摘要：专业录音棚的声学设计与实际效果之间的验证是建筑声学领域研究的分支方向。本文着重针对四川广播电视台某中等体量的专业录音棚进行声学设计与计算机模拟，提供了粗略化、工程化、精细化三种不同模型形态下的声学仿真。在不同的模拟仿真中，分别计算得到其混响时间、明晰度、清晰度、可懂度等厅堂客观音质参数，并将这些参数与实际装饰装修完工后在现场测得的结果进行对比。计算了在上述三种不同模型形态下计算机仿真与实际测量之间的结果误差，以此来验证计算机仿真在客观音质参数的声学设计领域大致的模拟能力。
关键词：声学仿真，Odeon，客观音质，声学测试，主观音质
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
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
进行厅堂场馆的声场仿真和模拟通常使用射线跟踪法和声源镜像法[1]，它们是基于高频假设来实现的，其基础的假设条件就是几何建模中的反射面是无限大的(至少相较于研究对象的波长该反射面应该是足够大的)。当在实际工作中遇到反射面不能视作无限大的情况下，则引入“散射”的概念来考虑有限反射面引起的衍射和各种表面材料的非镜面特性。
此情况下的建筑声学仿真和模拟建模，若厅堂的几何建模过于简单，则可能无法从模型中获得想要研究的声学特性；若厅堂的几何建模涵盖过多的建筑细节，那它有可能就不能完全符合镜面声源法这一类高频假设方法[2]。什么情况下才是最适宜用于厅堂音质的声学仿真模拟方法则是本文需要研究与验证之处。
用于研究的专业录音棚分为控制室和录音室，本文着重针对录音室内客观音质参数进行仿真计算[3]和实际测量[4]。研究对象的建筑参数及三种模型的建模细节和反射面数量见表1。
| 地点 | 录音棚名字 | 体积 | 录音棚用途 | 几何建模面数 CL/CM/CH |
| 成都 | 民族音乐 录音棚 |
480m³ | 单人/多人/小型 民族乐队录音 |
986/2119/5438 |
表1 专业录音棚的建筑参数
该录音棚的粗略化、工程化、精细化三种不同模型形态通过计算机建模完成，如图1所示。最左边的模型是对大部分反射面进行简化并控制散射系数的粗略化建模(CL模型)；中间的模型是对部分反射面进行简化并调整反射面的散射系数情况下的工程化建模(CM模型)；另一种是包含了较高几何细节的精细化建模(CH模型)。
图1 用于仿真计算的三种模型
声源和接收点位置根据录音棚的实际使用需求来确定，如图2所示。P1标示处是典型的单人录音时的站位处，P2标示处是房间地面中心位置处(多人录音时的站位处)。标示R1-R12是室内平均分布的12个测试点作为仿真时的传声器接收点位。仿真声源采用声压级为97.7dB(A)的声源信号，实际测量时采用B&K无指向性声源，声源离地距离1.7米。测试点采用精密系列麦克风，离地距离约1.3米。
图2 声源及测点位置图
本文针对四个客观音质参数进行了评估，分别是混响时间“T30”、明晰度“C80”、清晰度“D50”和房间语言可懂度“RASTI”。在建模和实测中都针对这四个参数进行模拟和测试。每个客观音质参数模拟的计算方法和测量方法依据ISO 3382标准进行[5]。
为了评估客观音质参数的精度，本文对每个测点的测量数据和模拟数据做了误差分析，其误差的平均值按照下述公式(1)和公式(2)分别计算得出。公式(1)用于T30，D50在每个频率成分上的计算；公式(2)用于C80，RASTI的计算。
T30，D50相对误差的计算公式如下：
C80，RASTI结果误差的计算公式如下：
A测试=当前音质参数的测量值；
A模拟=当前音质参数的模拟值。
用于计算误差的主观门限值[6]见表2。计算值和模拟值的结果误差越接近0值，则计算值和模拟值的一致性就越高。
| 客观音质参数 | 主观门限值 |
| T30混响时间 | 5% |
| C80明晰度 | 1dB |
| D50清晰度 | 5% |
| RASTI房间语言可懂度 | 0.05 |
表2 声学参数的主观门限值
实测时选择31.5Hz~16000Hz作为测试频率范围，但是考虑到该录音棚的用途，本文主要针对63Hz~8000Hz的倍频程频率范围进行对比与分析[7][8]。
首先针对声源位于P1处的各客观音质参数指标进行对比。
混响时间T30模拟值与测试值的对比见图3。各状态下模拟值与实测值折线走向较为一致，而其中CM折线除了在125Hz处大幅超过了主观门限值外，其他频率测点与实测值有较好的跟随性。
图3 T30模拟值与实测值对比(角落)
T30模拟值与实测值的误差分析见表3。
