計算機聲學模擬技術在多功能禮堂改造中的應用

文｜中國人民解放軍72671部隊 房 勇 王廣州 聶 鑫濟南大學 張樂娟

1 引言

隨著計算機技術的發展，人們開始運用計算機聲學模擬技術來計算各種聲學參量，這使得許多無法估算的音質參量可以通過計算機模擬來獲得，從而令廳堂音質設計得到了巨大的進步。小型多功能禮堂的擴聲一般以會議、演講、報告等語言擴聲為主，同時兼顧文藝演出活動的擴聲；不同的應用模式對建聲和電聲的要求不同，因此在初期建筑設計時要考慮多種應用的結構需求，在裝修時要照顧不同應用模式對建筑聲學的基本要求，并在此基礎上配合電聲器材的調整，建立擴聲系統。

本文將以某小禮堂的改建為例，介紹如何利用CAD/EASE仿真模擬技術分析原有禮堂在聲學設計方面的不合理因素，進行改建禮堂的聲場模擬，從建筑結構、裝修要求、擴聲系統選配、現場調音等方面進行合理的設計，滿足人們對高清晰、高保真音頻的需求。

2 聲學模擬的關鍵項目

德國ADA聲學設計公司的EASE軟件有著豐富的頻率選擇和模擬項，其中音箱布置圖、聲場圖、觀眾席聽音區的混響時間、總聲壓級圖、快速語言傳遞指數模擬圖、輔音清晰度損失率模擬圖等六項對聲場分析有關鍵作用。

（1）音箱布置圖

用于表示音箱的設計布置方式和主軸聲線所指向的位置，需設置音箱位置、俯仰角等參數，這是聲場模擬的基礎，可根據模擬的情況進行調整。

（2）聲場圖

用于表示建筑環境中各頻率聲音的聲場分布、聲場均勻度和最大聲壓級是否達到標準。聽音者在室內聲場聽到的是直達聲、近次反射聲和混響聲組成的綜合聲，后文三種聲場圖中的數值都是在混響聲場中計算出來的；在系統不變的情況下，由于建聲條件的影響，其結果和系統完成后的實際測量值會有差異。

（3）總聲壓級圖

用于表示建筑環境中各頻率聲音的聲場分布、聲場均勻度和最大聲壓級是否達到標準。對于不同頻率的聲音，室內裝修界面的反射系數有所不同，帶來的衰減量也不相同；因此不同頻率的聲音有著不同的聲壓級圖（本文重點取1kHz頻率的聲音來說明）。

（4）快速語言傳輸指數（Rapid SpeechTransmission Index，RASTI）

快速語言傳輸指數是語言清晰度的一種表現形式，反映語言傳輸系統的客觀屬性，用于測定與可懂度有關的語言傳輸質量。EASE的語言清晰度計算是基于如下條件，對模擬實際講話人聲學特性的測試信號調制指數Mi，以及測試信號由位于講話人位置的聲源傳輸到聽音點上的傳聲器的調制指數Mo，以RASTI法計算得出指數值：

◆ 建聲上，模擬圖中的混響時間頻響曲線與實際的混響時間頻響曲線接近（由于EASE吸聲材料數據庫中所提供的資料與實際裝修所用材料有所差別，所以得到的混響時間模擬圖會與實際混響時間頻響曲線有所差別；因此在建模時，應盡可能選擇與實際裝修材料的吸聲系統相接近的材料，使得到的混響時間模擬圖與實際混響時間頻響曲線相接近）；

◆ 電聲上，所有選用的揚聲器都處在正常的工作狀態下。

一般情況下，EASE模擬計算值0.60～1為非常好，0.45～0.6為良好，0.3～0.45為較差，小于0.3為不能接受。一般RASTI大于0.45為好。

（5）輔音清晰度損失率模擬圖

由于人們講話發聲的母音的能量（如a、o、e、i、u）比輔音（如 b、p、m、f）高約6dB，發聲時間（一般為90ms）比輔音長約70ms，所以因輔音聽不清楚而影響語言清晰度是經常出現的情況。輔音清晰度損失率（ALc%）是一種語言清晰度的度量工具，其值越小，意味著語言清晰度越高。語音清晰度的優劣主要取決于聲音1kHz～2kHz頻率成分的表現。通過測量和計算，得到聲音1kHz～2kHz頻率成分的能量損失率，再經EASE運算，即可得到輔音清晰度損失率。在EASE中，輔音清晰度損失率0%～7%為非常好，7%～11%為良好，11%～15%為清晰，15%～18%為較差，18%以上為不能接受，一般應小于15%。

