成立然，吴蔚华，牛春娜，何永刚，胡 永，吕 静

（1.解放军61623 部队，北京 100036；2.国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

0 引言

在建筑声学和扩声系统仿真领域，国外建筑厅堂声场仿真软件以丹麦ODEON 为主，扩声系统仿真软件以德国EASE 为主。声场仿真为前期声学设计和后期整改提供了有力的数据支持，可降低建设成本，提高生产效率。

ODEON 是丹麦技术大学与BK 公司合作研发的声场仿真模块，主要用于体型较大、音质较高的建筑声场模拟。软件具有建立模型、可视化仿真模型、可听化声场以及快速房间混响时间估算等功能，适用于音乐厅、报告厅及剧场等室内空间。它利用反射图、三维反射路径显示以及混响曲线显示，可以直观研究室内声学特性和声音传播。但是，它的声场仿真模块建模比较复杂，需要配合Sketch Up 和CAD 等绘图软件才能实现［1］。软件内置有模型，编辑建立工具复杂，如声场模拟需要确定各种声源参数，界面材料选型需要更专业的声学知识等。此外，软件建模后还需要不断核查模型漏洞和软件无法识别的错误平面，反复调整原始建模图纸，导致建模周期较长。

扩声系统声场仿真模块EASE 是商品化扩声和建声设计软件，混合使用了声线跟踪法和声像法，通过对厅堂中任意位置脉冲响应的模拟计算，得出一系列的厅堂音质参量。使用EASE 需要准确建立厅堂模型，因为它的精度直接关系到测试结果的准确性，且同样需在建模完成后反复检查模型漏洞，不断调整修改界面材料和音箱参数等。因此，操作人员必须拥有一定的声学基础和扩声工程应用方面的知识储备，才能在扩声设计中发现并解决问题。

国外软件多是具备声学专业知识的人员使用，一般用于研究和设计。对于一般的会场后勤保障人员而言，国外软件专业性较强，应用存在难度。此外，由于软件模拟计算的周期较长，因此不能满足级别较高的会场的快速保障需求。因此，开发一款适用于会场保障的一般用户的仿真软件系统，解决实际会场声场调整的难题十分必要。

1 声场声学指标

1.1 声压级

声压级是声场分布中重要的声学指标。把声压的有效值取对数表示声音的强弱，称为声压级，单位是dB。具体地，声压级（Sound Pressure Level，SPL）可定义为将待测声压有效值p(e)与参考声压p(ref)的比值取常用对数后再乘以20，即：

在空气中，参考声压p(ref)一般取为2×10-5Pa。这个数值是正常人耳对1 kHz 声音刚刚能觉察其存在的声压值，也就是1 kHz 声音的可听阈声压。一般低于这一声压值，人耳往往不能觉察出这个声音的存在。人耳对声音强弱变化的感受不与声压成正比，而与声压对数成正比。

1.2 混响时间

混响时间是表示声音混响程度的参数。当室内声场达到稳态、声源停止发声后，声压级降低60 dB 需要的时间称为混响时间，记作T60或RT，单位是s。混响时间是音质设计中能定量估算的重要评价指标，直接影响厅堂音质的效果。房间的混响时间长短由房间的吸音量和体积大小决定。体积大且吸音量小的房间，混响时间长；吸音量大且体积小的房间，混响时间短。混响时间过短会使声音发干，枯燥无味，不亲切自然；混响时间过长会使声音含混不清；混响时间合适时，声音圆润动听。

厅堂最佳混响时间是对大量音质效果评价较好的各种用途的厅堂（如音乐厅、歌剧院、电影院、报告厅、会议室、录音室及演播室等）实测的500 Hz和1 000 Hz 满场（指实际使用状态，如座椅坐有观众）混响时间进行统计分析后得到的混响时间。最佳混响时间与房间的用途和体积有关。语言用途的房间，混响时间应短一些；低频的混响时间可以比中频长一些，一般在20%～50%，其中音乐用途的房间可以提升得多一些［2］；2 000 Hz 以上高频的混响时间最好与中频基本相同，但由于室内常用材料和听众的高频吸声比较大，加上空气对高频的吸声作用，空气吸声与其容积成正比，因此高频混响时间会有所下降，一般容许比中频（500～1 000 Hz）下降10%～20%，这样对音质不会有明显影响［3］。

