聲學軟件Odeon中聲線數對聲源指向性的影響

宋恒玲，盧義剛

(華南理工大學建筑系，廣東 廣州 510640)

0 引 言

隨著計算機的發展，在廳堂聲學的早期設計階段，建筑聲學軟件被越來越多的設計和研究人員所使用[1-6]。其中，由丹麥技術大學研究開發出的基于幾何聲學算法的建筑聲學軟件Odeon曾被評為最接近實際測量的三個軟件之一[7]。

在使用Odeon進行建筑聲學仿真時，有兩個重要的參數需要設置：脈沖響應長度和聲線數。脈沖響應長度由混響時間來確定，只要大于2/3混沌時間就可以；對于聲線數并沒特別的規定，建議根據實際情況確定合適的聲線數[8]。在以往的廳堂聲學研究工作中，研究者通常采用無指向性聲源和默認的聲線數(2000)來簡化模擬過程，得到的結論與實際測量結果有一定的偏差[9]。然而由于擴聲系統的使用和某些聲學參量需要在指向性聲源的條件下進行，使得采用指向性聲源進行模擬仿真得到越來越多的關注[10-11]。在使用Odeon仿真的過程中，祝培生等[12]探討了聲源指向性對音質參量的影響與房間的聲學特性有關，在仿真過程中設置聲線數為150 000，脈沖響應長度為2 000 ms，轉化系數為2。

為結合實際，本文使用挪威DNH公司出產的指向性聲源Tunnel-500揚聲器，通過改變聲線數并測得聲場中不同位置受聲點處的聲壓級，探索在使用Odeon仿真中聲線數對仿真結果的影響。

1 實驗模型

仿真通過Odeon 13進行，為方便研究采用Odeon自帶的觀演廳堂模型和教堂模型。觀演廳堂和教堂的外形分別如圖1和圖2所示。

2 實驗方法

在Odeon中設置脈沖響應長度5 000 ms，反射次數為30～10 000，吸聲系數設為0.01，在仿真中不考慮空氣的影響。聲源S和18個受聲點Pn(n=1,??,18,n∈Z)布置符合ISO 3382-2: 2008[13]。

圖1 觀演廳堂外形Fig.1 The shape of the auditorium

圖2 教堂外形Fig.2 The appearance of the church

2.1 觀演廳堂模型

圖3 觀演廳堂聲源S和揚聲器Pn分布Fig.3 Layout of source and receivers in the auditorium

觀演廳堂聲源S和揚聲器Pn分布如圖3所示。取舞臺邊線中點為原點，指向觀眾席方向為x軸正向，向左為y軸正向，向上為z軸正向。觀演廳堂聲源S和揚聲器Pn坐標如表1所示。

表1 觀演廳堂內聲源S和接收器Pn坐標(m)Table 1 The coordinates of source and receivers in the auditorium(m)

2.2 教堂模型

教堂聲源S和揚聲器Pn分布如圖4所示。取長方形地面中心為原點，指向觀眾席方向為y軸正向，向右為x軸正向，向上為z軸正向。聲源S和揚聲器Pn坐標如表2所示。

圖4 教堂聲源S和揚聲器Pn分布Fig.4 Layout of source and receivers in the church

表2 教堂內聲源S和接收器Pn坐標(m)Table 2 The coordinates of source and receivers in the church(m)

2.3 聲源指向性

指向性聲源Tunnel-500的指向性如圖5所示。

3 結果與討論

3.1 使用指向性聲源DNH-Tunnel-500時，聲線數對仿真結果的影響

觀演廳堂和教堂模型受聲點P4處聲壓級隨聲線數的變化分別如表3和表4所示，其余各點的聲壓級未一一列出。

圖5 聲源DNH-Tunnel-500 在不同頻率的的指向性圖樣[14]Fig.5 Directivity patterns of the source DNH-Tunnel-500 at different frequencies[14]

從表3和表4可以看到，在低頻時，聲線數的增加對某一點的聲壓級影響較小；在高頻時，聲線數在100以內時，該點處的聲壓級有著較大的波動；聲線數在100～500之間時，聲壓級波動趨于平緩；聲線數在500以上時，該點處的聲壓級接近某一確定的數值。這說明聲線法適用于高頻建筑聲學的研究。

表3 DNH-Tunnel-500聲源激勵下觀演廳堂受聲點P4處的聲壓級(dB)Table 3 SPLs (dB)at the receiving point P4 under the excitation of the source DNH-Tunnel-500 in the auditorium

續表3

表4 DNH-Tunnel-500聲源激勵下教堂受聲點P4處的聲壓級(dB)Table 4 SPLs (dB)at the receiving point P4 under the excitation of the source DNH-Tunnel-500 in the church

3.2 聲線數對聲場均勻度的影響

比較觀演廳堂和教堂模型聲場中受聲點P1～P18的聲壓級，以聲壓級級差和方差對聲線數作圖(圖6、7)，得到隨聲線數的增加，聲場均勻性的變化情況。

圖6 DNH-Tunnel-500聲源激勵下觀演廳堂聲場中18個受聲點的聲壓級的級差和方差Fig.6 The differentials and variances of SPLs at 18 receiving points under the excitation of the source ‘DNH-Tunnel-500’in the auditorium

圖7 DNH-Tunnel-500聲源激勵下教堂聲場中18個受聲點的聲壓級的級差和方差Fig.7 The differentials and variances of SPLs at 18 receiving points under the excitation of the source ‘DNH-Tunnel-500’in the church

從圖6、7可以看出，采用DNH-Tunnel-500聲源時，在同一頻率上各點的聲壓級差異隨著聲線數的增大而減小，8 000 Hz時最為明顯。這是由于高頻時聲場幾何聲學特性更加顯著，各點的聲壓級差異趨勢更加明顯。聲線數在100以內聲壓級差異較大，100～500之間起伏減小，500以上趨于穩定。隨著聲線數的增加，聲源在聲場中的指向性越來越不明顯。聲線數對聲場均勻度的影響符合前面對某一點聲壓級變化的影響討論。

聲線數的增加導致來自各個方向的聲線的幾率也大大增加。由于各方向的聲壓相互疊加，某一點的聲壓級趨于穩定。同時，由于在空間中聲源指向以外某一方向聲線未到達產生的空白被來自其它方向的反射聲線填補，使得聲場更加均勻。

4 結 論

本文探討了在Odeon仿真中，以觀演廳堂和教堂為模型，研究聲線數對指向性聲源聲場中指向性的影響。對于指向性聲源的聲場，聲線數對指向性的影響存在一個閾值，聲線數越大，指向性越不明顯。研究為建筑聲學工作者在使用聲學軟件Odeon時提供了一個參考。本文不足之處是仿真結果尚需進一步與實際測量結果相驗證，以得到不同指向性的聲源所對應的最佳聲線數值。