声学设计软件的作用及图例分析

　　一、概述

　　建声、电声系统声学特性计算机辅助设计应用计算机对厅堂建声和扩声系统声学特性进行辅助设计的实用系统软件源于八十年代中期的美国。最具代表性的有：美国JBL公司的CADP2、荷兰菲利浦公司的THE PHD PROGRAM、美国BOSS公司的THE SPEAKER、美国MARK IV ’S集团的ACOUSTA CADD和日本TOA公司与日本东京大学联合开发的CAD软件等。国际上广泛采用的声学辅助设计软件是德国Ahnert声学设计公司(ADA公司)开发的EASE设计软件。

　　EASE设计软件计算和展示的主要内容有：

　　★ 扬声器的安装位置、角度等展示;

　　★ 建声特性125Hz～8000 Hz的混响时间;

　　★ 扩声系统直达声场的最大声压级和声场分布(不均匀度);

　　★ 扩声系统混响声场的最大声压级和声场分布(不均匀度);

　　★ 辅音清晰度(Alcons)损失展示;

　　★ 快速传递指数[语音清晰度或可懂度](RASTI)展示;

　　★ 扬声器至听音者的直达声以及1～N次反射声的“声域”路径展示;

　　★ 扬声器-3 dB/ -6dB/-9 dB覆盖范围角的声线展示;

　　它能在设计阶段提供在一定建声条件下和一定电声条件下模拟效果的预计。可为扩声系统扬声器施工安装、施工调试提出指导性建议。EASE软件可以计算出声场相关的声学参数，其计算数据与最后的电声实测结果比较，误差可以控制在1dB以内，具有非常好的可信度，得到国际上最广泛的认可。

　　二、声学图例分析

　　1、四视图及3D模型

　　如上图所示：即为某会议厅EASE模型的四视图，所谓四视图即包括：三维视图(左上)、左视图(右上)、后视图(左下)、俯视图(右下);

　　从EASE模型的三维视图上，我们可直观的看到扬声器的安装位置、扬声器中轴线的指向特性等;

　　下图中所展示的为EASE 3D模型，而EASE 3D模型可直观的为我们展示扬声器的摆放效果以及扬声器的数量等相关信息;在EASE模型中，可对模型进行360度旋转，从各个方位进行查看。

　　2、-3dB、-6dB、-9dB声线覆盖图

　　我们都知道音箱有一个垂直及水平辐射角度;但这仅是理论值，怎么在模型中直观的显示出来，在设计时实时供我们参考?EASE为我们提供了一个非常有用的显示工具，即-3dB，-6dB，-9dB声线覆盖图;在EASE4.1之上的版本中，按快捷键F9，即出现如下窗口：

　　这里显示的就是以扬声器中心指向轴向四周衰减不同分贝值后的覆射角度。下图中分别列出了-3dB\-6dB\-9dB的情况，也可以对不同频率段进行选择，以供设计时参考。

　　这里我们选择-3dB，然后确定。如你所见，你会看到扬声器在-3dB的衰减下的覆盖情况。

　　-3dB声线覆盖图

　　同理，我们可以观察到-6dB/-9dB声线覆盖图。从图上我们可以清晰的看到扬声器的主要辐射区域。我们也可以任意旋转模型进行多方位的三维观察。这其实就是我们在进行声场不均匀度的设计时的设计依据。

　　3、最大声压级以及声场不均匀度

　　在EASE主程序中打开Mapping程序，我们可以看到，在这里可以模拟不同频率段下的等声压级线(可以理解为扬声器的覆盖范围)初始到达时间、混合声压级、声场不均匀度、直达声场、C参数(直混比)、L参数(不同时间段内的声压级)，以及辅音清晰度和语言清晰度的模拟，如下图：

　　在这里，我们可以模拟3D图形，也可仅对听音区域进行2D图形模拟;

　　首先我们来了解声压级的模拟，如下图，为某剧场的混合声压级模拟图：

　　从声压级分布图上，我们可以直观的看到此厅堂内各个区域的混合声压级，同时，可知道此厅堂内的声场不均匀度，可将模拟结果与相关国家标准进行比较，从而根据模拟结果调整扬声器的选型、安装位置及角度，为工程安装提供依据。

　　如上图，模拟的是某剧场1000Hz频率下的混合声压级(也可模拟其他各频段声压级)，我们知道国家演艺类一级标准要求的是最大声压级≥106dB，声场不均匀度1000Hz≤6dB;而此模拟结果上明确的可以看到其声压级为106-107dB之间，其声场不均匀度为1dB，无论是声压级还是声场不均匀度都可以满足国家一级标准。

　　4、语音清晰度

　　EASE的语言清晰度计算是基于建声上满足或接近合适的混响时间频响曲线，电声上选用的所有扬声器都处在正常的工作状态下采用 RASTI 法计算得出的期望值指数，RASTI 法是客观评价厅堂语言可懂度的快速语言传输指数。与可懂度有关的语言传输质量是根据模拟实际讲话人声学特性的测试信号通过房间时的调制指数 mi 的降低确定的，测试信号由位于讲话人位置的声源传输到听音者人位置上的传声器,RASTI 法是基于满足以下几项要求的计算应用：

　　(1)基本上是线性语言传输(无削波等);

