室內(nèi)聲學(xué)有限元分析與DIRAC 聲場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比

萬宇鵬1 ，周遠(yuǎn)波2 ，張海錠1 ，楊春節(jié)1

（1. 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所 ，四川成都 610021； 2. 四川海巖聲學(xué)科技有限公司 ，四川成都 610000）

        摘  要：依托計(jì)算機(jī)模擬仿真化手段進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)的預(yù)測(cè)在建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文通過對(duì)某省級(jí)廣播電臺(tái)播音室建筑聲學(xué)客觀音質(zhì)的探討，驗(yàn)證了室內(nèi)聲學(xué)中仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的相關(guān)性。文中主要采用計(jì)算機(jī)有限元仿真手段模擬了該播音室多個(gè)測(cè)點(diǎn)處的脈沖聲響應(yīng)，并將脈沖響應(yīng)的仿真結(jié)果與基于丹麥 Brüel & Kj?rK 的DIRAC聲場(chǎng)分析測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比，該對(duì)比重點(diǎn)關(guān)注了T30、D50和RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)。分析結(jié)果表明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有較高的相關(guān)性和置信率，該置信率表明有限元分析在建筑聲學(xué)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中具有參考價(jià)值，這讓聲學(xué)工程師可以結(jié)合DIRAC聲學(xué)分析測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行更多的聲信號(hào)后處理研究，對(duì)現(xiàn)有聲學(xué)模擬仿真預(yù)測(cè)技術(shù)手段是一種有效的擴(kuò)展。

        關(guān)鍵詞：有限元分析；聲學(xué)仿真；脈沖響應(yīng)；客觀音質(zhì)參數(shù)；DIRAC；后處理；SCILA

        中圖分類號(hào)：TB52,TU112            文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

        通過計(jì)算機(jī)模擬仿真來進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)的預(yù)測(cè)在建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛，聲學(xué)工程師經(jīng)常使用的傳統(tǒng)建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)軟件主要有丹麥的ODEON 、德國(guó)的EASE 、澳大利亞的INSUL和ZORBA等。ODEON等廳堂聲學(xué)軟件普遍采用的是基于幾何聲學(xué)的虛聲源法或射線聲學(xué)法的聲場(chǎng)仿真計(jì)算技術(shù)，其原理和效果經(jīng)由多年的 發(fā)展已經(jīng)在聲學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域和聲學(xué)工程領(lǐng)域得到了一定的驗(yàn)證。近年來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法逐漸參與到了越來越多的物理聲學(xué)領(lǐng)域中[1] ，例如B&K4134電容麥克風(fēng)聲學(xué)性能分析[2,3]、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器特性研究、車廂內(nèi)聲場(chǎng)特性NVH分析等方向都有聲學(xué)有限元法的應(yīng)用。目前市場(chǎng)上經(jīng)常使用的FEA軟件主要有美國(guó)的ANSYS ，比利時(shí)的SYSNOISE和ACTRAN等等。 本文采用計(jì)算機(jī)有限元仿真手段模擬了某省級(jí)廣播電臺(tái) 播音室中多個(gè)測(cè)點(diǎn)處的脈沖聲響應(yīng)，該脈沖響應(yīng)經(jīng)SCIL AB進(jìn)行后處理，并將其結(jié)果與基于丹麥Brüel & Kj?rK的DIRAC聲場(chǎng)分析測(cè)試平臺(tái)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。本實(shí)驗(yàn)主要選取滿足ISO  3382標(biāo)準(zhǔn)中的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)作為研究對(duì)象。

1 室內(nèi)聲場(chǎng)有限元分析

1.1 建筑模型的建立

        該播音室位于廣播電臺(tái)主樓1層走廊盡頭，室內(nèi)長(zhǎng)約12m，較長(zhǎng)寬約9.6m，較短寬約7.5m，平面圖呈弧形邊的類矩形結(jié)構(gòu)。室內(nèi)影響聲場(chǎng)分布的較大區(qū)域主要有：兩種裝修材質(zhì)的吸聲墻面、地毯、天花擴(kuò)散頂、 門窗及布置于室內(nèi)的大型工作臺(tái)等。室內(nèi)建筑模型初步建立如下圖1所示。

圖1  播音室建筑模型圖(三維視圖)

        本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用固定1個(gè)聲源點(diǎn)，室內(nèi)隨機(jī)分布3個(gè)測(cè)點(diǎn)的方式進(jìn)行，建模中聲源點(diǎn)坐標(biāo)為(8,2) ，各個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為(10,7)(7,5)(9.5,3) ，聲源及接收傳聲器距離地面高度均為1.5m ，聲源點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖2所示。

圖2  聲源及測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.2 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置

        進(jìn)行有限元模擬仿真需要對(duì)部分計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，室內(nèi)空氣域參數(shù)設(shè)置為聲速343m/s ，空氣密度為1.2kg/m3 , 房間體積約為615m3 , 聲學(xué)擴(kuò)散系數(shù)為0.05，分析頻段設(shè)為125Hz~4000Hz的倍頻帶范圍。室內(nèi)各聲學(xué)面吸聲系數(shù)定義如表1所示，其主要來源為中測(cè)院聲學(xué)所相似材料或結(jié)構(gòu)的材料庫(kù)吸聲系數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4,5]。

