傅圣雪, 郭在康, 滕肇清, 于　鍇, 尚聞博, 羅秉琨

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

技術(shù)報告

多功能體育館音質(zhì)控制ODEON仿真應(yīng)用研究?

傅圣雪, 郭在康, 滕肇清, 于鍇, 尚聞博, 羅秉琨

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100)

摘要：本文采用ODEON計算機(jī)仿真計算和DIRAC建筑聲學(xué)軟件現(xiàn)場測量的方法，對兩個結(jié)構(gòu)相似、音質(zhì)差異顯著的多功能體育館A、B實例中影響音質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)混響時間進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)混響時間曲線中頻段凸起是決定兩體育館音質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵，并將此結(jié)果作為B體育館音質(zhì)改造方案設(shè)計依據(jù)，經(jīng)仿真證明該方案可有效的克服B體育館的音質(zhì)缺陷，達(dá)到與A體育館相近的音質(zhì)水平，本文所得結(jié)果對解決同類體育館音質(zhì)控制具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：ODEON仿真； DIRAC測量； 混響時間； 音質(zhì)控制

引用格式：傅圣雪， 郭在康， 滕肇清, 等. 多功能體育館音質(zhì)控制ODEON仿真應(yīng)用研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2016, 46(5)： 132-137.

FU Sheng-Xue, GUO Zai-Kang, TENG Zhao-Qing, et al. An application study on odeon simulation to control the sound quality of multi-functional gymnasium[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5)： 132-137.

大型封閉空間建筑技術(shù)的進(jìn)步和室內(nèi)聲場賽賓混響時間理論的提出，使室內(nèi)音質(zhì)控制采用聲場模擬的方法有了實施的可能，早期的室內(nèi)聲場模擬主要是以縮尺模型[1](Scale Model)技術(shù)為主，近年來，計算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，為“數(shù)字式聲場模擬[2]”即在計算機(jī)軟件建立的3D模型中模擬聲場創(chuàng)造了良好條件。在眾多建筑聲學(xué)模擬軟件中，正如本文所示，丹麥技術(shù)大學(xué)創(chuàng)立的ODEON聲場模擬軟件以其較高的準(zhǔn)確度和可靠度在該領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位并得到了廣泛應(yīng)用。

為了提高模擬的精確度，在場館中進(jìn)行了混響時間的對比測量。本文采用B&K公司專用建筑聲學(xué)軟件DIRAC進(jìn)行現(xiàn)場測量。DIRAC[3]內(nèi)置多種信號發(fā)生器，主要有最大長度序列信號(MLS)、線性掃頻信號(lin-sweep)、對數(shù)掃頻信號(e-sweep)。軟件通過對傳聲器拾取 MLS或掃頻的錄音信號進(jìn)行解卷積處理來獲得脈沖響應(yīng)，并根據(jù)ISO3382標(biāo)準(zhǔn)計算聲學(xué)參數(shù)。我們還采用了外部脈沖信號進(jìn)行測量，這種方法無須解卷積處理就可以直接得到脈沖響應(yīng)。

本文擬采用上述方法對2個大型結(jié)構(gòu)、體量相似的體育館進(jìn)行音質(zhì)控制的對比分析研究。其中A館為中國海洋大學(xué)為第十一屆全運會女籃決賽而建的體育館，B館為某兄弟院校為同屆全運會而建的決賽館, 中國目前大型賽事體育館建設(shè)均考慮到了賽后的多功能[4]使用，因此全運會比賽結(jié)束后，在A體育館中舉辦了多場重要的演出、報告、演講及會議，其音質(zhì)從主觀評價的角度獲得了使用者的一致好評，且現(xiàn)場測量的音質(zhì)參數(shù)優(yōu)良，B體育館雖然也做了音質(zhì)控制的聲學(xué)措施，但在比賽后的使用中發(fā)現(xiàn)音質(zhì)效果較差，特別是演講時語言模糊聽不清，多次得到使用者的負(fù)面評價，相關(guān)職能部門直接提出是否可以參考A體育館音質(zhì)控制方法對B體育館進(jìn)行音質(zhì)改造，這促使我們對上述兩體育館的主要音質(zhì)參數(shù)“賽賓混響時間”進(jìn)行了對比分析研究。

