但 3D 对象是三维，如家具，会显著增加计算时间，因为 3D 对象增加了房间内的吸声和反射面。 使用辅助线可精确地确定材料表面的尺寸。 五、材料的选择 房间墙壁和3D对象表面的材料从材料数据库中选择。材料数据中指定的吸声系数会在对话框中用频率响应图显示出来。 Description 里有所选材料的说明。 彩色区域显示材料纹理，用在 3D 视图和地板、天花板、墙壁的 2D 视图中。 Material Groups说明材料分在哪一类中。六、声学环境 房间的声学环境主要是通过混响时间体现出来，或声源停止后到声学场强度(能量密度)衰减60dB所经历的时间。这个时间与房间的大小和房间内墙壁、家具对声波的吸收密切相关。吸收强混响时间就知，吸收弱混响时间就长。长混响时间：回声非常强的房间 长的混响时间发生在大的、空旷的房间，如教堂，以及反射强烈的房间，如贴瓷砖的浴室。许多人形容这些房间的环境“活”，或“回声”。这些房间中语言清晰度较低，声音尖锐，拍掌会导致颤动回声。这些回声可能在房间不同的位置表现得更明显。短混响时间：挤或乏味的房间 短的混响时间发生在有许多声音阻尼的房间。这使人感觉房间比实际的小。会使大多数人感觉房间环境“挤”或“乏味”。图书馆就是一个例子（注：应该是书库）。人是根据混响时间来判断房间的大小的。混响时间会导致声染色 通常的房间吸收高频比低频多，导致低频混响时间比中频或高频的长得多。对话框中细红线是一个感觉比较理想的房间的例子。绿线显示理想的混响时间在频谱上的上、下限。混响时间偏离了这个范围，人们就会感觉声音不自然或有强的声染色。CARA 有助于你改善你房间环境 CARA 会帮你判断混响时间在频率上与理想范围的偏移量。这些计算考虑了房间的结构也考虑了家具和材料的使用。这些计算与扬声器系统无关。 经过计算，CARA 描述房间的声学环境，并提出改进意见。通常是添加或移走家具，或改变房间表面的材料。七、扬声器和听音位置 房间设计的最后一步是确定听音位和从扬声器库中选择扬声器并放在实际位置。如果你先放置听音位，主扬声器的朝向会自动调整。 调整围绕着扬声器的位置区域（矩形），以及吸音位的位置区域。Positioning Region（位置区域） 可以通过矩形框来调整大小。你可以指定特殊形状的位置区域，如 L 型或两个单独的矩形区域。当进行自动位置优化的进修，扬声器和听音位可以在这些区域内部移动，寻找最佳摆位。用鼠标右键点击扬声器或听音位，允许你调整位置区域到地板的距离和垂直高度。 设计全部完成后，你就可以从 CARACAD 模块的工具栏中点 CARACALC 开始房间的声学计算了。 八、3D 房间的 3D 视图 在3D View模块你可以在你设计的虚拟房间中走动，检查你的设计。 这在许多情况下都是非常有用的，根据平面图来想象 3D 效果较困难。特别是你设计了一个复杂的房间结构如倾斜的天花板、老虎窗等。CARA 简单教程之二：声学计算 一、位置优化 (Positional Optimization) 二、可听化 (Auralization) 利用声卡和耳机，你可以完成虚拟房间的听音测试，如比较扬声器在不同位置的差别。房间瞬态响应 （Transient Room Response） 可听化计算从 Calculation 菜单开始，在 Transient Room Response (TRR)中显示结果。TRR 使 CARA 能确定房间中声染色对音乐重现的影响。可听化计算用固定的频率步长，0.1 . 2.5 Hz。频率基点总数最高为 500,000 个。相比较而言，CARA 的计算，例如特殊计算、声场计算，使用固定频率步长，在118频率基点会有比较大的颗粒点(对数刻度)。 TRR 可以呈现和保存，便于进一步计算。通过菜单 Results/Auralization: RIA.可听化，听音测试： 可听化听音测试比较原始音乐与房间中扬声器的再现音乐。要建立扬声器的音乐再现，原始音乐信号必须与房间瞬态响应混合。原始音乐信号和再现信号都要用声音文件保存到硬盘上。然后使用 ETS Multi Media Player 来实现听音测试。 原始音乐信号片断是听音测试必须的，选择你最喜欢的或你认为很好的片断。音乐片断应能提供非常宽的频谱（低频、中频和高频），并且整个音乐片断中较均衡。例如：Jazz、POP 或摇滚音乐。 CARA CD-ROM 包含多种音乐样本。 你也可能用 ETS Multi Media Player 来比较多扬声器的再现。与原始音乐样本进行同一房间的不同变化对比，如不同的扬声器位置。保存处理过的声音文件，然后在播放器中进行比较。补充说明： 房间瞬态响应 (TRR) 是在听音位声压级随时间的变化。从扬声器发出单一的狄拉克（或增量）脉冲，测量在听音位的原始声音和从墙壁、天花板、地板、家具的一次和多次反射的声音。 真正的狄拉克脉冲需要的带宽不适用于扬声器。CARA 通过在计算中挑选扬声器类型来考虑电-声转换。