EASE(中国)声学设计与咨询有限公司
EASE (China) Acoustic Design and Consulting Limited.
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介绍计算机声学设计软件 – EASE
EASE (中国) 声学设计与咨询有限公司 - 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大会被初次介绍给专业电声及音响界以来,EASE软件已经发展成为今天世界最知名专业声学设计软件之一,被声学工程师在世界范围内广泛应用于声学设计。EASE软件的发展历程经过了1994年DOS版的EASE2.1,1999年WINDOW版的EASE3.0并入了试听模块(EARS), 2002年EASE4.0并入了室内声学分析模块(AURA)和用于设计会议厅的红外辐射模块(IR INFRARED),至2007年升级为EASE4.2版本,使建模更简便,计算结果更准确,运算速度更快速,截止到笔者写此文章,德国AFMG公司即将正式推出EASE4.3,此版本使建模功能更强大,并且进一步完善了EASE程序操作。

  将真实准确的建声数据和信息输入到EASE软件中,通过计算机进行相关声学参量运算,从而对实际工程安装进行预判断和分析,是EASE软件的价值所在。EASE的基础设计应用版(EASE JR)对于混响时间(RT)的计算是以爱林(Eyring)/赛宾(Sabine)公式为基础,图1是在EASE JR中生成的混响曲线。但是EASE JR对于吸声系数差异大以及空间构造复杂的声场的运算是不足够的。具体来说, 如图2, 当声场中各反射面的吸声系数比较均匀时,用EASE JR进行声学参量的运算是可以的;但是如图3中声场的各反射面吸声系数差异很大时,用EASE JR进行运算就会得到不准确的结果。除了需要考虑吸声系数的均匀性外,还要考虑声场的空间几何结构,如图4/5/6, 当声场的空间几何结构出现内角大于180度的情况,其产生的大量声散射(scattering)也会导致EASE JR声参量运算结果的不准确。

 

  EASE JR所运算的声学参量包括:直达声声压级(Direct SPL),总声压级 (Total SPL),临界距离 (Critical Distance),直达声/混响声比 (D/R Ratio),到达时间 (Arrival Time),最初直达声到达时间差(ITD Gap),扬声器声音投射重叠 (Lspk Overlap),C系列参量 (C Measurements),辅音损失率 (ALCONS),语言清晰度 (RASTI)。

  我们以直达声声压级为例,解读一下在EASE JR中运算生成的声参量模拟图,图7是直达声声压级在1000Hz的三维视图。此三维视图是JPG文件格式,在图的左上角,我们看到视图所给出的信息包括:音箱的投射角度,所使用的音箱型号,所设计的工程名称,所计算的声参量类型,以及是在哪一个频率等;而在图下方,则显示生成模拟图的EASE版本,模拟图生成的时间,以及进行设计的单位或公司名和设计师名等。单位或公司名是德国AFMG公司在用户购买软件时将用户名注册进软件中的,单位或公司名不可修改也不可删除。图8则是与图7相对应的1000Hz直达声声压级柱状图,在此图中我们可以清晰地看到在98%的听声面上直达声声压级从95dB至103dB,只有2%的听声面直达声达到104dB,声不均匀度得到了很好的解读;在柱状图右侧,有已计算好的平均直达声声压级,是98.95dB,以及在听声面上预达到的最大和最小直达声声压级。