2 声场仿真技术原理

声场仿真是在一定的操作系统下，利用计算机应用语言或工具编程，通过仿真模拟算法，对房间的声场特性进行模拟仿真，并与声场的相关标准和要求进行比照后得出评价结果，从而发现可能存在的音质缺陷，提出优化或改进措施。首先，对房间建模，包括原始的建筑坐标输入或图形输入，划分房间各个表面并进行编号和赋材（可输入或选择吸声材料或结构），生成表面特性；其次，确定声源或扬声器数量、声功率级、指向性因数及位置等，确定听众位置；最后，进行模拟仿真运算，得到声场特性结果并显示输出。

3 声场仿真系统设计

声场仿真系统设计工作主要有仿真系统界面设计、仿真系统房间模型建立、仿真系统混响模拟显示输出、仿真系统声压级模拟显示输出以及仿真系统声场调整建议。它的主要工作流程如图1 所示。

3.1 系统功能设计

3.1.1 输入功能

软件可支持的输入功能有：

（1）选择房间功能类型，按规范设定标准混响时间，并预留允差范围；

（2）设置房间几何参数，包括房间尺寸（长、宽、高）、主席台高以及门窗位置和尺寸等；

（3）对不同规模的经典会议类建筑进行实地调研、测量并建模，建立基本的会议空间模型库，可直接选择调用，并可根据实际情况进行调整；

（4）输入屋顶、墙面、地面及门窗材质名称；

（5）可对会议建筑常用的墙面材质结构、顶棚材质结构及门窗材质的声学特性进行调研测试和统计分类，建立基础模型材质集；

（6）设置扩声系统声源，对常用的主流扩声产品的性能进行实测、分析及评价，建立基础扩声系统数据集，包括音箱种类、品牌型号、点位及指向性角度等，可直接选择输入调用；

（7）对于未能在数据集中找到的实际应用的扩声设备，可在实验室对其性能进行实测，并在完成测试后将性能数据录入数据集，以不断完善补充；

（8）设置室内环境温度和相对湿度。

3.1.2 输出功能

软件输出功能主要有产生声场仿真图形（如声场的声压级分布色块图并带图例）、界面显示房间建模效果图、会场声场总声压分布图以及房间混响时间分布图等。

3.2 数据输出

仿真系统的数据结果显示输出有柱状图显示输出、曲线显示输出和色块图显示输出3 种直观显示方式。

3.2.1 柱状图显示输出

仿真系统的处理运算结果以柱状图形式显示输出，并根据标准规范进行评价，如听众位置的混响时间。柱状图横轴表示各倍频程中心频率，纵轴表示对应的混响时间，同时标注标准值，使得仿真模拟值与规范标准值的偏差对比清晰直观。

3.2.2 曲线显示输出

仿真系统的处理运算结果以曲线图形式显示输出，并根据标准规范进行评价，如听众位置的混响时间。曲线图的横坐标表示各倍频程中心频率，纵坐标表示对应的混响时间，同时标注标准值曲线，使得仿真模拟值曲线与规范标准值曲线在同一图上显示输出，可清晰发现它们的偏差。

3.2.3 色块图显示输出

仿真系统的处理运算结果以色块图形式显示输出，显示效果直观。例如，听众位置的声压级分布在设定的0～120 dB 动态范围，以0.1 dB 为精度，用不同颜色的色块加以区分，最终得到整个听众席的声压级分布，从而可以直观准确地显示声压级分布的均匀度水平，进一步判断是否有声聚焦或声影区，也可判断声源或扬声器位置是否合理和指向性分布是否合适等。

3.3 软件界面设计

软件具备良好的人机交互界面，采用国内外主流商用软件如ODEON、EASE、RAYNOISE 及CATT 等的界面模式，清晰简洁，明了大方，包含菜单、工具栏、下拉选项以及鼠标点至显示翻译等多种直观的易懂人机交互模式。主要界面功能有项目任务、新建或打开已有项目、参数编辑、模型显示、运算结果显示、运算结果拷贝与剪切以及文件存储等。

3.4 数据库设计

针对会场的特有性质，调研统计分析会场的建筑声学材料和扩声系统，测定部分建筑声学材料和扩声系统，从而获取材料吸声特性数据和音箱的扩声特性参数。分类编辑采样的数据，便于软件直接调用。数据库支持编辑具体参数，可不断增补完善。

