摘要：近年来建筑厅堂声学设计需求日趋增多，但现有常用的专业声学软件在满足前期会审需求时有一定的局限性。本文通过分析以往工程案例的共通性和一致性，针对室内吸声材料的选型和面积、扩散体造型和面积、天地材料和面积、声能覆盖面等，以及混响时间、声压级均匀度等常规建筑声学指标初步开发了一种模块化、成型化的建筑声学初期分析平台，用于在一定程度上解决方案初期快速演示和声学出图的设计需求。实验结果表明，本分析平台其数据有效性能够满足粗略的声场评估需求，可以作为一种工程化的声学技术手段予以利用。

关键词：矩形厅堂；建筑声学；混响时间；声场评估；分析平台

中图分类号：TB556    文献标识码：A

ZHOU Yuanbo

(Sichuan Haiyan Acoustic Technology Co., Ltd, Chengdu 610000, Sichuan China)

Abstract: The demand for acoustic design of hall buildings has been increasing in recent years, but the existing commonly used professional acoustic software has some limitations when it meets the needs of pre-trial review. Based on the analysis of the commonality and consistency of the previous engineering cases, a modularized and shaped initial analysis platform of architectural acoustics is preliminarily developed for the selection and area of indoor sound-absorbing materials, the shape and area of diffusers, the materials and area of ceiling and floor, the coverage of sound energy, as well as the conventional architectural acoustics indexes such as reverberation time and sound pressure level uniformity. To a certain extent, this analysis platform solves the design requirements of rapid demonstration and acoustic mapping in the early stage of the solution. The experimental results show that the data validity of the analysis platform can meet the needs of rough sound field evaluation and can be used as an engineering acoustic technology.

Key words: rectangular hall; architectural acoustics; reverberation time; sound field evaluation; analysis platform

0 引 言

室内音质在近年的基础建设中越来越受到业主方的重视。除扩声系统、公共广播系统等传统电声设备的设计及招采外，建筑本身的厅堂音质设计需求也常常见诸于招投标信息中。这种情况下，建筑声学设计行业的从业者往往需要针对不同业主的不同建筑平面图进行单独建模和模拟仿真的研究，其中涉及到大量相似的、重复的几何建模和初期声学分析工作，倘若直接运用例如Odeon、Ease等成熟的专业声学仿真平台来处理的话，就会涉及到CAD几何建模、声学建模、声学定义、声源测点布置、仿真计算等一套完整的声学模拟仿真步骤，其人员、时间、经费等往往都不能及时满足业主方前期会审的需求。基于此，本文开发了一套初步满足矩形厅堂的建筑声学分析平台，用于解决此类问题。

1 平台需求分析

面对上述问题，类似的项目经验表明，在内装方案尚未明确的沟通前期，往往过会的建筑或声学初设方案都带有一定的共通性和一致性，这些共通点和一致性主要集中在室内吸声材料的选型和面积、扩散体造型和面积、天地材料和面积、声能覆盖面等，以及混响时间、声压级均匀度等常规建筑声学指标。本文基于此介绍了一种模块化、成型化的建筑声学初期分析平台，用于在一定程度上解决方案初期快速演示和声学出图的设计需求。

2 关键点分析

本文所述的分析平台几何基础选取了较为常见的矩形厅堂建筑平面，基于射线声学理论进行初步设计和实现，该理论目前适用于波长远小于厅堂建筑几何特征的中高频频段的室内声学仿真分析。

本文选取矩形厅堂建筑作为研究对象，其运用的关键点在于：

1. 矩形厅堂有着较为明确的、方便设置的长宽高几何尺寸；
2. 其室内影响因子较大的声学材料例如门、窗、主席台、观众区、天花、地面、墙面、扩散体等便于定义和调整；
3. 声学计算需求较为统一，集中在声能射线分布、混响时间、稳态声压级分布等方面。

3 平台设计与实现

本文所述平台提供了一套简单易用的矩形厅堂室内音质仿真分析的工作流程，其主要操作流程如图1所示。

3.1 理论基础

在静止流体中，声波通常用以下平面波的形式表示[1]：

其中，

Φ(m2/s) — 流质的速度势，

a — 速度势的振幅，

Ψ(rad) — 相位。

图1 平台设计流程图

Fig.1 System design flow chart

当厅堂建筑的几何尺寸远大于声波波长时，可以认为该波局部近似平面波，导出如下公式：

其中，

k (rad/m) — 矢量波，

q (m) — 位置向量，

c (m/s) — 介质中的声速，

t (s) — 时间。

虽然速度势是由一个静止的流体定义的，但通过在流体静止的坐标系中建立声波方程，可以对以速度u(m/s)运动的均匀流体应用相同的处理方法。得到声波方程的下列形式，

按表达式（4）定义波的角频率：

因此，声波方程可以用哈密尔顿函数形式来表示：

混合时频公式优势在于能够将射线声学问题分解为傅里叶分量，从而解决每条射线传播一个频率分量的问题[2][3]。此外，它能够更简单地使用与频率相关的边界条件。

3.2 几何建模模块

本分析平台设置了几何建模模块，使用时方便针对不同项目对建筑轮廓、墙面扩散体、墙面吸声区域、天花吸声扩散区域、听众区域进行快速的几何调整和修改，有利于现场交流方案时实时演示不同吸声扩散体型对室内音质的影响。

