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                        EASE(中國)聲學設計與咨詢有限公司
                        EASE (China) Acoustic Design and Consulting Limited.
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                        介紹計算機聲學設計軟件 – EASE
                        EASE (中國) 聲學設計與咨詢有限公司 - 隋星
                        EASE (CHINA) ACOUSTIC DESIGN & CONSULTING LTD – JACK SUI

                        EASE was first introduced to the professional audio industry in 1990 at the 88th AES Convention, now it becomes one of the most famous acoustic design softwares widely used by the sound system designers and electro-acoustic engineers in the world. We see the evolution history of EASE from the MS-DOS version – EASE2.1, released in 1994, then EASE3.0, the first version of EASE to run in window with EARS module integrated, then EASE 4.0 with AURA and IR INFRARED modules integrated, to EASE 4.2 of today, which has more user-friendly room modeling construction tools and more powerful mathematical and acoustical algorithms, AFMG will officially release EASE4.3 very soon. The value of EASE is to provide accurate acoustic predictions in order to eliminate costly mistakes and reduce installation time. Through the graphical interfaces, EASE presents a wide range of scientifically calculated acoustic simulations such as Direct SPL, Total SPL, Critical Distance, D/R Ratio, Arrival Time, ITD Gap, Lspk Overlap, C Measurements, ALCONS, RASTI. AURA (Analysis Utility for Room Acoustics) allows the calculations of all key room acoustical parameters defined in ISO3382, these include EDT, T10/20/30, LF/LFC, C50/80, Sound Strength, Center Time, Direct SPL, Total SPL, Echo Criteria for Speech and Music, STI and AlCons. AURA’s calculations are based on ray tracing, not with Eyring or Sabine formula anymore.

                          自1990年第88次AES大會被初次介紹給專業電聲及音響界以來,EASE軟件已經發展成為今天世界最知名專業聲學設計軟件之一,被聲學工程師在世界范圍內廣泛應用于聲學設計。EASE軟件的發展歷程經過了1994年DOS版的EASE2.1,1999年WINDOW版的EASE3.0并入了試聽模塊(EARS), 2002年EASE4.0并入了室內聲學分析模塊(AURA)和用于設計會議廳的紅外輻射模塊(IR INFRARED),至2007年升級為EASE4.2版本,使建模更簡便,計算結果更準確,運算速度更快速,截止到筆者寫此文章,德國AFMG公司即將正式推出EASE4.3,此版本使建模功能更強大,并且進一步完善了EASE程序操作。

                          將真實準確的建聲數據和信息輸入到EASE軟件中,通過計算機進行相關聲學參量運算,從而對實際工程安裝進行預判斷和分析,是EASE軟件的價值所在。EASE的基礎設計應用版(EASE JR)對于混響時間(RT)的計算是以愛林(Eyring)/賽賓(Sabine)公式為基礎,圖1是在EASE JR中生成的混響曲線。但是EASE JR對于吸聲系數差異大以及空間構造復雜的聲場的運算是不足夠的。具體來說, 如圖2, 當聲場中各反射面的吸聲系數比較均勻時,用EASE JR進行聲學參量的運算是可以的;但是如圖3中聲場的各反射面吸聲系數差異很大時,用EASE JR進行運算就會得到不準確的結果。除了需要考慮吸聲系數的均勻性外,還要考慮聲場的空間幾何結構,如圖4/5/6, 當聲場的空間幾何結構出現內角大于180度的情況,其產生的大量聲散射(scattering)也會導致EASE JR聲參量運算結果的不準確。

                         

                          EASE JR所運算的聲學參量包括:直達聲聲壓級(Direct SPL),總聲壓級 (Total SPL),臨界距離 (Critical Distance),直達聲/混響聲比 (D/R Ratio),到達時間 (Arrival Time),最初直達聲到達時間差(ITD Gap),揚聲器聲音投射重疊 (Lspk Overlap),C系列參量 (C Measurements),輔音損失率 (ALCONS),語言清晰度 (RASTI)。

                          我們以直達聲聲壓級為例,解讀一下在EASE JR中運算生成的聲參量模擬圖,圖7是直達聲聲壓級在1000Hz的三維視圖。此三維視圖是JPG文件格式,在圖的左上角,我們看到視圖所給出的信息包括:音箱的投射角度,所使用的音箱型號,所設計的工程名稱,所計算的聲參量類型,以及是在哪一個頻率等;而在圖下方,則顯示生成模擬圖的EASE版本,模擬圖生成的時間,以及進行設計的單位或公司名和設計師名等。單位或公司名是德國AFMG公司在用戶購買軟件時將用戶名注冊進軟件中的,單位或公司名不可修改也不可刪除。圖8則是與圖7相對應的1000Hz直達聲聲壓級柱狀圖,在此圖中我們可以清晰地看到在98%的聽聲面上直達聲聲壓級從95dB至103dB,只有2%的聽聲面直達聲達到104dB,聲不均勻度得到了很好的解讀;在柱狀圖右側,有已計算好的平均直達聲聲壓級,是98.95dB,以及在聽聲面上預達到的最大和最小直達聲聲壓級。