3.5 声学指标算法原理

会场声学仿真系统的声学指标算法包括混响时间仿真算法和声场声压级仿真算法两部分。

3.5.1 混响时间仿真算法设计实现

混响时间以扩散场为条件，在声场达到稳态条件下，声源停止发声，会场内的声能随时间以指数形式衰减。如果以声压级表示，则按线性衰减。目前，室内声学关于封闭围合空间的声场特性理论和商业声学软件（如国外的ODEON、CATT、RAYNOISE 以及德国ADA 声学设计公司在20 世纪90 年代研发的电声模拟软件EASE 等［2］）基本以扩散场为基础，局部加以某些边界特性修正。我国现行的建筑声学标准规范中，室内混响时间部分也是基于声场的扩散性，因此本次设计中仿真软件的混响时间算法以扩散场为基础。

按混响时间T60为声压级衰减60 dB 计算，得到：

式中，V是会场体积；S是会场各个表面（包括主席台、前墙、后墙、观众席、过道、顶棚或天花板、左右侧墙及门窗等）的总面积，单位为m2；α为房间的平均吸声系数，单位为m3，4mV为空气对高频声波的影响参数，与会场的室内温度、相对湿度有关。

3.5.2 声场声压级仿真算法设计实现

会场的声压级仿真计算以几何场为条件，适用于一般情况下的建筑室内声学，在局部特殊界面可增加扩散系数。几何场通常采用声线追踪法和虚声源镜像法两种基本方法［4］。其他方法有综合法、声束圆锥法等，也是以这两种方法为基础。比较分析上述算法的特点，本文优化采用声像法。不同于建筑声学普通的点声源镜像，将会场布置的电声源用极化量（声源指向性的辐射角）转化为三维空间球坐标下的衰减曲线，将比普通的非指向性自然声源更准确。另外，声线法自20 世纪60 年代由Krokstand A、Strm S 和Srsdal S 提出后，基本采用等角度分布法，与实际的点声源线分布存在差异。这是本仿真算法采用声像法的又一原因［5］。

4 软件仿真与实测

为了验证仿真软件的可操作性和仿真精度，建模仿真分析实际会场，并对比实测数据与仿真数据的偏差范围。实际会场温度为20 ℃，湿度40%，听众席有350 个座位，会场总面积为512 m2。具体软件仿真界面如图2～图4 所示。

依据厅堂扩声特性测量方法GB/T 4959—2011，测试会场混响时间和不均匀度。分别选取12个测点位置进行测量，选取12 个测点的平均值作为室内声场的混响时间值，频率为500 Hz 和1 000 Hz两个频点，结果界面如表1、图5 和图6 所示。

表1 会场实测与仿真混响时间对比

此外，仿真软件依据《剧场、电影院和多用途厅堂 建筑声学设计规范》GB/T 50356—2005 设置了一个合理的混响时间推荐值（即标准混响时间值）作为设计参考值，既可以比较实测值与仿真值，又可对比设计标准值与实测值，为房间的混响时间设计提供了参考。

选取1 000 Hz 和4 000 Hz 两个频点进行声压级仿真，声压级仿真值效果如图7 和图8 所示，会场实测结果与仿真值对比如表2 所示。

表2 会场实测与仿真声压级对比

可见，声场仿真的声压级值的偏差均在3 dB以内，能够较好地体现会场实际声场环境。此外，声压级在各个测点处的分布较为均匀，与实测值相差较小，能够真实反映会场声场环境。

由于会场扩声系统和界面材质的实际特性数据较难获得，参考同类相近产品的特性数值进行模拟，因此仿真结果与实际会存在偏差。

5 结语

通过对实际会场进行仿真与实际测量，系统地对比验证了混响时间和声压级，分析了影响仿真结果准确性的因素。研究结果表明：在仿真模型与实际空间的声学等效较为准确的情况下，仿真软件计算的结果误差较小；在无法获得准确的现场环境条件数据的情况下，仿真结果与实际偏差较大，结果不能准确说明声场问题。由于影响仿真结果的因素较多，仿真模型与实际空间的等效也比较复杂，尤其是对于没有时间参照标准的房间来说，获得准确的仿真结果预测比较困难。因此，声场仿真具有重要作用，可在一定基础上快速准确地为声场调整提供参考。