室內聲學有限元分析與DIRAC 聲場實測對比

萬宇鵬1 ，周遠波2 ，張海錠1 ，楊春節(jié)1

（1. 中國測試技術研究院聲學研究所 ，四川成都 610021； 2. 四川海巖聲學科技有限公司 ，四川成都 610000）

        摘  要：依托計算機模擬仿真化手段進行室內音質的預測在建筑聲學設計中的應用越來越廣泛。本文通過對某省級廣播電臺播音室建筑聲學客觀音質的探討，驗證了室內聲學中仿真預測結果與實際測量的相關性。文中主要采用計算機有限元仿真手段模擬了該播音室多個測點處的脈沖聲響應，并將脈沖響應的仿真結果與基于丹麥 Brüel & Kj?rK 的DIRAC聲場分析測試平臺進行了現場測試對比，該對比重點關注了T30、D50和RASTI等客觀音質參數。分析結果表明預測值與實測值具有較高的相關性和置信率，該置信率表明有限元分析在建筑聲學室內音質設計中具有參考價值，這讓聲學工程師可以結合DIRAC聲學分析測試平臺進行更多的聲信號后處理研究，對現有聲學模擬仿真預測技術手段是一種有效的擴展。

        關鍵詞：有限元分析；聲學仿真；脈沖響應；客觀音質參數；DIRAC；后處理；SCILA

        中圖分類號：TB52,TU112            文獻標識碼：A

0 引言

        通過計算機模擬仿真來進行室內音質的預測在建筑聲學設計中的應用越來越廣泛，聲學工程師經常使用的傳統(tǒng)建筑聲學設計軟件主要有丹麥的ODEON 、德國的EASE 、澳大利亞的INSUL和ZORBA等。ODEON等廳堂聲學軟件普遍采用的是基于幾何聲學的虛聲源法或射線聲學法的聲場仿真計算技術，其原理和效果經由多年的 發(fā)展已經在聲學設計領域和聲學工程領域得到了一定的驗證。近年來，隨著計算機軟硬件技術的快速發(fā)展，有限元法逐漸參與到了越來越多的物理聲學領域中[1] ，例如B&K4134電容麥克風聲學性能分析[2,3]、揚聲器驅動器特性研究、車廂內聲場特性NVH分析等方向都有聲學有限元法的應用。目前市場上經常使用的FEA軟件主要有美國的ANSYS ，比利時的SYSNOISE和ACTRAN等等。 本文采用計算機有限元仿真手段模擬了某省級廣播電臺 播音室中多個測點處的脈沖聲響應，該脈沖響應經SCIL AB進行后處理，并將其結果與基于丹麥Brüel & Kj?rK的DIRAC聲場分析測試平臺實測結果進行了對比。本實驗主要選取滿足ISO  3382標準中的T30混響時間、清晰度D50和室內聲學語言傳輸指數RASTI等客觀音質參數作為研究對象。

1 室內聲場有限元分析

1.1 建筑模型的建立

        該播音室位于廣播電臺主樓1層走廊盡頭，室內長約12m，較長寬約9.6m，較短寬約7.5m，平面圖呈弧形邊的類矩形結構。室內影響聲場分布的較大區(qū)域主要有：兩種裝修材質的吸聲墻面、地毯、天花擴散頂、 門窗及布置于室內的大型工作臺等。室內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)

        本次對比實驗采用固定1個聲源點，室內隨機分布3個測點的方式進行，建模中聲源點坐標為(8,2) ，各個測點坐標為(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 ，聲源點及測點位置示意圖如圖2所示。

圖2  聲源及測點位置示意圖

1.2 計算參數的設置

        進行有限元模擬仿真需要對部分計算參數進行設置，室內空氣域參數設置為聲速343m/s ，空氣密度為1.2kg/m3 , 房間體積約為615m3 , 聲學擴散系數為0.05，分析頻段設為125Hz~4000Hz的倍頻帶范圍。室內各聲學面吸聲系數定義如表1所示，其主要來源為中測院聲學所相似材料或結構的材料庫吸聲系數實測數據和文獻經驗數據[4,5]。

              表1  各聲學面吸聲系數表

        因為基于有限元分析模型得到的精度與所采用的有限元網格相關，剖分越細化網格單元就越小，求解結果會更接近真實解，但是越精細的網格劃分占用的計算機資源就越多，計算機算力和求解時間往往受此所限，因此本例基于實驗室現有硬件條件移除和簡化了某些模型特征和細節(jié)，采用全局自適應網格進行了模型細化。剖分后最大單元大小為0.24m ，最小單元大小為0.0024m，滿足每個波長內網格節(jié)點數要求。網格剖分圖如圖3~ 圖4所示。

圖3  播音室網格剖分(正視圖)

圖4  播音室網格剖分(三維視圖)

