摘要：專業錄音棚的聲學設計與實際效果之間的驗證是建筑聲學領域研究的分支方向。本文著重針對四川廣播電視臺某中等體量的專業錄音棚進行聲學設計與計算機模擬，提供了粗略化、工程化、精細化三種不同模型形態下的聲學仿真。在不同的模擬仿真中，分別計算得到其混響時間、明晰度、清晰度、可懂度等廳堂客觀音質參數，并將這些參數與實際裝飾裝修完工后在現場測得的結果進行對比。計算了在上述三種不同模型形態下計算機仿真與實際測量之間的結果誤差，以此來驗證計算機仿真在客觀音質參數的聲學設計領域大致的模擬能力。
關鍵詞：聲學仿真，Odeon，客觀音質，聲學測試，主觀音質
中圖分類號： 文獻標識碼： 文章編號：
Abstract: In the past two years, we have participated in five professional recording studios about acoustic design and testing in Chengdu area. This article focuses on the acoustic design and computer simulation of one of the medium-sized professional recording studios. We provide three different models (a rough model, an engineering model, a refinement model) under the form of acoustic simulation. In different simulations, the objective sound quality parameters of the hall are calculated respectively, and we compare these parameters with the parameters obtained in the field testing. The relative errors between computer simulations and actual measurements are calculated in three different model forms in order to verify the computer simulation in the objective sound quality parameters of the simulation accuracy.
Key Word: Computer simulation, Odeon, Objective sound quality parameters, Field test
進行廳堂場館的聲場仿真和模擬通常使用射線跟蹤法和聲源鏡像法[1]，它們是基于高頻假設來實現的，其基礎的假設條件就是幾何建模中的反射面是無限大的(至少相較于研究對象的波長該反射面應該是足夠大的)。當在實際工作中遇到反射面不能視作無限大的情況下，則引入“散射”的概念來考慮有限反射面引起的衍射和各種表面材料的非鏡面特性。
此情況下的建筑聲學仿真和模擬建模，若廳堂的幾何建模過于簡單，則可能無法從模型中獲得想要研究的聲學特性；若廳堂的幾何建模涵蓋過多的建筑細節，那它有可能就不能完全符合鏡面聲源法這一類高頻假設方法[2]。什么情況下才是最適宜用于廳堂音質的聲學仿真模擬方法則是本文需要研究與驗證之處。
用于研究的專業錄音棚分為控制室和錄音室，本文著重針對錄音室內客觀音質參數進行仿真計算[3]和實際測量[4]。研究對象的建筑參數及三種模型的建模細節和反射面數量見表1。
| 地點 | 錄音棚名字 | 體積 | 錄音棚用途 | 幾何建模面數 CL/CM/CH |
| 成都 | 民族音樂 錄音棚 |
480m³ | 單人/多人/小型 民族樂隊錄音 |
986/2119/5438 |
表1 專業錄音棚的建筑參數
該錄音棚的粗略化、工程化、精細化三種不同模型形態通過計算機建模完成，如圖1所示。最左邊的模型是對大部分反射面進行簡化并控制散射系數的粗略化建模(CL模型)；中間的模型是對部分反射面進行簡化并調整反射面的散射系數情況下的工程化建模(CM模型)；另一種是包含了較高幾何細節的精細化建模(CH模型)。
圖1 用于仿真計算的三種模型
聲源和接收點位置根據錄音棚的實際使用需求來確定，如圖2所示。P1標示處是典型的單人錄音時的站位處，P2標示處是房間地面中心位置處(多人錄音時的站位處)。標示R1-R12是室內平均分布的12個測試點作為仿真時的傳聲器接收點位。仿真聲源采用聲壓級為97.7dB(A)的聲源信號，實際測量時采用B&K無指向性聲源，聲源離地距離1.7米。測試點采用精密系列麥克風，離地距離約1.3米。
圖2 聲源及測點位置圖
本文針對四個客觀音質參數進行了評估，分別是混響時間“T30”、明晰度“C80”、清晰度“D50”和房間語言可懂度“RASTI”。在建模和實測中都針對這四個參數進行模擬和測試。每個客觀音質參數模擬的計算方法和測量方法依據ISO 3382標準進行[5]。
為了評估客觀音質參數的精度，本文對每個測點的測量數據和模擬數據做了誤差分析，其誤差的平均值按照下述公式(1)和公式(2)分別計算得出。公式(1)用于T30，D50在每個頻率成分上的計算；公式(2)用于C80，RASTI的計算。
