小體量空間的室內(nèi)音質(zhì)對比設(shè)計(jì)及實(shí)踐

萬宇鵬，姚小兵，謝榮基

（1.中國測試技術(shù)研究院，成都 610021；2.四川中測華聲科技有限公司，成都 610000）

近幾年，建筑聲學(xué)行業(yè)在諸如歌劇院演藝廳、體育場館等大體量空間中的發(fā)展較為迅速，無論是建聲設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)預(yù)算、基建造價、施工監(jiān)理、電聲器材比選采購以及最后的聲學(xué)驗(yàn)收等都有一系列的正規(guī)流程可以參考及實(shí)施，然而針對普通民眾的例如家庭影院、視聽室、琴房、練音間等小體量空間的聲學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐普遍就顯得隨意化、業(yè)余化、暴利化[1]。

1 室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)方法

基于ODEON和CARACAD兩種聲場設(shè)計(jì)軟件針對某高校兩間同等規(guī)模的小型演播室進(jìn)行了不同方法的對比室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)并從聲學(xué)設(shè)計(jì)的正確性，聲學(xué)設(shè)計(jì)合理性，聲學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施性的保證這三個方面對設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 ODEON建模分析

ODEON是由丹麥技術(shù)大學(xué)基于幾何聲學(xué)理論發(fā)展起來的一款建筑音質(zhì)設(shè)計(jì)軟件，它通過虛聲源法與聲線跟蹤法相結(jié)合的理論進(jìn)行聲場仿真，在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了聲學(xué)行業(yè)較為廣泛認(rèn)可[2]。目前ODEON已經(jīng)在各個建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮了作用，馬歇爾戴等國際知名聲學(xué)設(shè)計(jì)公司也將ODEON作為常用軟件進(jìn)行廳堂場館的聲場設(shè)計(jì)。北京人民大會堂音質(zhì)改造工程中也用ODEON進(jìn)行聲場模擬。

圖1是一個用ODEON建模進(jìn)行聲場模擬的流程圖[3]。

圖1 ODEON建模聲場模擬流程圖

1.2 CARACAD建模分析

CARA(Computer Aided Room Acoustics)CAD是一款由德國ETS Services GmbH&Co.KG公司開發(fā)的專門針對家庭影院、視聽室等室內(nèi)聲場的設(shè)計(jì)軟件。CARA以有限元分析為基礎(chǔ)，它將房間分割成若干小單元，根據(jù)對每個小單元的聲學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算組合完成整個聲場的聲環(huán)境分析和結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算，更加適合小房間的聲學(xué)設(shè)計(jì)。通過軟件可以進(jìn)行室內(nèi)聲場的建模、造型、選材、選設(shè)備、仿真、試聽等一系列的聲學(xué)設(shè)計(jì)及模擬操作。CARA目前在國內(nèi)應(yīng)用量較少，但因其功能與ODEON、EASE、RAYNOISE等聲學(xué)軟件相比較為簡單，音響設(shè)備庫、聲學(xué)材料庫等能夠自定義。盡管CARA對大體量空間的聲學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)際聲場參數(shù)還有差異，但它在小體量空間的聲場設(shè)計(jì)和后期驗(yàn)收中還是具有較高的設(shè)計(jì)還原度，所以就用ODEON和CARA針對同等規(guī)模的演播室分別進(jìn)行室內(nèi)聲場設(shè)計(jì)，然后按照設(shè)計(jì)方案施工，并對比ODEON和CARA之間聲場設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)果。

2 小體量空間聲場設(shè)計(jì)及實(shí)踐

房間長5.9 m，寬4.1 m，高3.75 m，建成后室內(nèi)計(jì)劃放置一張演播臺、兩張旋轉(zhuǎn)座椅、一盆綠色植物、背景布、三基色燈等物件，分別用ODEON和CARA建模對房間內(nèi)的聲場進(jìn)行設(shè)計(jì)及模擬。因?yàn)槭艿街T如房間大小、軟件材質(zhì)庫、軟件算法、施工工藝等實(shí)驗(yàn)條件的限制，不可能做到單一變量的對比測試，但是根據(jù)大概建模的設(shè)計(jì)和模擬還可以對ODEON和CARA CAD在小體量空間聲場的設(shè)計(jì)中作用做一個基本的了解。主要考察的指標(biāo)是小體量空間的混響時間及有無明顯聲場缺陷。

