室内声学有限元分析与DIRAC 声场实测对比

万宇鹏1 ，周远波2 ，张海锭1 ，杨春节1

（1. 中国测试技术研究院声学研究所 ，四川成都 610021； 2. 四川海岩声学科技有限公司 ，四川成都 610000）

        摘  要：依托计算机模拟仿真化手段进行室内音质的预测在建筑声学设计中的应用越来越广泛。本文通过对某省级广播电台播音室建筑声学客观音质的探讨，验证了室内声学中仿真预测结果与实际测量的相关性。文中主要采用计算机有限元仿真手段模拟了该播音室多个测点处的脉冲声响应，并将脉冲响应的仿真结果与基于丹麦 Brüel & KjærK 的DIRAC声场分析测试平台进行了现场测试对比，该对比重点关注了T30、D50和RASTI等客观音质参数。分析结果表明预测值与实测值具有较高的相关性和置信率，该置信率表明有限元分析在建筑声学室内音质设计中具有参考价值，这让声学工程师可以结合DIRAC声学分析测试平台进行更多的声信号后处理研究，对现有声学模拟仿真预测技术手段是一种有效的扩展。

        关键词：有限元分析；声学仿真；脉冲响应；客观音质参数；DIRAC；后处理；SCILA

        中图分类号：TB52,TU112            文献标识码：A

0 引言

        通过计算机模拟仿真来进行室内音质的预测在建筑声学设计中的应用越来越广泛，声学工程师经常使用的传统建筑声学设计软件主要有丹麦的ODEON 、德国的EASE 、澳大利亚的INSUL和ZORBA等。ODEON等厅堂声学软件普遍采用的是基于几何声学的虚声源法或射线声学法的声场仿真计算技术，其原理和效果经由多年的 发展已经在声学设计领域和声学工程领域得到了一定的验证。近年来，随着计算机软硬件技术的快速发展，有限元法逐渐参与到了越来越多的物理声学领域中[1] ，例如B&K4134电容麦克风声学性能分析[2,3]、扬声器驱动器特性研究、车厢内声场特性NVH分析等方向都有声学有限元法的应用。目前市场上经常使用的FEA软件主要有美国的ANSYS ，比利时的SYSNOISE和ACTRAN等等。 本文采用计算机有限元仿真手段模拟了某省级广播电台 播音室中多个测点处的脉冲声响应，该脉冲响应经SCIL AB进行后处理，并将其结果与基于丹麦Brüel & KjærK的DIRAC声场分析测试平台实测结果进行了对比。本实验主要选取满足ISO  3382标准中的T30混响时间、清晰度D50和室内声学语言传输指数RASTI等客观音质参数作为研究对象。

1 室内声场有限元分析

1.1 建筑模型的建立

        该播音室位于广播电台主楼1层走廊尽头，室内长约12m，较长宽约9.6m，较短宽约7.5m，平面图呈弧形边的类矩形结构。室内影响声场分布的较大区域主要有：两种装修材质的吸声墙面、地毯、天花扩散顶、 门窗及布置于室内的大型工作台等。室内建筑模型初步建立如下图1所示。

图1  播音室建筑模型图(三维视图)

        本次对比实验采用固定1个声源点，室内随机分布3个测点的方式进行，建模中声源点坐标为(8,2) ，各个测点坐标为(10,7)(7,5)(9.5,3) ，声源及接收传声器距离地面高度均为1.5m ，声源点及测点位置示意图如图2所示。

图2  声源及测点位置示意图

1.2 计算参数的设置

        进行有限元模拟仿真需要对部分计算参数进行设置，室内空气域参数设置为声速343m/s ，空气密度为1.2kg/m³ , 房间体积约为615m³ , 声学扩散系数为0.05，分析频段设为125Hz~4000Hz的倍频带范围。室内各声学面吸声系数定义如表1所示，其主要来源为中测院声学所相似材料或结构的材料库吸声系数实测数据和文献经验数据[4,5]。

              表1  各声学面吸声系数表

        因为基于有限元分析模型得到的精度与所采用的有限元网格相关，剖分越细化网格单元就越小，求解结果会更接近真实解，但是越精细的网格划分占用的计算机资源就越多，计算机算力和求解时间往往受此所限，因此本例基于实验室现有硬件条件移除和简化了某些模型特征和细节，采用全局自适应网格进行了模型细化。剖分后最大单元大小为0.24m ，最小单元大小为0.0024m，满足每个波长内网格节点数要求。网格剖分图如图3~ 图4所示。

图3  播音室网格剖分(正视图)

图4  播音室网格剖分(三维视图)

