EASE(中国)声学设计与咨询有限公司
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计算机模拟声学设计软件EASE4.4在建声设计中的应用
EASE (中国) 声学设计与咨询有限公司 - 隋星

摘要:本文介绍了EASE软件在室内建声设计中的应用,在EASE软件中通过输入混响时间或添加吸声材料生成混响时间曲线,与SOUNDFLOW配合使用,解决复合结构的吸声系数,反射系数,隔声量的计算问题。

关键词:EASE, SOUNDFLOW, 室内声学设计,混响时间曲线,材料,复合结构

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”杂志发表

  EASE软件自1990年第88次AES大会被初次介绍以来,经过20多年的不断进取发展,使3D建模更简便,计算结果更准确,运算速度更快速,今天已经成为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。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)和用于设计会议厅同声传译的红外辐射模块(IR INFRARED),至2007年升级为EASE4.2,2009年升级为EASE4.3,至2014年又升级到EASE4.4, 真正成为为工程师所使用的增强版声学模拟工具(Enhanced Acoustic Simulator for Engineers)。

  EASE软件被广泛应用于注重厅堂音质的建筑的声学设计中,这些建筑如剧院,音乐厅,电影院,体育馆,报告厅,多功能厅,展览馆,博物馆,酒店,会议中心,甚至机场大厅,火车站,地铁,在这些建筑的声学设计中都会看到使用EASE软件进行声学计算和分析的报告。在厅堂声学设计中包括两个重要组成部分,室内建声设计和室内电声设计。 室内建声设计与厅堂的几何形状,结构,材料有关, 模拟厅堂的混响时间, 通过吸声, 声反射, 隔声等方法解决可能出现的声学问题; 室内电声设计则是在室内建声设计的基础上加入电声设备, 模拟听众区的声音辐射情况, 通过计算各种声学参量来分析预测厅堂的音质,最终达到满足厅堂音质需求的目的。厅堂要实现好的音质,建声设计和电声设计缺一不可。建声设计在电声设计之前,往往与厅堂的建筑设计同时进行。有些声学专家将建声比喻为公路,而电声则是汽车。没有好的公路条件,再好的汽车也不能充分发挥其性能。

  EASE软件在电声设计方面的功能强大已在音响行业内被广为人知,但是在建声设计方面的使用还有待更多的了解。不少行业内的同行就向笔者询问关于EASE软件是否能够做建声设计,这也是笔者为何写此文章来阐述EASE软件在建声设计方面的应用。使用EASE软件进行声学设计的三个主要步骤笔者归纳为: 1. 三维建模;2. 输入声学元素(如听声面,混响时间,吸声材料,扬声器);3. 输出声学参量。

  在建声设计中,混响时间是一个不可回避的重要概念,因为混响时间是影响厅堂音质的一个重要因素。如果混响时间过长则声音浑浊让人听不清, 如果混响时间过短则声音听起来很干。不同功用的厅堂都有其合适的混响时间。在EASE软件中模拟的声学参量,如总声压级(Total SPL),语言传输指数(STI),语言清晰度C50, 音乐明晰度C80等都必须有混响时间的加入才可计算。混响时间RT60是指声源停止发声后声音下降60分贝(dB)所需的时间, 单位为秒。在室内声学测量标准ISO3382中所使用的混响时间概念则是T10, T20, T30。 T10是测量声音衰减从-5dB到-15dB; T20是测量声音衰减从-5dB到-25dB; T30是测量声音衰减从-5dB到-35dB。设立T10, T20和T30混响时间概念是考虑到实际测量中出现声音信号强度不够或背景噪音很高致使不能实现60dB声音衰减的情况。在EASE软件中混响时间可以基于伊林/赛宾(Eyring/Sabine) 统计声学公式得出,也可以通过生成声反射序列图 (Reflectogram)得到施罗德混响时间(Schroeder RT)。 对于那些结构复杂且室内各面吸声不均匀的厅堂,生成施罗德混响时间应该是更好的选择。对于ISO3382中所使用的T10, T20, T30混响时间在并入AURA模块的EASE软件中也可以得到。

  混响时间是和声音的频段相关联的,在一个厅堂中低频的混响时间通常长于高频的混响时间。因此我们在研究一个厅堂中的混响时间时往往用一条混响时间曲线来表达。图1是在EASE软件中生成的一条混响时间曲线。在EASE软件中是可以直接进行混响时间输入的,见图2。如果我们能够进行厅堂的混响时间的实地测量,输入实际测量的混响时间,那么通过EASE软件计算出的各声学参量的准确度应该是最高的。如没有条件输入实际测量的混响时间,我们也可以依据相关的国家标准,根据厅堂的功能类型和观众厅的容积,输入合适的混响时间。笔者在做厅堂的声学设计时,也经常使用这种方法。 但是如果我们使用此方法,需要注意两个问题。

