肖永剛 梁志強(qiáng)
摘 要 本文利用EASE軟件,建立某大學(xué)1#教學(xué)樓的101教室的聲場(chǎng)模型,通過(guò)分析混響時(shí)間等聲學(xué)指標(biāo),結(jié)果表明教室在滿(mǎn)場(chǎng)情況下其混響時(shí)間有一定程度的減小,各個(gè)參量均與聽(tīng)音者在教室內(nèi)的位置有關(guān)。對(duì)各個(gè)頻率的混響時(shí)間進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了階梯教室室內(nèi)的主要音質(zhì)缺陷,為以后階梯教室的音質(zhì)改造和試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞 EASE軟件;混響時(shí)間;階梯教室;音質(zhì)評(píng)價(jià)
1 概述
準(zhǔn)確預(yù)測(cè)房間的聲學(xué)參數(shù)一直以來(lái)都是聲學(xué)設(shè)計(jì)者的目的,聲學(xué)模擬軟件可以預(yù)測(cè)廳堂聲學(xué)特性,評(píng)估和調(diào)整聲學(xué)設(shè)計(jì)方案,因此,計(jì)算機(jī)聲學(xué)輔助設(shè)計(jì)已成為當(dāng)前聲學(xué)領(lǐng)域的一種趨勢(shì)[1]。在教室聲學(xué)方面,由于EASE軟件在電聲和建聲相結(jié)合方面的優(yōu)勢(shì),它被較多的應(yīng)用于教室聲學(xué)的計(jì)算模擬。
EASE是為聲學(xué)工程師設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)模擬軟件,自從90年代被德國(guó)ADA聲學(xué)設(shè)計(jì)公司開(kāi)發(fā)以來(lái),已經(jīng)在許多國(guó)家被注冊(cè)使用。其主要功能為:擴(kuò)聲(特別是揚(yáng)聲器布置的方案設(shè)計(jì))和建聲的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[1-2]。
2 多媒體階梯教室的模擬
2.1 1#101多媒體階梯教室的基本情況
本文以某大學(xué)1#教學(xué)樓的101階梯教室為研究對(duì)象介紹EASE聲學(xué)軟件在教室聲環(huán)境研究中的應(yīng)用[2]。
101階梯教室位于1#教學(xué)樓的東南角,其南面距體育場(chǎng)大概有10m的距離。該教室平面形式為遞增的長(zhǎng)方形,其前部寬為12m,后部寬為12.8m,長(zhǎng)為15.8m,教室前部?jī)舾邽?.3m,后隨臺(tái)階逐漸減小,有七個(gè)臺(tái)階,每個(gè)臺(tái)階高為0.12m,教室后部高為3.46m。地面面積約為195.9m2,其中有126個(gè)座位,所占面積約為66.2m2,容積約為777.1m3。
2.2 教室的聲場(chǎng)模型的建立
首先我們對(duì)101教室進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),得到建模所需的數(shù)據(jù),然后針對(duì)教室聲場(chǎng)的音質(zhì)特點(diǎn),進(jìn)行實(shí)例建模得到三維立體模型。如下圖所示:其中綠色為聽(tīng)眾區(qū),紅色座椅為試聽(tīng)位置,藍(lán)色為揚(yáng)聲器,粉色為窗戶(hù),淡紫色為座席區(qū),黑色為門(mén),亮灰色為講臺(tái)和黑板。其具體模型如圖1所示:
3 計(jì)算結(jié)果分析
3.1 混響時(shí)間的分析
首先利用軟件模擬計(jì)算空?qǐng)觯ń淌覂?nèi)沒(méi)有學(xué)生)情況下教室的混響時(shí)間,由模型分析可得教室空?qǐng)鰰r(shí)混響時(shí)間的頻率特性曲線(xiàn)圖,如圖2所示:
從曲線(xiàn)趨勢(shì)可以看出在低頻時(shí),實(shí)測(cè)的混響時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模擬的混響時(shí)間,但在中高頻兩者相差約在0.2s左右,用艾潤(rùn)混響時(shí)間公式作為多媒體階梯教室混響時(shí)間的模擬計(jì)算更符合實(shí)際情況。同時(shí),該教室在中高頻的混響時(shí)間較長(zhǎng),這主要是教室未進(jìn)行任何聲學(xué)處理,且教室內(nèi)墻及其他裝修材料在中高頻時(shí)對(duì)聲能吸收較弱;在低頻部分可以明顯看出,實(shí)測(cè)的混響時(shí)間比模擬的混響時(shí)間長(zhǎng),這可能的原因是教室實(shí)際工況條件與模擬時(shí)理想工況條件的差異造成的。由于人耳對(duì)中高頻聲音較敏感,從上表可以看出,在中高頻段,實(shí)測(cè)值和模擬計(jì)算結(jié)果有一些誤差,偏離的范圍在10%之內(nèi),這主要是因?qū)崪y(cè)和仿真中使用的聲源以及吸聲材料的吸聲系數(shù)有關(guān),但總體來(lái)說(shuō)誤差在可接受的范圍之內(nèi),所以采用EASE聲學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行多媒體階梯教室的聲場(chǎng)分析是可行的。
