声学计算机模拟在室内声学设计中运用

摘要：近些年计算机模拟技术在室内声学领域得到了越来越广泛的应用。本文简单介绍了RAYNOSIE声学模拟软件的功能，并使用RAYNOISE软件对某多功能厅进行了室内声学模拟，根据模拟结果对多功能厅声学设计的合理性进行了分析。
关键词：室内声学、计算机模拟、RAYNOISE
引言
随着计算机技术的日益发展，软件模拟成为室内声学设计的主要分析手段之一。相对于传统的计算方法和声学模型，软件模拟计算速度快、精度高、易于修改、成本小，具有不可比拟的优势。目前国际上比较著名的声学软件有比利

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时LMS公司开发的RAYNOISE，德国ADA公司的EASE以及丹麦技术大学的ORDENS等。本文以RAYNOISE软件为例，讨论了软件模拟在室内声学分析中的具体应用。
RAYNOISE软件简介
RAYNOISE软件是针对声学开发的一种大型声场模拟软件系统，主要功能是对封闭空间、半封闭空间或开敞空间的各种声学现象进行模拟。RAYNOISE软件模拟主要以几何声学为理论基础，模型采用圆锥束法（CBM）和三棱锥束法（TBM）作为声场脉冲响应的计算方法，这两种方法综合了传统的虚声源法（MI）和声线跟踪法（RTM）的优势，能够较准确地模拟声传播的物理过程，包括镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等现象，尤其在中高频范围，并且能够模拟接收点的听音效果，可以广泛用于噪声预测和控制、环境声学、室内声学设计等多种领域。
室内声学模拟过程
RAYNOISE软件模拟的主要过程包括建模、计算和后处理三部分。建模时需要输入以下模型信息：1）三维空间模型；2）传播介质的特性；3）各围合面的声学特性（如吸声系数、散射系数等）；4）声源特性及位置；5）接收点的位置；6）座位接收面的位置。
在计算过程中，影响计算结果的主要参数包括声线数量、反射方法、反射阶次、截止时间、动态范围等。其中，声线数和反射阶次是两个重要的影响因素，通常需要通过试算确定取值，当计算结果趋于稳定时，表示为最佳取值。计算结果经过后处理可以生成图形或动画。
室内声学模拟分析实例
本文用RAYNOISE软件对某多功能厅进行了室内声学模拟分析。如图4.1和4.2所示，多功能厅位于某三层建筑的第二、三层，主要用于会议和小型演出，厅内容积约1.5万m³，可容纳800人，平面呈矩形，长度约33m，宽度约25m。舞台位于矩形的西侧短边，南侧为玻璃幕墙，北侧及东侧为柱子，直接与二、三层走廊相通。多功能厅内无吊顶，屋顶沿短边方向倾斜，南侧高约15m，北侧高约13m，采用高度800mm的井字梁。
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4.1 多功能厅平面图

由于项目中的多功能厅原本是一个用于集会和展示的大堂，后期改为具有会议和演出功能的多功能厅。因此，多功能厅的‘先天’条件很差：总体积较大，与走廊连通，内表面形状复杂，而且可利用的吸声面积较小，这些问题都可能对厅内的音质产生不利影响。
为了控制多功能厅的音质效果，多功能厅的两侧墙和后墙的梁、柱、三层栏杆全部采用木丝板吸声构造，并适当加宽梁、柱的宽度；屋顶井字梁的梁格内填木丝板；舞台墙面采用穿孔金属板（内填玻璃棉）；化妆间、侧台、走廊设矿棉吸声吊顶。
本次模拟为独唱者使用时的情况，声源为点声源，位于舞台中心，距地面1.5m高，接收面位于观众席区，距地面1.2m。图4.3~4.5为500Hz时多功能厅的声场分布SPL、混响时间RT60、清晰度D50的分布图。
图

4.3 声压级SPL分布图（500Hz）

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4.4 混响时间RT60分布图（500Hz）

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4.5 清晰度D50分布图（500Hz）

从模拟结果可知，多功能厅中频满场混响时间为1.4s；声场不均匀度约为7dB；清晰度D50＞40%；各项声学指标数值比较合理，声学性能良好，因此按照现有的声学设计可以满足多功能厅的使用要求。
结论
与传统的方法相比，计算机模拟技术不仅效率高，而且结果更加详细，为声学设计的定量化提供了有效的手段。通过RAYNOSIE软件模拟分析，直观的获得了室内声学设计所需的多种指标，从而在早期设计方案阶段就开始为设计者提供指导，对合理分析、优化室内声学设计方案起到巨大的作用。
参考文献：
建筑物理(第三版). 柳孝图，中国建筑工程出版社，2010
建筑声学设计手册. 项端祈，中国建筑工程出版社，1987
[3] 声音·人·建筑[M].L.H.肖丁尼斯基（林达悃 李崇理 译），中国建筑工程出版社，1985
[3] RAYNOISE

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作者简介：刘莹(1985-)，女，汉族，北京人，助理工程师，主要从事建筑声学设计工作。