摘要：本文以室內(nèi)小空間的聲場(chǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)兩個(gè)同等規(guī)模的室內(nèi)小空間分別采用ODEON和CARA CAD對(duì)其聲場(chǎng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬，其后根據(jù)聲場(chǎng)設(shè)計(jì)方案和仿真結(jié)果對(duì)兩個(gè)室內(nèi)小空間實(shí)施聲學(xué)裝修，完工后再分別對(duì)兩個(gè)室內(nèi)小空間的聲場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)和分析。全文旨在通過室內(nèi)小空間的對(duì)比聲場(chǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐來闡述基于ODEON及CARA兩種聲場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的效果及特點(diǎn)，最后從聲學(xué)設(shè)計(jì)的正確性、合理性、實(shí)施性三個(gè)方面對(duì)聲場(chǎng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，對(duì)這兩種軟件在室內(nèi)小空間聲場(chǎng)設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)給出了評(píng)價(jià)和建議。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；室內(nèi)音質(zhì)；設(shè)計(jì)與實(shí)踐；ODEON；CARA，聲場(chǎng)設(shè)計(jì)，音質(zhì)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB556    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract: This article is based on indoor acoustic field of small room as the research object. According to two of the same size small rooms, we use ODEON and CARA CAD to design and simulate the sound field. After that we decorate the two rooms according to sound field design and simulation results. When the decoration finished we test and analyse the sound field of the two rooms respectively. The whole text aims at expounding the effect and characteristic of ODEON and CARA by the sound quality design and practice in two small rooms. Finally, we verify and analyse the rusults of sound field design from the correctness ,rationality and operability. In the end, the evaluation and suggestion of ODEON and CARA used in design of small rooms are given.

Key Word: Acoustics; Room acoustics; Design and practice; ODEON; CARA CAD

0 引 言¹

近幾年，建筑聲學(xué)行業(yè)在諸如歌劇院、影劇院、演藝廳、體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等大體量空間中的發(fā)展較為迅速，無論是建聲設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)預(yù)算、基建造價(jià)、施工監(jiān)理、電聲器材比選及采購(gòu)以及最后的工程驗(yàn)收等都有一系列的正規(guī)流程可以參考及實(shí)施，然而針對(duì)普通民眾的例如家庭影院、視聽室、琴房、練音間等室內(nèi)小空間的聲學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)踐普遍就顯得隨意化、業(yè)余化。

2 室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)方法

本文以我們針對(duì)成都某高校兩間同等規(guī)模的小型演播室進(jìn)行了不同方法的對(duì)比室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)及實(shí)踐來闡述基于ODEON和CARA CAD兩種聲場(chǎng)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的效果及特點(diǎn)，最后從聲學(xué)設(shè)計(jì)的正確性，聲學(xué)設(shè)計(jì)合理性，聲學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施性的保證這三個(gè)方面對(duì)它們的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 ODEON建模分析

ODEON是由丹麥技術(shù)大學(xué)基于幾何聲學(xué)理論發(fā)展起來的一款建筑音質(zhì)設(shè)計(jì)軟件，它通過虛聲源法與聲線跟蹤法相結(jié)合的理論進(jìn)行聲場(chǎng)仿真，在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了聲學(xué)行業(yè)較為廣泛認(rèn)可[1]。目前ODEON已經(jīng)在各個(gè)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮了作用，馬歇爾戴等國(guó)際知名聲學(xué)設(shè)計(jì)公司也將ODEON作為常用軟件在進(jìn)行廳堂場(chǎng)館的聲場(chǎng)設(shè)計(jì)；就國(guó)內(nèi)來說，北京人民大會(huì)堂音質(zhì)改造工程中也用到了ODEON進(jìn)行聲場(chǎng)模擬。其他還有屬于廳堂場(chǎng)館類的東方藝術(shù)中心、上海黃埔青少年宮；屬于演播播音類的西南民族大學(xué)演播廳；還有許多電影院和劇場(chǎng)的設(shè)計(jì)都用到了ODEON模擬。

圖1是一個(gè)用ODEON建模進(jìn)行聲場(chǎng)模擬的流程圖[2]。

2.2 CARA CAD建模分析

CARA(Computer Aided Room Acoustics) CAD是一款由德國(guó)ETS Services GmbH & Co. KG公司開發(fā)的專門針對(duì)家庭影院、視聽室等室內(nèi)聲場(chǎng)的設(shè)計(jì)軟件。CARA

