王 莉，萬宇鵬，桂 桂，李冬梅

(1.四川廣播電視臺(tái)，四川 成都 610094;2.中國測試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，四川 成都 610021)

0 引 言

為了進(jìn)行廳堂場館的聲場仿真和模擬，通常會(huì)使用射線跟蹤法和聲源鏡像法[1]，這些方法是基于高頻假設(shè)來實(shí)現(xiàn)的，其中最基礎(chǔ)的假設(shè)條件就是幾何建模中的反射面是無限大的，或相較于研究對(duì)象的波長該反射面應(yīng)該是足夠大的。當(dāng)在實(shí)際工作中遇到反射面的確不能視作無限大的情況下，就會(huì)引入“散射”的概念來考慮有限反射面引起的衍射和各種表面材料的非鏡面特性。

在“包含可能影響廳堂音質(zhì)的所有幾何特性”與“完全尊重客觀幾何聲學(xué)規(guī)律”之間存在著明顯的矛盾。一方面，如果廳堂的幾何建模過于簡單，那么可能無法從模型中獲得想要研究的聲學(xué)特性；另一方面，如果廳堂的幾何建模涵蓋過多的建筑細(xì)節(jié)，那它有可能就不能完全符合類似于鏡面聲源法等這一類高頻假設(shè)方法[2]。

正常情況下，不僅是為了獲得更精確的室內(nèi)音質(zhì)參數(shù)而對(duì)仿真建模進(jìn)行簡化，而更多是節(jié)省在建模過程中繪制不需要涵蓋的細(xì)節(jié)的時(shí)間。通常來說，創(chuàng)建用于聲學(xué)仿真的室內(nèi)建筑模型可能會(huì)占用大量的工作時(shí)間。因此，本文通過模型選擇和參數(shù)對(duì)比來確定最適宜用于廳堂音質(zhì)的聲學(xué)仿真模擬方法。

1 計(jì)算機(jī)仿真的幾何數(shù)據(jù)

1.1 錄音棚的建模

專業(yè)錄音棚分為控制室和錄音室[3]，本文針對(duì)錄音室內(nèi)客觀音質(zhì)參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算和實(shí)際測量[4-5]。研究對(duì)象的建筑參數(shù)及3種模型的建模細(xì)節(jié)和反射面數(shù)量見表1。

該錄音棚的粗略化、工程化、精細(xì)化3種不同模型形態(tài)通過計(jì)算機(jī)建模完成，如圖1～圖3所示。粗略化建模（CL模型）是對(duì)大部分反射面進(jìn)行簡化并控制散射系數(shù)的模型；工程化建模（CM模型）是對(duì)部分反射面進(jìn)行簡化并調(diào)整反射面的散射系數(shù)的模型；精細(xì)化建模（CH模型）是包含了較高幾何細(xì)節(jié)的模型。

圖1 粗略化建模模型（CL模型）

1.2 聲源和接收點(diǎn)位置

聲源和接收點(diǎn)位置根據(jù)錄音棚的實(shí)際使用需求確定，如圖4所示。P1是典型的單人錄音時(shí)的站位處，P2是房間地面中心位置處（多人錄音時(shí)的站位處）。1～12標(biāo)示處是室內(nèi)平均分布的12個(gè)測試點(diǎn)作為仿真時(shí)的傳聲器接收點(diǎn)位。仿真聲源采用聲壓級(jí)為97.7 dB（A）的聲源信號(hào)，實(shí)際測量時(shí)采用B&K無指向性聲源，聲源離地距離1.7 m。測試點(diǎn)采用精密系列麥克風(fēng)，離地距離約1.3 m。

圖2 工程化建模模型（CM模型）

2 聲學(xué)參數(shù)及其精確度

2.1 客觀音質(zhì)參數(shù)