  企业版的EASE具有强大的声线跟踪(Ray Tracing)以及声探测 (Probe)功能,EASE JR只有有限的声线跟踪功能,因此EASE可被用来进行高级声学特性研究,而EASE JR则做不到,这是EASE和EASE JR的主要区别。我们可以通过声线跟踪功能看到从声源到声场中所选定的接收点的声反射路径从而对声线的反射方式进行研究,只需几百条声线以及低反射次数的设定(一般3至5次),对于声线反射方式的研究就可快速进行。声探测功能是EASE JR所不具备的,声探测功能是研究对于一个特定目标的声线撞击(Impact),声线撞击与声线跟踪的区别在于声线撞击是研究撞击特定目标的声线,这个特定目标确切说是在听声者周围直径一米的球。如要查看声线跟踪,则需生成声线跟踪文件(Trace File);如需进行声探测,则需生成声线撞击文件(Impact File)。生成声线撞击文件需要更大量的声线以及更高次的声反射,以形成声撞击,超过95%的声撞击发生率是好的。如果说声线跟踪对于声线反射方式的研究还显粗糙,那么对于研究经过多次反射和能量损失最后到达设定听声点的声线特性,则是更具体细致的研究并且可用来进行试听(Auralization)。那么我们可以用声线跟踪和声探测解决实际工程中什么问题呢?下举一例,如图9, 是我们给声源设定二百万条声线,每条声线设定20次反射,形成声撞击率为98%的声反射序列图,当我们发现在声反射序列图中如果有异乎寻常的脉冲突出时,说明声场中有回声存在,然后我们在观察项目视窗(View Project Window)中,如图10,查看该脉冲的声反射路线以找到产生回声的地方,以便进行适当的吸声补救。

  在企业版EASE的基础上,我们加入AURA (Analysis Utility for Room Acoustic)模块,使用AURA进行声学参量计算,我们完全不用担心上面所提到的声场空间几何结构复杂,吸声系数极不均匀的问题,因为AURA是进行声脉冲运算,对于以爱林(Eyring)/赛宾(Sabine)公式为计算基础的EASE JR所不能解决的问题,用AURA都可以解决。由于是对声脉冲的运算,声场中的散射以及后期反射声,都可以在声模拟中准确真实体现。AURA提供两种模拟方法,一种是二维试图法(AURA Mapping),一种是脉冲响应法(AURA Response)。二维试图法可以通过生成回声序列图(Echogram)在听声面或单个的听声点模拟ISO3382中所定义的所有重要声学参量,包括:早期衰变时间 (EDT),混响时间 (T10/T20/T30),侧向声能 (LF/ LFC),C系列参量 (C50/C80),声音强度 (Sound Strength), 中心时间 (Center Time),直达声声压级 (Direct SPL),总声压级 (Total SPL),回声 (Echo), 语言传输指数 (STI) 和辅音损失率 (ALCONS)。二维视图法只是用于生成声参量视图,而不能用于试听;而脉冲响应法可以计算反射序列图(Reflectogram),从中提取双耳脉冲响应用于试听。AURA二维试图的模拟有两种计算方式供选择,一种是能量损失法(Energy Loss),一种是粒子损失法(Particle Loss)。对于使用粒子损失法的运算,所给定的粒子数量越高, 所生成的反射图就越密集,模拟结果也就越准确。相对于粒子损失法,能量损失法运算所需耗时更多,但运算结果更准确一些。

  AFMG公司还提供了对于在EASE中运算生成的模拟结果图进行验证的方法:声参量模拟图可以与通过EASERA(AFMG公司开发的另一款声学检测软件)在实际厅堂中测量得到的声参量图相比较,从而得知模拟结果与真实的测量结果是相同,还是近似还是有很大不同。如图11, 是在EASE中通过运算得到的模拟脉冲图和在实际厅堂中测量得到的脉冲图在同一窗口中的比较,蓝色的脉冲是实际测量得到的脉冲,红色的脉冲是在EASE中通过运算得到的模拟脉冲。由于对比是在同一窗口中显示,所以有很强的直观性。EASE软件是目前世界上最好的声学设计软件之一,要得到其具有参考价值的模拟结果,我们需要将声场的几何数据,吸声数据等准确输入,同时还要对EASE进行正确使用。

参考文献

  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


 图1 - 混响曲线图


图2 - 吸声系数较均匀的声场


图3 - 吸声系数差异大的声场


图4 - 内角大于180度的空间几何结构


图5 - 内角大于180度的空间几何结构


图6 - 内角大于180度的空间几何结构


图7 - 1000Hz直达声声压级3D视图


图8 - 1000Hz直达声声压级柱状分布图


图9 - 声反射序列图


图10 - 声线跟踪视图


图11 - 模拟脉冲与实测脉冲比较图