叶颖

(中国传媒大学信息工程学院，北京100024)

1 绪论

建筑声学的迅猛发展体现了人们对视听感受需求的不断升级。厅堂声学设计是建筑声学领域的一个重要方面。而使用声学软件来辅助辅助厅堂音质设计已经是大势所趋。声场模拟软件可以预测厅堂的各种声学参数，评估和调整厅堂音质设计方案［1］。目前市场上主流的声场模拟软件有ODEON、EASE等。本文采用的EASE是一款首次由德国科学家研制成功，能够设计、计算和显示声场并预测声音质量和效果的计算机仿真软件。

本文建模对象为中国传媒大学二号楼一楼的小型影院，约310m2。通过EASE声场建模，得到预测的客观声学参数，如总声压级衰变曲线、混响时间T30(T20)、早期衰变时间EDT、明晰度C50等。并且，对该小型影院进行了实际声学参数测量，采用的是MLS序列法获得其脉冲响应函数，再应用脉冲响应反向积分法得到声压级衰变曲线，进而计算出声学参数。通过对两种方法得到的数据对比分析，提出了计算机声学模拟中存在的一些问题。

2 EASE建模的基本方法

首先根据房间设计图纸提供的几何形状数据(各个顶点的三维坐标)、界面声学属性数据(界面吸声材料的吸声系数)等在软件环境中作图创建房间模型，制图形成的房间模型及尺寸必须与实际房间相一致。

图1 房间模型图

EASE中有多种绘制房间模型的方法。其中最基础的方法是逐个地用顶点和面的X、Y、Z坐标来建立房间模型，把厅堂的各表面分割成若干有边界的平面，并把这些平面的各参数如顶点坐标、方向、吸声系数等输入计算机。此外EASE还提供了便利的房间模板资料库，我们可以在模板的基础上修改为接近实际需要的房间。除了以上两种方法，还可以使用AUTOCAD中画好的三维模型，经处理后转化为符合EASE模拟要求的模型导入。

本文采用第一种方法，房间模型图如图1所示。该小型影院的尺寸约为310m2，其中圆弧形区域A为放映室。

建模基本步骤如下:

1.输入房间几何数据，绘制房间模型图。不要忘记封闭房间，这一点十分重要，要将建模过程中产生的孔洞全部消除。

2.加入听众区，为图中绿色矩形区域，设置其高度为1.2米，即人耳的高度。接着在该房间的听众区插入了四个听众座椅。

3.设置吸声材料，EASE中自带了吸声材料数据库。本房间各个吸声面所用吸声材料、面积以及各个频段的吸声系数如表1所示。

表1 吸声材料数据

4.添加扬声器，EASE的LSP数据库中存有世界著名扬声器厂家生产的各种扬声器型号及参数，选择好型号之后，还要调整扬声器高度、方向、角度等［2］。

3 声学参数计算与分析

首先，介绍一下室内声学分析工具AURA，它是EASE4.1引入的强有力的声学分析工具，可进行声学模拟和更准确地预测声学参量。为使EASE可听化模块Auralization听声效果自然，EASE程序需要运算1～4 s的脉冲响应，程序计算需要很长时间。所以，在开始可听化模拟程序之前，EASE用一段统计估算代替计算的尾部数据加到计算出来的脉冲响应后面，即给反射序列图强制统计加尾，从而得到房间的脉冲响应。模拟的结果很理想，但花费的时间很长，而且后期反射声只是近似结果。EASE4.1加入AURA模块，便解决了这个问题［3］。

AURA中有两种模拟方法:音质参量运算(AURA Mapping)和脉冲响应运算(AURA Response)，本文采用前一种方法。由于此次建模的主要目的是测量该小影院的混响时间是否满足国际标准ISO3382中定义的标准，因此主要对声压级衰变曲线、混响时间、早期衰减时间进行了运算。

为了节省运算时间，选择在单个测试点运行AURA计算，分别计算出图中四点的声学参数。#1—#4四点处的总声压级曲线如图2所示，T30、EDT值如表2所示。

图2 #1—#4各点总声压级曲线

表2 #1—#4各点声学参数

从四点的总声压级曲线可看出，该影院听音区在125Hz到4000Hz频率范围内总声压级平均约为101.3dB—106.8dB，达到小型影院声压级的要求，并且满足《小型影院声学设计与等级认证标准》中最低声压级与最高声压级相差不超过6dB的要求［4］，说明该影院的声场均匀度达到标准。该设计标准中指出，200-350m3影院满场时的中频(500-1000Hz)混响时间应在0.25-0.40s之间，而模拟时为空场，因此可以上调0.1-0.2s。从表2中各点的声学参数可发现，中高频的混响时间基本满足这个标准，但是低频混响时间偏差较大。

