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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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                        計算機模擬聲學設計軟件EASE4.4在建聲設計中的應用
                        EASE (中國) 聲學設計與咨詢有限公司 - 隋星

                        摘要:本文介紹了EASE軟件在室內建聲設計中的應用,在EASE軟件中通過輸入混響時間或添加吸聲材料生成混響時間曲線,與SOUNDFLOW配合使用,解決復合結構的吸聲系數,反射系數,隔聲量的計算問題。

                        關鍵詞:EASE, SOUNDFLOW, 室內聲學設計,混響時間曲線,材料,復合結構

                        Abstract: This paper introduces the application of EASE in room acoustic design. Engineers can input the RT values or add materials to generate reverberation time curve in EASE. SOUNDFLOW can help EASE to resolve the problems of calculating absorption coefficients, reflection coefficients and transmission loss.

                        Key Words: EASE,SOUNDFLOW,Room Acoustic Design, Reverberation Time Curve, Material, Composite Structure

                        *此文章在2016年第9期“智能建筑”雜志發表

                          EASE軟件自1990年第88次AES大會被初次介紹以來,經過20多年的不斷進取發展,使3D建模更簡便,計算結果更準確,運算速度更快速,今天已經成為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。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)和用于設計會議廳同聲傳譯的紅外輻射模塊(IR INFRARED),至2007年升級為EASE4.2,2009年升級為EASE4.3,至2014年又升級到EASE4.4, 真正成為為工程師所使用的增強版聲學模擬工具(Enhanced Acoustic Simulator for Engineers)。

                          EASE軟件被廣泛應用于注重廳堂音質的建筑的聲學設計中,這些建筑如劇院,音樂廳,電影院,體育館,報告廳,多功能廳,展覽館,博物館,酒店,會議中心,甚至機場大廳,火車站,地鐵,在這些建筑的聲學設計中都會看到使用EASE軟件進行聲學計算和分析的報告。在廳堂聲學設計中包括兩個重要組成部分,室內建聲設計和室內電聲設計。 室內建聲設計與廳堂的幾何形狀,結構,材料有關, 模擬廳堂的混響時間, 通過吸聲, 聲反射, 隔聲等方法解決可能出現的聲學問題; 室內電聲設計則是在室內建聲設計的基礎上加入電聲設備, 模擬聽眾區的聲音輻射情況, 通過計算各種聲學參量來分析預測廳堂的音質,最終達到滿足廳堂音質需求的目的。廳堂要實現好的音質,建聲設計和電聲設計缺一不可。建聲設計在電聲設計之前,往往與廳堂的建筑設計同時進行。有些聲學專家將建聲比喻為公路,而電聲則是汽車。沒有好的公路條件,再好的汽車也不能充分發揮其性能。

                          EASE軟件在電聲設計方面的功能強大已在音響行業內被廣為人知,但是在建聲設計方面的使用還有待更多的了解。不少行業內的同行就向筆者詢問關于EASE軟件是否能夠做建聲設計,這也是筆者為何寫此文章來闡述EASE軟件在建聲設計方面的應用。使用EASE軟件進行聲學設計的三個主要步驟筆者歸納為: 1. 三維建模;2. 輸入聲學元素(如聽聲面,混響時間,吸聲材料,揚聲器);3. 輸出聲學參量。

                          在建聲設計中,混響時間是一個不可回避的重要概念,因為混響時間是影響廳堂音質的一個重要因素。如果混響時間過長則聲音渾濁讓人聽不清, 如果混響時間過短則聲音聽起來很干。不同功用的廳堂都有其合適的混響時間。在EASE軟件中模擬的聲學參量,如總聲壓級(Total SPL),語言傳輸指數(STI),語言清晰度C50, 音樂明晰度C80等都必須有混響時間的加入才可計算。混響時間RT60是指聲源停止發聲后聲音下降60分貝(dB)所需的時間, 單位為秒。在室內聲學測量標準ISO3382中所使用的混響時間概念則是T10, T20, T30。 T10是測量聲音衰減從-5dB到-15dB; T20是測量聲音衰減從-5dB到-25dB; T30是測量聲音衰減從-5dB到-35dB。設立T10, T20和T30混響時間概念是考慮到實際測量中出現聲音信號強度不夠或背景噪音很高致使不能實現60dB聲音衰減的情況。在EASE軟件中混響時間可以基于伊林/賽賓(Eyring/Sabine) 統計聲學公式得出,也可以通過生成聲反射序列圖 (Reflectogram)得到施羅德混響時間(Schroeder RT)。 對于那些結構復雜且室內各面吸聲不均勻的廳堂,生成施羅德混響時間應該是更好的選擇。對于ISO3382中所使用的T10, T20, T30混響時間在并入AURA模塊的EASE軟件中也可以得到。

                          混響時間是和聲音的頻段相關聯的,在一個廳堂中低頻的混響時間通常長于高頻的混響時間。因此我們在研究一個廳堂中的混響時間時往往用一條混響時間曲線來表達。圖1是在EASE軟件中生成的一條混響時間曲線。在EASE軟件中是可以直接進行混響時間輸入的,見圖2。如果我們能夠進行廳堂的混響時間的實地測量,輸入實際測量的混響時間,那么通過EASE軟件計算出的各聲學參量的準確度應該是最高的。如沒有條件輸入實際測量的混響時間,我們也可以依據相關的國家標準,根據廳堂的功能類型和觀眾廳的容積,輸入合適的混響時間。筆者在做廳堂的聲學設計時,也經常使用這種方法。 但是如果我們使用此方法,需要注意兩個問題。