1A、B體育館對比研究方法

本文的對比研究采取先將A、B體育館在仿真空間進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)問題后，用兩體育館的現(xiàn)場測量值進(jìn)一步證實，據(jù)此結(jié)果提出B體育館的改造方案。仿真的方法是參考建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖紙與現(xiàn)場重要尺寸激光測繪的結(jié)果建模做ODEON仿真。同時使用DIRAC系統(tǒng)和高聲壓級脈沖聲源對兩館聲場的混響時間進(jìn)行了同位布點測量，最終確認(rèn)B體育館的音質(zhì)缺陷，并據(jù)此提出B館改造的具體方案，再將該方案的仿真結(jié)果與A、B體育館現(xiàn)場測量值對比，看B體育館音質(zhì)改善的程度。A、B體育館對比研究方法路線圖如圖1所示。

圖1　A、B體育館對比研究方法路線圖

2A、B體育館ODEON仿真對比

2.1 ODEON仿真過程

ODEON軟件[5-6]采用了聲線跟蹤法和聲像法的混合方法，是以幾何聲學(xué)為基礎(chǔ)，即聲波的傳播和能量的衰減過程用聲源發(fā)出的大量聲線和聲源對反射界面所成的各次聲像來描述。ODEON模擬仿真的流程是：(1)根據(jù)原設(shè)計圖紙與現(xiàn)場測繪尺寸(建設(shè)過程中有變更，大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有變形)，在ODEON軟件環(huán)境下建立多功能體育館的三維立體模型(見圖2)；(2)添加所有聲場界面的吸聲系數(shù)、散射系數(shù)；(3)設(shè)定聲源與接收點的坐標(biāo)、數(shù)量等；(4)對三維模型進(jìn)行聲線泄露和扭曲面檢驗；(5)輸入與計算過程有關(guān)的聲學(xué)參數(shù)，如轉(zhuǎn)換級數(shù)、聲線數(shù)目、脈沖響應(yīng)長度，就可以利用軟件中相應(yīng)的數(shù)值算法得到聲源到接收點的能量衰減曲線，進(jìn)而求得混響時間(見圖3)。

在上述仿真過程中，同時對參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，仿真參數(shù)的設(shè)置細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[7]。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖2　A、B體育館ODEON仿真三維立體模型

圖3　ODEON仿真流程圖

圖4　A、B體育館ODEON仿真值對比

2.2 B體育館音質(zhì)缺陷仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可以看出，A體育館的混響時間符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ/T131-2012)，而B體育館混響時間顯著偏離國家標(biāo)準(zhǔn)。由于漢字的發(fā)音是由聲母與韻母相拼產(chǎn)生，英語與此類似，是輔音與元音相拼，而韻母與元音的發(fā)聲機(jī)制是肺部氣流激振喉腔中的聲帶，氣流在口腔中不受阻時產(chǎn)生，其頻譜相對集中在低中頻段，男聲更為突出，而聲母與輔音均是靠口腔內(nèi)的齒、唇、舌、硬腭、軟腭相互協(xié)調(diào)，與氣流摩擦產(chǎn)生噪音后與韻母和元音相拼，其頻譜相對集中在人耳聽力頻譜(20～20kHz)的中頻段，本實例通過仿真(及下文的實測)顯示混響時間曲線在中頻段有一非常明顯的凸起，這和漢語表達(dá)的頻率段500～2 000Hz相重疊，從曲線上看，該頻率段混響時間過長，均高于2.5s，在500Hz時甚至高達(dá)2.8s，這樣觀眾聽到的聲母含糊不清，而韻母變得相對突出，觀眾會聽到一片韻母的“啊”“嗚”聲而無法聽清語意，其結(jié)果是體育館的語言清晰度變差，這就是B體育館存在音質(zhì)缺陷的主要原因。

