计算机辅助设计技术在扩声系统工程设计中的应用

1、计算机辅助设计技术在扩声系统工程设计中的应用吴帆 电气1201 U201211698（华中科技大学 电气与电子工程学院，武汉 430074）【摘 要】长期以来，室内声学设计一直都是建筑声学领域内的一项技术难题。由于声音在建筑内传播和衰减比较复杂，容易造成建筑完工后声学质量难以达到预期标准，而后续的补救措施受到建筑整体结构的限制有很大的局限性，同时也会造成人力物力的浪费。近年来，随着声场数值计算理论、计算机软硬件技术和信号处理理论的快速发展，数字室内声场模拟技术有了很大的突破，已经出现了一大批得到广泛应用的声场模拟软件，如丹麦的ODEON、德国的EASE、瑞典的CATT等等。这些软件和技术能够准

2、确的在建筑结构建成之前仿真模拟出设计方案的音质效果，为建设施工提供有效的指导。本文简要介绍了声学扩声设计基本思路以及这些软件的简介。【关键词】计算机辅助设计 扩声系统 工程设计The Application of the Technology of Computer Aided Design in Sound Amplifying System DesignWU Fan SEEE1201 U201211698(HUST SEEE, Wuhan 430074)【Abstract】For a long time, indoor acoustic design has been a technica

3、l problem in the field of architectural acoustics. As the sound propagation and attenuation of sound in the building is complex, it is easy to achieve the expected standard of acoustic quality after construction, and the follow-up of the remedy is limited by the overall structure of the building, bu

4、t also cause the waste of manpower and material resources. In recent years, with the rapid development of numerical calculation theory, computer software and hardware technology and signal processing theory, digital indoor acoustic field simulation technology has been a great breakthrough, has emerg

5、ed a large number of widely used sound field simulation software, such as ODEON, Germany's EASE, CATT and so on. These software and technology can accurately simulate the sound quality effect of the design plan before the construction is completed, and provide effective guidance for the construc

6、tion. This paper briefly introduces the basic ideas and the acoustic sound reinforcement design software.【Key words】computer aided design; amplifying system; engineering design1 引言1900 年，自赛宾发现混响时间公式后，建筑声学不断得到发展和完善。设计者为在设计阶段能够提前知道厅堂声学特性和建成后音质效果，采用多种方法研究厅堂声学：早期的音质模型实验，采用水槽，从水波的反射来看出声波的界面的反射情况；193

7、4 年，斯朋多克提出最早的声学缩尺模型技术，采用 1：5 的模型和变速录音的方法研究混响过程；经过几十年发展和深入研究，到了60-70 年代，声学缩尺模型技术达到成熟期，并在模拟厅堂声学特性上积累丰富经验。该技术至今应用广泛，但是，由于经济成本较高，所需要实验设施多，该技术只应用于一些重要的建筑上。随着计算机技术的发展，为弥补声学缩尺模型技术的不足，厅堂声学数字仿真技术开始发展起来，从 20 世纪 60 年代至今，大约有 40 年的发展历史。目前, 室内声场计算机模拟技术已在建筑声学、

8、心理声学、虚拟现实、计算机辅助设计等领域受到广泛重视并已开始步入实际应用阶段。据进展情况及研究规模, 声学计算机模拟发展历程大致分为三个阶段：  发展初期: 20 世纪 60 年代末开始,对室内声学的研究仍以经典的统计学理论及缩尺模型技术为主。  快速发展: 20 世纪 80 年代前后,A.Krokstad, A.Kulowski,Borish, H.Lee等人从算法设计和程序实现方面对 RTM 和 ISM 

9、;方法进行了进一步研究,使得它们可直接用于三维封闭声场的模拟。尽管受当时计算机技术的限制,该软件还不完善, 但其商品化信号表明,实现全数字式可听化已经指日可待, 同时也标志着室内声场计算机模拟研究开始向应用阶段迈进。  面向应用: 20 世纪 90 年代中期至今进入 20 世纪 90 年代后, 出现了一个研究声场计算机模拟方法的高峰时期。这一阶段,对声场计算机模拟方法的研究出现了多样化的趋势,除了最为流行的声线跟踪法、虚声源法和混合法外, 声束跟踪法以及声

10、学辐射度法等改良的方法陆续被提出, 并在不同的算法中得到了应用。建筑声学设计正面临着从传统的经典设计模式向计算机辅助设计模式转变，这是计算机硬件、声场数字模拟与厅堂音质设计相结合技术发展的必然趋势。经典设计模式:是指厅堂形体设计、容积选择、混响控制、噪声控制、声场均匀度估算、建筑缩尺模型实验、修改和调整设计方案。计算机辅助设计模式:是指采用声场模拟软件在计算机中建立房间模型、设置与国家标准要求相一致的建筑声环境、进行音质参量模拟和预测、在房间不同听声位置进行声效预听、修改和调整设计方案。通过设计，提供吸声材料布置方案和扬声器布置、安装方案。计算机辅助设计模式能够为建筑厅堂声学

