厅堂音质可听化模拟系统开发研究.pdf

厅堂音质可听化模拟系统开发研究1 马剑 ，梁凤锁 天津大学建筑学院建筑技术科学系，天津 （300072 ） E-mail ：mjtju@ 摘 要：本文研究了厅堂音质可听化模拟的理论和技术处理过程。对几何声学理论下，室内 声场声波的传播特性进行了较为深入的探讨，开发出可以模拟任意体形的厅堂音质可听化模 拟程序。 关键词：建筑声学；声学模拟；声束追踪；脉冲响应 1．引言 1960 年，德国学者 Schroeder 提出用计算机进行室内声学模拟，并且首次由挪威国立物 理技术研究所的 Krokstoad 用声线跟踪法实现。计算机声场仿真技术在 70年代进入蓬勃发展 时期。近年来，计算机仿真技术不断发展，如声像法用于复杂形体仿真的新算法，以及声线 跟踪用于衍射效应仿真的算法等都在 80 年代先后提出。进入 90 年代后，L. Lehnert 及 H.Kuttruff 等人开展了用计算机对双耳效应进行模拟的研究。他们将厅堂设计图输入计算机进 行计算机仿真。 1994～1995 年间，有关人士在瑞典的 Jonkoping 音乐厅进行了全球范围的厅堂音质辅助 设计软件测试比较。结果表明，尽管在某些方面，各测试软件与开发者的期望有一定差距， 但模拟结果还是可以被接受。这充分说明，用计算机进行厅堂音质可听化模拟具有广泛的发 展前景。 2．厅堂音质模拟系统特点　 针对国内本领域的特点，工作的基本指导思想确定为：对厅堂音质的计算机模拟所涉及 具体算法实现过程进行较为深入的研究；在音质模拟的准确化、实用化方面做一些具体工作。 [3] 同时，由于音质模拟涉及较深的计算机和专业理论知识，如：数据结构、算法、音质评价等 。 要开发算法优化、功能完整、使用方便的系统需要一个较长的周期。所以，我们选用Matlab 为计算平台，减少算法实现及界面设计周期。这样可以把精力集中在算法研究、AutoCAD二次 开发及可听化实现等关键技术问题上。通过两年多努力，已完全实现了既定工作目标。开发 出一个较为完整的应用系统。具体特点如下： 1．对两大经典算法（虚声源法、实现追踪法）进行了较为深入的对比研究，提出了改进 算法--声束追踪法; 2．实现了与AutoCAD 的数据通信，可以进行复杂体形厅堂的建模及模拟; 3．具有较为完整的厅堂混响设计设计功能; 4. 可以把设计结果进行可听化再现，并能对模拟声源进行声像定位。　 1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助，课题编号：20030056052 。 - 1 - 3．模拟化程序软件算法研究——声束追踪法 用虚拟空间概念讨论几何声学理论下声场传播特性表明：声波在虚拟空间以声束的方式 进行传播。这些声束被反射面反射时，不断被分解成空间角更小的声束。同时，又在空间不 断扩展。因此，本文提出：直接跟踪这些声束，即可以保证计算机模拟现场进行计算的精度， 又减少计算量。此即声束追踪法。 声束追踪法原理： 如图 3-1 所示，A、B 为厅堂内反射面，S 为声源点，R1、R2为厅堂内接收点。一阶虚声 源 Sa 发出的反射声，实际上为一以 Sa 为顶点的三维声束，点 a1、a2 为Sa发出的三维声束与反射面A相 交多边形边界上两点。Sab为 Sa 的 下阶虚声源，b1、b2 为二阶声束虚 声源声 Sab 束相应的边界点。可以 看出，接收点 R1 处于 Sa、Sab 的声 束范围内，而 R2 只处于Sab 的声束 范围内。所以对接收点 R1，虚声源 Sa、Sab 均为可见虚声源；而对于 接收点 R2，只有虚声源 Sab 为可见 虚声源。为此，我们可以对虚声源 图 3-1