2024年6月18日发(作者:)
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声频工程
凹 6⑥匡闶 面
文章编号:1002-8684(2012)02—0005—05
使用EASE软件中一些误区的讨论(续完)・软件讨论・
高玉龙
(天津市电视技术研究所,天津
(接2012年36卷1期18页)
300191)
它是不存在的。
4 采用软件自带的吸声材料数据库
EASE软件在中国使用初期曾有人在工程投标
即可胜任厅堂声环境设置
在安装英文版EASE软件数据库时其自带的
吸声材料数据库包括美国吸声材料数据库(Amer.
ican Base)和德国吸声材料数据库(Germany Base)
两个安装选项。国内用户通常选择安装前者数据
库。那么在中国厅堂音质设计中仅仅采用美国吸
声材料库能否胜任呢?
这要从用户采用吸声材料数据库营造房间合
适的声环境的最终目的来分析。如果仅仅用来学
习EASE软件,弄清楚软件所给出的几个项目案例
的吸声材料的设置原则,那也是没有问题的。如果
用户采用EASE做房间声学设计,并付诸工程实施
的话,仅仅依靠美国吸声材料库是远远不够的。这
就涉及吸声材料数据库的正确使用问题。下面加
以论述。
4.1 EASE软件自带的吸声材料数据库
EASE软件美国吸声材料数据库包括两个部
分:完整吸声材料数据库(FULL)和吸声材料厂商
提供的数据库(Manufacturers)。
4.1.1 完整吸声材料数据库(FULL)
完整吸声材料数据库,并非指吸声材料大全,而
是指该库中吸声材料涉及的面比较广泛。FULL吸
声材料数据库共计收集189种吸声材料,大致分为:
①虚拟吸声材料。它包括10%.mat,20%.
mat,30%.mat,40%.mat,50%.mat,60%.mat,
70%.mat,80%.mat,90%.mat,absorber.mat(即
100%.mat)以及linear.mat(在125~8 000 Hz吸声
系数从0.2—0.8线性增加)。这是开发商德国
ADA公司为了帮助初学者掌握吸声材料设置而虚
构的一种理想吸声材料。除了linear.mat之外,其
特点是吸声系数不随频率改变而改变。每种材料
的名称,如30%,就表示整个频率范围吸声系数均
为0.3。虽然很容易被用户记住,但在现实生活中,
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时使用过,这是对软件数据库使用中的一个误解,并
非FULL吸声材料数据库所有内容都可用。
②建筑物基础材料或室内用品。它不属于专业
吸声材料厂商的产品,但在声学设计时必不可少。例
如实木门、木地板、各类地毯、瓷砖、光滑的水泥墙面
或地面、粗糙的水泥墙面或地面、抹灰的砖墙、窗玻
璃、各类坐人的座椅等。这类吸声数据库文件具有一
定程度的通用性,可供国内用户选用。
③厂商提供的商品化吸声材料。FULL吸声材
料数据库只收人了一部分专业厂商生产的具有一定
代表性的吸声材料产品。
4.1.2厂商吸声材料数据库(Manufacturers)
包括l6个专业厂商生产的约388种吸声材料商
品。其中有些产品,如RPG公司声扩散结构产品在
国内见到有类似产品,TECTUM公司(美国泰特幕)
在国内有销售的信息,但是否原装或者仿制品无法考
证。因此这类吸声材料数据库文件用于厅堂工程建
声设计,则很难获得相应的材料用于工程实施。全部
材料从美国进口的可能性微乎其微。
4.2建立国产吸声材料数据库的必要性
近年来随着国内建材工业的发展,建筑吸声装饰
材料应用得13益广泛,促进了吸声材料工业的发展。
无论从产品规格,还是从产品质量都有了长足的进
步。材料性能优异和装饰效果美观的新型吸声材料
不断研制和进入市场。在厅堂扩声系统工程中营造
房间声环境需要采用国产吸声材料有了现实物质基
础。在这种情况下,有必要建立适应中国国情的国产
吸声材料数据库。
4.3 国产吸声材料数据库的建立