                        1. 在EASE軟件中三維模型建好后,廳堂的容積直接給出,見圖3。但是這個直接給出的容積量并不是觀眾廳的,而是整個廳堂的。因此,當我們在設計一個劇場時,就要將建模中的舞臺部分切去,計算出觀眾廳部分的容積, 見圖4。否則計算出的混響時間是不準確的, 那么基于此不準確的混響時間計算出的各聲學參量也是不準確的。

                        2. 對于不同類型的廳堂,依據相關國家標準,如GB/T50356-2005(劇場、 電影院和多用途廳堂建筑聲學設計規范), 所能找到及推算出的合適混響時間只有6個頻段:125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz, 4000Hz。如果僅將這6個混響時間輸入EASE軟件中的“室內混響”(Room RT),顯然是不夠的,因為“室內混響”頁面中的混響時間輸入是從100Hz至10000Hz 1/3倍頻程,見圖2。但是不用擔心,通過點擊“Interpolate”, 我們就可以得到100Hz至10000Hz 1/3倍頻程的所有混響時間。“Interpolate”執行的是線性插值運算法(Linear Interpolation)。

                          如果我們不采用混響時間直接輸入的方法得到混響時間曲線,我們還可以通過在廳堂三維模型中各內面添加合適的吸聲材料的方法來實現。在EASE軟件中可以通過Table功能實現快速添加吸聲材料。EASE軟件中自帶有吸聲材料數據庫,目前已有三個國家的材料生產廠商的產品數據文件出現在EASE材料數據庫中供設計師調用。這三個國家是美國,德國,和中國。2015年廣州聲博士聲學技術有限公司提供了20款產品包括吸聲反射板,穿孔板,空間吊掛吸聲體等,將產品檢測后入到EASE材料數據庫中。廣州聲博士公司成為中國第一家入到EASE材料數據庫中的廠商。如果調用吸聲材料進行設計,就需要對吸聲材料的性能和用途有充分的了解。在EASE材料數據庫中,有些數據文件代表的是一種材料,而有些則代表的是一種復合結構。

                          說到復合結構,筆者認為有必要介紹一下開發了EASE軟件的德國AFMG公司開發的另一款軟件SOUNDFLOW, 筆者稱此軟件為復合結構自定義計算器。SOUNDFLOW軟件目前可以和EASE軟件配合使用,也不排除在不久的將來EASE軟件再次升級后SOUNDFLOW并入EASE軟件成為其中的一個模塊。在SOUNDFLOW中,設計師可以調用不同的材料組成一個復合結構。筆者調用了一款厚2cm穿孔率為15%的石膏穿孔板,后加5cm厚質量為75kg/m³的巖棉,后加6cm的空腔,聲音從穿孔板方向射過來,對于這樣一個在擴散場(Diffuse Field)中的復合結構,SOUNDFLOW瞬間就計算出各頻段的吸聲系數(Absorption Coefficient),反射系數(Reflection Coefficient),隔聲量(Transmission Loss),見圖5。如果設計師不能在SOUNDFLOW自帶的數據庫中找到需要材料的規格,設計師可以自定義材料。如改變材料的厚度,改變穿孔板的穿孔率,改變巖棉的質量等,最終讓設計師設計出滿意的復合結構。聲音的入射可以選擇角度,材料的面積也可以自定義,頻率帶寬也可以選擇。數據顯示既可以是表格形式,也可以是曲線形式。數據生成后可以導入EASE軟件中進行使用。SOUNDFLOW絕對是一款既實用又便捷的室內建聲設計輔助工具。

                        結論:EASE軟件自上世紀90年代初問世以來,經歷了20多年的發展歷程,從DOS版的EASE2.1到今天的EASE4.4,已成為世界知名聲學設計軟件,運用在眾多注重音質的廳堂的聲學設計中。室內建聲設計作為室內電聲設計的前提和基礎,在EASE軟件中是可實現的。 在EASE軟件中,混響時間曲線可通過混響時間直接輸入或添加吸聲材料獲得,混響時間是各聲學參量計算的基礎。基于伊林/賽賓統計聲學公式的混響時間,基于聲反射序列圖的施羅德混響時間,ISO3382使用的T10,T20,T30混響時間在EASE軟件中都可獲得。同一公司開發的SOUNDFLOW軟件可以和EASE軟件配合使用,解決復合結構的吸聲系數,反射系數,隔聲量的計算問題。

                        參考文獻:
                        1. 隋星. 介紹計算機聲學設計軟件 – EASE. 電聲技術雜志. 2009年第9期.
                        2. Ana M. Jaramillo and Chris Steel. Architectural Acoustics. 2015
                        3. Renkus-Heinz. EASE4.3 User’s Guide and Tutorial. 2009
                        4. AFMG. Soundflow User’s Guide. 2011

                        圖1

                         

                        圖2

                        圖3

                        圖4

                        圖5

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