建筑聲學仿真軟件ODEON在混響室設計中的應用

建筑聲學仿真軟件ODEON在混響室設計中的應用楊君漕偉【摘要】隨著建筑聲學仿真軟件的普遍應用和算法越來越成熟，可直觀判斷出聲場存在的問題，對建筑體型設計給出指導，使早期反射聲在時間和空間上能夠合理分布,并防止建筑聲場出現(xiàn)聲聚焦、顫動回聲、駐波和聲影等聲學缺陷，鑒于此本文在混響室的設計中，引進由丹麥科技大學研究開發(fā)的建筑聲學仿真軟件ODEON,進行體型校核、聲壓級和混響時間T30的模擬仿真計算，從而保證混響室的體型、聲場均勻度和混響時間達到設計標準.【期刊名稱】《環(huán)境技術》【年(卷)，期】2019(037)004【總頁數(shù)】6頁(P127-132)【關鍵詞】ODEON;聲學仿真;混響室;混響時間;聲聚焦【作者】楊君漕偉【作者單位】中國電器科學研究院股份有限公司廣州510302;中國電器科學研究院股份有限公司，廣州510302【正文語種】中文【中圖分類】TU279.7+491工程概況本混響實驗室主要可用于各類型洗碗機、微波爐、煙機、吸塵器、電飯煲、烤箱、電磁爐、豆?jié){機、電水壺、空氣凈化器、咖啡壺、凈水器、空調(diào)的聲功率測試和吸聲材料的吸聲系數(shù)測試。混響室的外圍護結構為雙層隔聲墻，內(nèi)側(cè)為鋼筋混凝土墻體，夕卜層為240磚墻。使用金屬螺旋彈簧隔振，本底噪聲低，對外界噪聲振動具有全天候的抗振動、噪聲干擾能力。我們在混響實驗室應用到商用和家用電器設備的檢測，已經(jīng)做到混響室內(nèi)部凈尺寸不小于220m3，其最大尺寸約1100m3體積，目前國內(nèi)和世界同領域內(nèi)也是絕無僅有的?；祉懯业穆晫W條件是由混響室內(nèi)空間各種技術要素形成的聲學條件，建筑聲學設計涉及土建設計、室內(nèi)設計、裝修工程以及燈光照明、空調(diào)等各項組合成的一個系統(tǒng)工程。本項目聲學設計內(nèi)容主要包括：確定混響室的體型、設計混響室內(nèi)建筑裝修界面、擴散體形狀及構造以達到室內(nèi)應有的聲學要求并進行聲學仿真模擬，驗證主要建聲參數(shù)。表1頻率（Hz）100-80010001250160020002500315040005000混響時間（T60/S）5.1s4.7s4.4s4.2s3.5s3.2s2.8s2.6s2.4s2混響室建筑聲學要求混響室建聲設計參考以下聲學行業(yè)相關標準作為相關的設計依據(jù)：）《GB/T20247-2006聲學混響室吸聲測量》）《JJF1143-2006混響室聲學特性校準規(guī)范》3） 《GB/T6881.1-2002聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級混響室精密法》（GB50118-2010）4） 背景噪聲背景噪聲水平是指在一個空間中超過95%時間以上的水平，為室內(nèi)無人或沒有設備在運行時的大致水平。來自外界或來自相鄰空間的疊加噪聲不超過此水平。根據(jù)待測設備噪聲情況，以及參照各待測設備測試標準要求，混響室本底噪聲設計為<20dB（A）——房間本底噪聲在工況設備關閉的條件。5）室內(nèi)聲學室內(nèi)聲學主要對建筑設計、室內(nèi)裝飾設計提供有關建筑聲學建議，并審核建筑裝修界面、分布、面積、體型及構造等是否滿足建筑聲學要求。其主要指標有：混響時間T60:室內(nèi)聲場達到穩(wěn)態(tài)后，聲源停止發(fā)聲，聲能密度自原始值衰變到其百萬分之一也即60dB所需要的時間，單位：s,符號：T60。