3 某小禮堂的聲學模擬分析

某小禮堂舞臺深7m，寬15.2m,距地面高0.6m，兩側設計為設備控制室和茶水房，沒有演出需要的側臺，沒有安裝舞臺燈光和機械幕布；地面鋪設地毯，頂面為石膏板，墻面為穿孔鋁塑板，后面為三合板基板和阻燃棉。

會議區長30m，寬20m，平均高度為6.6m，西墻面上裝有3.5m×1.2m的玻璃窗戶14個，東面墻為細木工板上粘貼的鋁塑板。整個會場地面平整，裝有260個座椅，是一個典型的非標準禮堂。

在這樣的建聲環境下，臺口及會議區中部、后部共平均分布地安裝了六個BOSE 502A會議音箱，臺口左側安裝了一個BOSE 502B低音箱。

3.1 模擬分析

在進行正式分析之前，首先要在EASE中將所有音箱放置在相應安裝位置，并調整其指向，以貼合設計需求。由于EASE中并不包含對超低音音箱的分析（分析頻率下限為125Hz），本文的分析結果代表的是觀眾席區域的揚聲器和前場補聲揚聲器所產生的聲場性能。

（1）圖1、圖2為揚聲器布置圖及音箱聲線覆蓋圖。

（2）圖3、圖4為總聲場聲壓級分布值圖。

（3）圖5為1kHz聲音的快速語言傳遞指數模擬圖。

（4）圖6為1kHz聲音的輔音清晰度損失率模擬圖。

3.2 分析結果

（1）總體分析結果

總體分析結果如表1所示。

（2）聲學指標

聲學指標如表2（引用GB 50371-2006規定）所示。

（3）快速語言傳輸指數

快速語言傳輸指數如表3所示。

（4）輔音清晰度損失率

輔音清晰度損失率如表4所示。

（5）混響時間

結合實際裝修情況，取得側墻、頂棚裝修材料的聲學參數，將這些部位的吸聲材料對降低房間混響時間的作用考慮在內后，使用EASE軟件計算出1kHz聲音的混響時間為1.05s。此模擬計算結果符合此類多用途禮堂裝修混響時間一般不宜超過1.2s的要求。

3.3 分析結論

根據以上計算機仿真分析結果，對照擴聲系統設計目標，有以下結論：

◆ 125Hz～4kHz范圍內的最大聲壓級高于93dB——在語言人聲頻率的一般范圍，即200Hz～2kHz范圍內的最大聲壓級是高于98dB的，因此禮堂可以達到國標人聲擴聲一級標準的要求，但是遠達不到演出時對聲壓級的要求，并且現場實測最大聲壓級達不到90dB；

表1 總體分析結果表

表2 聲學指標表

表3 快速語言傳輸指數表

◆ 語言清晰度符合EASE參考手冊要求，聽眾區域語言清晰度為“非常好”，但主席臺上的聲壓級較小，主席臺返聽效果不理想；

◆ 傳輸頻率特性也完全達到標準的要求（如表2所示）；

◆ 聲場不均勻度達到設計目標（如表2所示）；但是，盡管BOSE 502音箱的五個紙盆單元具有不同的朝向，實際測試中還是有些區域聲場不均勻——這與裝修的具體情況有關；

◆ 音箱擺位簡單，數量稀少；整個聲場僅有雙聲道的效果，不滿足多用途類擴聲系統對聲學特性指標的要求。

4 改建方案

4.1 改善基礎結構，滿足基本需求

根據需求，小禮堂要由可容納260個座椅擴容至最少可容納350個座椅，要支持語言擴聲，兼顧文藝演出，在舞臺的設計上要能滿足小型文藝演出活動對燈光和音響的要求。建筑聲學設計主要體現在禮堂的體形設計和裝修設計上——基于上述需求，對禮堂進行擴建：拆除原有的舞臺后墻，將之向外擴出13m，從而形成舞臺長11m，寬15m，會議區長40m，寬20m，舞臺兩側各保留2.5m的側臺的空間設計；安裝寬12m，高4.2m的LED電子顯示屏作為背景墻，在背景墻后設演員通道，將兩側設計為舞臺側臺、化妝間和服務區；把控制室調整到會議區二樓的電影放映間，通過監控系統和觀察窗對整個會議室進行全面掌控。

