计算机辅助建筑声学设计的基本原理与应用

计算机辅助建筑声学设计的基本原理与应用

随着计算机技术的不断发展，计算机辅助建筑声学设计已经成为现代建筑声学设计的重要工具。本文详细介绍了计算机辅助建筑声学设计的基本原理与应用，包括声线追踪法、虚声源法、声线束追踪法和有限元法等主要模拟方法，并探讨了它们的适用性和局限性。

修建声学设计中，越来越多地运用计算机辅佐音质设计，市场上也有许多运用软件，如丹麦的ODEON，意大利的RAMSETE，德国的EASE等等。声模拟软件可以预测室内声学参数，评价调整声学方案，计算机辅佐音质设计将是未来趋向。由于声学效果自身的复杂性和计算机的局限性，目前的辅佐修建声学设计软件研讨只是处于起步阶段，还不能完全替代实际剖析和实际阅历。因此，深化了解计算机辅佐设计的原理，强调其参考价值和局限性偏重，注重与修建声学实际阅历相结合，是十分重要的。论文参考了国外有关文献，论述了计算机辅佐声学设计的基本原理，希望研讨效果对修建声学设计任务者有所协助。

关键词：声线追踪法；虚声源法；声线束追踪法；有限元法

准确地预测房间的音质效果不时是修建声学研讨者追求的理想，谁不想在设
计音乐厅图纸时就能听到她的声响效果呢？一百多年来，人们逐渐发现了一些物
理目的，并提醒了它们与房间客观音质的关系，包括混响时间RT60、早期衰减
时间EDT、脉冲声照应、明晰度指数等等。音质参量预估是室内声学设计的关键。

目前，人们采用经典公式、缩尺比例模型、计算机模拟来预测这些参数。

室内声学的复杂性源于声响的动摇性，任何一种模拟方法目前都不能取得相
对真实的结果。本文在参考研讨国外计算机音质模拟文献的基础上，对室内声学
的主要模拟方法停止汇编和总结，以便深化地了解计算机辅佐修建声学设计的基
本原理、适用性和局限性。

1比例缩尺模型模拟和计算机声场模拟

自塞宾时代起，比例缩尺模型就在室内声学中取得运用，但模型比拟复杂，
无法失掉定量结果。20世纪60年代，模拟实际、测试技术等逐渐开展完善，停
止少量研讨和实际后，比例模型在客观目的的测量方面曾经基本到达了适用化。

如今，声源、麦克风、模拟声学资料曾经可以和实物对应，仪器的频带也扩展了，
在模拟混响时间、声压级散布、脉冲照应等常用目的曾经到达适用的精度。

比例模型的原理是相似性原理，依据库特鲁夫的推导，关于1:10的模型来
讲，房间尺度增加10倍后，假设波长异样延长10倍，即频率提高10倍时，假
定模型界面上的吸声系数与实践相反，那么对应位置的声压级参量不变，时间参
量延长10倍。如10倍频率的混响时间为实践频率混响时间的1/10。但是，很
难依托物理的手腕完全满足相似性的要求。空气吸收、外表吸收相似性的处置是
保证模拟测量精度的关键。比例模型是现阶段所知独一可以较好模拟室内声场动
摇特性的适用方法，可是由于模型制形本钱较高、需求应用充氮气或枯燥空气法
降低高频空气吸收、模拟资料吸声特性难于控制的要素，这种方法存在很大的局
限性。

随着软件技术的开展，运用计算机停止声场的模拟研讨成为理想。从数学的
观念来看，声响的传达由动摇方程，即由Helmholtz方程所描画。实际上，从
声源到接纳点的声脉冲照应可以经过求解动摇方程来取得。但是，当室内几何结
构和界面声学属性十分复杂时，人们基本无法取得准确的方程方式和边界条件，
也不能失掉有价值的解析解。假设对方程停止简化处置，所失掉的结果极不准确，
不能适用，完全应用动摇方程经过计算机求解室内声场是不可行的。适用角度讲，
运用几何声学的声线追踪法和镜像虚声源法，经过计算机顺序可以取得具有一定
参考水平的房间声学参数。但由于疏忽了声响的动摇特性，处置高频声和近次反
射声效果较好，模拟声场全部信息尚有很大缺乏。近年来，运用基于有限元实际
的方法模拟声响的高阶动摇特性，在低频模拟上取得了一些停顿。

2几何声学模拟方法

几何声学模拟方法自创几何光学实际，假定声响沿直线传达，并疏忽其动摇
特性，经过计算声响传达中能量的变化及反射抵达的区域停止声场模拟。由于模
拟精度不高，而且高阶反射和衍射的计算量庞大，因此，大少数状况是运用几何
方法计算早期反射，而运用统计模型来计算前期混响。

2.1声线追踪方法

声线追踪方法是从声源向各方向发射的〝声粒子〞，追踪它们的传达途径。
声粒子因反射吸声不时地失掉能量，并按入射角等于反射角确定新的传达方向
。

为了计算接纳点的声场，需求定义一个接纳点周围的面积或体积区域来捕捉
经过的粒子。无论如何处置，都会搜集到错误的声线或丧失一些应有的粒子。为
了保证精度，必需有足够密的