摘要：近年來建筑廳堂聲學設計需求日趨增多，但現(xiàn)有常用的專業(yè)聲學軟件在滿足前期會審需求時有一定的局限性。本文通過分析以往工程案例的共通性和一致性，針對室內(nèi)吸聲材料的選型和面積、擴散體造型和面積、天地材料和面積、聲能覆蓋面等，以及混響時間、聲壓級均勻度等常規(guī)建筑聲學指標初步開發(fā)了一種模塊化、成型化的建筑聲學初期分析平臺，用于在一定程度上解決方案初期快速演示和聲學出圖的設計需求。實驗結果表明，本分析平臺其數(shù)據(jù)有效性能夠滿足粗略的聲場評估需求，可以作為一種工程化的聲學技術手段予以利用。

關鍵詞：矩形廳堂；建筑聲學；混響時間；聲場評估；分析平臺

中圖分類號：TB556    文獻標識碼：A

ZHOU Yuanbo

(Sichuan Haiyan Acoustic Technology Co., Ltd, Chengdu 610000, Sichuan China)

Abstract: The demand for acoustic design of hall buildings has been increasing in recent years, but the existing commonly used professional acoustic software has some limitations when it meets the needs of pre-trial review. Based on the analysis of the commonality and consistency of the previous engineering cases, a modularized and shaped initial analysis platform of architectural acoustics is preliminarily developed for the selection and area of indoor sound-absorbing materials, the shape and area of diffusers, the materials and area of ceiling and floor, the coverage of sound energy, as well as the conventional architectural acoustics indexes such as reverberation time and sound pressure level uniformity. To a certain extent, this analysis platform solves the design requirements of rapid demonstration and acoustic mapping in the early stage of the solution. The experimental results show that the data validity of the analysis platform can meet the needs of rough sound field evaluation and can be used as an engineering acoustic technology.

Key words: rectangular hall; architectural acoustics; reverberation time; sound field evaluation; analysis platform

0 引 言

室內(nèi)音質(zhì)在近年的基礎建設中越來越受到業(yè)主方的重視。除擴聲系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)等傳統(tǒng)電聲設備的設計及招采外，建筑本身的廳堂音質(zhì)設計需求也常常見諸于招投標信息中。這種情況下，建筑聲學設計行業(yè)的從業(yè)者往往需要針對不同業(yè)主的不同建筑平面圖進行單獨建模和模擬仿真的研究，其中涉及到大量相似的、重復的幾何建模和初期聲學分析工作，倘若直接運用例如Odeon、Ease等成熟的專業(yè)聲學仿真平臺來處理的話，就會涉及到CAD幾何建模、聲學建模、聲學定義、聲源測點布置、仿真計算等一套完整的聲學模擬仿真步驟，其人員、時間、經(jīng)費等往往都不能及時滿足業(yè)主方前期會審的需求。基于此，本文開發(fā)了一套初步滿足矩形廳堂的建筑聲學分析平臺，用于解決此類問題。

1 平臺需求分析

面對上述問題，類似的項目經(jīng)驗表明，在內(nèi)裝方案尚未明確的溝通前期，往往過會的建筑或聲學初設方案都帶有一定的共通性和一致性，這些共通點和一致性主要集中在室內(nèi)吸聲材料的選型和面積、擴散體造型和面積、天地材料和面積、聲能覆蓋面等，以及混響時間、聲壓級均勻度等常規(guī)建筑聲學指標。本文基于此介紹了一種模塊化、成型化的建筑聲學初期分析平臺，用于在一定程度上解決方案初期快速演示和聲學出圖的設計需求。

2 關鍵點分析

本文所述的分析平臺幾何基礎選取了較為常見的矩形廳堂建筑平面，基于射線聲學理論進行初步設計和實現(xiàn)，該理論目前適用于波長遠小于廳堂建筑幾何特征的中高頻頻段的室內(nèi)聲學仿真分析。

本文選取矩形廳堂建筑作為研究對象，其運用的關鍵點在于：

1. 矩形廳堂有著較為明確的、方便設置的長寬高幾何尺寸；
2. 其室內(nèi)影響因子較大的聲學材料例如門、窗、主席臺、觀眾區(qū)、天花、地面、墻面、擴散體等便于定義和調(diào)整；
3. 聲學計算需求較為統(tǒng)一，集中在聲能射線分布、混響時間、穩(wěn)態(tài)聲壓級分布等方面。