在實際情況下，直接測量聲能衰減60dB所需的時間受背景噪聲的水平影響很大，一般通過衰變過程的（-5~-25dB）取值范圍做線性外推來獲得聲壓級衰變60dB的混響時間，混響時間通常用賽賓公式予以粗略計算：式中V為房間體積（m3）,A為房間吸聲量（m2）。聲場不均勻度：各測量點處得到的穩(wěn)態(tài)聲壓級的極大值和極小值的差值?；祉懯医刂诡l率：按照混響室體積及《GB/T20247-2006聲學混響室吸聲測量》測量頻率的要求，確定本混響室的截止頻率為100Hz。根據(jù)混響室的建筑聲學特點，仿真設計時重點考察混響時間T60、混響室截止頻率等主要聲學參數(shù)。3聲學仿真分析混響室內(nèi)的聲場為擴散聲場，擴散聲場的特征是：當封閉空間內(nèi)被激發(fā)起足夠多的簡正方式時，使達到某點的聲波包括了各種可能的入射方向。除在擴散場距離內(nèi)的自由聲場區(qū)和離界面1/4波長范圍內(nèi)的固定干涉區(qū)以外，空間內(nèi)各點的聲能密度相等；從各個方向到達某點的聲強相等；到達某點的各波束之間相位是無規(guī)的。按照設計要求，空場混響時間最小值應達到以下標準：200m3，見表1。圖3混響室建筑平面圖該項目采用丹麥技術大學的ODEON建筑聲學仿真軟件，軟件基于幾何聲學原理，雙聲源法，并與聲線跟蹤法結合進行聲場模擬，可應用于室內(nèi)聲學、廳堂聲學等方面的設計?？捎嬎愕闹饕糍|(zhì)參數(shù)包括聲壓級SPL、A計權聲壓級SPL(A)、混響時間T30、明晰度C80、A計權后期側(cè)向聲壓級LLSPL(A)等聲學指標。按照CAD圖紙建立其仿真模型，建模依據(jù)的CAD建筑圖如圖1和圖2所示。1)混響室建筑體型設計混響室為擴散聲場，其體型應符合擴散聲場的比例要求，一般可參考調(diào)和級數(shù)的比例。最大線度Lmax<1.9V1/3。依據(jù)上述要求及現(xiàn)場條件，混響室的長x寬x高設計為：7.6mx6.3mx5.2m,最大線度Lmax=11.1<1.9V1/3必11.9。經(jīng)方案比較，三維錐形擴散體擴散頻率范圍優(yōu)于圓柱體，初步設計建筑體型以三維正倒間布的錐形擴散體為主，具體如圖3。為了營造混響室擴散聲場，在混響室天花上設計了球冠形低頻擴散體，具體如圖4模型所示：其中灰色部分為球面弧形擴散體。經(jīng)初步設計，以上述建筑體型為模型，導入ODEON建聲模擬軟件中，混響室計算模型如圖5所示。圖2混響室建筑平面圖模擬仿真參數(shù)選取本例混響室體積為228m2，設置測點時需要考慮混響半徑。當受聲點到聲源的距離(r)<混響半徑(rc)時，聲場以直達聲場為主；反之以混響聲場為主?；祉懓霃絩c的計算公式如下：圖3混響室建筑體型模擬圖圖4混響室頂棚反射體模型圖圖5混響室仿真模型圖式中，Q為聲源的指向性因數(shù)，此處按照Q取4計算。R為房間常數(shù)，單位為m2,S為房間內(nèi)的總表面積。通過初步計算可知本混響室在設計高頻5000Hz的混響半徑為1.0m左右，因此測點位置選擇離開聲源的2.0m之外的區(qū)域。在聲學仿真混響室模型中設置一個無指向性點聲源OMINS1，S1在兩側(cè)墻的交界處，距離邊界各1.2m，高2m，在混響室接收區(qū)域不同位置設置1:1個典型的受聲點（P1~P11），并計算其建筑聲學參數(shù)結果。主要吸聲材料及其吸聲系數(shù)設定見表2。3） 混響室聲場仿真計算經(jīng)建聲仿真軟件ODEON的仿真計算，并導出數(shù)據(jù)，經(jīng)分析匯總，形成的混響室所不舍點位的聲壓級分布、混響時間分布和頻率特性如圖8、9和10所示。