T30，D50相對誤差的計算公式如下：
C80，RASTI結果誤差的計算公式如下：
A測試=當前音質參數的測量值；
A模擬=當前音質參數的模擬值。
用于計算誤差的主觀門限值[6]見表2。計算值和模擬值的結果誤差越接近0值，則計算值和模擬值的一致性就越高。
| 客觀音質參數 | 主觀門限值 |
| T30混響時間 | 5% |
| C80明晰度 | 1dB |
| D50清晰度 | 5% |
| RASTI房間語言可懂度 | 0.05 |
表2 聲學參數的主觀門限值
實測時選擇31.5Hz~16000Hz作為測試頻率范圍，但是考慮到該錄音棚的用途，本文主要針對63Hz~8000Hz的倍頻程頻率范圍進行對比與分析[7][8]。
首先針對聲源位于P1處的各客觀音質參數指標進行對比。
混響時間T30模擬值與測試值的對比見圖3。各狀態下模擬值與實測值折線走向較為一致，而其中CM折線除了在125Hz處大幅超過了主觀門限值外，其他頻率測點與實測值有較好的跟隨性。
圖3 T30模擬值與實測值對比(角落)
T30模擬值與實測值的誤差分析見表3。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 5.4% | 17.9% | 3.0% | 7.5% | 6.7% | 10.2% | 0.0% | 6.0% |
| Error-M | 2.7% | 14.3% | 0.0% | 5.0% | 4.4% | 6.1% | 3.9% | 4.0% |
| Error-H | 8.1% | 7.1% | 12.1% | 10.0% | 0.0% | 6.1% | 11.8% | 2.0% |
表3 T30模擬值與實測值的誤差分析(角落)
明晰度C80模擬值與測試值的對比見圖4。各狀態下模擬值與實測值的折線走向較為一致，但在CH狀態下，模擬值在2000Hz頻點以上部分與實測值有較大偏差。
圖4 C80模擬值與實測值對比(角落)
C80模擬值與實測值的誤差分析見表4。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 0.9 | 2.2 | 0.3 | 0.9 | 1.1 | 0.4 | 1.4 | 1.4 |
| Error-M | 0.9 | 1.2 | 1.1 | 0.2 | 0.8 | 0.9 | 0.4 | 0.6 |
| Error-H | 0.4 | 1.6 | 1.4 | 0.3 | 0.2 | 2.0 | 3.2 | 3.8 |
表4 C80模擬值與實測值的誤差分析(角落)
清晰度D50模擬值與測試值的對比見圖5。各狀態下模擬值與實測值的折線走向較為一致，但在CH狀態下，模擬值在4000Hz頻點以上部分與實測值有較大偏差。
圖5 D50模擬值與實測值對比(角落)
D50模擬值與實測值的誤差分析見表5。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 6.1% | 0.0% | 2.3% | 3.5% | 5.0% | 6.4% | 5.3% | 5.4% |
| Error-M | 4.9% | 1.1% | 3.4% | 1.2% | 1.3% | 3.8% | 3.9% | 2.7% |
| Error-H | 6.1% | 1.1% | 4.5% | 2.3% | 2.5% | 2.6% | 10.5% | 10.8% |
表5 D50模擬值與實測值的誤差分析(角落)
聲源位于錄音室內偏向角落位置時得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實測值及其結果誤差見表6。可以看出，RASTI模擬值與實測值有較好的相符性，其中只有CH狀態下稍有超差。
| RASTI [-] | 示值 | 門限值 |
| CL | 0.82 | 0.05 |
| CM | 0.81 | 0.04 |
| CH | 0.83 | 0.06 |
| CT | 0.77 | / |
表6 RASTI的模擬值與實測值及其誤差分析(角落)
第二種情況針對聲源位于P2處的各客觀音質參數指標進行對比。
T30模擬值與測試值的對比如圖6所示。在CM狀態下，其模擬值與實測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實測值均偏低；而在CL及CH狀態下，其模擬值在中高頻頻段與實測值均有較大偏差。
圖6 T30模擬值與實測值對比(中央)
T30模擬值與實測值的誤差分析見表7。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 0.0% | 12.9% | 3.0% | 7.7% | 11.6% | 4.3% | 7.8% | 15.7% |
| Error-M | 5.6% | 3.2% | 3.0% | 5.1% | 4.7% | 4.3% | 3.9% | 5.9% |
| Error-H | 5.6% | 3.2% | 6.1% | 5.1% | 4.7% | 14.9% | 15.7% | 17.6% |
表7 T30模擬值與實測值的誤差分析(中央)
C80模擬值與測試值的對比見圖7。
圖7 C80模擬值與實測值對比(中央)
在CM狀態下，其模擬值與實測值折線的跟隨性較為一致，但模擬值總體較實測值偏高；在CL狀態下，模擬值折線總體跟隨性與實測值較為一致，但個別測點有一定偏差；CH狀態下，在500Hz以上的模擬值與實測值均有較大偏差。