4.3.1 建立国产吸声材料数据库的可能性
EASE软件吸声材料数据库是一个开放的数据
库,支持用户根据已有的国产材料吸声测量数据自行
建立吸声材料数据库。软件的这一功能就使得建立
国产吸声材料数据库成为可能。
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4.3.2 国产吸声材料数据库的内容
(5)最大功率(Max.Power)。表示扬声器最大平均
功率(RMS)随频率变化的曲线。像特性灵敏度一
样,低频驱动单元与高频驱动单元的最大平均功率都
有所不同。(6)最大声压级。最大平均声压级是用
扬声器特性灵敏度与平均功率折算出的在距离轴向
1 In处的声压级。最大平均声压级指标是代表扬声
器声功率在整个工作频段综合辐射能力的技术指标。
(7)极坐标下的指向性。可以选择2D,3D Horizon-
吸声材料实测数据源自《声学手册》 J、《实用
建筑声学》 ]、《建筑吸声材料与隔声材料》 ]、《建
筑声学材料与结构:设计和应用》 j。在这些专著
中列出了国内一些厂商产品的一些实测吸声系数
数据,包括一些较新的吸声材料的1/3倍频程实测
数据_8I9]。经过笔者整理按每本书主要数据各建
立一组国产吸声材料数据库。相应数据库材料吸
声系数列表可参见资料[10—11]的相关附录表格,
tl,a3D Vertical等子项曲线显示。(8)覆盖角。包括
而数据库文件则保存在该书配套光盘中,可将其拷
贝到C:/EASE40Data//Global Materials40目录下就
可在房间模型中调用(四组吸声材料数据库共收录
540种吸声材料)。当然,读者也可根据其他权威机
构实测数据建立自己的吸声材料数据库。有了这
些数据库,就可利用设计成果指导施工。只有厅堂
实际吸声材料设置与模型材料设置保持一致,才有
可能使厅堂声学参量的预测结果与实测结果接近
一
致,否则EASE设计将是纸上谈兵,从而失去对工
程的实际指导意义。
5 扬声器如果没有对应的数据库就不
能进行声学参量预测
随着国产扬声器技术水平的不断提高,性能不断
完善,在国内厅堂扩声系统工程中也占有一席之地。
那么在EASE软件中它们没有相应的数据库,还能否
采用EASE作声场模拟运算呢?下面就这个问题进
行探讨。
5.1软件自带的扬声器数据库介绍
EASE软件自带的扬声器数据库收录了世界上
较为知名的80多家扬声器厂商的数千种型号的扬声
器测量数据。
5.1.1 扬声器数据库内容
扬声器数据库中每一种型号的扬声器技术指标
数据主要包括下列内容:(1)频率响应曲线(Frequen—
cy Response)。该频率响应曲线是指在水平平面或垂
直平面上,偏离扬声器轴线正前方不同角度时的频率
响应曲线,即偏轴频率响应曲线。(2)指向性指数
(Directivity)。指向性指数 随频率的增加从低到
高,也就是说,频率越高指向性指数越大,指向性越
强。(3)指向性因子Q(Q Factor)。频率越高指向性
因子Q越大,指向性越强。(4)特性灵敏度(Sensitiv-
ity)。表示扬声器的特性灵敏度随频率变化的曲线。
2012年第36卷第02期
极坐标下的覆盖角和直角坐标下的覆盖角。(9)覆
盖线。可生成在.厂=1 000 Hz频率条件下声压级下降
3,6,9 dB时的声场覆盖范围边界线。(10)扬声器幅
度衰减三维球图。可生成扬声器幅度衰减三维球图,
使该扬声器显示的指向性更加直观。该扬声器指向
性图形随着工作频率的升高而变窄。
上述扬声器技术指标的测量数据较全面地描
述了一个扬声器(系统)本身的物理特性。由于不
同型号扬声器制造工艺和驱动单元结构的差异,它
们之间物理特性也不同。EASE软件扬声器数据库
收集了世界上知名厂商数千种型号的技术数据,用
于快速查找某种扬声器数据,其作用任何平面媒体
无法取代。
5.1.2扬声器数据测量条件
上述数据反映扬声器本身的物理特眭,是在所谓
自由空间(消声室)条件下进行测量的。现实各类房
