聲學(xué)模擬軟件的發(fā)展

聲學(xué)模擬軟件的發(fā)展

如今，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一套聲音系統(tǒng)的時(shí)候，無(wú)論是固定安裝還是演出系統(tǒng)，聲學(xué)模擬軟件肯定是我們首先要使用的工具。這種由學(xué)院派于上世紀(jì)70年代研發(fā)出來(lái)的簡(jiǎn)單函數(shù)，如今已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化，對(duì)專(zhuān)業(yè)音頻領(lǐng)域產(chǎn)生了復(fù)雜而深遠(yuǎn)的影響。它被視為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師最為重要的工具，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也在不斷地發(fā)展更新。

聲學(xué)模擬軟件的發(fā)展來(lái)自兩方面，一是如Bose,L-Acoustics和Yamaha等設(shè)備制造商伴隨相關(guān)設(shè)備提供軟件，另一方面則是一些獨(dú)立的軟件研發(fā)機(jī)構(gòu)如Catt, EASE,Odeon和Ulysses等的不斷努力。雖然這些程序都是獨(dú)一無(wú)二的，但它們的研發(fā)卻都直接影響著專(zhuān)業(yè)音頻領(lǐng)域，同時(shí)為設(shè)備在某一場(chǎng)地將以何種狀態(tài)來(lái)工作的預(yù)測(cè)提供了更為可靠的保障。

大多數(shù)獨(dú)立解決方案都起源于教育機(jī)構(gòu)的研發(fā)活動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，Odeon最初是丹麥技術(shù)大學(xué)聲學(xué)技術(shù)研究所和一些有著準(zhǔn)確房間聲學(xué)效果需求的公司共同合作的結(jié)果。而EASE的研發(fā)起點(diǎn)則是文化建筑協(xié)會(huì)的Wolfgang Ahnert博士和來(lái)自柏林洪堡大學(xué)理論物理研究所的Rainer Feistel博士聯(lián)手的結(jié)果，他們組成的團(tuán)隊(duì)致力于編寫(xiě)聲學(xué)建模程序，用于模擬延時(shí)以及大型揚(yáng)聲器系統(tǒng)的電平調(diào)整。 “和現(xiàn)在相比，早期的Odeon所實(shí)現(xiàn)的功能十分原始，”O(jiān)deon A/S的研發(fā)部門(mén)總監(jiān)Claus Lynge Christensen說(shuō)道。“事實(shí)上，1984年還是電腦的童年時(shí)期，它的性能不允許你做如今看來(lái)十分簡(jiǎn)單的事情。因此這些建模的計(jì)算也并不成熟，它們只是十分粗略的估算。”

“1990年的EASE 1.0和2011年的EASE 4.3相比簡(jiǎn)直就是自行車(chē)和汽車(chē)的區(qū)別，”AFMGTechnologies總經(jīng)理Stefan Feistel補(bǔ)充道。“你可以很輕松地獲得想要的結(jié)果，但速度和質(zhì)量則有著極大的不同。” 個(gè)人電腦工作性能的發(fā)展也使得建模軟件從一個(gè)錦上添花的工具逐漸變成了設(shè)計(jì)者必不可少的武器。我們知道，立體視圖效果是當(dāng)前軟件的優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)的本質(zhì)卻在于處理速度和新的功能，比如頻率散射的統(tǒng)計(jì)功能等等。

“這些軟件的圖形顯像能力是隨著個(gè)人電腦的不斷進(jìn)化而逐步增強(qiáng)的。用戶界面也是如此，”教育機(jī)構(gòu)Synergetic Audio Concepts主席Pat Brown說(shuō)道。“顯示界面越來(lái)越好看，而計(jì)算時(shí)間也僅僅是原先的一個(gè)零頭。”

“包括使用CAD建模在內(nèi)的軟件更新是十分重要的，”Christensen先生補(bǔ)充道。“更多先進(jìn)算法都必須圍繞這一技術(shù)而展開(kāi)，如統(tǒng)計(jì)物體周?chē)难苌淝闆r、距離相關(guān)參數(shù)、實(shí)際聽(tīng)音模擬、常規(guī)揚(yáng)聲器模擬以及線陣列揚(yáng)聲器模擬等等。”

