多功能体育馆音质控制ODEON仿真应用研究❋

傅圣雪, 郭在康, 滕肇清, 于　锴, 尚闻博, 罗秉琨

(中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100)

技术报告

多功能体育馆音质控制ODEON仿真应用研究❋

傅圣雪, 郭在康, 滕肇清, 于锴, 尚闻博, 罗秉琨

(中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100)

摘要：本文采用ODEON计算机仿真计算和DIRAC建筑声学软件现场测量的方法，对两个结构相似、音质差异显著的多功能体育馆A、B实例中影响音质的关键参数混响时间进行对比分析，发现混响时间曲线中频段凸起是决定两体育馆音质优劣的关键，并将此结果作为B体育馆音质改造方案设计依据，经仿真证明该方案可有效的克服B体育馆的音质缺陷，达到与A体育馆相近的音质水平，本文所得结果对解决同类体育馆音质控制具有一定的参考价值和指导意义。

关键词：ODEON仿真； DIRAC测量； 混响时间； 音质控制

引用格式：傅圣雪， 郭在康， 滕肇清, 等. 多功能体育馆音质控制ODEON仿真应用研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016, 46(5)： 132-137.

FU Sheng-Xue, GUO Zai-Kang, TENG Zhao-Qing, et al. An application study on odeon simulation to control the sound quality of multi-functional gymnasium[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5)： 132-137.

大型封闭空间建筑技术的进步和室内声场赛宾混响时间理论的提出，使室内音质控制采用声场模拟的方法有了实施的可能，早期的室内声场模拟主要是以缩尺模型[1](Scale Model)技术为主，近年来，计算机软硬件技术的迅猛发展，为“数字式声场模拟[2]”即在计算机软件建立的3D模型中模拟声场创造了良好条件。在众多建筑声学模拟软件中，正如本文所示，丹麦技术大学创立的ODEON声场模拟软件以其较高的准确度和可靠度在该领域中处于领先地位并得到了广泛应用。

为了提高模拟的精确度，在场馆中进行了混响时间的对比测量。本文采用B&K公司专用建筑声学软件DIRAC进行现场测量。DIRAC[3]内置多种信号发生器，主要有最大长度序列信号(MLS)、线性扫频信号(lin-sweep)、对数扫频信号(e-sweep)。软件通过对传声器拾取 MLS或扫频的录音信号进行解卷积处理来获得脉冲响应，并根据ISO3382标准计算声学参数。我们还采用了外部脉冲信号进行测量，这种方法无须解卷积处理就可以直接得到脉冲响应。

本文拟采用上述方法对2个大型结构、体量相似的体育馆进行音质控制的对比分析研究。其中A馆为中国海洋大学为第十一届全运会女篮决赛而建的体育馆，B馆为某兄弟院校为同届全运会而建的决赛馆, 中国目前大型赛事体育馆建设均考虑到了赛后的多功能[4]使用，因此全运会比赛结束后，在A体育馆中举办了多场重要的演出、报告、演讲及会议，其音质从主观评价的角度获得了使用者的一致好评，且现场测量的音质参数优良，B体育馆虽然也做了音质控制的声学措施，但在比赛后的使用中发现音质效果较差，特别是演讲时语言模糊听不清，多次得到使用者的负面评价，相关职能部门直接提出是否可以参考A体育馆音质控制方法对B体育馆进行音质改造，这促使我们对上述两体育馆的主要音质参数“赛宾混响时间”进行了对比分析研究。

1A、B体育馆对比研究方法

本文的对比研究采取先将A、B体育馆在仿真空间进行对比，发现问题后，用两体育馆的现场测量值进一步证实，据此结果提出B体育馆的改造方案。仿真的方法是参考建筑结构的设计图纸与现场重要尺寸激光测绘的结果建模做ODEON仿真。同时使用DIRAC系统和高声压级脉冲声源对两馆声场的混响时间进行了同位布点测量，最终确认B体育馆的音质缺陷，并据此提出B馆改造的具体方案，再将该方案的仿真结果与A、B体育馆现场测量值对比，看B体育馆音质改善的程度。A、B体育馆对比研究方法路线图如图1所示。

图1　A、B体育馆对比研究方法路线图

2A、B体育馆ODEON仿真对比

2.1 ODEON仿真过程

ODEON软件[5-6]采用了声线跟踪法和声像法的混合方法，是以几何声学为基础，即声波的传播和能量的衰减过程用声源发出的大量声线和声源对反射界面所成的各次声像来描述。ODEON模拟仿真的流程是：(1)根据原设计图纸与现场测绘尺寸(建设过程中有变更，大型网架结构有变形)，在ODEON软件环境下建立多功能体育馆的三维立体模型(见图2)；(2)添加所有声场界面的吸声系数、散射系数；(3)设定声源与接收点的坐标、数量等；(4)对三维模型进行声线泄露和扭曲面检验；(5)输入与计算过程有关的声学参数，如转换级数、声线数目、脉冲响应长度，就可以利用软件中相应的数值算法得到声源到接收点的能量衰减曲线，进而求得混响时间(见图3)。