              表1  各聲學(xué)面吸聲系數(shù)表

        因?yàn)榛谟邢拊治瞿Ｐ偷玫降木扰c所采用的有限元網(wǎng)格相關(guān)，剖分越細(xì)化網(wǎng)格單元就越小，求解結(jié)果會(huì)更接近真實(shí)解，但是越精細(xì)的網(wǎng)格劃分占用的計(jì)算機(jī)資源就越多，計(jì)算機(jī)算力和求解時(shí)間往往受此所限，因此本例基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件條件移除和簡(jiǎn)化了某些模型特征和細(xì)節(jié)，采用全局自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行了模型細(xì)化。剖分后最大單元大小為0.24m ，最小單元大小為0.0024m，滿足每個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)要求。網(wǎng)格剖分圖如圖3~ 圖4所示。

圖3  播音室網(wǎng)格剖分(正視圖)

圖4  播音室網(wǎng)格剖分(三維視圖)

1.3 模擬結(jié)果

        經(jīng)計(jì)算分析后得到測(cè)點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)3脈沖響應(yīng)的仿真結(jié)果，將該脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果進(jìn)行SCILAB歸一化處理，導(dǎo)出用于DIRAC平臺(tái)聲頻信號(hào)后處理的*.wav格式文件。經(jīng) SCILAB處理的脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果如下圖5~ 圖7所示。

圖5  測(cè)點(diǎn)1脈沖響應(yīng)仿真圖

圖6  測(cè)點(diǎn)2脈沖響應(yīng)仿真圖

圖7  測(cè)點(diǎn)3脈沖響應(yīng)仿真圖

2 室內(nèi)聲場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試設(shè)備

        播音室室內(nèi)聲場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試采用本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)CNAS考核授權(quán)的聲環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)平臺(tái)[6]。該平臺(tái)主要設(shè)備包括：便攜式全指向性聲源(B&K 4295) 、聲源功率放大器(B&K 2734B) 、USB音頻接口(B&K ZE-0948)、 聲校準(zhǔn)器(B&K 4231) 、測(cè)試傳聲器(B&K 4942) 、無線麥克風(fēng)(P8) 、CCLD信號(hào)放大器(B&K 1704) 、筆記本電腦 (DELL)、DIRAC聲場(chǎng)分析測(cè)試平臺(tái)(B&K 7841)等。系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖見下圖8所示。

圖8  系統(tǒng)簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖

2.2 測(cè)試內(nèi)容

        對(duì)比實(shí)驗(yàn)主要選取滿足ISO 3382標(biāo)準(zhǔn)中的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)作為研究對(duì)象。測(cè)試過程如下：將便攜式無指向性聲源放置于房間中部距側(cè)墻約2m處位置，測(cè)量麥克風(fēng)分別放置于各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，采用脈沖反向積分法進(jìn)行測(cè)量[7] ，首先用脈沖聲對(duì)房間進(jìn)行激勵(lì)，記錄房間的脈沖響應(yīng)，對(duì)這個(gè)脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量至少3次，數(shù)據(jù)取多次測(cè)量后的平均值；記錄測(cè)試時(shí)室內(nèi)溫濕度及大氣壓值。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圖如下圖9所示。

圖9 DIRAC現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圖

2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

        經(jīng)在該播音室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到測(cè)點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)3脈沖響應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果如下圖10~ 圖12所示。

圖10  測(cè)點(diǎn)1脈沖響應(yīng)實(shí)測(cè)圖

圖11  測(cè)點(diǎn)2脈沖響應(yīng)實(shí)測(cè)圖

圖12  測(cè)點(diǎn)3脈沖響應(yīng)實(shí)測(cè)圖 

3 結(jié)果對(duì)比

        將取均值后的各測(cè)點(diǎn)客觀音質(zhì)參數(shù)的計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。 

    表2  室內(nèi)客觀音質(zhì)的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

        從表2的對(duì)比結(jié)果看出，2000Hz以下頻段部分混響時(shí)間T30模擬值與實(shí)測(cè)值偏差均在5%以內(nèi)，2000Hz以上高頻部分混響時(shí)間T30的模擬值和實(shí)測(cè)值偏差較高超過了+5%，分別為+10%和+8%左右；而清晰度D50參數(shù)的模擬值和實(shí)測(cè)值除250Hz頻率外，其余頻段均有±5%左右的偏差；用于評(píng)價(jià)廳堂音質(zhì)可懂度的室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI指標(biāo)模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏差在5%以內(nèi)， 為4.4%。

4 結(jié)論

        針對(duì)該播音室的室內(nèi)客觀音質(zhì)參數(shù)的模擬值和實(shí)測(cè)值具有可接受的相關(guān)性和可參考性，基于此類室內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境采用有限元分析方法在一定程度上可以較為真實(shí)地 模擬求解被測(cè)點(diǎn)的脈沖響應(yīng)信號(hào)，上述分析結(jié)果表明該 播音室的T30混響時(shí)間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值特別是在1000Hz以下頻帶部分具有較高的相關(guān)性和置信率，該置信率表明有限元分析在指導(dǎo)和參與建筑聲學(xué)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中具有一定的參考價(jià)值，其仿真和實(shí)測(cè)偏差程度在工程應(yīng)用可接受的層面。這讓聲學(xué)工程師可以結(jié)合DIRAC聲學(xué)分析測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行更多的聲信號(hào)后處理研究，對(duì)現(xiàn)有聲學(xué)模擬仿真 預(yù)測(cè)技術(shù)手段是一種有效的擴(kuò)展。本次實(shí)驗(yàn)在三維模型建立的準(zhǔn)確把握、聲學(xué)材料實(shí)驗(yàn)室參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的可靠性和源測(cè)點(diǎn)位布置的精確性等方面還有可以深入探討之處。

參考文獻(xiàn)

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