间有着各不相同的声环境(包括声反射),因而在这
样的房间测量出扬声器特性(例如三维指向性图)也
就随着声环境的不同而不同。所以在带有墙壁反射
的房间中,无法测量出扬声器本身的实际性能。在各
类房间扬声器测量中,唯有在消除墙壁反射影响的消
声室中,才能测量出真正反映其本身物理特性的唯一
的扬声器技术数据。无论什么型号的扬声器,只要加
人到EASE扬声器数据库,就都要按照同样标准要求
进行特性测量和建库。
5.2扬声器数据库功能分析与工程测量实践
在EASE软件中,扬声器数据库如何参与声学参
量计算,这样的参与和实际情况是否相符,工程测量
的实践能否给出相应的验证结论是本节所要讨论的
主要内容。
5.2.1 扬声器数据库计算使用
下面以软件中早期标准运算模块和高端的
AuRA运算模块为例说明扬声器数据库在计算房间
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声频工程
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声学参量过程是如何发挥作用的。
AuRA运算模块适用于房间均匀的或者不均匀的扩
散声场。
(1)标准运算模块
标准运算模块的工作条件是房间声场属于(均
匀的)扩散声场,其基本工作原理是依照封闭房间扩
假定房间各个内表面都是平面所构成的封闭
空间,处于其中某一位置的扬声器声源某时刻向四
周均匀地发射大量声粒子。这些声粒子都沿直线
运动,把声粒子与壁面的碰撞点逐次相连所形成的
线称为声线。假定每根声线开始时都携带一定的
散声场环境下单只扬声器在听声面上产生的直达声
声压级和混响声声压级计算公式算得的总声压级
数值。
在封闭房间扩散声场条件下,单只扬声器在距
离r处所产生的直达声与混响声总声压级(Total
SPL)计算公式¨ 为
£=L +lOlgP圳g[ +等](dB)(4)
式中, 为扬声器特性灵敏度[dB/(W・m)];P为
扬声器最大电功率(W);r为听众至扬声器之间的距
离(m);,( )= 即对于某一频率(或频带),与
P UO
扬声器参考轴成0角处辐射的声压P和在参考轴上
离声中心等距离处产生的声压P。之比(偏轴频率响
, I 2 I
应)。 = f
k 0相同电功翠
= I
Pk 相同电功翠
指向性因数,在某
一
频率或频带,在扬声器指定的参考轴上选定的测试
点处测得的声强与发出相同电功率的无指向性扬声
器在同一测试点处声强之比;p.为具有指向性扬声
器在主方向上某一点产生的声压;p 为无指向性扬
声器在同样距离点上产生的声压。A=aS为房间吸
声量(平均吸声系数与表面积的乘积)。
从式(4)可以看到,参与声场总声压级计算的
扬声器参数包括扬声器特性灵敏度、最大电功率、
偏轴频率响应以及指向性因数。其他声学参量,例
如C测量参量(它显示50 ms前后以dB为单位的
能量比)可以通过总声压计算结果借助相应的表达
式算出。
由此可见,采用标准运算模块进行声学参量计
算是在一定假设前提条件下,借助一些扬声器参数完
成的。而这些扬声器参数都与扬声器的指向性特性、
扬声器最大声压级特性有关。当然采用多只扬声器
计算声学参量,仅仅是把各个单只扬声器计算结果进
行声场叠加而已。
(2)AuRA运算模块
AuRA运算模块不是基于扩散声场公式计算声
场声压级,而是采用声线跟踪法计算房间声源至听声
面上某一点处的声场脉冲响应,然后再折算出其他各
种声学参量(例如总声压级SPL,语言清晰度D)。
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能量,其大小取决于声源辐射能量(与扬声器指向
性相关)和发射声粒子的数量。当某一声粒子遇到
壁面声线在该点一部分作镜面反射,按照反射角等
于人射角的法则确定新的传播方向;一部分作扩散
散射,其方向由计算机发出随机数来决定。该声线
沿新方向继续前进,当壁面的吸声系数为 时,每次
碰撞后它的能量减少为原有能量的(1一OL)倍,直到
其能量低于预先设定的能量门限值(例如一60 dB)或