在上述仿真过程中，同时对参数的设置进行了进一步优化，仿真参数的设置细节见文献[7]。仿真结果如图4所示。

图2　A、B体育馆ODEON仿真三维立体模型

图3　ODEON仿真流程图

图4　A、B体育馆ODEON仿真值对比

2.2 B体育馆音质缺陷仿真结果分析

由仿真结果可以看出，A体育馆的混响时间符合国家相关标准(JGJ/T131-2012)，而B体育馆混响时间显著偏离国家标准。由于汉字的发音是由声母与韵母相拼产生，英语与此类似，是辅音与元音相拼，而韵母与元音的发声机制是肺部气流激振喉腔中的声带，气流在口腔中不受阻时产生，其频谱相对集中在低中频段，男声更为突出，而声母与辅音均是靠口腔内的齿、唇、舌、硬腭、软腭相互协调，与气流摩擦产生噪音后与韵母和元音相拼，其频谱相对集中在人耳听力频谱(20～20kHz)的中频段，本实例通过仿真(及下文的实测)显示混响时间曲线在中频段有一非常明显的凸起，这和汉语表达的频率段500～2 000Hz相重叠，从曲线上看，该频率段混响时间过长，均高于2.5s，在500Hz时甚至高达2.8s，这样观众听到的声母含糊不清，而韵母变得相对突出，观众会听到一片韵母的“啊”“呜”声而无法听清语意，其结果是体育馆的语言清晰度变差，这就是B体育馆存在音质缺陷的主要原因。

2.3 A体育馆音质优良原因分析

A、B体育馆均已建成，在建筑结构上，A、B体育馆均有大型网架结构，A体育馆网架中心标高35.5m，馆内共4 145座，其中固定座椅2 931座，活动座椅1 214座，人均占有体积24.6m3/人，B体育馆网架中心标高30.96m，共5 600座，其中固定座椅4 800座，活动座椅800座，人均占有体积15.5m3/人。从上述A、B两体育馆的结构、容量对比，A体育馆音质控制应该更加困难，从二者的吸声结构对比看，A体育馆采取了特殊的音质控制措施，即加厚屋顶保温层，在原屋顶大型铝合金瓦下铺设的50mm保温层留120mm的空腔，再加装一层50mm的吸声层，并用穿孔率5%的铝合金穿孔板附下表面，该屋面双层结构既保温又吸声；为了切断屋顶反射声的回声和贝壳状拱形屋顶的声聚焦，在网架下专门设计了一组大型漩涡状的空间吸声体(见图5)，并将高密度48kg/m3玻璃棉[8]布置在该吸声体的背面(面向屋顶侧)；同时，将塔楼墙面加装共振吸声板，其结构是由50mm×30mm的小方木扎成500m×500mm的框，框内为48kg/m3玻璃棉，木框表面装有1.2m×2.4m，厚50mm的木质薄板，直径为1m的六角形雪花铝合金吸声散射体沿薄板表面均匀分布；中央空调主机布置在两侧二层塔楼内，并做隔振，进出风口安装阻抗型消声器；观众台上的主送风管道外包聚氨酯吸声阻尼减振层。

对比A、B体育馆的墙体，都做了吸声处理，A体育馆观众席后墙使用高密度48kg/m3玻璃棉，外罩穿孔板(穿孔率5%)，护围结构均为大型玻璃幕墙，该幕墙上全部加挂吸声遮光帘幕，而B体育馆采用外廊式护围结构，该廊的室内侧墙壁为砌块墙体(室外侧为玻璃幕墙)，墙体表面吸声结构是低密度20kg/m3玻璃棉，外罩多孔铝合金装饰板(非吸声穿孔板)；B体育馆顶部中心为直径29m的大型圆形玻璃幕墙，没有做吸声处理，而A体育馆顶部只有少量长30m宽1m的采光带。

图5　中国海洋大学A体育馆大型旋涡状空间吸声体

3现场脉冲声源法测量结果对比分析

DIRAC的现场测量采用了MLS、e-sweep和脉冲声源3种测量方法，测量结果有很好的一致性，现将脉冲声源测量法介绍如下。

3.1 测量布点

在仿真时，已经对声源和接收点的位置进行了布设，以便现场测量[9]时声源及测点的位置与仿真时保持一致。声源均设置在场馆的中心处，布置接收点时，充分考虑到将测点分布在场地、活动座椅、贵宾席及后排高位观众席，A体育馆是南北对称，所以我们对其1/2区域设定接收点，B体育馆呈中心对称，因此我们选取其1/4区域设定接收点，布点如图6所示。