1.3 模拟结果

        经计算分析后得到测点1~测点3脉冲响应的仿真结果，将该脉冲响应仿真结果进行SCILAB归一化处理，导出用于DIRAC平台声频信号后处理的*.wav格式文件。经 SCILAB处理的脉冲响应仿真结果如下图5~ 图7所示。

图5  测点1脉冲响应仿真图

图6  测点2脉冲响应仿真图

图7  测点3脉冲响应仿真图

2 室内声场现场测试

2.1 测试设备

        播音室室内声场现场实地测试采用本实验室经CNAS考核授权的声环境现场快速检测平台[6]。该平台主要设备包括：便携式全指向性声源(B&K 4295) 、声源功率放大器(B&K 2734B) 、USB音频接口(B&K ZE-0948)、 声校准器(B&K 4231) 、测试传声器(B&K 4942) 、无线麦克风(P8) 、CCLD信号放大器(B&K 1704) 、笔记本电脑 (DELL)、DIRAC声场分析测试平台(B&K 7841)等。系统简要结构框图见下图8所示。

图8  系统简要结构框图

2.2 测试内容

        对比实验主要选取满足ISO 3382标准中的T30混响时间、清晰度D50和室内声学语言传输指数RASTI等客观音质参数作为研究对象。测试过程如下：将便携式无指向性声源放置于房间中部距侧墙约2m处位置，测量麦克风分别放置于各个测点位置，采用脉冲反向积分法进行测量[7] ，首先用脉冲声对房间进行激励，记录房间的脉冲响应，对这个脉冲响应的平方进行反向积分就可以得到房间声能的衰减曲线。每个测点位置测量至少3次，数据取多次测量后的平均值；记录测试时室内温湿度及大气压值。现场实测图如下图9所示。

图9 DIRAC现场实测图

2.3 实测结果

        经在该播音室现场测试得到测点1~测点3脉冲响应的实测结果如下图10~ 图12所示。

图10  测点1脉冲响应实测图

图11  测点2脉冲响应实测图

图12  测点3脉冲响应实测图 

3 结果对比

        将取均值后的各测点客观音质参数的计算机仿真分析结果与现场实地测试结果进行比较，如表2所示。 

    表2  室内客观音质的模拟值与实测值对比表

        从表2的对比结果看出，2000Hz以下频段部分混响时间T30模拟值与实测值偏差均在5%以内，2000Hz以上高频部分混响时间T30的模拟值和实测值偏差较高超过了+5%，分别为+10%和+8%左右；而清晰度D50参数的模拟值和实测值除250Hz频率外，其余频段均有±5%左右的偏差；用于评价厅堂音质可懂度的室内声学语言传输指数RASTI指标模拟值与实测值之间的偏差在5%以内， 为4.4%。

4 结论

        针对该播音室的室内客观音质参数的模拟值和实测值具有可接受的相关性和可参考性，基于此类室内声场环境采用有限元分析方法在一定程度上可以较为真实地 模拟求解被测点的脉冲响应信号，上述分析结果表明该 播音室的T30混响时间、清晰度D50和室内声学语言传输指数RASTI的预测值与实测值特别是在1000Hz以下频带部分具有较高的相关性和置信率，该置信率表明有限元分析在指导和参与建筑声学室内音质设计中具有一定的参考价值，其仿真和实测偏差程度在工程应用可接受的层面。这让声学工程师可以结合DIRAC声学分析测试平台进行更多的声信号后处理研究，对现有声学模拟仿真 预测技术手段是一种有效的扩展。本次实验在三维模型建立的准确把握、声学材料实验室参数和现场参数的可靠性和源测点位布置的精确性等方面还有可以深入探讨之处。

参考文献

[1]  赵越喆,吴硕贤.  应用有限元素法计算房间声传输函数和声脉冲函数[J].  浙江大学学报. 2002年,第36卷第6期:664-667;

[2]  D.Homentcovschi,R.N.Miles. An  analytical-numerical  method  for  determining  the  mechanical  response  of  a  condenser  microph one[J].  J.Acoust.Soc.Am.  2001,vol.130,pp:3698;

[3]  T.Lavergne,S.Durand,etc.  Dynamic  behavior  of the  circular  membrane  of  an  electrostatic  microphone:  Effect  of holes  in  the  b acking  electrode[J].  J.Acoust.Soc.Am.  2010,vol.128,pp:3459;

[4]  马大猷,沈㠙.  声学手册[M].  北京:  科学出版社, 2004, 606;

[5]  马大猷.  噪声与振动控制工程手册[M].  北京:  机械工业出版社, 2002, 451;

[6]  万宇鹏,谢荣基等.  基于DIRAC的声场无线测试系统应用与对比[J].  中国测试. 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.