聲學(xué)軟件Odeon中聲線數(shù)對聲源指向性的影響

宋恒玲，盧義剛

(華南理工大學(xué)建筑系，廣東 廣州 510640)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在廳堂聲學(xué)的早期設(shè)計(jì)階段，建筑聲學(xué)軟件被越來越多的設(shè)計(jì)和研究人員所使用[1-6]。其中，由丹麥技術(shù)大學(xué)研究開發(fā)出的基于幾何聲學(xué)算法的建筑聲學(xué)軟件Odeon曾被評為最接近實(shí)際測量的三個軟件之一[7]。

在使用Odeon進(jìn)行建筑聲學(xué)仿真時，有兩個重要的參數(shù)需要設(shè)置：脈沖響應(yīng)長度和聲線數(shù)。脈沖響應(yīng)長度由混響時間來確定，只要大于2/3混沌時間就可以；對于聲線數(shù)并沒特別的規(guī)定，建議根據(jù)實(shí)際情況確定合適的聲線數(shù)[8]。在以往的廳堂聲學(xué)研究工作中，研究者通常采用無指向性聲源和默認(rèn)的聲線數(shù)(2000)來簡化模擬過程，得到的結(jié)論與實(shí)際測量結(jié)果有一定的偏差[9]。然而由于擴(kuò)聲系統(tǒng)的使用和某些聲學(xué)參量需要在指向性聲源的條件下進(jìn)行，使得采用指向性聲源進(jìn)行模擬仿真得到越來越多的關(guān)注[10-11]。在使用Odeon仿真的過程中，祝培生等[12]探討了聲源指向性對音質(zhì)參量的影響與房間的聲學(xué)特性有關(guān)，在仿真過程中設(shè)置聲線數(shù)為150 000，脈沖響應(yīng)長度為2 000 ms，轉(zhuǎn)化系數(shù)為2。

為結(jié)合實(shí)際，本文使用挪威DNH公司出產(chǎn)的指向性聲源Tunnel-500揚(yáng)聲器，通過改變聲線數(shù)并測得聲場中不同位置受聲點(diǎn)處的聲壓級，探索在使用Odeon仿真中聲線數(shù)對仿真結(jié)果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

仿真通過Odeon 13進(jìn)行，為方便研究采用Odeon自帶的觀演廳堂模型和教堂模型。觀演廳堂和教堂的外形分別如圖1和圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在Odeon中設(shè)置脈沖響應(yīng)長度5 000 ms，反射次數(shù)為30～10 000，吸聲系數(shù)設(shè)為0.01，在仿真中不考慮空氣的影響。聲源S和18個受聲點(diǎn)Pn(n=1,??,18,n∈Z)布置符合ISO 3382-2: 2008[13]。

圖1 觀演廳堂外形Fig.1 The shape of the auditorium

圖2 教堂外形Fig.2 The appearance of the church

2.1 觀演廳堂模型

圖3 觀演廳堂聲源S和揚(yáng)聲器Pn分布Fig.3 Layout of source and receivers in the auditorium

觀演廳堂聲源S和揚(yáng)聲器Pn分布如圖3所示。取舞臺邊線中點(diǎn)為原點(diǎn)，指向觀眾席方向?yàn)閤軸正向，向左為y軸正向，向上為z軸正向。觀演廳堂聲源S和揚(yáng)聲器Pn坐標(biāo)如表1所示。

表1 觀演廳堂內(nèi)聲源S和接收器Pn坐標(biāo)(m)Table 1 The coordinates of source and receivers in the auditorium(m)

2.2 教堂模型

教堂聲源S和揚(yáng)聲器Pn分布如圖4所示。取長方形地面中心為原點(diǎn)，指向觀眾席方向?yàn)閥軸正向，向右為x軸正向，向上為z軸正向。聲源S和揚(yáng)聲器Pn坐標(biāo)如表2所示。

圖4 教堂聲源S和揚(yáng)聲器Pn分布Fig.4 Layout of source and receivers in the church

表2 教堂內(nèi)聲源S和接收器Pn坐標(biāo)(m)Table 2 The coordinates of source and receivers in the church(m)