表4 輔音清晰度損失率表

4.2 安裝舞臺燈光和機械幕布，增強演出效果

舞臺燈光按功能分為基本光和效果光。基本光由面光、頂光、逆光和側光組成，效果光由電腦燈、LED燈產生。

（1）面光即自觀眾頂部正面投向舞臺的光，主要作用為提供舞臺上人物的正面照明及舞臺基本光鋪染，以保證觀眾能看清演員藝術形象的立體效果。

（2）頂光即自舞臺上方投向舞臺的光，由前到后分為一排頂光、二排頂光、三排頂光等，主要用于舞臺普遍照明、舞臺照度增強。

（3）逆光即自舞臺背景墻方向投射的光，可勾畫出人物、景物的輪廓，增強立體感和透明感，也可作為特定光源。

（4）側光光線從高處兩側方向投到舞臺上，即從側邊照射表演區，主要用于人物、景物的兩側面照明，人物、景物立體感、輪廓感的增強。

根據舞臺面積及高度設計一道面光，安裝22只19度成像燈，在舞臺上空設8道燈光電動吊桿：設3道頂光燈，每道設計8只2kW的聚光燈和7只36W×4三基色燈；設2道逆光燈，每道設計24只LED燈；設2道電腦搖頭燈吊桿，每道設計6個電腦搖頭燈；設1道天排燈電動吊桿，設計12個天排燈。側光燈設計安裝在側光排架上，舞臺每側一道，包括8只LED燈和6只冷光燈。

4.3 按照建筑聲學的一般規律，重新進行聲學裝修

會堂、報告廳、演講廳、會議廳等的建筑聲學設計，在聲學要求、設計指標和聲學處理方面都有共通之處——其設計均是以語言清晰度為主要著眼點，遵循強吸聲、短混響原則，多用擴聲系統使聽眾獲得足夠的聲壓級，還需要實現均勻的聲場分布。這些場所一般是按照多功能禮堂的形式進行設計，通常選用折衷的音樂指標，也就是同時兼顧語言清晰、音樂豐滿兩個方面的要求。

4.3.1 建筑聲學的要求

建筑聲學指標要求主要是為了改善聲學環境，把裝修與建筑聲學有機結合起來的總體要求。

（1）廳內應有良好的隔聲、隔振措施。《民用建筑隔聲設計規范》規定，一級多用途大廳動態的本底噪聲級應不高于40dB。

（2）各廳內建筑門窗、吊頂、玻璃、座椅、裝飾物等設施不得有共振現象；廳內不得出現回聲、顫動回聲、房間駐波和聲聚焦等缺陷，聲場擴散應均勻。

（3）對于500Hz～1kHz的中頻聲音，混響時間在1.2s左右為宜；對于125Hz～250Hz的低頻聲音，為使聲音聽起來渾厚溫暖，混響時間需較中頻聲音提升20%以上。

（4）舞臺是聲源所處的位置，聲學條件猶為重要，要有控制混響、消除音質缺陷和節約自然聲能三個方面的考慮。

4.3.2 建筑裝修措施

（1）四周墻壁、地面及吊頂的吸聲處理：舞臺后面和舞臺對面墻上安裝強吸音裝飾面，窗戶安裝厚窗簾；會場墻面（包括窗戶之間）采用木制裝修材料，填充吸音綿等吸音材料；吊頂采用雙層紙面石膏板材料。

（2）四周墻壁及吊頂的隔聲處理（為保證獲得良好的聽聲環境，需進行嚴格的隔聲處理）：鋼架與墻體之間、屋頂和四周墻壁面結合處嚴格密封；輕體墻結構、簡單輕鋼龍骨墻做一層隔聲結構層；玻璃窗使用加厚窗戶和中空玻璃；所有門使用加厚門或專用隔聲門；管道穿墻處使用噴涂式泡沫隔聲材料遮擋嚴實，產生噪音的風機管道進行專業降噪處理。

4.4 利用計算機進行聲場模擬，配置電聲設備

電聲設計是利用音響設備達到改善音質的目標、完成擴聲功能的基礎。在某些特殊情況下，電聲設備可以對建聲的缺陷進行補償。

該禮堂是以會議、發言應用為主，文藝娛樂演出為輔的廳堂，所以其擴聲系統既要滿足語言擴聲對語言清晰度的要求，也要滿足演出對音樂豐滿度的要求。禮堂的會議模式分為兩種，主席臺式和圓桌會議式；擴聲系統應滿足這兩種模式的擴聲需求。