其中几何建模尺寸做了一定的数值限制，例如建筑轮廓限定值为(0m,35m]区间范围，如果超出限制条件，平台会有报错提示；且尺寸过大的建模在常规网格剖分后会对分析计算时间造成较大影响，不利于实时演示的效果。如果有大体量建筑需要做声学仿真分析，本文还是建议采用专业的商业化声学模拟仿真平台来执行。

建筑几何模型确定后需要重新生成体积、内壁表面积，还需设置温湿度等室内声学环境参数。

平台界面及几何建模模块见图2。

图2 平台界面及几何建模模块图

Fig.2 Platform interface and geometric modeling module

3.3 声源点及测试点模块

该声学分析平台的初步设计中，暂只添加了1个声源点和1个接收点用于评估室内声压级分布情况和接收点脉冲响应时间衰减情况。

图3 典型声源位置及测点位置图

Fig.3 Typical sound source location and measuring point location

该声源点(如十二面体)和接收点(如麦克风)在三维几何中的位置均可以自定义设置，如图3所示，本文给出了一个位于主席台正中的典型发言位置和位于观众区域中前部的典型听音位置作为分析示例。

3.4 有效面及声学材料模块

有效面及声学材料模块主要用于设置模型中镜面反射和漫反射的边界条件，可以用于声压评估和重建时间脉冲响应。模型中已经参考声学手册和噪声与振动控制工程手册等文献结合工作经验预设了各有效面的吸声系数、散射系数和反射方式，此部分亦可以根据实际使用材料的声学性能进行自定义修改。各有效面预设吸声系数值如表1所述[4][5]：

本模块预定义了不同精细程度的边界网格划分模式，便于使用者根据模型参数精度需求自行定义如图4、图5所示。

图4 网格剖分图1

Fig.4 Mesh division diagram 1

图5 网格剖分图2

Fig.5 Mesh division diagram 2

3.5 声学参数模块

在声学参数模块中，本分析平台对初步声学计算的需求较为统一，集中在声能射线分布、混响时间、声压级分布等几方面。通过声能射线，可大致评估不同尺寸扩散体对室内声场扩散的影响；通过接收点的设置，可以得到测点位置处的脉冲响应，并经计算评估测点处的T60混响时间；通过受声面的设置，可以得到主席台区域或观众区域的稳态声压级分布（与声源设置的参数相关）。

设置好声学参数模块后，经本分析平台计算，可以较快速的解得声能射线图、混响时间曲线、脉冲响应图、声压级分布图等可视化仿真结果。如下列所示，图6~图8是本例的声学射线图，时间节点选取5ms~50ms区间范围。

图6 5ms声能射线图

Fig.6 Acoustic energy ray of 5ms

图7 25ms声能射线图

Fig.7 Acoustic energy ray of 25ms

图8 50ms声能射线图

Fig.8 Acoustic energy ray of 50ms

由声能射线图可以反映全指向性声源在声能发出后，与室内反射面作用后的声音能量分布，利于调整扩散体的几何设计结构。下图是本例观众区域的稳态声压级分布图。

图9 1000Hz稳态声压级

Fig.9 Steady sound pressure level of 1000Hz

由图9可见，预设观众区域声压级分布符合实际情况，区域前排声压级在95dB左右，区域后排声压级在86dB~90dB左右，整个区域因声学吸声面及扩散体的不均匀布置使稳态声压级出现一定程度（约3dB）的不均匀性。下图10是本例接收点位置模拟测得的脉冲响应图。

图10 测点处脉冲响应图

Fig.10 Impulse response diagram at the measuring point

图11是本例测点位置处的混响时间曲线图。混响时间是建立在sabine公式上计算的，其中一条曲线没有考虑环境对声场的影响，一条曲线考虑了环境对声场的影响，结果分别建于图11中绿色曲线和蓝色曲线。

4 测试与对比

本文所述案例中的声能射线模块与Odeon平台（工程建模）做了对比评价；针对混响时间模块和稳态声压级仿真模块与基于B&K DIRAC平台的现场声学测试结果进行了对比。对比结果表明现场实测结果与初步仿真结果趋势一致，具体数值针对不同频段约有2%~11%的误差。

图11 测点处混响时间估算图

Fig.11 Estimated reverberation time at the measuring point

5 结 语

综上，基于几何射线声学理论的矩形厅堂建筑声学仿真分析平台的初步设计基本达到预期目的，能够针对特定体态（本文特指矩形）厅堂的部分建筑声学指标进行快速的设定、计算和可视化仿真，较大程度降低了实际工程设计中的设计师人力成本和时间成本，在项目前期的方案交流中有较为突出的演示优势。该平台的仿真结果经过了一定数据量的验证，其数据有效性能够满足粗略的声场评估需求，可以作为一种工程化的声学技术手段予以利用。但该平台目前尚存一些不足，例如对建筑几何及室内声学布置局限较大，吸声系数自定义模块操作较为繁琐，仅适用于中高频段的室内声学仿真等。本平台目前也在开发求解室内声能有限元部分功能。