2.1 ODEON聲場設(shè)計(jì)（ 1號演播室）

因?yàn)檫@兩間小型演播室是在一間大教室中用輕質(zhì)隔墻隔斷出來的，墻體隔聲效果較差，墻體及門都需要進(jìn)行后期改造。整個房間挑高3.75 m，不利于聲場傳播，需要進(jìn)行吊頂處理。

根據(jù)矩形房間中共振頻率的通用計(jì)算公式[4]

c——聲速；

Lx、Ly、Lz——房間的長寬高，m；

nx、ny、nz——零或任意正整數(shù)，但不同時為零。

為了克服小房間容易出現(xiàn)的簡并現(xiàn)象，初步設(shè)計(jì)將吊頂下降為距地3.15 m處，使室內(nèi)長寬高比例不同，由此使得室內(nèi)共振頻率的分布更加均勻。

該小型演播室功能很簡單，以滿足日常錄播為主，整體墻面首先設(shè)計(jì)進(jìn)行隔聲處理，通過輕鋼龍骨填棉，固定隔音氈及石膏板，再以石膏板為基層進(jìn)行擴(kuò)散及吸聲處理。墻面進(jìn)行凸弧形造型作為聲場擴(kuò)散，輔以天花一定程度的不規(guī)則擴(kuò)散使演播室內(nèi)聲場更加均勻。吸聲部分采用聚酯纖維板材料、環(huán)保玻璃棉等材料來實(shí)現(xiàn)[5,6]。要求1號演播室設(shè)計(jì)中頻混響時間指標(biāo)為0.35 s，室內(nèi)本底噪聲滿足NR-30，錄制時聲場分布均勻，沒有聲聚焦、二次回聲、顫動回聲等聲場缺陷。

裝修后的房間尺寸5.9 m×4.1 m×3.15 m，設(shè)計(jì)混響時間0.35 s，結(jié)合Schroeder Frequency(施羅德頻率)公式計(jì)算出f s大約在140 Hz。

Rt——混響時間；

V——體積。

ODEON仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

在中期監(jiān)控（施工過程多次測試，根據(jù)設(shè)計(jì)方案及時修正施工方案）下，施工方按照聲學(xué)設(shè)計(jì)對演播間進(jìn)行了裝修。完工后對該室內(nèi)聲場進(jìn)行了聲場檢測，檢測設(shè)備為丹麥B&K公司3560C PULSE聲分析儀、4190傳聲器、發(fā)令槍等[7]。經(jīng)測室內(nèi)中頻混響時間為0.33 s，本底噪聲29.0 dB(A)，室內(nèi)聲場分布較為均勻，且沒有發(fā)現(xiàn)顫動回聲、聲陰影等明顯聲場缺陷。混響時間采用脈沖法檢測，檢測數(shù)據(jù)如下。

圖2 ODEON混響時間模擬圖

圖3 ODEON聲場擴(kuò)散模擬圖

圖4 1號房混響時間檢測圖

2.2 CARA聲場設(shè)計(jì)（ 2號演播室）

CARA建模比ODEON繁瑣，操作性不如ODEON簡單、方便，兼容性也沒有ODEON那么好。但因其獨(dú)特的建模方式，使得CARA建模更直觀，雖不太符合國人的操作習(xí)慣，但是在小體量空間的聲場建模和設(shè)計(jì)上還是能夠滿足基本要求。為了與ODEON的聲場設(shè)計(jì)與實(shí)踐相比，在2號演播室中的裝飾造型環(huán)節(jié)比對1號演播室來設(shè)計(jì)，隔音層的處理、墻體的凸弧形擴(kuò)散、天花的吸聲與擴(kuò)散、墻面的軟包、隔聲門的處理、燈光、室內(nèi)物件等都保證與1號演播室相同。同樣，也在CARA軟件中對所有室內(nèi)材質(zhì)進(jìn)行定義，所取材料吸聲系數(shù)只做了少量處理，但也盡可能的采用ODEON數(shù)據(jù)庫中的值。2號演播室設(shè)計(jì)中頻混響時間指標(biāo)為0.40 s，室內(nèi)本底噪聲滿足NR-30，錄制時聲場分布均勻，沒有聲聚焦、二次回聲、顫動回聲等明顯聲場缺陷。