4.4.1 電聲設備配置方案

采用模擬仿真設計驗證和推算擴聲中最重要的音箱部分的參數、安裝位置、數量，確定系統初步配置方案。

配置四只全頻主音箱，分為兩組裝置于舞臺上方左右兩側，起到主要擴聲的作用。由于禮堂是平行于地面，而非階梯狀的；主音箱的擺放都應該盡可能地升起，縮小因主音箱輻射角造成的觀眾所受主音箱輻射的能量差異，并盡可能地利用室內其他的反射表面來加強后座的聲能。

主音箱下方左右兩側各落地擺放一只超低音音箱和拉聲像音箱。拉聲像音箱與主音箱結合，實現聲像定位作用。語言擴聲與文藝娛樂演出擴聲對語言清晰度和豐滿度的要求不同，在使用中，操作人員可根據實際情況來決定是否開啟低頻音箱。

四只臺唇補聲音箱隱藏于舞臺臺口下方，主要對中前方區域起補聲的作用。兩只返聽音箱放置于舞臺臺口兩側，用于使舞臺上的表演者、發言人監聽到自己的聲音。兩只補聲音箱設置為流動形式；在觀眾區和舞臺上預留接口，方便以后按需使用。

當禮堂做為一個大型圓桌會議室使用時，如還使用主席臺式擴聲方式顯然不合適，所以在觀眾區布置六只壁掛會議專用音箱。

4.4.2 聲場分析圖

（1）圖7、圖8為揚聲器布置及音箱聲線覆蓋圖（共四只EAW MK5364主音箱，兩只EAW FR159Z拉聲像音箱，四只EAW UB22Z臺唇補聲音箱，六只補聲音箱）。

（2）圖9為1kHz聲音的總聲場聲壓級分布值圖。

（3）圖10為快速語言傳遞數模擬圖。

（4）圖11為1kHz聲音的輔音清晰度損失率模擬圖。

4.4.3 分析結果

對各個頻率進行分析，結果如表5所示。

根據以上計算機仿真分析結果，對照擴聲系統設計目標，有以下結論：

◆ 80Hz～8kHz范圍內的最大聲壓級高于113dB，達到目標；

◆ 語言清晰度符合EASE參考手冊要求，聽眾區域語言清晰度為“非常好”；

◆ 傳輸頻率特性（以80Hz～8kHz范圍內的平均聲壓級為0dB，在此頻帶內允許-2.46dB～+2.24dB；以125Hz～4kHz范圍內的平均聲壓級為0dB，在此頻帶內允許-2.75dB～+2.25dB）也完全達到標準的要求；

◆ 聲場不均勻度（100Hz時為1.78dB，1kHz時為4.6dB，6.3kHz時為3.24dB）達到設計目標。

根據以上結果可以說，本設計聲場模擬分析數據達到并超過GB 50371-2006規定的一級標準。無論是文藝演出模式還是會議模式的各相關指標均滿足該禮堂聲學設計及測量規程中一級擴聲標準的要求。

4.4.4 幾點經驗

（1）在初步設計時，建筑聲學要和電聲學緊密結合起來。在禮堂建設之初，甚至是在創意階段，就應該邀請聲學專家和音頻系統設計師加入建筑設計隊伍，以便建筑聲學和電聲設計在基礎規劃階段就能得到加強。建筑師和聲學設計者都有必要了解建筑形體、建筑材料對音質的影響，只有建筑設計和聲學設計者密切配合，才能創造性地發揮出最高水平。

（2）在裝修階段，裝修設計要和電聲學密切配合。與國內大多數設計者和用戶一樣，該禮堂更強調裝飾效果，很多音箱都采用暗藏式安裝。在這種情況下，選用阻聲性能小的裝飾網非常關鍵；這就要求音響工程承包者提出相應的要求與設計，并要求裝修方一起配合，共同分析禮堂的聲場情況，對裝修材料提出合理要求，再配以合理的電子聲學設計，才能取得良好的效果。

表5 分析結果表

1 GB 50371-2006 廳堂擴聲系統設計規范

2 GB/T 14476-1993 客觀評價廳堂語言可懂度的“RASTI”法

3 王崢，陳金京.建筑聲學與音響工程.北京：機械工業出版社，2007

4 康玉成.實用建筑吸聲設計技術.北京：中國建筑工業出版社，2007

5 王萬新.劇院擴聲系統改造中的常見問題及解決方案.電聲技術，2012（4）