1. 在EASE软件中三维模型建好后,厅堂的容积直接给出,见图3。但是这个直接给出的容积量并不是观众厅的,而是整个厅堂的。因此,当我们在设计一个剧场时,就要将建模中的舞台部分切去,计算出观众厅部分的容积, 见图4。否则计算出的混响时间是不准确的, 那么基于此不准确的混响时间计算出的各声学参量也是不准确的。

2. 对于不同类型的厅堂,依据相关国家标准,如GB/T50356-2005(剧场、 电影院和多用途厅堂建筑声学设计规范), 所能找到及推算出的合适混响时间只有6个频段:125Hz, 250Hz, 500Hz, 1000Hz, 2000Hz, 4000Hz。如果仅将这6个混响时间输入EASE软件中的“室内混响”(Room RT),显然是不够的,因为“室内混响”页面中的混响时间输入是从100Hz至10000Hz 1/3倍频程,见图2。但是不用担心,通过点击“Interpolate”, 我们就可以得到100Hz至10000Hz 1/3倍频程的所有混响时间。“Interpolate”执行的是线性插值运算法(Linear Interpolation)。

  如果我们不采用混响时间直接输入的方法得到混响时间曲线,我们还可以通过在厅堂三维模型中各内面添加合适的吸声材料的方法来实现。在EASE软件中可以通过Table功能实现快速添加吸声材料。EASE软件中自带有吸声材料数据库,目前已有三个国家的材料生产厂商的产品数据文件出现在EASE材料数据库中供设计师调用。这三个国家是美国,德国,和中国。2015年广州声博士声学技术有限公司提供了20款产品包括吸声反射板,穿孔板,空间吊挂吸声体等,将产品检测后入到EASE材料数据库中。广州声博士公司成为中国第一家入到EASE材料数据库中的厂商。如果调用吸声材料进行设计,就需要对吸声材料的性能和用途有充分的了解。在EASE材料数据库中,有些数据文件代表的是一种材料,而有些则代表的是一种复合结构。

  说到复合结构,笔者认为有必要介绍一下开发了EASE软件的德国AFMG公司开发的另一款软件SOUNDFLOW, 笔者称此软件为复合结构自定义计算器。SOUNDFLOW软件目前可以和EASE软件配合使用,也不排除在不久的将来EASE软件再次升级后SOUNDFLOW并入EASE软件成为其中的一个模块。在SOUNDFLOW中,设计师可以调用不同的材料组成一个复合结构。笔者调用了一款厚2cm穿孔率为15%的石膏穿孔板,后加5cm厚质量为75kg/m³的岩棉,后加6cm的空腔,声音从穿孔板方向射过来,对于这样一个在扩散场(Diffuse Field)中的复合结构,SOUNDFLOW瞬间就计算出各频段的吸声系数(Absorption Coefficient),反射系数(Reflection Coefficient),隔声量(Transmission Loss),见图5。如果设计师不能在SOUNDFLOW自带的数据库中找到需要材料的规格,设计师可以自定义材料。如改变材料的厚度,改变穿孔板的穿孔率,改变岩棉的质量等,最终让设计师设计出满意的复合结构。声音的入射可以选择角度,材料的面积也可以自定义,频率带宽也可以选择。数据显示既可以是表格形式,也可以是曲线形式。数据生成后可以导入EASE软件中进行使用。SOUNDFLOW绝对是一款既实用又便捷的室内建声设计辅助工具。

结论:EASE软件自上世纪90年代初问世以来,经历了20多年的发展历程,从DOS版的EASE2.1到今天的EASE4.4,已成为世界知名声学设计软件,运用在众多注重音质的厅堂的声学设计中。室内建声设计作为室内电声设计的前提和基础,在EASE软件中是可实现的。 在EASE软件中,混响时间曲线可通过混响时间直接输入或添加吸声材料获得,混响时间是各声学参量计算的基础。基于伊林/赛宾统计声学公式的混响时间,基于声反射序列图的施罗德混响时间,ISO3382使用的T10,T20,T30混响时间在EASE软件中都可获得。同一公司开发的SOUNDFLOW软件可以和EASE软件配合使用,解决复合结构的吸声系数,反射系数,隔声量的计算问题。

参考文献:
1. 隋星. 介绍计算机声学设计软件 – EASE. 电声技术杂志. 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

图1

 

图2

图3

图4

图5