高于预先设定的声线碰撞壁面的反射次数值(例如
10次)时,则计算机停止对该声线的跟踪,继而跟踪
下一条声线。如此重复进行直至设定的所有粒子均
被跟踪完毕。这样就在房间某一听声位置依照时间
顺序生成脉冲响应的序列脉冲。声场脉冲响应是房
间声源至接收点之间所构成的(声音传输)线性系
统的传递函数,它在室内声场模拟研究中十分重要。
通过模拟计算声场脉冲响应,不但可以求出描述声场
的许多重要参量,还为进一步研究可听化技术打下
基础。
整个跟踪过程中每条声线是按照频率从100—
10 000 Hz逐一频率完成的。如果房间还有另外一只
扬声器,则再重复上述跟踪过程。
可见,影响房间脉冲响应的扬声器参数同样包括
扬声器指向性(决定向不同方向辐射声粒子初始声
能的相对量值)和扬声器最大声压级特性(决定向不
同方向辐射声粒子初始声能的绝对量值)。在EASE
软件中无论采用标准运算模块还是采用AuRA运算
模块进行声学参量运算,扬声器数据库最大声压级特
性和扬声器三维指向性图(幅度衰减三维球图)的作
用不容忽视。
5.2.2扬声器数据库功能分析
从前面论述可知:对同一房间、同一声环境设置
中采用不同型号的扬声器按同一算法计算声学参量,
会产生不同的计算结果,其根源在于不同型号的扬声
器数据库数据之间存在差异。这就给人造成一种印
象:在工程中采用了A型扬声器现场安装,就必须
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对号入座用A型扬声器的数据库文件进行声场模
拟,否则运算结果就不会准确。那么事实果真如
此吗?
模拟工作的有效性 ”]。
2001年春开始的第三次国际性巡回比对测试,
有15个国家的21个单位参加,主要参加测试的软
件有德国亚琛大学的Caesar、瑞典的CATY、德国
ADA公司的EASE(AURA)、丹麦技术大学的Ode.
当在EASE软件环境中进行声场模拟之前,首先
进行房间声环境的设置。在设置房间界面吸声材料、
扩散结构时,房间各个界面反射是客观存在的。因此
不同房间各个界面的声反射情况也各不相同。这个
房间就是一个具有一定反射的房间。
正如在“5.1.2扬声器数据测量条件”节所述,在
Oil、意大利帕尔玛大学的Ramsete以及RAJOS,Hall
Acoustics,SAL2000等。这次比对测试采用6种模
拟软件,针对7种音质参量以及声源一接收点位的
6种组合计算平均值与实测值的相对误差参见
具有一定反射的房间内是测量不出反映扬声器本身
的物理特性各项技术参数。此时,在消声室里测量出
来的各种类型的扬声器数据,例如扬声器三维指向性
图(幅度衰减三维球图)就随着房间声环境的不同而
偏离了原有图形形状。它们(指不同型号扬声器图
形数据)之间的差别就变得十分模糊,甚至变得面目
全非。 ・
国内众多的剧场、礼堂、电影院扩声系统工程采
用各种各样类型的扬声器都能实现设计功能,都能满
足相应的声学指标。那么,这与上述扬声器特性随着
房间声环境的不同而偏离了原有数据是否有着某种
内在联系呢?事实上,扬声器数据特点存在差异性,
也存在共性。差异性只有在消声室测量中才能体现,
而共性在具有反射的房间更明显(即扬声器具有一
定指向性,向轴向前方辐射的声能远大于向轴向背后
辐射的声能,而偏离轴向不同的角度声能则均有不同
程度下降)。应该说扬声器共性才是其多样性使用
的基础。
由此可见,在EASE软件中扬声器数据库的使用
是具有一定前提的。即假定在房间模型中扬声器电
声技术参数需要保持在消声室测量数据不变的条件
下,进行声场模拟的。即模拟真实安装有扬声器的房
间声场。然而在这种条件下,该型号扬声器数据库的
实际电声参数已经偏离了该数据库给定值,其偏离程
度随着房间声环境的不同而不同,因而具有很大的不
确定性。因此EASE强调其不同型号扬声器数据库
的差异性实际意义并不大。笔者以为,该扬声器数据
库的共性更为重要。
5.2.3软件国际巡回对比测试
EASE软件仅是中国引入的各类声学设计模拟