                          企業版的EASE具有強大的聲線跟蹤(Ray Tracing)以及聲探測 (Probe)功能,EASE JR只有有限的聲線跟蹤功能,因此EASE可被用來進行高級聲學特性研究,而EASE JR則做不到,這是EASE和EASE JR的主要區別。我們可以通過聲線跟蹤功能看到從聲源到聲場中所選定的接收點的聲反射路徑從而對聲線的反射方式進行研究,只需幾百條聲線以及低反射次數的設定(一般3至5次),對于聲線反射方式的研究就可快速進行。聲探測功能是EASE JR所不具備的,聲探測功能是研究對于一個特定目標的聲線撞擊(Impact),聲線撞擊與聲線跟蹤的區別在于聲線撞擊是研究撞擊特定目標的聲線,這個特定目標確切說是在聽聲者周圍直徑一米的球。如要查看聲線跟蹤,則需生成聲線跟蹤文件(Trace File);如需進行聲探測,則需生成聲線撞擊文件(Impact File)。生成聲線撞擊文件需要更大量的聲線以及更高次的聲反射,以形成聲撞擊,超過95%的聲撞擊發生率是好的。如果說聲線跟蹤對于聲線反射方式的研究還顯粗糙,那么對于研究經過多次反射和能量損失最后到達設定聽聲點的聲線特性,則是更具體細致的研究并且可用來進行試聽(Auralization)。那么我們可以用聲線跟蹤和聲探測解決實際工程中什么問題呢?下舉一例,如圖9, 是我們給聲源設定二百萬條聲線,每條聲線設定20次反射,形成聲撞擊率為98%的聲反射序列圖,當我們發現在聲反射序列圖中如果有異乎尋常的脈沖突出時,說明聲場中有回聲存在,然后我們在觀察項目視窗(View Project Window)中,如圖10,查看該脈沖的聲反射路線以找到產生回聲的地方,以便進行適當的吸聲補救。

                          在企業版EASE的基礎上,我們加入AURA (Analysis Utility for Room Acoustic)模塊,使用AURA進行聲學參量計算,我們完全不用擔心上面所提到的聲場空間幾何結構復雜,吸聲系數極不均勻的問題,因為AURA是進行聲脈沖運算,對于以愛林(Eyring)/賽賓(Sabine)公式為計算基礎的EASE JR所不能解決的問題,用AURA都可以解決。由于是對聲脈沖的運算,聲場中的散射以及后期反射聲,都可以在聲模擬中準確真實體現。AURA提供兩種模擬方法,一種是二維試圖法(AURA Mapping),一種是脈沖響應法(AURA Response)。二維試圖法可以通過生成回聲序列圖(Echogram)在聽聲面或單個的聽聲點模擬ISO3382中所定義的所有重要聲學參量,包括:早期衰變時間 (EDT),混響時間 (T10/T20/T30),側向聲能 (LF/ LFC),C系列參量 (C50/C80),聲音強度 (Sound Strength), 中心時間 (Center Time),直達聲聲壓級 (Direct SPL),總聲壓級 (Total SPL),回聲 (Echo), 語言傳輸指數 (STI) 和輔音損失率 (ALCONS)。二維視圖法只是用于生成聲參量視圖,而不能用于試聽;而脈沖響應法可以計算反射序列圖(Reflectogram),從中提取雙耳脈沖響應用于試聽。AURA二維試圖的模擬有兩種計算方式供選擇,一種是能量損失法(Energy Loss),一種是粒子損失法(Particle Loss)。對于使用粒子損失法的運算,所給定的粒子數量越高, 所生成的反射圖就越密集,模擬結果也就越準確。相對于粒子損失法,能量損失法運算所需耗時更多,但運算結果更準確一些。

                          AFMG公司還提供了對于在EASE中運算生成的模擬結果圖進行驗證的方法:聲參量模擬圖可以與通過EASERA(AFMG公司開發的另一款聲學檢測軟件)在實際廳堂中測量得到的聲參量圖相比較,從而得知模擬結果與真實的測量結果是相同,還是近似還是有很大不同。如圖11, 是在EASE中通過運算得到的模擬脈沖圖和在實際廳堂中測量得到的脈沖圖在同一窗口中的比較,藍色的脈沖是實際測量得到的脈沖,紅色的脈沖是在EASE中通過運算得到的模擬脈沖。由于對比是在同一窗口中顯示,所以有很強的直觀性。EASE軟件是目前世界上最好的聲學設計軟件之一,要得到其具有參考價值的模擬結果,我們需要將聲場的幾何數據,吸聲數據等準確輸入,同時還要對EASE進行正確使用。

                        參考文獻

                        1. ADA, Berlin, Germany. Scientific Software for Integrators, Engineers & Acoustical Consultants. http://www.rh.com/ease/EASE-BROCHURE-Letter-Low.pdf
                        2. ADA, Berlin, Germany. Tutorial EASE 4.1. 2004: P214-224; P264-266; P275-280; P323-353.
                        3. SDA, Berlin, Germany. EASERA Tutorial. 2006: P68-78.

                        * All graphics are generated by EASE4.2.2.35 (Full Version) and EASERA1.1


                         圖1 - 混響曲線圖


                        圖2 - 吸聲系數較均勻的聲場


                        圖3 - 吸聲系數差異大的聲場


                        圖4 - 內角大于180度的空間幾何結構


                        圖5 - 內角大于180度的空間幾何結構


                        圖6 - 內角大于180度的空間幾何結構


                        圖7 - 1000Hz直達聲聲壓級3D視圖


                        圖8 - 1000Hz直達聲聲壓級柱狀分布圖


                        圖9 - 聲反射序列圖


                        圖10 - 聲線跟蹤視圖


                        圖11 - 模擬脈沖與實測脈沖比較圖

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