11、0;随着计算机及信号处理技术的发展，国际上一些研究机构和大型声学公司经过 10 多年的研究，相继推出了各种声学模拟软件。比较著名的如德国 ADA 公司的 EASE，比利时 LMS 公司的 SYNIOSE 和 RAYNOISE，丹麦科技大学的 ODEON、瑞典的 CATT 公司的 CATT，意大利帕尔玛大学的 RAMSETE。它们都能对 ISO3383标准所规定的声学参量进行声场模拟运算，大多具有可视化和可听化功能。 20

12、60;世纪 90 年代前后，中国也先后有研究机构开展室内声场计算机模拟研究，国内由于在这方面研究投入不足，研究规模有限，持续开展该方向研究的机构少，总体水平与国外存在一定差距。2 声学扩声系统简介扩声系统通常是把讲话者的声音对听者进行实时放大的系统，讲话者和听者通常在同一个声学环境中。成功的扩声系统必须要具有足够响度(足够的声增益)和足够的清晰度(低的语言子音清晰度损失百分率)，并且能使声音均匀地覆盖听众，而同时又不覆盖没有听众的区域。扩声系统包括扩声设备和声场组成，主要包括声源和它周围的声环境，把声音转变为电信号的话筒，放大信号并对信号加工的设备、传输线，把信号转变为声信

13、号的扬声器和听众区的声学环境。扩声系统设计通常从声场设计开始，逐步向后推进到功放、声处理、调音台和声源。因为声场设计是满足系统使用功能和音响效果的基础。因此这种向后推进的设计步骤是十分必要的。室内扩声系统的供声方案根据使用功能、房间体型和服务区大小选择供声方案。1.集中供声（点声源供声）优点：可有效减小声源间的干扰，音质清晰、视听方向一致、听感自然、声场均匀。缺点：声能损失较大，不适宜空间较低的房间和狭长的房间，集中式供声系统的扬声器吊挂高度不应低于810m，否则声场不易均匀。2.分散式供声适用于狭长房间、高度较低的房间、混响时间较长的房间或隧道扩声系统。优点：声场均匀，声能损失少。缺点：视听

14、不一致，声源之间干扰大，尤其是在两个声源覆盖的交叉重叠区音质差。3 ease软件简介EASE是Electro Acoustic Simulator for Engineers 的英文缩写, 意思是电子声学模拟工程软件。EASE软件是目前在全球声学设计界对于厅堂的建声和电声系统设计模拟分析过程中使用最广泛的声学设计软件。它将建筑设计师、装修工程师、音响师和声学专家之间建立了共同语言。它能在建筑完工之前就能模拟最终的声音质量，并能听到和看到声音效果。这就是EASE开发的目的和意义。EASE是由德国ADA公司研发的世界最权威的声学设计软件，

15、也是国内权威部门认定的声学设计软件。Ease的主要功能有：1） 建造房间模型，进行建声设计和电声系统配置； 2）计算和显示厅堂的混响时间及其频率特性； 3）计算和显示厅堂的声压级分布曲线； a）计算和显示直达声声场的声压级分布曲线      b) 计算和显示直达声和混响声的总声压级分布曲线 4） 计算和显示厅堂的声音质量；      a） 辅音清晰度损失 b）快速语言传递指数   

16、60;   c）声音清晰度 5） 查看声音的传输特性；        a）声线跟踪        b）影视显示6）预听厅堂的声音效果； 7）计算直达声与混响声的声能比 ；   8）计算和显示一定时间内的直达声与混响声声能之和； 9）计算和显示扬声器在听众区的瞄准点及声场的等声压级图； 10）显示扬声器在-3Db、-6dB、-9d

17、B覆盖角的声线图； 11）计算和显示在听众席某一测试点处的频率响应曲线。4 ODEON软件简介ODEON建筑声学模拟软件(声学模拟、声学测量和听觉模拟)是丹麦技术大学的声学研究人员研制的一款建筑声学模拟软件。目前，独立公司Odeon A/S还一直在进行研究和开发工作。ODEON开发用于建筑室内声学仿真模拟。基于室内几何和表面性质，可预测、图解并试听室内声学效果。该软件结合了虚源法和声线追踪法。利用ODEON进行室内声学模拟，即对3D模型中声源到接收点的房间脉冲响应进行预测，这些模型可以从SketchUp或其他 CAD软件中导入。软件可以导出T30, T20, EDT, SP

18、L, STI, Clarity等声学参数。通过控制室内反射、声吸收和界面散射性质，可使音乐、语音及扬声器系统达到想要的声学或降噪效果。这款声学预测软件能很好地处理室内声学、扩声系统，从而用于几何形状比较复杂的厅堂、剧院、音乐厅、教堂、运动场、开放式办公室、门厅、餐厅、录音室、地铁站、机场、工业环境及室外场所。ODEON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:声线跟踪法和虚声源法。1声线跟踪法在室内声环境下，声源通过向四中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

19、能量衰减和传播方向改变。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-）倍（其中为界面的吸声系数），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虚声源法声源在封闭空间的各个壁面的对称点上都存在着它的“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。如在图2中，S1，S2，S3，S4，S5是声源S在各个壁面上产生的一级虚声源；S21是一级虚声源S1产生的二级虚声源；S31是二级虚声源S21产生的三级虚声源。各级虚声源的能量取决于它得以产生的壁面的吸声系数和该虚声源的级别。当球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