3 平臺設計與實現(xiàn)

本文所述平臺提供了一套簡單易用的矩形廳堂室內(nèi)音質(zhì)仿真分析的工作流程，其主要操作流程如圖1所示。

3.1 理論基礎

在靜止流體中，聲波通常用以下平面波的形式表示[1]：

其中，

Φ(m2/s) — 流質(zhì)的速度勢，

a — 速度勢的振幅，

Ψ(rad) — 相位。

圖1 平臺設計流程圖

Fig.1 System design flow chart

當廳堂建筑的幾何尺寸遠大于聲波波長時，可以認為該波局部近似平面波，導出如下公式：

其中，

k (rad/m) — 矢量波，

q (m) — 位置向量，

c (m/s) — 介質(zhì)中的聲速，

t (s) — 時間。

雖然速度勢是由一個靜止的流體定義的，但通過在流體靜止的坐標系中建立聲波方程，可以對以速度u(m/s)運動的均勻流體應用相同的處理方法。得到聲波方程的下列形式，

按表達式（4）定義波的角頻率：

因此，聲波方程可以用哈密爾頓函數(shù)形式來表示：

混合時頻公式優(yōu)勢在于能夠?qū)⑸渚€聲學問題分解為傅里葉分量，從而解決每條射線傳播一個頻率分量的問題[2][3]。此外，它能夠更簡單地使用與頻率相關的邊界條件。

3.2 幾何建模模塊

本分析平臺設置了幾何建模模塊，使用時方便針對不同項目對建筑輪廓、墻面擴散體、墻面吸聲區(qū)域、天花吸聲擴散區(qū)域、聽眾區(qū)域進行快速的幾何調(diào)整和修改，有利于現(xiàn)場交流方案時實時演示不同吸聲擴散體型對室內(nèi)音質(zhì)的影響。

其中幾何建模尺寸做了一定的數(shù)值限制，例如建筑輪廓限定值為(0m,35m]區(qū)間范圍，如果超出限制條件，平臺會有報錯提示；且尺寸過大的建模在常規(guī)網(wǎng)格剖分后會對分析計算時間造成較大影響，不利于實時演示的效果。如果有大體量建筑需要做聲學仿真分析，本文還是建議采用專業(yè)的商業(yè)化聲學模擬仿真平臺來執(zhí)行。

建筑幾何模型確定后需要重新生成體積、內(nèi)壁表面積，還需設置溫濕度等室內(nèi)聲學環(huán)境參數(shù)。

平臺界面及幾何建模模塊見圖2。

圖2 平臺界面及幾何建模模塊圖

Fig.2 Platform interface and geometric modeling module

3.3 聲源點及測試點模塊

該聲學分析平臺的初步設計中，暫只添加了1個聲源點和1個接收點用于評估室內(nèi)聲壓級分布情況和接收點脈沖響應時間衰減情況。

圖3 典型聲源位置及測點位置圖

Fig.3 Typical sound source location and measuring point location

該聲源點(如十二面體)和接收點(如麥克風)在三維幾何中的位置均可以自定義設置，如圖3所示，本文給出了一個位于主席臺正中的典型發(fā)言位置和位于觀眾區(qū)域中前部的典型聽音位置作為分析示例。

3.4 有效面及聲學材料模塊

有效面及聲學材料模塊主要用于設置模型中鏡面反射和漫反射的邊界條件，可以用于聲壓評估和重建時間脈沖響應。模型中已經(jīng)參考聲學手冊和噪聲與振動控制工程手冊等文獻結合工作經(jīng)驗預設了各有效面的吸聲系數(shù)、散射系數(shù)和反射方式，此部分亦可以根據(jù)實際使用材料的聲學性能進行自定義修改。各有效面預設吸聲系數(shù)值如表1所述[4][5]：

