室內(nèi)聲學(xué)有限元分析與DIRAC 聲場實測對比

萬宇鵬1 ，周遠(yuǎn)波2 ，張海錠1 ，楊春節(jié)1

（1. 中國測試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所 ，四川成都 610021； 2. 四川海巖聲學(xué)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(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)的預(yù)測在建筑聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)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(xué)客觀音質(zhì)的探討，驗證了室內(nèi)聲學(xué)中仿真預(yù)測結(jié)果與實際測量的相關(guān)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(yīng)，并將脈沖響應(yīng)的仿真結(jié)果與基于丹麥 Brüel & Kj?rK 的DIRAC聲場分析測試平臺進(jìn)行了現(xiàn)場測試對比，該對比重點關(guān)注了T30、D50和RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)。分析結(jié)果表明預(yù)測值與實測值具有較高的相關(guān)性和置信率，該置信率表明有限元分析在建筑聲學(xué)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計中具有參考價值，這讓聲學(xué)工程師可以結(jié)合DIRAC聲學(xué)分析測試平臺進(jìn)行更多的聲信號后處理研究，對現(xiàn)有聲學(xué)模擬仿真預(yù)測技術(shù)手段是一種有效的擴(kuò)展。

        關(guān)鍵詞：有限元分析；聲學(xué)仿真；脈沖響應(yīng)；客觀音質(zhì)參數(shù)；DIRAC；后處理；SCILA

        中圖分類號：TB52,TU112            文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

        通過計算機模擬仿真來進(jìn)行室內(nèi)音質(zhì)的預(yù)測在建筑聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，聲學(xué)工程師經(jīng)常使用的傳統(tǒng)建筑聲學(xué)設(shè)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(xué)軟件普遍采用的是基于幾何聲學(xué)的虛聲源法或射線聲學(xué)法的聲場仿真計算技術(shù)，其原理和效果經(jīng)由多年的 發(fā)展已經(jīng)在聲學(xué)設(shè)計領(lǐng)域和聲學(xué)工程領(lǐng)域得到了一定的驗證。近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)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(xué)領(lǐng)域中[1] ，例如B&K4134電容麥克風(fēng)聲學(xué)性能分析[2,3]、揚聲器驅(qū)動器特性研究、車廂內(nèi)聲場特性NVH分析等方向都有聲學(xué)有限元法的應(yīng)用。目前市場上經(jīng)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(yīng)，該脈沖響應(yīng)經(jīng)SCIL AB進(jìn)行后處理，并將其結(jié)果與基于丹麥Brüel & Kj?rK的DIRAC聲場分析測試平臺實測結(jié)果進(jìn)行了對比。本實驗主要選取滿足ISO  3382標(biāo)準(zhǔn)中的T30混響時間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)作為研究對象。

1 室內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)。室內(nèi)影響聲場分布的較大區(qū)域主要有：兩種裝修材質(zhì)的吸聲墻面、地毯、天花擴(kuò)散頂、 門窗及布置于室內(nèi)的大型工作臺等。室內(nèi)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(nèi)隨機分布3個測點的方式進(jìn)行，建模中聲源點坐標(biāo)為(8,2) ，各個測點坐標(biāo)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(shù)的設(shè)置

        進(jìn)行有限元模擬仿真需要對部分計算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，室內(nèi)空氣域參數(shù)設(shè)置為聲速343m/s ，空氣密度為1.2kg/m3 , 房間體積約為615m3 , 聲學(xué)擴(kuò)散系數(shù)為0.05，分析頻段設(shè)為125Hz~4000Hz的倍頻帶范圍。室內(nèi)各聲學(xué)面吸聲系數(shù)定義如表1所示，其主要來源為中測院聲學(xué)所相似材料或結(jié)構(gòu)的材料庫吸聲系數(shù)實測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)[4,5]。

              表1  各聲學(xué)面吸聲系數(shù)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(wǎng)格相關(guān)，剖分越細(xì)化網(wǎng)格單元就越小，求解結(jié)果會更接近真實解，但是越精細(xì)的網(wǎng)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(xiàn)有硬件條件移除和簡化了某些模型特征和細(xì)節(jié)，采用全局自適應(yīng)網(wǎng)格進(jìn)行了模型細(xì)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(nèi)網(wǎng)格節(jié)點數(shù)要求。網(wǎng)格剖分圖如圖3~ 圖4所示。