2.3 聲源指向性

指向性聲源Tunnel-500的指向性如圖5所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 使用指向性聲源DNH-Tunnel-500時，聲線數(shù)對仿真結(jié)果的影響

觀演廳堂和教堂模型受聲點(diǎn)P4處聲壓級隨聲線數(shù)的變化分別如表3和表4所示，其余各點(diǎn)的聲壓級未一一列出。

圖5 聲源DNH-Tunnel-500 在不同頻率的的指向性圖樣[14]Fig.5 Directivity patterns of the source DNH-Tunnel-500 at different frequencies[14]

從表3和表4可以看到，在低頻時，聲線數(shù)的增加對某一點(diǎn)的聲壓級影響較小；在高頻時，聲線數(shù)在100以內(nèi)時，該點(diǎn)處的聲壓級有著較大的波動；聲線數(shù)在100～500之間時，聲壓級波動趨于平緩；聲線數(shù)在500以上時，該點(diǎn)處的聲壓級接近某一確定的數(shù)值。這說明聲線法適用于高頻建筑聲學(xué)的研究。

表3 DNH-Tunnel-500聲源激勵下觀演廳堂受聲點(diǎn)P4處的聲壓級(dB)Table 3 SPLs (dB)at the receiving point P4 under the excitation of the source DNH-Tunnel-500 in the auditorium

續(xù)表3

表4 DNH-Tunnel-500聲源激勵下教堂受聲點(diǎn)P4處的聲壓級(dB)Table 4 SPLs (dB)at the receiving point P4 under the excitation of the source DNH-Tunnel-500 in the church

3.2 聲線數(shù)對聲場均勻度的影響

比較觀演廳堂和教堂模型聲場中受聲點(diǎn)P1～P18的聲壓級，以聲壓級級差和方差對聲線數(shù)作圖(圖6、7)，得到隨聲線數(shù)的增加，聲場均勻性的變化情況。

圖6 DNH-Tunnel-500聲源激勵下觀演廳堂聲場中18個受聲點(diǎn)的聲壓級的級差和方差Fig.6 The differentials and variances of SPLs at 18 receiving points under the excitation of the source ‘DNH-Tunnel-500’in the auditorium

圖7 DNH-Tunnel-500聲源激勵下教堂聲場中18個受聲點(diǎn)的聲壓級的級差和方差Fig.7 The differentials and variances of SPLs at 18 receiving points under the excitation of the source ‘DNH-Tunnel-500’in the church

從圖6、7可以看出，采用DNH-Tunnel-500聲源時，在同一頻率上各點(diǎn)的聲壓級差異隨著聲線數(shù)的增大而減小，8 000 Hz時最為明顯。這是由于高頻時聲場幾何聲學(xué)特性更加顯著，各點(diǎn)的聲壓級差異趨勢更加明顯。聲線數(shù)在100以內(nèi)聲壓級差異較大，100～500之間起伏減小，500以上趨于穩(wěn)定。隨著聲線數(shù)的增加，聲源在聲場中的指向性越來越不明顯。聲線數(shù)對聲場均勻度的影響符合前面對某一點(diǎn)聲壓級變化的影響討論。

聲線數(shù)的增加導(dǎo)致來自各個方向的聲線的幾率也大大增加。由于各方向的聲壓相互疊加，某一點(diǎn)的聲壓級趨于穩(wěn)定。同時，由于在空間中聲源指向以外某一方向聲線未到達(dá)產(chǎn)生的空白被來自其它方向的反射聲線填補(bǔ)，使得聲場更加均勻。

4 結(jié) 論

本文探討了在Odeon仿真中，以觀演廳堂和教堂為模型，研究聲線數(shù)對指向性聲源聲場中指向性的影響。對于指向性聲源的聲場，聲線數(shù)對指向性的影響存在一個閾值，聲線數(shù)越大，指向性越不明顯。研究為建筑聲學(xué)工作者在使用聲學(xué)軟件Odeon時提供了一個參考。本文不足之處是仿真結(jié)果尚需進(jìn)一步與實(shí)際測量結(jié)果相驗(yàn)證，以得到不同指向性的聲源所對應(yīng)的最佳聲線數(shù)值。