本模塊預定義了不同精細程度的邊界網(wǎng)格劃分模式，便于使用者根據(jù)模型參數(shù)精度需求自行定義如圖4、圖5所示。

圖4 網(wǎng)格剖分圖1

Fig.4 Mesh division diagram 1

圖5 網(wǎng)格剖分圖2

Fig.5 Mesh division diagram 2

3.5 聲學參數(shù)模塊

在聲學參數(shù)模塊中，本分析平臺對初步聲學計算的需求較為統(tǒng)一，集中在聲能射線分布、混響時間、聲壓級分布等幾方面。通過聲能射線，可大致評估不同尺寸擴散體對室內(nèi)聲場擴散的影響；通過接收點的設置，可以得到測點位置處的脈沖響應，并經(jīng)計算評估測點處的T60混響時間；通過受聲面的設置，可以得到主席臺區(qū)域或觀眾區(qū)域的穩(wěn)態(tài)聲壓級分布（與聲源設置的參數(shù)相關）。

設置好聲學參數(shù)模塊后，經(jīng)本分析平臺計算，可以較快速的解得聲能射線圖、混響時間曲線、脈沖響應圖、聲壓級分布圖等可視化仿真結果。如下列所示，圖6~圖8是本例的聲學射線圖，時間節(jié)點選取5ms~50ms區(qū)間范圍。

圖6 5ms聲能射線圖

Fig.6 Acoustic energy ray of 5ms

圖7 25ms聲能射線圖

Fig.7 Acoustic energy ray of 25ms

圖8 50ms聲能射線圖

Fig.8 Acoustic energy ray of 50ms

由聲能射線圖可以反映全指向性聲源在聲能發(fā)出后，與室內(nèi)反射面作用后的聲音能量分布，利于調(diào)整擴散體的幾何設計結構。下圖是本例觀眾區(qū)域的穩(wěn)態(tài)聲壓級分布圖。

圖9 1000Hz穩(wěn)態(tài)聲壓級

Fig.9 Steady sound pressure level of 1000Hz

由圖9可見，預設觀眾區(qū)域聲壓級分布符合實際情況，區(qū)域前排聲壓級在95dB左右，區(qū)域后排聲壓級在86dB~90dB左右，整個區(qū)域因聲學吸聲面及擴散體的不均勻布置使穩(wěn)態(tài)聲壓級出現(xiàn)一定程度（約3dB）的不均勻性。下圖10是本例接收點位置模擬測得的脈沖響應圖。

圖10 測點處脈沖響應圖

Fig.10 Impulse response diagram at the measuring point

圖11是本例測點位置處的混響時間曲線圖。混響時間是建立在sabine公式上計算的，其中一條曲線沒有考慮環(huán)境對聲場的影響，一條曲線考慮了環(huán)境對聲場的影響，結果分別建于圖11中綠色曲線和藍色曲線。

4 測試與對比

本文所述案例中的聲能射線模塊與Odeon平臺（工程建模）做了對比評價；針對混響時間模塊和穩(wěn)態(tài)聲壓級仿真模塊與基于B&K DIRAC平臺的現(xiàn)場聲學測試結果進行了對比。對比結果表明現(xiàn)場實測結果與初步仿真結果趨勢一致，具體數(shù)值針對不同頻段約有2%~11%的誤差。

圖11 測點處混響時間估算圖

Fig.11 Estimated reverberation time at the measuring point

5 結 語

綜上，基于幾何射線聲學理論的矩形廳堂建筑聲學仿真分析平臺的初步設計基本達到預期目的，能夠針對特定體態(tài)（本文特指矩形）廳堂的部分建筑聲學指標進行快速的設定、計算和可視化仿真，較大程度降低了實際工程設計中的設計師人力成本和時間成本，在項目前期的方案交流中有較為突出的演示優(yōu)勢。該平臺的仿真結果經(jīng)過了一定數(shù)據(jù)量的驗證，其數(shù)據(jù)有效性能夠滿足粗略的聲場評估需求，可以作為一種工程化的聲學技術手段予以利用。但該平臺目前尚存一些不足，例如對建筑幾何及室內(nèi)聲學布置局限較大，吸聲系數(shù)自定義模塊操作較為繁瑣，僅適用于中高頻段的室內(nèi)聲學仿真等。本平臺目前也在開發(fā)求解室內(nèi)聲能有限元部分功能。