1.3 模擬結果

        經計算分析后得到測點1~測點3脈沖響應的仿真結果，將該脈沖響應仿真結果進行SCILAB歸一化處理，導出用于DIRAC平臺聲頻信號后處理的*.wav格式文件。經 SCILAB處理的脈沖響應仿真結果如下圖5~ 圖7所示。

圖5  測點1脈沖響應仿真圖

圖6  測點2脈沖響應仿真圖

圖7  測點3脈沖響應仿真圖

2 室內聲場現場測試

2.1 測試設備

        播音室室內聲場現場實地測試采用本實驗室經CNAS考核授權的聲環(huán)境現場快速檢測平臺[6]。該平臺主要設備包括：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)、 聲校準器(B&K 4231) 、測試傳聲器(B&K 4942) 、無線麥克風(P8) 、CCLD信號放大器(B&K 1704) 、筆記本電腦 (DELL)、DIRAC聲場分析測試平臺(B&K 7841)等。系統(tǒng)簡要結構框圖見下圖8所示。

圖8  系統(tǒng)簡要結構框圖

2.2 測試內容

        對比實驗主要選取滿足ISO 3382標準中的T30混響時間、清晰度D50和室內聲學語言傳輸指數RASTI等客觀音質參數作為研究對象。測試過程如下：將便攜式無指向性聲源放置于房間中部距側墻約2m處位置，測量麥克風分別放置于各個測點位置，采用脈沖反向積分法進行測量[7] ，首先用脈沖聲對房間進行激勵，記錄房間的脈沖響應，對這個脈沖響應的平方進行反向積分就可以得到房間聲能的衰減曲線。每個測點位置測量至少3次，數據取多次測量后的平均值；記錄測試時室內溫濕度及大氣壓值。現場實測圖如下圖9所示。

圖9 DIRAC現場實測圖

2.3 實測結果

        經在該播音室現場測試得到測點1~測點3脈沖響應的實測結果如下圖10~ 圖12所示。

圖10  測點1脈沖響應實測圖

圖11  測點2脈沖響應實測圖

圖12  測點3脈沖響應實測圖 

3 結果對比

        將取均值后的各測點客觀音質參數的計算機仿真分析結果與現場實地測試結果進行比較，如表2所示。 

    表2  室內客觀音質的模擬值與實測值對比表

        從表2的對比結果看出，2000Hz以下頻段部分混響時間T30模擬值與實測值偏差均在5%以內，2000Hz以上高頻部分混響時間T30的模擬值和實測值偏差較高超過了+5%，分別為+10%和+8%左右；而清晰度D50參數的模擬值和實測值除250Hz頻率外，其余頻段均有±5%左右的偏差；用于評價廳堂音質可懂度的室內聲學語言傳輸指數RASTI指標模擬值與實測值之間的偏差在5%以內， 為4.4%。

4 結論

        針對該播音室的室內客觀音質參數的模擬值和實測值具有可接受的相關性和可參考性，基于此類室內聲場環(huán)境采用有限元分析方法在一定程度上可以較為真實地 模擬求解被測點的脈沖響應信號，上述分析結果表明該 播音室的T30混響時間、清晰度D50和室內聲學語言傳輸指數RASTI的預測值與實測值特別是在1000Hz以下頻帶部分具有較高的相關性和置信率，該置信率表明有限元分析在指導和參與建筑聲學室內音質設計中具有一定的參考價值，其仿真和實測偏差程度在工程應用可接受的層面。這讓聲學工程師可以結合DIRAC聲學分析測試平臺進行更多的聲信號后處理研究，對現有聲學模擬仿真 預測技術手段是一種有效的擴展。本次實驗在三維模型建立的準確把握、聲學材料實驗室參數和現場參數的可靠性和源測點位布置的精確性等方面還有可以深入探討之處。

參考文獻

[1]  趙越喆,吳碩賢.  應用有限元素法計算房間聲傳輸函數和聲脈沖函數[J].  浙江大學學報. 2002年,第36卷第6期:664-667;

[2]  D.Homentcovschi,R.N.Miles. An  analytical-numerical  method  for  determining  the  mechanical  response  of  a  condenser  microph one[J].  J.Acoust.Soc.Am.  2001,vol.130,pp:3698;

[3]  T.Lavergne,S.Durand,etc.  Dynamic  behavior  of the  circular  membrane  of  an  electrostatic  microphone:  Effect  of holes  in  the  b acking  electrode[J].  J.Acoust.Soc.Am.  2010,vol.128,pp:3459;

[4]  馬大猷,沈?.  聲學手冊[M].  北京:  科學出版社, 2004, 606;

[5]  馬大猷.  噪聲與振動控制工程手冊[M].  北京:  機械工業(yè)出版社, 2002, 451;

[6]  萬宇鵬,謝榮基等.  基于DIRAC的聲場無線測試系統(tǒng)應用與對比[J].  中國測試. 2016年,第42卷第12期:77-81.

[7]  ISO3382-2:2008 Acoustics-Measurement  of room  acoustic  parameters-Part2  Reverberationtime  in  ordinary  rooms.  2008:6-7.