录音棚客观音质参数的计算机仿真与现场测试对比

王 莉，万宇鹏，桂 桂，李冬梅

(1.四川广播电视台，四川 成都 610094;2.中国测试技术研究院声学研究所，四川 成都 610021)

0 引 言

为了进行厅堂场馆的声场仿真和模拟，通常会使用射线跟踪法和声源镜像法[1]，这些方法是基于高频假设来实现的，其中最基础的假设条件就是几何建模中的反射面是无限大的，或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的确不能视作无限大的情况下，就会引入“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。

在“包含可能影响厅堂音质的所有几何特性”与“完全尊重客观几何声学规律”之间存在着明显的矛盾。一方面，如果厅堂的几何建模过于简单，那么可能无法从模型中获得想要研究的声学特性；另一方面，如果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类似于镜面声源法等这一类高频假设方法[2]。

正常情况下，不仅是为了获得更精确的室内音质参数而对仿真建模进行简化，而更多是节省在建模过程中绘制不需要涵盖的细节的时间。通常来说，创建用于声学仿真的室内建筑模型可能会占用大量的工作时间。因此，本文通过模型选择和参数对比来确定最适宜用于厅堂音质的声学仿真模拟方法。

1 计算机仿真的几何数据

1.1 录音棚的建模

专业录音棚分为控制室和录音室[3]，本文针对录音室内客观音质参数进行仿真计算和实际测量[4-5]。研究对象的建筑参数及3种模型的建模细节和反射面数量见表1。

该录音棚的粗略化、工程化、精细化3种不同模型形态通过计算机建模完成，如图1～图3所示。粗略化建模（CL模型）是对大部分反射面进行简化并控制散射系数的模型；工程化建模（CM模型）是对部分反射面进行简化并调整反射面的散射系数的模型；精细化建模（CH模型）是包含了较高几何细节的模型。

图1 粗略化建模模型（CL模型）

1.2 声源和接收点位置

声源和接收点位置根据录音棚的实际使用需求确定，如图4所示。P1是典型的单人录音时的站位处，P2是房间地面中心位置处（多人录音时的站位处）。1～12标示处是室内平均分布的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97.7 dB（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 m。测试点采用精密系列麦克风，离地距离约1.3 m。

图2 工程化建模模型（CM模型）

2 声学参数及其精确度

2.1 客观音质参数

针对4个客观音质参数进行评估，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”[6]。在建模和实测中都针对这4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[7]。

图3 精细化建模模型（CH模型）

2.2 声学参数精确度

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。

T30，D50在每个频率成分上的相对误差计算公式如下：

C80，RASTI结果误差的计算公式如下：

用于计算误差的主观门限值[8]见表2。计算值和模拟值的结果误差越接近于0，则计算值和模拟值的一致性就越高。

图4 声源及测点位置图

表2 声学参数的主观门限值

3 对比结果

实测时选择31.5～16 000 Hz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63～8 000 Hz的倍频程频率范围进行对比与分析[9-10]。

3.1 声源位于角落区域

首先针对声源位于P1处的各客观音质参数指标进行对比，T30模拟值与测试值（CT）的对比见图5。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125 Hz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。

T30模拟值与实测值的误差分析见表3，可以看出，针对T30参数，CL和CH模型中多数频点参数超过了主观门限值，模拟效果不理想；CM模型中仅有2个频点参数超过了主观门限值，数据符合率为75%左右，效果较为理想。

C80模拟值与测试值的对比见图6，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2 000 Hz频点以上部分与实测值有较大偏差。

图5 T30模拟值与实测值对比（角落）

表3 T30模拟值与实测值的误差分析（角落）

图6 C80模拟值与实测值对比（角落）

表4 C80模拟值与实测值的误差分析（角落） dB

C80模拟值与实测值的误差分析见表4，可以看出CL模型和CH模型数据符合率分别为50%和37.5%，超限部分主要集中在低频段和中高频段；CM模型数据符合率为75%左右，超限部分主要集中在低频段，效果较为理想。

清晰度D50模拟值与测试值的对比见图7，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4 000 Hz频点以上部分与实测值有较大偏差。

图7 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，可以看出，CM模型数据符合率达到了100%，而CL和CH模型中的中高频部分都有超过主观门限值较多的情况发生。

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、实测值及其误差值见表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。

表6 RASTI的模拟值与实测值及其误差分析（角落）

3.2 声源位于室内中心区域

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8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。

T30模拟值与实测值的误差分析见表7，可以看出P2处T30参数在CL模型和CH模型中也有多数频点参数超过了主观门限值，模拟效果不理想；CM模型中也有3个频点参数超过了主观门限值，数据符合率为62.5%左右，效果稍优于另外两种模型的结果。

图8 T30模拟值与实测值对比（中央）

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9，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500 Hz以上的模拟值与实测值均有较大偏差。

图9 C80模拟值与实测值对比（中央）

C80模拟值与实测值的误差分析见表8，可以看出P2处的C80参数在CH模型中得到的结果很差，全部频点的模拟值与实测值的对比都超过了主观门限值，CL模型的数据符合率仅有37.5%，并且各频段均有超限的情况发生；CM模型数据符合率为62.5%左右，优于另外两种模型的结果。

表8 C80模拟值与实测值的误差分析（中央） dB

D50模拟值与测试值的对比见图10。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10 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，可以看出P2处的D50参数与声源位于P1处所得结果非常相似，CL和CH模型中的中高频部分都有超过主观门限值较多的情况发生；但CM模型的数据符合率有所下降，符合率约为62.5%。

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、实测值及其误差值见表10。可以看出，RASTI模拟值与实测值均有较好的相符性。

4 结束语

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。

表10 RASTI的模拟值与实测值及其误差分析（中央）

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63 Hz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，可以在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）的精细化建模因软件的限制，其计算机仿真效果在一定程度上并不理想。