結論：根據(jù)P1-P11點的模擬仿真結果和混響室內(nèi)混響時間整體仿真計算結果可知，該混響時間優(yōu)于標準要求，聲場穩(wěn)態(tài)聲壓級偏差較小，均在設計允許范圍內(nèi)。4） 混響時間在空間的分布混響時間T30（室內(nèi)聲級從-5dB到-35dB的衰變曲推出的衰變至-60dB的時間），由于篇幅所限，本文僅展示混響時間在部分倍頻程空間的分布情況，如圖11所示。5） 線性聲壓級在空間的分布，如圖12所示6） 線性聲壓級分布統(tǒng)計曲線由仿真軟件可導出，各頻率線性聲壓級分布曲線，從而可以定量的分析出各頻率段穩(wěn)態(tài)聲壓級最大最小值的差值，從而確定出聲場的均勻度是否滿足標準要求的允差。仿真導出數(shù)據(jù)如圖13所示。由于篇幅限制僅列部分頻率段予以說明。圖6混響室計算測點布置圖圖7混響室頂棚擴散體反射聲線圖表2注：廳內(nèi)吸聲材料的各頻帶吸聲系數(shù)必須小于或等于上述參數(shù)吸聲系數(shù)1252505001k2k4k天花混凝土油漆0.020.020.020.020.020.02地面水磨石地面0.010.010.010.010.020.02墻面混凝土油漆0.020.020.020.020.020.02隔聲門鋼質(zhì)隔聲門0.100.070.050.060.060.06通風口鋼板混凝土鋼板0.150.100.070.080.050.06位置裝飾材料名稱根據(jù)聲壓級分布統(tǒng)計曲線圖的計算結果可知：圖中X90-X10表示混響室內(nèi)統(tǒng)計百分數(shù)聲級X90與統(tǒng)計百分數(shù)聲級X10的差值，其結果越小代表混響室內(nèi)聲場越均勻；63Hz（X90-X10）為0.8dB、125Hz（X90-X10）為0.8dB、250Hz（X90-X10）為0.9dB、500Hz（X90-X10）為0.9dB、1000Hz（X90-X10）為1.0dB、2000Hz（X90-X10）為1.3dB、4000Hz（X90-X10）為1.5dB、8000Hz（X90-X10）為2.6dB；結果顯示該混響室的聲壓級分布滿足原設計要求，聲場均勻度偏差較小，在設計的允許范圍內(nèi)。圖8混響室各點聲壓級分布圖圖9混響室各點混響時間分布圖圖10混響室混響時間頻率特性圖圖11圖12圖1363Hz和1000Hz聲壓級分布統(tǒng)計曲線圖4噪聲控制分析為保證混響室的背景噪聲滿足設計要求，應對其進行空氣聲與固體聲隔聲處理?？諝饴暩袈晹M采用240mm重質(zhì)磚墻與混凝土內(nèi)隔墻的組合構造，設計空氣聲隔聲量Rw不小于65dB?；祉懯彝ㄍ饷娴拈T洞，均應有足夠隔聲量，擬采用重質(zhì)隔聲門，隔聲門采用三階磁性密封條密封，隔聲門底部與地面接縫處，采用特有的升降式密封構件，保證在無門檻時，也能密封性能良好，隔聲門設計隔聲指數(shù)Rw>50dB。5結束語通過聲學仿真軟件模擬，確認了混響室內(nèi)擴散體的布局以及整個房間的體型設計，并驗證了聲場性能，經(jīng)此，按照模擬確定的擴散體形式以及混響室體型，進行施工圖轉(zhuǎn)化，并采用特定弧形鋼制模板進行混凝土擴散體的澆筑，最終使用建筑混凝土完成此項目，并順利通過計量院所的聲學驗收，不論從外觀還是聲學性能上，都取得使用方的一直好評。圖14現(xiàn)場完工照片期望此文能為建聲模擬仿真軟件在精密聲學試驗室的體型設計和聲場校核應用中提供一些參考。參考文獻：【相關文獻】羅欽平，等.建筑聲學設計