以有限元分析為基礎(chǔ)，它將房間分割成若干小單元，根據(jù)對(duì)每個(gè)小單元的聲學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算組合完成整個(gè)聲場(chǎng)的聲環(huán)境分析和結(jié)果數(shù)據(jù)計(jì)算，更加適合小房間的聲學(xué)設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^軟件進(jìn)行室內(nèi)聲場(chǎng)的建模、造型、選材、選設(shè)備、模擬、試聽等一系列的聲學(xué)設(shè)計(jì)及模擬操作。軟件目前已經(jīng)在德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞、奧地利、芬蘭、瑞士、印度等國(guó)有了不錯(cuò)的銷量。

圖1 ODEON建模聲場(chǎng)模擬流程圖

Fig.1 Flow chart of the sound field simulation by ODEON modeling

CARA目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用量較少，因其功能與ODEON、EASE、RAYNOISE等聲學(xué)軟件相比較為簡(jiǎn)單，音響設(shè)備庫(kù)、聲學(xué)材料庫(kù)等雖然能夠自定義但是還是存在數(shù)據(jù)庫(kù)基數(shù)不夠大等問題。CARA在針對(duì)大體量空間的聲學(xué)設(shè)計(jì)可能與實(shí)際聲場(chǎng)參數(shù)有一些差異，但是它在室內(nèi)小空間的聲場(chǎng)設(shè)計(jì)和后期驗(yàn)收中還是具有比較高的設(shè)計(jì)還原度，所以本次我們就用ODEON和CARA針對(duì)同等規(guī)模的演播室分別進(jìn)行室內(nèi)聲場(chǎng)設(shè)計(jì)，然后按照設(shè)計(jì)方案施工，最后對(duì)比ODEON和CARA之間聲場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)踐結(jié)果。

3 室內(nèi)小空間聲場(chǎng)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

房間長(zhǎng)5.9米，寬4.1米，高3.75米，建成后室內(nèi)計(jì)劃放置一張演播臺(tái)、兩張旋轉(zhuǎn)座椅、一盆綠色植物、背景布、三基色落地?zé)?、藝術(shù)畫等物件，我們分別用ODEON和CARA建模對(duì)房間內(nèi)的聲場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及模擬。

3.1 ODEON聲場(chǎng)設(shè)計(jì)（1號(hào)演播室）

因?yàn)檫@兩間小型演播室是在一間大教室中用輕質(zhì)隔墻隔斷出來的，所以墻體隔聲效果很差，門也是一般的普通門需要進(jìn)行后期改造。整個(gè)房間挑高3.75米，不利于聲場(chǎng)傳播，需要進(jìn)行吊頂處理。

根據(jù)矩形房間中共振頻率的通用計(jì)算公式[3]：

c——聲速；

L_x、L_y、L_z ——房間的長(zhǎng)寬高，m；

n_x、n_y、n_z ——零或任意正整數(shù)，但不同時(shí)為零。

為了克服小房間容易出現(xiàn)的簡(jiǎn)并現(xiàn)象，我們初步設(shè)計(jì)將吊頂下降為距地3.15m處，使室內(nèi)長(zhǎng)寬高比例不同，由此使得室內(nèi)共振頻率的分布更加均勻。

該小型演播室功能很簡(jiǎn)單，以滿足日常錄播為主，整體墻面首先設(shè)計(jì)進(jìn)行隔聲處理，通過輕鋼龍骨填棉，固定隔音氈及石膏板，再以石膏板為基層進(jìn)行擴(kuò)散及吸聲處理。墻面進(jìn)行凸弧形造型作為聲場(chǎng)擴(kuò)散，輔以天花一定程度的不規(guī)則擴(kuò)散使演播室內(nèi)聲場(chǎng)更加均勻。吸聲部分采用聚酯纖維板材料、環(huán)保玻璃棉等材料來實(shí)現(xiàn)[4]。1號(hào)演播室我們?cè)O(shè)計(jì)中頻混響時(shí)間指標(biāo)為0.35s，要求室內(nèi)本底噪聲滿足NR-30，錄制時(shí)聲場(chǎng)分布均勻，沒有聲聚焦、二次回聲、顫動(dòng)回聲等聲場(chǎng)缺陷。

經(jīng)設(shè)計(jì)與模擬，我們的ODEON仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 ODEON混響時(shí)間模擬圖

Fig2 Simulated diagram of RT by ODEON

在我們的中期監(jiān)控下，施工方按照聲學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)演播間進(jìn)行了裝修。完工后我們對(duì)該室內(nèi)聲場(chǎng)進(jìn)行了聲場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為丹麥B&K公司3560C PULSE聲分析儀、4190傳聲器、發(fā)令槍等[5]。經(jīng)測(cè)室內(nèi)中頻混響時(shí)間為0.33s，本底噪聲29dB(A)，室內(nèi)聲場(chǎng)分布均勻，且沒有發(fā)現(xiàn)顫動(dòng)回聲、聲陰影等明顯聲場(chǎng)缺陷。混響時(shí)間采用脈沖法檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)如下：

