建筑声学仿真软件ODEON在混响室设计中的应用

建筑声学仿真软件ODEON在混响室设计中的应用杨君漕伟【摘要】随着建筑声学仿真软件的普遍应用和算法越来越成熟，可直观判断出声场存在的问题，对建筑体型设计给出指导，使早期反射声在时间和空间上能够合理分布,并防止建筑声场出现声聚焦、颤动回声、驻波和声影等声学缺陷，鉴于此本文在混响室的设计中，引进由丹麦科技大学研究开发的建筑声学仿真软件ODEON,进行体型校核、声压级和混响时间T30的模拟仿真计算，从而保证混响室的体型、声场均匀度和混响时间达到设计标准.【期刊名称】《环境技术》【年(卷)，期】2019(037)004【总页数】6页(P127-132)【关键词】ODEON;声学仿真;混响室;混响时间;声聚焦【作者】杨君漕伟【作者单位】中国电器科学研究院股份有限公司广州510302;中国电器科学研究院股份有限公司，广州510302【正文语种】中文【中图分类】TU279.7+491工程概况本混响实验室主要可用于各类型洗碗机、微波炉、烟机、吸尘器、电饭煲、烤箱、电磁炉、豆浆机、电水壶、空气净化器、咖啡壶、净水器、空调的声功率测试和吸声材料的吸声系数测试。混响室的外围护结构为双层隔声墙，内侧为钢筋混凝土墙体，夕卜层为240砖墙。使用金属螺旋弹簧隔振，本底噪声低，对外界噪声振动具有全天候的抗振动、噪声干扰能力。我们在混响实验室应用到商用和家用电器设备的检测，已经做到混响室内部净尺寸不小于220m3，其最大尺寸约1100m3体积，目前国内和世界同领域内也是绝无仅有的。混响室的声学条件是由混响室内空间各种技术要素形成的声学条件，建筑声学设计涉及土建设计、室内设计、装修工程以及灯光照明、空调等各项组合成的一个系统工程。本项目声学设计内容主要包括：确定混响室的体型、设计混响室内建筑装修界面、扩散体形状及构造以达到室内应有的声学要求并进行声学仿真模拟，验证主要建声参数。表1频率（Hz）100-80010001250160020002500315040005000混响时间（T60/S）5.1s4.7s4.4s4.2s3.5s3.2s2.8s2.6s2.4s2混响室建筑声学要求混响室建声设计参考以下声学行业相关标准作为相关的设计依据：）《GB/T20247-2006声学混响室吸声测量》）《JJF1143-2006混响室声学特性校准规范》3） 《GB/T6881.1-2002声学声压法测定噪声源声功率级混响室精密法》（GB50118-2010）4） 背景噪声背景噪声水平是指在一个空间中超过95%时间以上的水平，为室内无人或没有设备在运行时的大致水平。来自外界或来自相邻空间的叠加噪声不超过此水平。根据待测设备噪声情况，以及参照各待测设备测试标准要求，混响室本底噪声设计为<20dB（A）——房间本底噪声在工况设备关闭的条件。5）室内声学室内声学主要对建筑设计、室内装饰设计提供有关建筑声学建议，并审核建筑装修界面、分布、面积、体型及构造等是否满足建筑声学要求。其主要指标有：混响时间T60:室内声场达到稳态后，声源停止发声，声能密度自原始值衰变到其百万分之一也即60dB所需要的时间，单位：s,符号：T60。在实际情况下，直接测量声能衰减60dB所需的时间受背景噪声的水平影响很大，一般通过衰变过程的（-5~-25dB）取值范围做线性外推来获得声压级衰变60dB的混响时间，混响时间通常用赛宾公式予以粗略计算：式中V为房间体积（m3）,A为房间吸声量（m2）。声场不均匀度：各测量点处得到的稳态声压级的极大值和极小值的差值。混响室截止频率：按照混响室体积及《GB/T20247-2006声学混响室吸声测量》测量频率的要求，确定本混响室的截止频率为100Hz。根据混响室的建筑声学特点，仿真设计时重点考察混响时间T60、混响室截止频率等主要声学参数。3声学仿真分析混响室内的声场为扩散声场，扩散声场的特征是：当封闭空间内被激发起足够多的简正方式时，使达到某点的声波包括了各种可能的入射方向。除在扩散场距离内的自由声场区和离界面1/4波长范围内的固定干涉区以外，空间内各点的声能密度相等；从各个方向到达某点的声强相等；到达某点的各波束之间相位是无规的。按照设计要求，空场混响时间最小值应达到以下标准：200m3，见表1。图3混响室建筑平面图该项目采用丹麦技术大学的ODEON建筑声学仿真软件，软件基于几何声学原理，双声源法，并与声线跟踪法结合进行声场模拟，可应用于室内声学、厅堂声学等方面的设计。可计算的主要音质参数包括声压级SPL、A计权声压级SPL(A)、混响时间T30、明晰度C80、A计权后期侧向声压级LLSPL(A)等声学指标。按照CAD图纸建立其仿真模型，建模依据的CAD建筑图如图1和图2所示。1)混响室建筑体型设计混响室为扩散声场，其体型应符合扩散声场的比例要求，一般可参考调和级数的比例。