這些技術(shù)進(jìn)步都為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們提供了具有實(shí)際意義的巨大幫助。“電腦對(duì)復(fù)雜揚(yáng)聲器系統(tǒng)和惡劣聲學(xué)環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)能夠節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。它能夠在近乎零成本的條件下提出具體的系統(tǒng)方案，”Feistel先生說(shuō)道。“同等重要的是，它能夠協(xié)助用戶了解揚(yáng)聲器之間的相互關(guān)系、房間聲學(xué)所產(chǎn)生的影響以及可以進(jìn)行優(yōu)化的潛能。”

“通過(guò)使用Odeon這樣的高級(jí)房間聲學(xué)模擬軟件，你不僅可以了解系統(tǒng)直達(dá)聲將如何覆蓋觀眾區(qū)域，還可以知道這套系統(tǒng)在某間具體的房屋里表現(xiàn)如何。它將房間幾何形狀、表面材料和聲音系統(tǒng)同時(shí)列入計(jì)算范圍，”Christensen先生補(bǔ)充道。“事實(shí)上，你甚至有可能通過(guò)耳機(jī)聽(tīng)到聲音設(shè)計(jì)的結(jié)果。”

但即使技術(shù)是如此先進(jìn)，最重要的部分仍然是終端用戶，過(guò)分以來(lái)軟件的準(zhǔn)確性也將產(chǎn)生一定的問(wèn)題。“如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能力不足，這些快速計(jì)算，并通過(guò)漂亮的圖形呈現(xiàn)在人們面前的結(jié)果則有可能是徹底錯(cuò)誤的，”Brown先生說(shuō)道。“除非設(shè)計(jì)者了解這些算法的機(jī)制，他們就無(wú)法知道他們要模擬什么，要相信什么。”

“當(dāng)今，用于模擬計(jì)算的函數(shù)所遭遇的潛在問(wèn)題與20年前沒(méi)有什么不同，”他接著說(shuō)道。“這些程序視聲音為光束，并通過(guò)光的傳播規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)聲音的輻射情況，”Brown先生解釋道。“這種假設(shè)對(duì)于高頻來(lái)說(shuō)較為適用，但對(duì)低頻則行不通，它們兩者之間有一種漸變的規(guī)律。這意味著建模軟件程序可能給出一個(gè)很好的高頻單元模擬，完全錯(cuò)誤的超低揚(yáng)聲器設(shè)置以及湊合能用的中頻揚(yáng)聲器設(shè)置，”SynAudCon的主席說(shuō)道。

對(duì)于準(zhǔn)確模擬低頻聲音的傳播特性這一挑戰(zhàn)，各大廠商都在積極應(yīng)對(duì)，以期獲得一個(gè)很好的解決方案。“我們?cè)诘皖l的建模方面進(jìn)展很快，一些類(lèi)似于錄音棚這樣的小型房間已經(jīng)可以被準(zhǔn)確模擬，”Feistel先生說(shuō)道。“這將是EASE5.0最與眾不同的地方。”

Christensen先生也同樣意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題。“Odeon以高頻建模為主，這意味著它無(wú)法在低頻區(qū)域做出準(zhǔn)確可靠的預(yù)測(cè)。這種建模不適合用來(lái)分析低頻染色這種小型房間的主要問(wèn)題，”他解釋道。“我們正在尋求其它的建模方式以掌握整個(gè)房間的聲音輻射特點(diǎn)。”

“聲學(xué)建模需要你了解聲音，它們僅僅是一個(gè)計(jì)算器，”Brown先生解釋道。“它們可以讓設(shè)計(jì)者嘗試模擬一個(gè)真實(shí)的空間，但它無(wú)法做出設(shè)計(jì)上的決定。如果你不知道它模擬的是什么，那么你得到的模型就可能毫無(wú)實(shí)際意義，設(shè)計(jì)就有可能失敗。一個(gè)設(shè)計(jì)師需要電聲學(xué)知識(shí)來(lái)從建模軟件中獲取有意義的結(jié)果，”Brown先生說(shuō)道。

“正如30年前那樣，一個(gè)基本的宗旨就是‘垃圾輸入，垃圾輸出’，”Feistel先生補(bǔ)充道。“這意味著建模軟件僅僅是一個(gè)工具，不是銀質(zhì)子彈。它是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算器，但僅限于此。如果使用者無(wú)法做出決定或無(wú)法解讀計(jì)算結(jié)果，那么EASE將無(wú)法提供幫助。”