C80模擬值與實測值的誤差分析見表8。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 0.9 | 1.1 | 1.2 | 1.0 | 1.9 | 0.3 | 1.5 | 1.2 |
| Error-M | 1.4 | 0.5 | 1.5 | 0.8 | 0.6 | 1.0 | 1.1 | 0.9 |
| Error-H | 2.2 | 1.2 | 1.7 | 2.1 | 2.1 | 4.2 | 6.1 | 5.7 |
表8 C80模擬值與實測值的誤差分析(中央)
D50模擬值與測試值的對比見圖8。各狀態下模擬值與實測的折線基本走向較為一致，但模擬值均比實測值偏大，其中又以CH狀態下的模擬值偏差最大。
圖8 D50模擬值與實測值對比(中央)
D50模擬值與實測值的誤差分析見表9。
| 頻率/Hz | 63 | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 8000 |
| Error-L | 6.8% | 0.0% | 2.2% | 2.2% | 1.2% | 3.7% | 5.2% | 8.1% |
| Error-M | 6.8% | 2.2% | 4.4% | 4.5% | 2.4% | 6.2% | 2.6% | 5.4% |
| Error-H | 6.8% | 2.2% | 4.4% | 4.5% | 3.6% | 11.1% | 11.7% | 16.2% |
表9 D50模擬值與實測值的誤差分析(中央)
聲源位于錄音室內中央位置時得到的房間語言可懂度RASTI的模擬值、實測值及其主觀門限值見表12。可以看出，RASTI模擬值與實測值均有較好的相符性。
| RASTI [-] | 示值 | 門限值 |
| CL | 0.81 | 0.02 |
| CM | 0.82 | 0.03 |
| CH | 0.84 | 0.05 |
| CT | 0.79 | / |
表10 RASTI的模擬值與實測值及其結果誤差(中央)
通過上述整個模型建立以及計算機仿真結果與實測結果的對比過程可以看出：
1）粗略化建模方便快捷，所需建模時間及軟件仿真時間最短，而精細化建模會花費較長的建模、定義材質和計算的時間，因此在實際工作中應該對建模的深入程度有所取舍。
2）根據不同的構件形狀和大小，在一定程度上對建模的復雜度進行提升，可以取得相較于粗略化建模更好的模型效果和仿真效果。
3）在63Hz以上的中低頻頻域范圍內，各模型狀態下計算機仿真結果可以一定程度上作為指導實際工程的參考；但在偏高頻部分的計算機仿真中，精細化建模狀態下的仿真結果與實測值偏差幅度較大。
4）在日常進行聲學仿真計算的工作中，粗略化及工程化建模已經能夠基本滿足計算機仿真精度的需要，可以一定程度上作為指導實際工程的參考。而考慮太多構件(增加反射面)的精細化建模因為軟件的限制，其計算機仿真的效果在一定程度上并不能讓人滿意。
參考文獻
[1] J. H. Rindel，“The Use of Computer Modeling in Room Acoustics”，Journal of Vibroengineering，No.3 (4)， pp.219-224，2000.
[2] Comparisons between Computer Simulations of Room Acoustical Parameters and Those Measured in Concert Halls. Hiroyoshi SHIOKAWA. Report of the Research Institute of Industrial Technology，Nihon University Number 89，2007.
[3] Odeon Room Acoustics Program Manual. Claus Lynge Christensen. Denmark.
[4] Validation of Lecture Hall Acoustics Through Experimental and Computer Analysis.
[5] ISO 3382-2:2008 Acoustics-Measurement of room acoustic parameters-Part2 Reverberation time in ordinary rooms. 2008:6-7.
[6] M.Vorlander，“International Round Robin on Room Acoustical Computer Simulations” Proc. 15th International Congress on Acoustics，Trondheim，Norway，Vol.II， pp.689-692，1995.
[7] MEASURING IMPULSE RESPONSES USING DIRAC. Acoustics Engineering，Technical Note，TN001.
[8] MEASURING SPEECH INTELLIGIBILITY USING DIRAC. Acoustics Engineering，Technical Note，TN002.