CARA 的 TRR 计算基于在听音位的合成声压频率响应的傅里叶逆变换。 TRR 对话框显示正和负的声压振幅，这些振幅平方的结果显示在混响对话框中，可与特殊计算中的高分辨力版本进行比较。 三、声场计算 (Sound Field Calculation) 除了自动位置优化，在 CARA 中声场计算是最常用、最重要的功能了。 首先，从 Options 菜单中调用 Parameter，如调整最大反射次数(Maximum Reflection Order)为4-5，为下一步的声场计算，你如果不在乎多花些计算时间，可以增加这个值。 声场计算Sound Field Calculations确定房间声学的全部数据，在听音者耳朵水平面上有 1,000 -3,000 个均匀分布的网格点。这些涉及到声压频率响应、位置、语言清晰度，也包括房间中声波的时间相关性。 声场计算的结果基于扬声器的当前位置。 根据这些结果，综合考虑声染色(频率响应的线性)、位置 (声像)和语言清晰度，你可以找到最佳的听音位置。 如果扬声器位置不变，这可以代替位置优化 Positional Optimization。 四、计算参数 (Calculating Parameters) 此对话框允许你编辑计算参数。如果你无法确定你的调整是否合适，点 Standard使用默认值，默认的设置适合大多数情况。 最大反射次数 Maximum Reflection Order 与计算精度有关，但也影响计算时间 Calculating Times。 如果你的房间包含很多的多面体，计算时间会大大增加。在这种情况下，你可以减小 Maximum Reflection Order 或删除一些多面体（如删除一些家具）。 启用 complex 的墙阻抗 (Wall Impedances) 会增加计算精度和计算时间。默认墙阻抗是 real。 长的计算时间带来较高的计算精度，这是基本法则。 可听化参数最大长度 (Maximum Length) 和取样率 (Sampling Rate) 定义房间瞬态响应的计算。TRR 是可听化(听音测试)的基础。TRR 包含了房间中房间声学对音乐再现影响的全部信息。 计算时间 Calculating Times 对话框显示可见房间多面体和全部房间多面体的数量。多面体数量取决于实际的房间设计，在开始首次房间声学计算前由 CARACALC 模块决定。声波只能在可见墙壁(多面体)上反射(和部分被吸收)。 另外，所需计算时间的估算也取决于最大反射次数Maximum Reflection Order。 计算时间只涉及到一个扬声器和一个听音位。全部计算时间是扬声器数和听音位数量的倍数。 对于矩形房间(无家具)的计算时间非常短 (最多1000次)，因为所有的反射声波都可以在实际声学计算前确定和跟踪。 五、计算跟踪器 (Calculation Tracer) 跟踪器显示当前声学计算的状态信息。进度条显示涉及一个扬声器和一个听音位的时间花费。 在声场计算期间，听音位置 Listening Positions 数显示还没有被计算的数目。可以随时终止计算，但计算结果会被删除。 自动位置优化期间，显示最近一次尝试时的尝试数 Trials、优化数 Optima，以及开始偏移 Start Deviation、当前最佳位置的优化偏移 Optimum Deviation 和当前偏移 Current Deviation。 位置优化也可以随时终止，这种情况下，当前优化位置和相应的声学结果可以被保存到硬盘。 六、比较: CARA 和实测 上图显示 CARA 计算的声压频率响应(红色)与实测结果(绿色)的比较。 听音室大小 (L/W/H) 8.06/5.87/2.62 m。在前面角落放有发泡橡胶吸声器。后面是一个深 60cm的带门书柜。左侧墙另有一个约8平方米的书架。二路测试扬声器放置 90cm高脚架，距话筒3米，距前墙1.6米，距左侧墙1.8米。 频率响应用最大反射次数12计算。 比较显示 CARA 计算和实测有非常好的匹配度。我们不知道其他的声学仿真软件是否有这么高质量的匹配。可能是其他软件大多没有考虑复杂声压振幅的相位部分。此外，扬声器模块也可能不十分精确。 例如，CARA 从 5 到 40,960Hz(间隔1/9倍频程) 使用4000个复杂频率响应 (围绕扬声器 1000个方向，4种不同的距离)来模拟扬声器的声音辐射。 在运行位置优化前，你必须从 Options 选项菜单中调用 Parameter 参数设置。如，调整最大反射次数 “Maximum Reflection Order”为4到5。另外你可以使用一些位置优化的对称约束条件。这些涉及到你的主扬声器配置。你可以要求两扬声器距离前或侧墙相等，这要从菜单 Options / Variational Ranges 中选择。 在优化的过程，在主窗口中扬声器和听声位的位置在每次优化完成后都会发生变化。同时如果预先显示 SPL 频率响应曲线（菜单 Results / Positional Optimization），也会更新。 