声学软件Odeon中声线数对声源指向性的影响

宋恒玲，卢义刚

(华南理工大学建筑系，广东 广州 510640)

0 引 言

随着计算机的发展，在厅堂声学的早期设计阶段，建筑声学软件被越来越多的设计和研究人员所使用[1-6]。其中，由丹麦技术大学研究开发出的基于几何声学算法的建筑声学软件Odeon曾被评为最接近实际测量的三个软件之一[7]。

在使用Odeon进行建筑声学仿真时，有两个重要的参数需要设置：脉冲响应长度和声线数。脉冲响应长度由混响时间来确定，只要大于2/3混沌时间就可以；对于声线数并没特别的规定，建议根据实际情况确定合适的声线数[8]。在以往的厅堂声学研究工作中，研究者通常采用无指向性声源和默认的声线数(2000)来简化模拟过程，得到的结论与实际测量结果有一定的偏差[9]。然而由于扩声系统的使用和某些声学参量需要在指向性声源的条件下进行，使得采用指向性声源进行模拟仿真得到越来越多的关注[10-11]。在使用Odeon仿真的过程中，祝培生等[12]探讨了声源指向性对音质参量的影响与房间的声学特性有关，在仿真过程中设置声线数为150 000，脉冲响应长度为2 000 ms，转化系数为2。

为结合实际，本文使用挪威DNH公司出产的指向性声源Tunnel-500扬声器，通过改变声线数并测得声场中不同位置受声点处的声压级，探索在使用Odeon仿真中声线数对仿真结果的影响。

1 实验模型

仿真通过Odeon 13进行，为方便研究采用Odeon自带的观演厅堂模型和教堂模型。观演厅堂和教堂的外形分别如图1和图2所示。

2 实验方法

在Odeon中设置脉冲响应长度5 000 ms，反射次数为30～10 000，吸声系数设为0.01，在仿真中不考虑空气的影响。声源S和18个受声点Pn(n=1,⋅⋅,18,n∈Z)布置符合ISO 3382-2: 2008[13]。

图1 观演厅堂外形Fig.1 The shape of the auditorium

图2 教堂外形Fig.2 The appearance of the church

2.1 观演厅堂模型

图3 观演厅堂声源S和扬声器Pn分布Fig.3 Layout of source and receivers in the auditorium

观演厅堂声源S和扬声器Pn分布如图3所示。取舞台边线中点为原点，指向观众席方向为x轴正向，向左为y轴正向，向上为z轴正向。观演厅堂声源S和扬声器Pn坐标如表1所示。

表1 观演厅堂内声源S和接收器Pn坐标(m)Table 1 The coordinates of source and receivers in the auditorium(m)

2.2 教堂模型

教堂声源S和扬声器Pn分布如图4所示。取长方形地面中心为原点，指向观众席方向为y轴正向，向右为x轴正向，向上为z轴正向。声源S和扬声器Pn坐标如表2所示。

图4 教堂声源S和扬声器Pn分布Fig.4 Layout of source and receivers in the church

表2 教堂内声源S和接收器Pn坐标(m)Table 2 The coordinates of source and receivers in the church(m)

2.3 声源指向性

指向性声源Tunnel-500的指向性如图5所示。

3 结果与讨论

3.1 使用指向性声源DNH-Tunnel-500时，声线数对仿真结果的影响

观演厅堂和教堂模型受声点P4处声压级随声线数的变化分别如表3和表4所示，其余各点的声压级未一一列出。

图5 声源DNH-Tunnel-500 在不同频率的的指向性图样[14]Fig.5 Directivity patterns of the source DNH-Tunnel-500 at different frequencies[14]

从表3和表4可以看到，在低频时，声线数的增加对某一点的声压级影响较小；在高频时，声线数在100以内时，该点处的声压级有着较大的波动；声线数在100～500之间时，声压级波动趋于平缓；声线数在500以上时，该点处的声压级接近某一确定的数值。这说明声线法适用于高频建筑声学的研究。

表3 DNH-Tunnel-500声源激励下观演厅堂受声点P4处的声压级(dB)Table 3 SPLs (dB)at the receiving point P4 under the excitation of the source DNH-Tunnel-500 in the auditorium

续表3

表4 DNH-Tunnel-500声源激励下教堂受声点P4处的声压级(dB)Table 4 SPLs (dB)at the receiving point P4 under the excitation of the source DNH-Tunnel-500 in the church

3.2 声线数对声场均匀度的影响

比较观演厅堂和教堂模型声场中受声点P1～P18的声压级，以声压级级差和方差对声线数作图(图6、7)，得到随声线数的增加，声场均匀性的变化情况。

图6 DNH-Tunnel-500声源激励下观演厅堂声场中18个受声点的声压级的级差和方差Fig.6 The differentials and variances of SPLs at 18 receiving points under the excitation of the source ‘DNH-Tunnel-500’in the auditorium

图7 DNH-Tunnel-500声源激励下教堂声场中18个受声点的声压级的级差和方差Fig.7 The differentials and variances of SPLs at 18 receiving points under the excitation of the source ‘DNH-Tunnel-500’in the church

从图6、7可以看出，采用DNH-Tunnel-500声源时，在同一频率上各点的声压级差异随着声线数的增大而减小，8 000 Hz时最为明显。这是由于高频时声场几何声学特性更加显著，各点的声压级差异趋势更加明显。声线数在100以内声压级差异较大，100～500之间起伏减小，500以上趋于稳定。随着声线数的增加，声源在声场中的指向性越来越不明显。声线数对声场均匀度的影响符合前面对某一点声压级变化的影响讨论。

声线数的增加导致来自各个方向的声线的几率也大大增加。由于各方向的声压相互叠加，某一点的声压级趋于稳定。同时，由于在空间中声源指向以外某一方向声线未到达产生的空白被来自其它方向的反射声线填补，使得声场更加均匀。

4 结 论

本文探讨了在Odeon仿真中，以观演厅堂和教堂为模型，研究声线数对指向性声源声场中指向性的影响。对于指向性声源的声场，声线数对指向性的影响存在一个阈值，声线数越大，指向性越不明显。研究为建筑声学工作者在使用声学软件Odeon时提供了一个参考。本文不足之处是仿真结果尚需进一步与实际测量结果相验证，以得到不同指向性的声源所对应的最佳声线数值。