2.3 A體育館音質(zhì)優(yōu)良原因分析

A、B體育館均已建成，在建筑結(jié)構(gòu)上，A、B體育館均有大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，A體育館網(wǎng)架中心標(biāo)高35.5m，館內(nèi)共4 145座，其中固定座椅2 931座，活動座椅1 214座，人均占有體積24.6m3/人，B體育館網(wǎng)架中心標(biāo)高30.96m，共5 600座，其中固定座椅4 800座，活動座椅800座，人均占有體積15.5m3/人。從上述A、B兩體育館的結(jié)構(gòu)、容量對比，A體育館音質(zhì)控制應(yīng)該更加困難，從二者的吸聲結(jié)構(gòu)對比看，A體育館采取了特殊的音質(zhì)控制措施，即加厚屋頂保溫層，在原屋頂大型鋁合金瓦下鋪設(shè)的50mm保溫層留120mm的空腔，再加裝一層50mm的吸聲層，并用穿孔率5%的鋁合金穿孔板附下表面，該屋面雙層結(jié)構(gòu)既保溫又吸聲；為了切斷屋頂反射聲的回聲和貝殼狀拱形屋頂?shù)穆暰劢梗诰W(wǎng)架下專門設(shè)計了一組大型漩渦狀的空間吸聲體(見圖5)，并將高密度48kg/m3玻璃棉[8]布置在該吸聲體的背面(面向屋頂側(cè))；同時，將塔樓墻面加裝共振吸聲板，其結(jié)構(gòu)是由50mm×30mm的小方木扎成500m×500mm的框，框內(nèi)為48kg/m3玻璃棉，木框表面裝有1.2m×2.4m，厚50mm的木質(zhì)薄板，直徑為1m的六角形雪花鋁合金吸聲散射體沿薄板表面均勻分布；中央空調(diào)主機(jī)布置在兩側(cè)二層塔樓內(nèi)，并做隔振，進(jìn)出風(fēng)口安裝阻抗型消聲器；觀眾臺上的主送風(fēng)管道外包聚氨酯吸聲阻尼減振層。

對比A、B體育館的墻體，都做了吸聲處理，A體育館觀眾席后墻使用高密度48kg/m3玻璃棉，外罩穿孔板(穿孔率5%)，護(hù)圍結(jié)構(gòu)均為大型玻璃幕墻，該幕墻上全部加掛吸聲遮光簾幕，而B體育館采用外廊式護(hù)圍結(jié)構(gòu)，該廊的室內(nèi)側(cè)墻壁為砌塊墻體(室外側(cè)為玻璃幕墻)，墻體表面吸聲結(jié)構(gòu)是低密度20kg/m3玻璃棉，外罩多孔鋁合金裝飾板(非吸聲穿孔板)；B體育館頂部中心為直徑29m的大型圓形玻璃幕墻，沒有做吸聲處理，而A體育館頂部只有少量長30m寬1m的采光帶。

圖5　中國海洋大學(xué)A體育館大型旋渦狀空間吸聲體

3現(xiàn)場脈沖聲源法測量結(jié)果對比分析

DIRAC的現(xiàn)場測量采用了MLS、e-sweep和脈沖聲源3種測量方法，測量結(jié)果有很好的一致性，現(xiàn)將脈沖聲源測量法介紹如下。

3.1 測量布點

在仿真時，已經(jīng)對聲源和接收點的位置進(jìn)行了布設(shè)，以便現(xiàn)場測量[9]時聲源及測點的位置與仿真時保持一致。聲源均設(shè)置在場館的中心處，布置接收點時，充分考慮到將測點分布在場地、活動座椅、貴賓席及后排高位觀眾席，A體育館是南北對稱，所以我們對其1/2區(qū)域設(shè)定接收點，B體育館呈中心對稱，因此我們選取其1/4區(qū)域設(shè)定接收點，布點如圖6所示。

圖6　A、B體育館聲源與測試點分布圖

3.2 脈沖聲源測量

由于體育館體量巨大，一般脈沖聲源[10]使用的發(fā)令槍和氣球很難在大空間激振起均勻的聲場，為了獲得高聲壓級的脈沖聲源，特別設(shè)計了一種高壓氣槍，通過引爆無頭彈殼中的TNT填藥，可以獲得高達(dá)110dB的聲壓級，使用后，效果很好。這一測量系統(tǒng)見圖7。測量數(shù)據(jù)見圖8。

圖7　DIRAC脈沖聲源測量系統(tǒng)

圖8　A、B體育館測量值對比

測量結(jié)果進(jìn)一步證實了B體育館混響時間曲線存在中頻凸起的音質(zhì)缺陷。

A、B體育館測量值與仿真值的對比如圖9、10所示。

圖9　A體育館現(xiàn)狀測量值與仿真值對比

圖10　B體育館測量值與仿真值對比

由圖可以看出，ODEON軟件模擬出的混響時間與實際測量值在全頻段均有較好的一致性，說明仿真精度很高，完全可以作為對B體育館音質(zhì)改造設(shè)計的依據(jù)。