4 实际测量

目前，测量房间脉冲响应比较实用的方法有三类［5］:声源采用真实的脉冲声源，如气球爆破、发令枪、夹板发声、电火花等，然后利用录音机或录音软件记录脉冲响应;激励采用最大长度序列信号(MLS信号)，MLS信号是一种周期性伪随机二进制序列，其自相关函数近似为冲击函数，频谱与白噪声相同。将MLS信号传至扬声器系统，并在一接收点接收信号，该信号是MLS信号与声学空间的脉冲响应的卷积，再将该接收信号与MLS信号进行相关运算，即可得声学空间的脉冲响应;激励信号为扫频信号，用激励信号的反转信号对测得的信号作卷积而得到脉冲响应函数。本文采用MLS序列法测量脉冲响应，MLS信号的主要优点是:MLS信号是确定性序列，可以精确地重复，方便地进行多次平均，以降低背景噪声对测量的影响。

实验使用的室内声学测量系统由以下设备构成:PC、声卡、Cool Edit Pro2.0录音编辑软件、AD/DA转换器、声功率放大器、十二面体全指向型扬声器、全指向型传声器、8通道传声放大器等，测量系统图如图3所示。

图3 测量系统图

将传声器放在图中位置，并且话筒高度与人耳高度齐平，约1.2m。使用matlab软件生成16阶MLS序列，采样频率为44.1kHz，量化位数为16bit，持续时长1.486s。生成的M序列经过功放由扬声器播放，将传声器收集到的信号与原M序列进行相关运算，经过数据截取、零点选取处理后，得到的就为房间脉冲响应，最后测得信号的信噪比约为54dB。在matlab中，对得到的脉冲响应其进行反向积分，Schoroeder积分公式为:但该公式是对模拟量时域的积分，我们通过A/D转换后，就变为对声压平方后的离散量的求和，再对其求对数，就得到声压级衰变曲线。得到声压级衰变曲线后，用最小二乘法作直线拟合。本次实验计算的混响时间为T30，由声压级衰减曲线的斜率推算得到，而直线的斜率通过对声压级衰减曲线进行最小二乘法线性拟合得到［6］。在能量衰减曲线从-5dB至-35dB的段落作直线拟合，可求出T30。在能量衰减曲线最初衰减10dB段进行直线拟合，由此可求出EDT［7］(即声能衰减60dB所需的时间)。在#1—#4四点处的T30和EDT值如表3。

表3 #1—#4各点实测声学参数

5 对比分析与结论

各点混响时间模拟结果与实测结果如下折线图所示:

图4 各点T30对比图

图5 各点EDT对比图

通过折线对比图可以看到，影院各点中高频对应的混响时间中模拟值都要低于实测值，且只在最佳听音频率500—1000Hz时比较相近，高频差值相对较大。在低于500Hz的低频段，模拟值都要高于实测值。说明EASE模拟系统在中小型封闭空间内处理低频的混响时间上存在一定的缺陷，对低频声波的发射情况考虑不够全面。而在高于2000Hz的高频段模拟值过低，已经不在该影院混响时间标准范围之内，且高频段模拟已经忽略了空气对高频的吸收。此外，离声源较近点的模拟值与实测值差值相对较小，这说明模拟准确度在一定程度上与声源、测点之间的距离有关，靠近声源的混响时间模拟值更加准确。产生这些误差的原因还有可能是建模时无法设置房间温度与湿度所造成，这两个因素也是不可忽视的。

由对比分析后发现EASE模拟系统存在的这些问题，提出了一些优化软件的建议:低频声段的模拟计算误差普遍大于中高频，软件开发者可以设法解决低频衍射模拟的问题;添加房间温度、湿度设置选项，使得模拟更加接近真实情况，这一点要实现困难还是很大的。

本文分析对象为小型封闭房间，在大型封闭房间中模拟结果与实测结果的差异还需要进一步实验。且以上问题在其他声场模拟软件，如ODEON中是否也存在还有待进一步研究。

［1］高玉龙.厅堂建筑音质计算机辅助设计——EASE4.1使用详解［J］.音响技术，2008，(01):60.

［2］王明臣.EASE软件建模的基本方法［J］.音响技术，2006，(12):19-21.

［3］高玉龙.EASE中的 AURA 程序模块(上)［J］.音响技术，2007，(09):26-29.

［4］本刊记者.小型影院声学设计与认证标准探索［J］.家庭影院技术，2013，(09):70-73.

［5］孟子厚.厅堂声学测量中不同激励声源的比较［J］.应用声学，2005，(01):19-23.

［6］Patti Kendrick，Trevor JCox，Francis F Lietc.Monaural room acoustic parameters from music and speech［J］.J Acoust Soc Am，2008，124:278-287

［7］Canclini A，Antonacci F，et al.Exact localization of acoustic reflectors from quadratic constraints［C］.Proc IEEE Workshop Applications of Signal Processing to Audio and Acoustics(WASPAA)，2011:17-20.