CARA仿真結(jié)果如圖5、圖6所示：

圖5 CARA混響時間模擬圖

圖6 CARA聲場擴(kuò)散模擬圖

設(shè)計(jì)完成后，施工方按照聲學(xué)設(shè)計(jì)對2號演播間進(jìn)行了裝修，其間因中期檢測混響時間偏短對方案進(jìn)行了一次細(xì)小調(diào)整。完工后同樣用脈沖法對2號廳進(jìn)行了聲場檢測。發(fā)現(xiàn)室內(nèi)中頻混響時間為0.44 s，與設(shè)計(jì)值有一定誤差，但是與模擬值相近。室內(nèi)本底噪聲31.2 dB(A)，室內(nèi)聲場分布較為均勻，但是房間中可能由于平行墻面材質(zhì)和施工等因素在某些地方存在一定程度的顫動回聲，沒有發(fā)現(xiàn)聲陰影等其他明顯聲場缺陷。混響時間檢測數(shù)據(jù)如下[8]：

圖7 2號房混響時間檢測圖

3 結(jié)語

ODEON在室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中建模方便、材料庫豐富、自定義靈活，在設(shè)計(jì)過程中較為順利地滿足了聲學(xué)設(shè)計(jì)師的各種需求。ODEON仿真結(jié)果與實(shí)踐結(jié)果相近，在聲場設(shè)計(jì)時在中高頻部分具有一定的數(shù)據(jù)參考價值。而CARA CAD在開發(fā)和宣傳時本身就是著重針對小體量空間而設(shè)計(jì)的，所以它在專門針對小體量空間中的聲場模擬數(shù)據(jù)還是具有較大的可信度。

但是ODEON和CARA CAD在小體量空間的設(shè)計(jì)和計(jì)算上都還是有一定局限性的。如計(jì)算小房間中的混響時間，其預(yù)測精度很大程度上決定于輸入界面的吸聲性能。而ODEON和CARA的模型算法是不同的，基于幾何聲學(xué)的ODEON模型所獲得的結(jié)果在低頻是不可靠的。另外，在ODEON中模擬結(jié)果還受到TO(TRANSITION ORDER)階數(shù)的影響[9]。采用CARA基于有限元法的模擬算法中對于高頻要求每個單元的尺度足夠小(文中計(jì)算至8 kHz)，其計(jì)算量將是比較大的，如何解決計(jì)算時間的問題也是設(shè)計(jì)模擬中需要考慮的問題。

另外，小體量空間中的混響時間測試本身存在較大的不確定性，尤其是低頻部分，由于本征頻率數(shù)量少，聲場不均勻，其中空間不同位置上的衰變特性也是不同的。在SCHROEDER頻率以下，采用傳統(tǒng)的混響時間測試方法獲得的結(jié)果是不可靠的，實(shí)際上對于只有少數(shù)本征頻率的條件下是不能采用擴(kuò)散場中的“混響時間”這一概念描述聲場衰變的。模擬獲得的倍頻程混響時間與測試得到的結(jié)果進(jìn)行比較，在低頻時，其結(jié)果并不能說明模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

綜上，可以認(rèn)為ODEON應(yīng)該更多應(yīng)用在針對中高頻的大房間的聲場設(shè)計(jì)和模擬；而CARA CAD主要應(yīng)用于中低頻小房間的聲場設(shè)計(jì)和模擬中。設(shè)計(jì)軟件只能在聲學(xué)工程中起到輔助性的作用，實(shí)際工程中還應(yīng)該高度重視中期監(jiān)控和設(shè)計(jì)方案的糾偏工作，才能做出聲場效果突出的工程。

[1]曾亞光，等.住宅低頻噪聲分析及現(xiàn)場測試方法研究[C].2010’中國西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會論文集，2010.

[2]萬宇鵬，等.一個基于ODEON設(shè)計(jì)的視聽室室內(nèi)聲場研究[C].2011’中國西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會論文集，2011.

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[7]蒲志強(qiáng)，等.消聲室聲學(xué)性能評價方法探討[J].中國測試，2012.

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