4B體育館音質(zhì)控制改造方案

根據(jù)以上對A、B體育館混響時間對比分析結(jié)果，提出B體育館改造方案如下：

(1)由經(jīng)典賽賓公式[11]可得，混響時間與體積成正比，因此盡可能利用現(xiàn)場結(jié)構(gòu)減小館內(nèi)體積。將外廊內(nèi)側(cè)墻加高至屋頂，從而將館內(nèi)與外廊上方空間隔斷。加高部分仿照A體育館后墻吸聲處理。

(2)在原有墻面上加裝高密度48 kg/m3玻璃棉填充的大型吸聲浮雕，使其既能吸聲，又具有高校文化特色。

(3)屋頂直徑29 m的大型圓形玻璃幕墻加裝扇形吸聲遮光簾幕，A體育館網(wǎng)架下的大漩渦狀空間吸聲體用藍(lán)天白云來裝飾，B體育館扇形簾幕上可采用七色光進(jìn)行裝飾。

(4)在二層觀眾席環(huán)形女兒墻和主席臺下方墻面安裝窄帶薄板共振吸聲濾波器。

改造后，最終ODEON仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11　B體育館改造后效果對比圖

由圖可以看出，若全部完成B體育館混響時間控制的改造，其音質(zhì)水平接近A體育館，會有顯著提高。

5結(jié)語

本文采用ODEON計算機(jī)仿真計算和DIRAC建筑聲學(xué)軟件現(xiàn)場測量的方法，對兩個結(jié)構(gòu)相似、音質(zhì)差異顯著的多功能體育館A、B實例中影響音質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)混響時間進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)混響時間曲線中頻段凸起是B體育館音質(zhì)缺陷的主要原因，針對這一結(jié)果，在參考A體育館音質(zhì)控制的關(guān)鍵措施的基礎(chǔ)上提出B體育館音質(zhì)缺陷改造方案，經(jīng)ODEON仿真證明，據(jù)此方案實施后可使B體育館的音質(zhì)與A體育館相近。本文上述研究工作所得結(jié)果對大型多功能體育館的音質(zhì)控制具有一定參考價值和指導(dǎo)意義。

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責(zé)任編輯陳呈超

An Application Study on Odeon Simulation to Control the Sound Quality of Multi-Functional Gymnasium

FU Sheng-Xue, GUO Zai-Kang, TENG Zhao-Qing, YU Kai, SHANG Wen-Bo, LUO Bing-Kun

(College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Nowadays multi-functional gymnasium is used not only to hold sports events, but also to provide a place for multi-functional application of sports industry and its related industries. Its sound quality control is an important part in gymnasium construction.The present paper compares the reverberation time, a crucial acoustic parameter that influences the sound quality, of two multi-functional gymnasiums that have similar structure, but different sound quality, namely gymnasium A and gymnasium B. To find the underlying reasons for the poor sound quality of gymnasium B and bring out the reform plan. Firstly, this paper applies ODEON, an acoustic simulation software invented by Denmark Technology University, to get the reverberation time by comparing the simulation space of gymnasium A and gymnasium B. After the comparison, it shows that band embossing in the reverberation time curve plays a key role in the acoustics quality. For more accurate simulation results, the present paper applies DIRAC, an acoustic software for buildings exclusively used by B&K, to measure in the similar locations of gymnasium A and gymnasium B. This software presents the reverberation time by measuring the outside pulse signal. And the sound quality defects of gymnasium B are found out finally. The acoustic quality enhancement plan of gymnasium B is designed based on the result mentioned above. With a simulation test, this plan is proved to effectively overcome the acoustics quality defects of gymnasium B, which can own nearly the same good acoustic quality as gymnasium A. To some extent, the findings in this paper are useful in solving the problems of the same kind in the gymnasium acoustic quality control.

Key words:The Odeon simulation； Dirac measurement； reverberation time； acoustics quality control

基金項目：? 國家自然科學(xué)基金項目(41005024)資助

收稿日期：2015-01-19；

修訂日期：2015-12-10

作者簡介：傅圣雪(1946-)，男，教授，研究方向：聲信號處理與海洋技術(shù)。 E-mail:dayou@ouc.edu.cn

中圖法分類號：TU112

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)05-132-06

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150015

Supported by Natural Science Foundation of China(41005024)