再根據(jù)滿(mǎn)場(chǎng)與空?qǐng)鰰r(shí),座席區(qū)吸聲量的變化,模擬得到滿(mǎn)場(chǎng)(教室內(nèi)坐滿(mǎn)學(xué)生)情況下教室的混響時(shí)間,可以得出不論是賽賓公式還是艾潤(rùn)公式,教室在滿(mǎn)場(chǎng)情況下其混響時(shí)間有一定程度的減小,尤其是在高頻部分,兩者相差較大,約在0.2秒左右,但在低頻部分,滿(mǎn)場(chǎng)時(shí)對(duì)混響時(shí)間的影響相對(duì)較小,約在0.05秒左右。產(chǎn)生這種情況的主要原因是:教室內(nèi)部涂刷的白漿與石膏水泥的吸聲系數(shù)較小,抹灰的磚墻和光滑的地板其剛性面吸聲系數(shù)更小,滿(mǎn)場(chǎng)時(shí)座席區(qū)的吸聲系數(shù)相對(duì)較大,與空?qǐng)鰰r(shí)相比,其在低頻相差不大,但在高頻時(shí)相差較大,因此就造成滿(mǎn)場(chǎng)時(shí)對(duì)高頻混響影響較大。同時(shí)由于本教室有電聲設(shè)備,為避免學(xué)生就座率對(duì)擴(kuò)聲的影響,不僅要求室內(nèi)有較低的混響時(shí)間,同時(shí)也要求在空?qǐng)龊蜐M(mǎn)場(chǎng)的情況的混響時(shí)間大致相同,從這點(diǎn)來(lái)說(shuō),本教室的混響情況也相對(duì)較差。
3.2 其他各指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果的分析與匯總
在聽(tīng)眾區(qū),對(duì)1000Hz時(shí)二維的各個(gè)參量的等壓線(xiàn)進(jìn)行分析可以得出,由于揚(yáng)聲器布置于房間內(nèi)對(duì)稱(chēng)的位置,各個(gè)參量的結(jié)果基本也都以房間中軸線(xiàn)為基準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)分布,對(duì)直達(dá)聲聲壓級(jí)等壓線(xiàn),其在教室前部中間位置得到最大值,然后輻射減小,在教室后部?jī)蓚€(gè)角部得到最小值;對(duì)最大聲聲壓級(jí)等壓線(xiàn),其教室前部的聲壓級(jí)較大,然后做圓弧輻射,到教室后部其聲壓級(jí)明顯減小。綜上對(duì)聲壓級(jí)的分析可知,對(duì)多媒體階梯教室即是有擴(kuò)聲系統(tǒng),依然是教室前部的聲壓級(jí)大于后部,只是由于電聲的補(bǔ)充,其差值相對(duì)較小,對(duì)直達(dá)聲約為5dB,對(duì)總聲壓級(jí)約為3dB,這樣的差值對(duì)人耳聽(tīng)聞來(lái)說(shuō),沒(méi)有明顯的區(qū)別,所以此教室的聲場(chǎng)均勻度較好。對(duì)C50的等壓線(xiàn)分布,其在教室前部中間位置有最大值,然后依次輻射減小,在教室后部的兩個(gè)角部得到最小值;對(duì)輔音清晰度損失率的等壓線(xiàn)也存在類(lèi)似的分布。由以上對(duì)各參量的分析可以看出,在教室不同位置各個(gè)參量的值并不相同,尤其在教室前排座席區(qū)差異較顯著,說(shuō)明教室內(nèi)語(yǔ)言清晰度分布不均勻,這主要是因?yàn)槁曉淳哂兄赶蛐?。各個(gè)參量均與聽(tīng)音者的位置有關(guān)。
4 結(jié)論
本文介紹了利用EASE軟件對(duì)階梯教室建模的基本情況。然后利用軟件模擬計(jì)算得到空?qǐng)龊蜐M(mǎn)場(chǎng)情況下各頻率的賽賓和艾潤(rùn)公式混響時(shí)間,比較分析得到:用艾潤(rùn)公式混響時(shí)間與實(shí)際情況有較好的符合度;將空?qǐng)雠c滿(mǎn)場(chǎng)兩種情況下的比較分析得到,教室在滿(mǎn)場(chǎng)情況下其混響時(shí)間有一定程度的減小,尤其是在高頻部分,兩者相差較大;對(duì)各個(gè)參量在教室內(nèi)不同位置的值分析得到,各個(gè)參量均與聽(tīng)音者在教室內(nèi)的位置有關(guān);此外,對(duì)各個(gè)頻率的混響時(shí)間進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了階梯教室室內(nèi)的主要音質(zhì)缺陷,為以后階梯教室的音質(zhì)改造和試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1]陳金京,王崢. 廳堂音質(zhì)的模糊評(píng)判法—第五屆物理會(huì)議論文集[M],北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1987:22-28.
[2]王明臣. EASE軟件建模的基本方法[J],音響技術(shù),2006,(12):19-21.