圖3  播音室網(wǎng)格剖分(正視圖)

圖4  播音室網(wǎng)格剖分(三維視圖)

1.3 模擬結(jié)果

        經(jīng)計算分析后得到測點1~測點3脈沖響應(yīng)的仿真結(jié)果，將該脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果進(jìn)行SCILAB歸一化處理，導(dǎo)出用于DIRAC平臺聲頻信號后處理的*.wav格式文件。經(jīng) SCILAB處理的脈沖響應(yīng)仿真結(jié)果如下圖5~ 圖7所示。

圖5  測點1脈沖響應(yīng)仿真圖

圖6  測點2脈沖響應(yīng)仿真圖

圖7  測點3脈沖響應(yīng)仿真圖

2 室內(nèi)聲場現(xiàn)場測試

2.1 測試設(shè)備

        播音室室內(nèi)聲場現(xiàn)場實地測試采用本實驗室經(jīng)CNAS考核授權(quán)的聲環(huán)境現(xiàn)場快速檢測平臺[6]。該平臺主要設(shè)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(zhǔn)器(B&K 4231) 、測試傳聲器(B&K 4942) 、無線麥克風(fēng)(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(jié)構(gòu)框圖見下圖8所示。

圖8  系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖

2.2 測試內(nèi)容

        對比實驗主要選取滿足ISO 3382標(biāo)準(zhǔn)中的T30混響時間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI等客觀音質(zhì)參數(shù)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(cè)墻約2m處位置，測量麥克風(fēng)分別放置于各個測點位置，采用脈沖反向積分法進(jìn)行測量[7] ，首先用脈沖聲對房間進(jìn)行激勵，記錄房間的脈沖響應(yīng)，對這個脈沖響應(yīng)的平方進(jìn)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(shù)據(jù)取多次測量后的平均值；記錄測試時室內(nèi)溫濕度及大氣壓值。現(xiàn)場實測圖如下圖9所示。

圖9 DIRAC現(xiàn)場實測圖

2.3 實測結(jié)果

        經(jīng)在該播音室現(xiàn)場測試得到測點1~測點3脈沖響應(yīng)的實測結(jié)果如下圖10~ 圖12所示。

圖10  測點1脈沖響應(yīng)實測圖

圖11  測點2脈沖響應(yīng)實測圖

圖12  測點3脈沖響應(yīng)實測圖 

3 結(jié)果對比

        將取均值后的各測點客觀音質(zhì)參數(shù)的計算機仿真分析結(jié)果與現(xiàn)場實地測試結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。 

    表2  室內(nèi)客觀音質(zhì)的模擬值與實測值對比表

        從表2的對比結(jié)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(nèi)，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(shù)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(zhì)可懂度的室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI指標(biāo)模擬值與實測值之間的偏差在5%以內(nèi)， 為4.4%。

4 結(jié)論

        針對該播音室的室內(nèi)客觀音質(zhì)參數(shù)的模擬值和實測值具有可接受的相關(guān)性和可參考性，基于此類室內(nèi)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(yīng)信號，上述分析結(jié)果表明該 播音室的T30混響時間、清晰度D50和室內(nèi)聲學(xué)語言傳輸指數(shù)RASTI的預(yù)測值與實測值特別是在1000Hz以下頻帶部分具有較高的相關(guān)性和置信率，該置信率表明有限元分析在指導(dǎo)和參與建筑聲學(xué)室內(nèi)音質(zhì)設(shè)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(yīng)用可接受的層面。這讓聲學(xué)工程師可以結(jié)合DIRAC聲學(xué)分析測試平臺進(jìn)行更多的聲信號后處理研究，對現(xiàn)有聲學(xué)模擬仿真 預(yù)測技術(shù)手段是一種有效的擴(kuò)展。本次實驗在三維模型建立的準(zhǔn)確把握、聲學(xué)材料實驗室參數(shù)和現(xiàn)場參數(shù)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(xiàn)

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[4]  馬大猷,沈?.  聲學(xué)手冊[M].  北京:  科學(xué)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(yīng)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.