針對(duì)4個(gè)客觀音質(zhì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，分別是混響時(shí)間“T30”、明晰度“C80”、清晰度“D50”和房間語言可懂度“RASTI”[6]。在建模和實(shí)測中都針對(duì)這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬和測試，每個(gè)客觀音質(zhì)參數(shù)模擬的計(jì)算方法和測量方法依據(jù)ISO 3382標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[7]。

圖3 精細(xì)化建模模型（CH模型）

2.2 聲學(xué)參數(shù)精確度

為了評(píng)估客觀音質(zhì)參數(shù)的精度，本文對(duì)每個(gè)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)做了誤差分析。

T30，D50在每個(gè)頻率成分上的相對(duì)誤差計(jì)算公式如下：

C80，RASTI結(jié)果誤差的計(jì)算公式如下：

用于計(jì)算誤差的主觀門限值[8]見表2。計(jì)算值和模擬值的結(jié)果誤差越接近于0，則計(jì)算值和模擬值的一致性就越高。

圖4 聲源及測點(diǎn)位置圖

表2 聲學(xué)參數(shù)的主觀門限值

3 對(duì)比結(jié)果

實(shí)測時(shí)選擇31.5～16 000 Hz作為測試頻率范圍，但是考慮到該錄音棚的用途，本文主要針對(duì)63～8 000 Hz的倍頻程頻率范圍進(jìn)行對(duì)比與分析[9-10]。

3.1 聲源位于角落區(qū)域

首先針對(duì)聲源位于P1處的各客觀音質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，T30模擬值與測試值（CT）的對(duì)比見圖5。各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測值折線走向較為一致，而其中CM折線除了在125 Hz處大幅超過了主觀門限值外，其他頻率測點(diǎn)與實(shí)測值有較好的跟隨性。

T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表3，可以看出，針對(duì)T30參數(shù)，CL和CH模型中多數(shù)頻點(diǎn)參數(shù)超過了主觀門限值，模擬效果不理想；CM模型中僅有2個(gè)頻點(diǎn)參數(shù)超過了主觀門限值，數(shù)據(jù)符合率為75%左右，效果較為理想。

C80模擬值與測試值的對(duì)比見圖6，各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測值的折線走向較為一致，但在CH狀態(tài)下，模擬值在2 000 Hz頻點(diǎn)以上部分與實(shí)測值有較大偏差。

圖5 T30模擬值與實(shí)測值對(duì)比（角落）

表3 T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析（角落）

圖6 C80模擬值與實(shí)測值對(duì)比（角落）

表4 C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析（角落） dB

C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表4，可以看出CL模型和CH模型數(shù)據(jù)符合率分別為50%和37.5%，超限部分主要集中在低頻段和中高頻段；CM模型數(shù)據(jù)符合率為75%左右，超限部分主要集中在低頻段，效果較為理想。

清晰度D50模擬值與測試值的對(duì)比見圖7，各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測值的折線走向較為一致；但在CH狀態(tài)下，模擬值在4 000 Hz頻點(diǎn)以上部分與實(shí)測值有較大偏差。

圖7 D50模擬值與實(shí)測值對(duì)比（角落）

D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表5，可以看出，CM模型數(shù)據(jù)符合率達(dá)到了100%，而CL和CH模型中的中高頻部分都有超過主觀門限值較多的情況發(fā)生。

表5 D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析（角落）

聲源位于錄音室內(nèi)偏向角落位置時(shí)得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實(shí)測值及其誤差值見表6?？梢钥闯?，RASTI模擬值與實(shí)測值有較好的相符性，其中只有CH狀態(tài)下稍有超差。

表6 RASTI的模擬值與實(shí)測值及其誤差分析（角落）

3.2 聲源位于室內(nèi)中心區(qū)域

針對(duì)聲源位于P2處的各客觀音質(zhì)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，T30模擬值與測試值的對(duì)比如圖8所示。在CM狀態(tài)下，其模擬值與實(shí)測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實(shí)測值均偏低；而在CL及CH狀態(tài)下，其模擬值在中高頻頻段與實(shí)測值均有較大偏差。

