計算機輔助建筑聲學設計的基本原理與應用(1)

　　準確地預測房間的音質效果一直是建筑聲學研究者追求的理想，誰不想在設計音樂廳圖紙時就能聽到她的聲音效果呢?一百多年來，人們逐漸發現了一些物理指標，并揭示了它們與房間主觀音質的關系，包括混響時間RT60、早期衰減時間EDT、脈沖聲響應、清晰度指數等等。音質參量預估是室內聲學設計的關鍵。目前，人們采用經典公式、縮尺比例模型、計算機模擬來預測這些參數。

　　室內聲學的復雜性源于聲音的波動性，任何一種模擬方法目前都不能獲得絕對真實的結果。本文在參考研究國外計算機音質模擬文獻的基礎上，對室內聲學的主要模擬方法進行匯編和總結，以便深入地了解計算機輔助建筑聲學設計的基本原理、適用性和局限性。

　　1 比例縮尺模型模擬和計算機聲場模擬

　　自塞賓時代起，比例縮尺模型就在室內聲學中獲得應用，但模型比較簡單，無法得到定量結果。20世紀60年代，模擬理論、測試技術等逐漸發展完善，進行大量研究和實踐后，比例模型在客觀指標的測量方面已經基本達到了實用化。現在，聲源、麥克風、模擬聲學材料已經可以和實物對應，儀器的頻帶也擴展了，在模擬混響時間、聲壓級分布、脈沖響應等常用指標已經達到實用的精度。

　　比例模型的原理是相似性原理，根據庫特魯夫的推導，對于1:10的模型來講，房間尺度縮小10倍后，如果波長同樣縮短10倍，即頻率提高10倍時，若模型界面上的吸聲系數與實際相同，那么對應位置的聲壓級參量不變，時間參量縮短10倍。如10倍頻率的混響時間為實際頻率混響時間的1/10。然而，很難依靠物理的手段完全滿足相似性的要求�？諝馕�收、表面吸收相似性的處理是保證模擬測量精度的關鍵。比例模型是現階段所知唯一能夠較好模擬室內聲場波動特性的實用方法，可是由于模型制作成本較高、需要利用充氮氣或干燥空氣法降低高頻空氣吸收、模擬材料吸聲特性難于控制的因素，這種方法存在很大的局限性。

　　隨著軟件技術的發展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現實。從數學的觀點來看，聲音的傳播由波動方程，即由Helmholtz 方程所描述。理論上，從聲源到接收點的聲脈沖響應可以通過求解波動方程來獲得。但是，當室內幾何結構和界面聲學屬性非常復雜時，人們根本無法獲得精確的方程形式和邊界條件，也不能得到有價值的解析解。如果對方程進行簡化處理，所得到的結果極不精確，不能實用，完全利用波動方程通過計算機求解室內聲場是不可行的。實用角度講，使用幾何聲學的聲線追蹤法和鏡像虛聲源法，通過計算機程序可以獲得具有一定參考程度的房間聲學參數。但由于忽略了聲音的波動特性，處理高頻聲和近次反射聲效果較好，模擬聲場全部信息尚有很大不足。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動特性，在低頻模擬上獲得了一些進展。