| 频率/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模拟值与实测值的误差分析(角落)
明晰度C80模拟值与测试值的对比见图4。各状态下模拟值与实测值的折线走向较为一致，但在CH状态下，模拟值在2000Hz频点以上部分与实测值有较大偏差。
图4 C80模拟值与实测值对比(角落)
C80模拟值与实测值的误差分析见表4。
| 频率/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模拟值与实测值的误差分析(角落)
清晰度D50模拟值与测试值的对比见图5。各状态下模拟值与实测值的折线走向较为一致，但在CH状态下，模拟值在4000Hz频点以上部分与实测值有较大偏差。
图5 D50模拟值与实测值对比(角落)
D50模拟值与实测值的误差分析见表5。
| 频率/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模拟值与实测值的误差分析(角落)
声源位于录音室内偏向角落位置时得到的房间语言可懂度RASTI的模拟值、实测值及其结果误差见表6。可以看出，RASTI模拟值与实测值有较好的相符性，其中只有CH状态下稍有超差。
| RASTI [-] | 示值 | 门限值 |
| CL | 0.82 | 0.05 |
| CM | 0.81 | 0.04 |
| CH | 0.83 | 0.06 |
| CT | 0.77 | / |
表6 RASTI的模拟值与实测值及其误差分析(角落)
第二种情况针对声源位于P2处的各客观音质参数指标进行对比。
T30模拟值与测试值的对比如图6所示。在CM状态下，其模拟值与实测值折线的跟随性较为一致，但模拟值总体较实测值均偏低；而在CL及CH状态下，其模拟值在中高频频段与实测值均有较大偏差。
图6 T30模拟值与实测值对比(中央)
T30模拟值与实测值的误差分析见表7。
| 频率/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模拟值与实测值的误差分析(中央)
C80模拟值与测试值的对比见图7。
图7 C80模拟值与实测值对比(中央)
在CM状态下，其模拟值与实测值折线的跟随性较为一致，但模拟值总体较实测值偏高；在CL状态下，模拟值折线总体跟随性与实测值较为一致，但个别测点有一定偏差；CH状态下，在500Hz以上的模拟值与实测值均有较大偏差。
C80模拟值与实测值的误差分析见表8。
| 频率/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模拟值与实测值的误差分析(中央)
D50模拟值与测试值的对比见图8。各状态下模拟值与实测的折线基本走向较为一致，但模拟值均比实测值偏大，其中又以CH状态下的模拟值偏差最大。
图8 D50模拟值与实测值对比(中央)
D50模拟值与实测值的误差分析见表9。
| 频率/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模拟值与实测值的误差分析(中央)
声源位于录音室内中央位置时得到的房间语言可懂度RASTI的模拟值、实测值及其主观门限值见表12。可以看出，RASTI模拟值与实测值均有较好的相符性。
| RASTI [-] | 示值 | 门限值 |
| CL | 0.81 | 0.02 |
| CM | 0.82 | 0.03 |
| CH | 0.84 | 0.05 |
| CT | 0.79 | / |
表10 RASTI的模拟值与实测值及其结果误差(中央)
通过上述整个模型建立以及计算机仿真结果与实测结果的对比过程可以看出：
1）粗略化建模方便快捷，所需建模时间及软件仿真时间最短，而精细化建模会花费较长的建模、定义材质和计算的时间，因此在实际工作中应该对建模的深入程度有所取舍。
2）根据不同的构件形状和大小，在一定程度上对建模的复杂度进行提升，可以取得相较于粗略化建模更好的模型效果和仿真效果。
3）在63Hz以上的中低频频域范围内，各模型状态下计算机仿真结果可以一定程度上作为指导实际工程的参考；但在偏高频部分的计算机仿真中，精细化建模状态下的仿真结果与实测值偏差幅度较大。
4）在日常进行声学仿真计算的工作中，粗略化及工程化建模已经能够基本满足计算机仿真精度的需要，可以一定程度上作为指导实际工程的参考。而考虑太多构件(增加反射面)的精细化建模因为软件的限制，其计算机仿真的效果在一定程度上并不能让人满意。
参考文献
[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.