最大线度Lmax<1.9V1/3。依据上述要求及现场条件，混响室的长x宽x高设计为：7.6mx6.3mx5.2m,最大线度Lmax=11.1<1.9V1/3必11.9。经方案比较，三维锥形扩散体扩散频率范围优于圆柱体，初步设计建筑体型以三维正倒间布的锥形扩散体为主，具体如图3。为了营造混响室扩散声场，在混响室天花上设计了球冠形低频扩散体，具体如图4模型所示：其中灰色部分为球面弧形扩散体。经初步设计，以上述建筑体型为模型，导入ODEON建声模拟软件中，混响室计算模型如图5所示。图2混响室建筑平面图模拟仿真参数选取本例混响室体积为228m2，设置测点时需要考虑混响半径。当受声点到声源的距离(r)<混响半径(rc)时，声场以直达声场为主；反之以混响声场为主。混响半径rc的计算公式如下：图3混响室建筑体型模拟图图4混响室顶棚反射体模型图图5混响室仿真模型图式中，Q为声源的指向性因数，此处按照Q取4计算。R为房间常数，单位为m2,S为房间内的总表面积。通过初步计算可知本混响室在设计高频5000Hz的混响半径为1.0m左右，因此测点位置选择离开声源的2.0m之外的区域。在声学仿真混响室模型中设置一个无指向性点声源OMINS1，S1在两侧墙的交界处，距离边界各1.2m，高2m，在混响室接收区域不同位置设置1:1个典型的受声点（P1~P11），并计算其建筑声学参数结果。主要吸声材料及其吸声系数设定见表2。3） 混响室声场仿真计算经建声仿真软件ODEON的仿真计算，并导出数据，经分析汇总，形成的混响室所不舍点位的声压级分布、混响时间分布和频率特性如图8、9和10所示。结论：根据P1-P11点的模拟仿真结果和混响室内混响时间整体仿真计算结果可知，该混响时间优于标准要求，声场稳态声压级偏差较小，均在设计允许范围内。4） 混响时间在空间的分布混响时间T30（室内声级从-5dB到-35dB的衰变曲推出的衰变至-60dB的时间），由于篇幅所限，本文仅展示混响时间在部分倍频程空间的分布情况，如图11所示。5） 线性声压级在空间的分布，如图12所示6） 线性声压级分布统计曲线由仿真软件可导出，各频率线性声压级分布曲线，从而可以定量的分析出各频率段稳态声压级最大最小值的差值，从而确定出声场的均匀度是否满足标准要求的允差。仿真导出数据如图13所示。由于篇幅限制仅列部分频率段予以说明。图6混响室计算测点布置图图7混响室顶棚扩散体反射声线图表2注：厅内吸声材料的各频带吸声系数必须小于或等于上述参数吸声系数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墙面混凝土油漆0.020.020.020.020.020.02隔声门钢质隔声门0.100.070.050.060.060.06通风口钢板混凝土钢板0.150.100.070.080.050.06位置装饰材料名称根据声压级分布统计曲线图的计算结果可知：图中X90-X10表示混响室内统计百分数声级X90与统计百分数声级X10的差值，其结果越小代表混响室内声场越均匀；63Hz（X90-X10）为0.8dB、125Hz（X90-X10）为0.8dB、250Hz（X90-X10）为0.9dB、500Hz（X90-X10）为0.9dB、1000Hz（X90-X10）为1.0dB、2000Hz（X90-X10）为1.3dB、4000Hz（X90-X10）为1.5dB、8000Hz（X90-X10）为2.6dB；结果显示该混响室的声压级分布满足原设计要求，声场均匀度偏差较小，在设计的允许范围内。图8混响室各点声压级分布图图9混响室各点混响时间分布图图10混响室混响时间频率特性图图11图12图1363Hz和1000Hz声压级分布统计曲线图4噪声控制分析为保证混响室的背景噪声满足设计要求，应对其进行空气声与固体声隔声处理。空气声隔声拟采用240mm重质砖墙与混凝土内隔墙的组合构造，设计空气声隔声量Rw不小于65dB。混响室通往外面的门洞，均应有足够隔声量，拟采用重质隔声门，隔声门采用三阶磁性密封条密封，隔声门底部与地面接缝处，采用特有的升降式密封构件，保证在无门槛时，也能密封性能良好，隔声门设计隔声指数Rw>50dB。5结束语通过声学仿真软件模拟，确认了混响室内扩散体的布局以及整个房间的体型设计，并验证了声场性能，经此，按照模拟确定的扩散体形式以及混响室体型，进行施工图转化，并采用特定弧形钢制模板进行混凝土扩散体的浇筑，最终使用建筑混凝土完成此项目，并顺利通过计量院所的声学验收，不论从外观还是声学性能上，都取得使用方的一直好评。图14现场完工照片期望此文能为建声模拟仿真软件在精密声学试验室的体型设计和声场校核应用中提供一些参考。参考文献：【相关文献】罗钦平，等.建筑声学设计