图6　A、B体育馆声源与测试点分布图

3.2 脉冲声源测量

由于体育馆体量巨大，一般脉冲声源[10]使用的发令枪和气球很难在大空间激振起均匀的声场，为了获得高声压级的脉冲声源，特别设计了一种高压气枪，通过引爆无头弹壳中的TNT填药，可以获得高达110dB的声压级，使用后，效果很好。这一测量系统见图7。测量数据见图8。

图7　DIRAC脉冲声源测量系统

图8　A、B体育馆测量值对比

测量结果进一步证实了B体育馆混响时间曲线存在中频凸起的音质缺陷。

A、B体育馆测量值与仿真值的对比如图9、10所示。

图9　A体育馆现状测量值与仿真值对比

图10　B体育馆测量值与仿真值对比

由图可以看出，ODEON软件模拟出的混响时间与实际测量值在全频段均有较好的一致性，说明仿真精度很高，完全可以作为对B体育馆音质改造设计的依据。

4B体育馆音质控制改造方案

根据以上对A、B体育馆混响时间对比分析结果，提出B体育馆改造方案如下：

(1)由经典赛宾公式[11]可得，混响时间与体积成正比，因此尽可能利用现场结构减小馆内体积。将外廊内侧墙加高至屋顶，从而将馆内与外廊上方空间隔断。加高部分仿照A体育馆后墙吸声处理。

(2)在原有墙面上加装高密度48 kg/m3玻璃棉填充的大型吸声浮雕，使其既能吸声，又具有高校文化特色。

(3)屋顶直径29 m的大型圆形玻璃幕墙加装扇形吸声遮光帘幕，A体育馆网架下的大漩涡状空间吸声体用蓝天白云来装饰，B体育馆扇形帘幕上可采用七色光进行装饰。

(4)在二层观众席环形女儿墙和主席台下方墙面安装窄带薄板共振吸声滤波器。

改造后，最终ODEON仿真结果如图11所示。

图11　B体育馆改造后效果对比图

由图可以看出，若全部完成B体育馆混响时间控制的改造，其音质水平接近A体育馆，会有显著提高。

5结语

本文采用ODEON计算机仿真计算和DIRAC建筑声学软件现场测量的方法，对两个结构相似、音质差异显著的多功能体育馆A、B实例中影响音质的关键参数混响时间进行对比分析，发现混响时间曲线中频段凸起是B体育馆音质缺陷的主要原因，针对这一结果，在参考A体育馆音质控制的关键措施的基础上提出B体育馆音质缺陷改造方案，经ODEON仿真证明，据此方案实施后可使B体育馆的音质与A体育馆相近。本文上述研究工作所得结果对大型多功能体育馆的音质控制具有一定参考价值和指导意义。

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责任编辑陈呈超

An Application Study on Odeon Simulation to Control the Sound Quality of Multi-Functional Gymnasium

FU Sheng-Xue, GUO Zai-Kang, TENG Zhao-Qing, YU Kai, SHANG Wen-Bo, LUO Bing-Kun

(College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Nowadays multi-functional gymnasium is used not only to hold sports events, but also to provide a place for multi-functional application of sports industry and its related industries. Its sound quality control is an important part in gymnasium construction.The present paper compares the reverberation time, a crucial acoustic parameter that influences the sound quality, of two multi-functional gymnasiums that have similar structure, but different sound quality, namely gymnasium A and gymnasium B. To find the underlying reasons for the poor sound quality of gymnasium B and bring out the reform plan. Firstly, this paper applies ODEON, an acoustic simulation software invented by Denmark Technology University, to get the reverberation time by comparing the simulation space of gymnasium A and gymnasium B. After the comparison, it shows that band embossing in the reverberation time curve plays a key role in the acoustics quality. For more accurate simulation results, the present paper applies DIRAC, an acoustic software for buildings exclusively used by B&K, to measure in the similar locations of gymnasium A and gymnasium B. This software presents the reverberation time by measuring the outside pulse signal. And the sound quality defects of gymnasium B are found out finally. The acoustic quality enhancement plan of gymnasium B is designed based on the result mentioned above. With a simulation test, this plan is proved to effectively overcome the acoustics quality defects of gymnasium B, which can own nearly the same good acoustic quality as gymnasium A. To some extent, the findings in this paper are useful in solving the problems of the same kind in the gymnasium acoustic quality control.

Key words:The Odeon simulation； Dirac measurement； reverberation time； acoustics quality control

基金项目：❋ 国家自然科学基金项目(41005024)资助

收稿日期：2015-01-19；

修订日期：2015-12-10

作者简介：傅圣雪(1946-)，男，教授，研究方向：声信号处理与海洋技术。 E-mail:dayou@ouc.edu.cn

中图法分类号：TU112

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)05-132-06

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150015

Supported by Natural Science Foundation of China(41005024)