T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表7，可以看出P2處T30參數(shù)在CL模型和CH模型中也有多數(shù)頻點(diǎn)參數(shù)超過了主觀門限值，模擬效果不理想；CM模型中也有3個(gè)頻點(diǎn)參數(shù)超過了主觀門限值，數(shù)據(jù)符合率為62.5%左右，效果稍優(yōu)于另外兩種模型的結(jié)果。

圖8 T30模擬值與實(shí)測值對(duì)比（中央）

表7 T30模擬值與實(shí)測值的誤差分析（中央）

C80模擬值與測試值的對(duì)比見圖9，在CM狀態(tài)下，其模擬值與實(shí)測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實(shí)測值偏高；在CL狀態(tài)下，模擬值折線總體跟隨性與實(shí)測值較為一致，但個(gè)別測點(diǎn)有一定偏差；CH狀態(tài)下，在500 Hz以上的模擬值與實(shí)測值均有較大偏差。

圖9 C80模擬值與實(shí)測值對(duì)比（中央）

C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表8，可以看出P2處的C80參數(shù)在CH模型中得到的結(jié)果很差，全部頻點(diǎn)的模擬值與實(shí)測值的對(duì)比都超過了主觀門限值，CL模型的數(shù)據(jù)符合率僅有37.5%，并且各頻段均有超限的情況發(fā)生；CM模型數(shù)據(jù)符合率為62.5%左右，優(yōu)于另外兩種模型的結(jié)果。

表8 C80模擬值與實(shí)測值的誤差分析（中央） dB

D50模擬值與測試值的對(duì)比見圖10。各狀態(tài)下模擬值與實(shí)測的折線基本走向較為一致，但模擬值均比實(shí)測值偏大，其中又以CH狀態(tài)下的模擬值偏差最大。

圖10 D50模擬值與實(shí)測值對(duì)比（中央）

D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析見表9，可以看出P2處的D50參數(shù)與聲源位于P1處所得結(jié)果非常相似，CL和CH模型中的中高頻部分都有超過主觀門限值較多的情況發(fā)生；但CM模型的數(shù)據(jù)符合率有所下降，符合率約為62.5%。

表9 D50模擬值與實(shí)測值的誤差分析（中央）

聲源位于錄音室內(nèi)中央位置時(shí)得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實(shí)測值及其誤差值見表10。可以看出，RASTI模擬值與實(shí)測值均有較好的相符性。

4 結(jié)束語

通過上述整個(gè)模型建立以及計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比過程可以看出：

1）粗略化建模方便快捷，所需建模時(shí)間及軟件仿真時(shí)間最短，而精細(xì)化建模會(huì)花費(fèi)較長的建模、定義材質(zhì)和計(jì)算的時(shí)間，因此在實(shí)際工作中應(yīng)該對(duì)建模的深入程度有所取舍。

表10 RASTI的模擬值與實(shí)測值及其誤差分析（中央）

2）根據(jù)不同的構(gòu)件形狀和大小，在一定程度上對(duì)建模的復(fù)雜度進(jìn)行提升，可以取得相較于粗略化建模更好的模型效果和仿真效果。

3）在63 Hz以上的中低頻頻域范圍內(nèi)，各模型狀態(tài)下計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果可以一定程度上作為指導(dǎo)實(shí)際工程的參考；但在偏高頻部分的計(jì)算機(jī)仿真中，精細(xì)化建模狀態(tài)下的仿真結(jié)果與實(shí)測值偏差幅度較大。

4）在日常進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算的工作中，粗略化及工程化建模已經(jīng)能夠基本滿足計(jì)算機(jī)仿真精度的需要，可以在一定程度上作為指導(dǎo)實(shí)際工程的參考。而考慮太多構(gòu)件（增加反射面）的精細(xì)化建模因軟件的限制，其計(jì)算機(jī)仿真效果在一定程度上并不理想。