3.2 CARA聲場(chǎng)設(shè)計(jì)（2號(hào)演播室）

CARA建模比ODEON繁瑣，操作性不如ODEON簡(jiǎn)單、方便，兼容性也沒有ODEON那么好。但因其獨(dú)特的建模方式，使得CARA建模更直觀，雖不太符合國(guó)人的操作習(xí)慣，但是在室內(nèi)小空間的聲場(chǎng)建模和設(shè)計(jì)上還是能夠滿足基本要求。為了與ODEON的聲場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐相比，我們?cè)?號(hào)演播室中的裝飾造型環(huán)節(jié)比對(duì)1號(hào)演播室來設(shè)計(jì)，隔音層的處理、墻體的凸弧形擴(kuò)散、天花的吸聲與擴(kuò)散、墻面的軟包、隔聲門的處理、燈光、室內(nèi)物件等都保證與1號(hào)演播室相同。同樣，我們也在CARA軟件中對(duì)所有室內(nèi)材質(zhì)進(jìn)行定義，所取材料吸聲系數(shù)做了少量處理，但也盡可能的采用ODEON數(shù)據(jù)庫(kù)中的值。2號(hào)演播室我們?cè)O(shè)計(jì)中頻混響時(shí)間指標(biāo)為0.40s，同樣要求室內(nèi)本底噪聲滿足NR-30，錄制時(shí)聲場(chǎng)分布均勻，沒有聲聚焦、二次回聲、顫動(dòng)回聲等明顯聲場(chǎng)缺陷。

圖3 ODEON聲場(chǎng)擴(kuò)散模擬圖

Fig3 Simulated diagram of sound diffusion by ODEON

圖4 1號(hào)房混響時(shí)間檢測(cè)圖

Fig4 Tested diagram of RT in Room.1

我們的CARA仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 CARA混響時(shí)間模擬圖

Fig5 Simulated diagram of RT by CARA

設(shè)計(jì)完成后，在我們的中期監(jiān)控下，施工方按照聲學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)2號(hào)演播間進(jìn)行了裝修，其間因中期檢測(cè)混響時(shí)間偏

圖6 CARA聲場(chǎng)擴(kuò)散模擬圖

Fig6 Simulated diagram of sound diffusion by CARA

短對(duì)方案進(jìn)行了一次細(xì)小調(diào)整。完工后同樣用脈沖法對(duì)2號(hào)廳進(jìn)行了聲場(chǎng)檢測(cè)。我們發(fā)現(xiàn)室內(nèi)中頻混響時(shí)間為0.44s，與設(shè)計(jì)值有較大誤差，但是與模擬值相近。室內(nèi)本底噪聲31.2dB(A)，室內(nèi)聲場(chǎng)分布較為均勻，但是房間中存在一定程度的顫動(dòng)回聲，沒有發(fā)現(xiàn)聲陰影等其他明顯聲場(chǎng)缺陷。混響時(shí)間檢測(cè)數(shù)據(jù)如下圖7[6]：

圖7 2號(hào)房混響時(shí)間檢測(cè)圖

Fig7 Tested diagram of RT in Room.2

4 結(jié)論

由上述針對(duì)體量相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)房間的聲學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)ODEON在室內(nèi)音質(zhì)設(shè)計(jì)中建模方便、材料庫(kù)豐富、自定義靈活，在設(shè)計(jì)過程中較為順利地滿足了聲學(xué)設(shè)計(jì)師的各種需求。ODEON仿真結(jié)果與實(shí)踐結(jié)果相近，在聲場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)具有較大的數(shù)據(jù)參考價(jià)值。CARA在等小體量房間中的聲場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)中還是具有較大的參考價(jià)值，施工中期因吸聲軟包的填棉問題出現(xiàn)了混響時(shí)間偏短的現(xiàn)象，在對(duì)方案進(jìn)行了調(diào)整后最后檢測(cè)的混響時(shí)間符合預(yù)期要求。由此可見，至少在同等規(guī)模的室內(nèi)小空間中，ODEON與CARA的聲場(chǎng)設(shè)計(jì)與模擬數(shù)據(jù)都能夠給聲學(xué)設(shè)計(jì)提供參考[7]。今后，我們還將對(duì)稍大空間的聲場(chǎng)模擬與實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證。