　　(2)宽带语言传输(典型值为 200Hz—6KHz)，因为此方法是以假定基本上是无限制的语言谱为基础的;

　　(3)背景噪声中不包含纯音，在倍频带频谱中，无明显的峰或谷;

　　(4)背景噪声无脉冲特征;

　　(5)混响时间随频率变化不太大时

　　以上是国家标准 GB/7 4959-1995 中厅堂扩声特性测量方法的依据，EASE 的 RASTI 法是基于以上的测量方法而得出的数据，而且是国际电工委员会 IEC和美国电子工业协会(EIA)通用的数据标准，这个 RASTI 指数对于没有受过训练的讲演者听众在复杂的听音情况下,此指数 0.4—0.45 为可以，0.45—0.5 为好，0.5-0.55 为良好，0.55-0.6 优良，0.6—1 为优秀。

　　如下图所示，即为某剧场在1000Hz频率下语音清晰度的模拟结果;

　　从图上可直观的看到其模拟结果为0.65-0.77之间;达到了国家标准的优秀标准;

　　5、辅音清晰度损失

　　Articulation Loss，它是评价室内的语言的清晰度重要指标之一,用%比来表示，它是随着扬声器与听众之间的距离的增加而增加，当然也随混响时间的延长而增大。但采用指向性强的扬声器或减小扬声器与听众的距离是可以改善清晰度的。

　　辅音清晰度损失率Alcons是以辅音发音损失的百分率作为衡量标准，分数越低，说明辅音发音损失越小，因此语言清晰度越高。在考虑辅音清晰度中，在Band(波段)使用部分还有一个频率选择，500Hz是考虑的最低频率，对声音的清晰度的贡献大约是16%;1000Hz是考虑的中频，约占贡献的25%;2000Hz是考虑的最高频率，约占34%，

　　所以成为计算事实上的标准。

　　Articulation Loss≤3%为理想的清晰度：ArticulationLoss =3--7% 为 非 常 好 的 清 晰 度 ;    Articulation Loss =7--11% 为好的清晰度; Articulation Loss≤15%为基本尚可的清晰度：当 Articulation Loss≥15% 时为差的清晰度。

　　如下图所示，即为某剧场在1000Hz频率下辅音清晰度损失率的模拟结果;

　　从图上可直观的看到其模拟结果为3%-6%之间;达到了国家标准的优秀标准;

　　6、厅堂混响时间

　　建声与混响时间息息相关，此文主要从扩声方面进行分析，虽然扩声并不决定着混响时间，但相反的，混响时间确直接影响着扩声;因此，上述各图例的分析，都是在合适的混响时间曲线的前提下进行的;从建声特性上讲，厅堂的混响时间对语言的清晰度有着至关重要的影响，所以厅堂最后装修之前，一定要明确混响时间的要求，也可以说在建声条件上要利用室内装修等手段将混响时间控制在我们预先计算的范围内;混响时间短，则语言清晰度高，当混响时间为0.5-1S左右时，清晰度可达最高。而且为使放音场地具有均匀的频率响应，即在高、中、低频段的吸声量不能有太大的差导，而获得最佳的厅堂房间的频响曲线，通过EASE封闭空间计算，各个频段的混响时间建声处理不好容易存在没有规律和过长情况，在声音重放时在建声上会严重影响语言的清晰度，为使系统在工作之前能有一个最佳的建声条件，从而获得我们期望的最佳混响时间频率响应曲线，这个混响时间频率响应曲线，我们通过EASE设计软件获得，用来作为对我们期望的混响时间结果预测的参考，从而为装修时的建声条件的设定提供指导性参考。

　　不同的厅堂，对于混响时间也有一定的标准要求，如下图，即为歌剧院的混响时间标准要求。

　　同样以之前的剧场为例，此剧场的体积约11731m3 ，由上图可知，此厅堂的混响时间要控制在约1.3-1.8S之间。

　　因此，我们可通过EASE声学仿真设计软件，对此剧场各面进行吸音材料设置，使设置后的厅堂混响时间控制在此范围内;如下图，即为此厅堂合适的混响时间曲线。

　　此时的混响时间为1.7S，是我们设计的期望模拟值。此图可作为建筑和建声施工时的结果预测的参考依据。 而之上所有扩声模拟结果都是在此混响时间基础上进行模拟进行的，若不是在合适混响时间基础上进行模拟，则一切都为空谈;自此，我们也可以看到，一个厅堂要有好的听觉感受，必须是建立在良好的建声及扩声相结合的基础上的，好的扩声离不开好的建声，他们相辅相成，缺一不可。

　　三、结论

　　此文讲到这里，大家对于EASE的意义及功能是否有了更清晰的定义呢?总而言之，EASE是我们对于厅堂扩声设计的重要辅助设计工具，它可以给我们提供相应的参考及依据，为设计者们及现场安装者们带来一定的帮助，但切不可过于依赖计算机辅助计算软件，由于存在着一些不确定影响因素，如：所模拟的厅堂的吸声材料数据的选取与实际安装材料的真实声学特性之间的差别大小，软件运算法则适用条件的近似性(几何声学方法)与厅堂真实声环境下声波传播物理过程的差别等，都可能导致软件声场模拟所获得的音质参量数据与该参量实际测量值之间的差距。

　　AVMedia技术中心 张巧玲