计算跟踪器(Calculation Tracer)显示一步一步的优化过程。 你也可以随时中止计算，从 Calculations 菜单中选 Break。保存当前优化结果。 有时需重新启动优化，如调整起始位置、位置区域、最大反射次数以后。一、频率响应 Frequency Response 一个频率响应曲线显示了听音位处声压级与频率的相关性。声压级与音量相关联。 Total Sound 包含到达听音位全部声波。 First Wave Front 只包含1-2毫秒内到达听音位的声波。 Direct Sound 不包括任何反射声波。(消声室响应). 反射声波共同组成了扩散声场。 频率响应和其它类型的 XY-图表都由模块 ETS2DView 表达。此模块提供了许多的功能来分析或处理你的结果：缩放，调整列表中的缩放范围用鼠标指针编辑曲线拖放处理曲线和图表线性和对数刻度不同的图表显示方式设置极坐标、XY 图表、轨迹图表的显示呈现参考曲线带样式工具的打印预览特殊的曲线操作：平滑(移动平均值) smoothing样条插值 spline interpolation分化 differentiation一体化 integration曲线回归 curve regression建立任意数学函数的图形 (包括复杂的计算)应用数学函数到导入的曲线值导入和导出：ETS2DView 曲线使用宏语言的任意文本文件声波文件 二、位置图表 Location Diagram 人耳定位声源(立体声定位)，根据所谓第一波阵面(First Wave Front)的入射角来判断。第一波阵面包含一个声音脉冲在1-2毫秒内从声源到达人耳的全部的声波(包括反射波)。 第一波阵面入射方向与基准方向(如声源到听音者)的偏差，在 CARA 中用所谓的位置基准数(Location ReferenceNumber)来描述。位置基准数为 +1 表示入射方向与基准方向完全匹配，为 -1 表示入射方向与基准方向相反。 位置图表显示听音位处位置基准数的频率相关性(绿色曲线)。 红色曲线表示 Total Sound，显示入射角不再恒定，而且变化相当大，声波传播是扩散。该曲线没有实际意义，只是作为附加信息呈现。 三、混响图表 Reverberation Diagram 要检查房间中声场的时间特性，你要考虑到，从扬声器发出的单个狄拉克脉冲，会在房间墙壁反射许多次后，依次到达。把这些脉冲显示在时间图表中就是房间瞬态响应。对房间瞬态响应平方产生声音能量密度(Sound Energy Density：在听音位单位体积的声音能量)的度量，作为时间的函数。此图表称为混响图表(红色曲线)。 计算听音位在全部时间段(时间从 T=0 到 T=结束)内的能量密度，结果就是总能量密度。此总能量密度与白噪声信号永久激励使听音位产生稳态声场的能量密度相同。 对混响图表从时间 T=t 到 T=结束进行积分，就计算出总能量密度的时间相关性。此曲线（绿色）在 CARA 中就称为混响图表的积分。 曲线的时间衰减就得到混响时间，或所谓的早期衰减时间 EDT(如T10)。 四、混响时间的频率相关性 Frequency Dependence of Reverberation Times 混响时间的定义为声源停止后，到稳态声场的声压级衰减 60dB 时的时间间隔。所谓早期衰减时间(EDT) T10 就是声压级衰减 10 dB 所花时间的6倍时间。在 CARA 中，EDT 通过混响图表计算得到。 将一个辅助混响图表分为40个单独的频带，进行计算，就能确定早期衰减时间 T10 的频率相关性。 混响时间可由 Sabine、Eyring 和 Kuttruff 公式确定，都显示在图表中。如果房间是矩形、 凸面很少，则这些混响时间与实际情况相当吻合。 EDT T10 值要与实际吻合，计算要更高的精度，参数设置中最大反射次数要设到20左右。 五、平均吸声系数的频率相关性 Frequency Dependence of the Averaged Sound Absorption Coefficients 房间的混响时间取决于容积和房间表面声音反射/吸收的声学特性。 表面的声音吸收由吸声系数决定。如吸声系数为10%，表示10%的声能被吸收，90%的声能被反射。吸声系数取决于墙的材料和频率。通常随频率升高。 全部表面的听声系数平均值，要考虑各自表面的大小及它的吸声系数。此值对当前房间是唯一的，并与频率相关。CARA 简单教程之四：3D 结果 一、SPL 频率相关性 (驻波) CARA 在 5 - 40960Hz 范围内取 118个频率，对房间内均匀分布的 1000-3000个位置进行声压级计算。稳态波动图式就是驻波的表现。这些结果通过 ETS3DView 模块用 3D 形式呈现出来。 图形表示可移动、旋转、动画，颜色标尺也可以按自己的喜好调整。 图中左边显示在一个非矩形房间中声压分布的稳态，由5个扬声器（环绕声配置）激励，频率为 86.