由設(shè)備制造商提供的相關(guān)軟件，其研發(fā)則展示了他們的揚(yáng)聲器和整套系統(tǒng)所具有的功能。“當(dāng)Yamaha推出其Installation系列揚(yáng)聲器時(shí)，我們希望通過(guò)Y-S3模擬軟件向客戶們展示安裝我們揚(yáng)聲器的最佳方案。這充分利用了我們?cè)诼晫W(xué)設(shè)計(jì)上的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，”Yamaha亞太地區(qū)擴(kuò)聲市場(chǎng)銷(xiāo)售和市場(chǎng)負(fù)責(zé)人Shinya Uchida說(shuō)道。

“我們的首要概念就是通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟來(lái)展示模擬結(jié)果，這從一開(kāi)始就沒(méi)有任何改變。用戶們可以通過(guò)選擇房間形狀、揚(yáng)聲器型號(hào)和輸出模式來(lái)得到模擬結(jié)果，”Uchida先生接著說(shuō)道。“隨著軟件得到更新，能夠模擬的揚(yáng)聲器型號(hào)變得越來(lái)越多。同時(shí)，模擬的模式也隨著更新而得到不斷地豐富。Y-S3擁有幾種模式可供用戶選擇，通過(guò)選擇這種模式，所有揚(yáng)聲器都會(huì)自動(dòng)調(diào)整設(shè)置，而不需要一個(gè)一個(gè)來(lái)改變?cè)O(shè)置。”

“在軟件背后的另一項(xiàng)技術(shù)成就，是準(zhǔn)確性越來(lái)越高的自動(dòng)調(diào)試功能以及算法速度的提高。此外還有用戶界面和操作性上的提升，如幫助用戶選擇某個(gè)揚(yáng)聲器或功放來(lái)避免錯(cuò)誤的搭配等新功能。”這種幫助用戶了解最終系統(tǒng)聲音狀態(tài)的概念同樣可以在Bose的Modeller軟件中找到。作為各個(gè)制造商獨(dú)立研發(fā)的軟件，這種軟件所使用的技術(shù)使得系統(tǒng)集成者在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段就能夠看到不同的情況，并預(yù)測(cè)最終的聲音是什么樣的。

當(dāng)然，影響制造商的并不只是這些聲學(xué)模擬軟件，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)也是極為重要的。“全世界的顧問(wèn)、設(shè)計(jì)者和施工者都需要EASE提供的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行工作，”Feistel先生說(shuō)道。“這也使得制造商們必須了解自身產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量以便提供軟件可以依靠的數(shù)據(jù)。雖然在這方面的發(fā)展較慢，但一個(gè)做事嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓緞?shì)必會(huì)提供其全線產(chǎn)品的高度準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。”

“通過(guò)聲學(xué)建模，根據(jù)揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)參數(shù)和房間特點(diǎn)來(lái)得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，這將實(shí)際安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)移到了電腦模擬階段，”Christensen先生再次高度強(qiáng)調(diào)了聲學(xué)模擬軟件在整個(gè)業(yè)界中的重要性。“這就使得問(wèn)題在發(fā)生前就得到了解決，同時(shí)允許我們嘗試不同的解決方案。這些方案和房間幾何形狀、建筑材料和聲音系統(tǒng)相關(guān)，通過(guò)這些參數(shù)，測(cè)試軟件就能夠提供更佳精確、有效且經(jīng)濟(jì)的解決方案。”

盡管如此，F(xiàn)eistel先生仍然認(rèn)為，“任何一個(gè)聲音系統(tǒng)都需要通過(guò)實(shí)際聽(tīng)音來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。完全通過(guò)先期的模擬來(lái)設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)是不可能的。當(dāng)然，如果一個(gè)理解軟件原理的人能夠恰當(dāng)?shù)厥褂眠@種工具，你所得到的計(jì)算結(jié)果將十分接近實(shí)際情況，可怕的錯(cuò)誤就可以被避免。但人們必須使用自己的大腦、耳朵和眼睛來(lái)對(duì)復(fù)雜的電腦計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)充。