软件中的一种。从20世纪9o年代开始的十多年中,
由德国物理技术研究所(PTB)前后对声学模拟软件
组织了三次大规模国际巡回比对测试,以便验证软件
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图4。
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软件编号
图4 6种软件预测值与实测值的相对误差
其中 。和EDT的相对误差大一些,与各频段
吸声数据的准确程度以及界面的散射系数等有关。
这里对6种声学模拟软件进行比对测试,实际上
AURA与Caesar是基于同一算法。但需要指出的
是:这里只有AURA软件采用商品化的扬声器数据
库作为声源,而其他软件或采用点声源(全向或无
指向性扬声器,如Caesar)或者采用自定义扬声器数
据库。从图4中看不出个性化的EASE商品化扬声
器数据库与其他软件声源数据库有什么明显差别。
因此笔者在上一节所讲“EASE强调其不同型号扬声
器数据库的差异性实际意义并不大。”就是这个道
理。事实也是如此。
综上所述,可以得出如下结论:
(1)EASE软件自带的扬声器数据库,作为扬声
器技术手册大全具有一定的资料价值。
(2)采用扬声器数据库进行实际房间声场
模拟是以消声室扬声器测量数据保持不变的前提
下完成的。计算出的结果随扬声器型号不同而
不同。
(3)在实际房间声环境下,扬声器特性与消声室
扬声器测量数据是有差别的。这个差别的大小随声
环境的不同而不同,它是影响软件预测值与实测值相
对误差的重要因素。
(4)其他声场模拟软件采用无指向性扬声器
或自定义扬声器数据库其特性数据随声环境的不
同而不同。在影响软件预测值与实测值相对误差
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声频工程
国凹 6⑥匡嗡 6响@⑧旷6响
因素中,EASE(预测值)又增加了型号变数的影响
因素。
的不同而不同。因此采用EASE软件扬声器数据库
运算结果也仅供参考。国产扬声器只要功率和指
向性与某型号EASE软件扬声器数据库相近,即可
代用。
(5)国际性巡回比对测试结果表明,其他声学
模拟软件采用自定义扬声器数据(Odeon软件)或
无指向性扬声器数据(Caesar软件)与采用精确测
(5)在厅堂扩声系统工程中,当采用国产扬声器
时,也可以在EASE软件进行声场模拟运算。方法
是:根据该型号扬声器的扬声器数据库最大声压级特
性(综合特性灵敏度与电功率)及扬声器三维指向性
图,在EASE软件商品化扬声器数据库中找出相近型
号的扬声器进行代替使用即可。
量的扬声器数据库EASE软件之间的结果各有千
毕竟声学模拟软件EASE仅仅是一个工具软件, 秋。这从另一个角度来看EASE软件商品化扬声器
用户需知,再好的软件也不能代替使用者的实际经验
数据库并非所说的那么神乎其神,必须对号入座
和声学知识。正确输入各项数据和运用各种计算模
才行。
块(包括了解模块使用的前提条件)才能使最终运算
综上所述,该软件使用中的一些误区源于客观上
结果较为可信。
或者违背了EASE软件成立的预设先决条件,或者违
6 结束语
背了建声、电声基本常识。只有走出这些误区,才能
正确把握声学模拟软件EASE的正确使用,更好地服
上面笔者对EASE软件使用中认识上的一些误
务于厅堂声学设计。
区做了讨论,主要有以下几点:
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[13]杜铭秋,王季卿.计算机模拟在厅堂音质设计中的有效
性[J].电声技术,2006(3)14—17.
声室测量扬声器特性数据到了具有反射的现实房
(续兜)
间就会产生偏离,且偏离程度随实际房间的声环境
[责任编辑】史丽丽 [收稿日期]2011—09—16
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