王挺;彭健新;孙海涛
【摘 要】对一大学教室建立声学仿真模型,采用无指向性声源和近似人声指向性的声源,通过声学仿真软件ODEON对该教室进行声学仿真,获取客观声学参数,比较不同指向性声源条件下教室内客观语言清晰度参数的差异,探讨声源指向性对教室内客观语言清晰度参数的影响.结果表明:采用无指向性声源将低估教室内的语言清晰度,其模拟得到的C50和STI比采用近似人声指向性的声源得到的结果偏低. 【期刊名称】《电声技术》 【年(卷),期】2010(034)002 【总页数】4页(P4-6,12)
【关键词】语言清晰度;声学仿真;声源指向性;早迟声能比;语言传输指数 【作 者】王挺;彭健新;孙海涛
【作者单位】华南理工大学,亚热带建筑科学国家重点实验室,广东,广州,510640;华南理工大学,亚热带建筑科学国家重点实验室,广东,广州,510640;华南理工大学,理学院物理系,广东,广州,510640;华南理工大学,亚热带建筑科学国家重点实验室,广东,广州,510640 【正文语种】中 文 【中图分类】TU112 1 引言
在教室这一特定空间，教师和学生主要是通过语言声进行交流，因此教室室内语言清晰度是衡量教室声学环境理想与否的一个重要指标。在室内音质的设计中，运用建筑声学计算机仿真技术，可模拟室内空间的声学环境[1]，其中也包括了语言清晰度。
在过去的研究中，由于对室内声学特性的实际测量多是使用国际标准规定的正多面体无指向性扬声器[2]，所以在计算机仿真中为了与实际测量的情况相同，基本是采用无指向性声源进行仿真。然而，实际的声源如人的发音器官等是指向性声源，它与模拟用的声源在指向性方面存在着明显的不同。已经有研究指出采用不同指向性的声源实际测量得到的房间声学参数存在差别[3]，也有研究指出了采用指向性声源和无指向性声源在可听化质量上存在明显的差异[4]，那么在计算机声环境仿真中，采用无指向性声源和指向性声源得到的模拟结果是否也存在较大的差异？国内外一些研究者对这一问题进行过研究，例如Otondo RF和Rindel JH比较了厅堂仿真计算中采用乐器平均的指向性和针对每个音调特有的指向性两种不同的方法对计算结果的影响。他们发现：采用这2种不同的方向性计算得到的客观声学参数存在着较大的区别[5]。Vigeant MC，Wang L M和Rindel J H比较了计算机声场仿真中采用无指向性声源和强指向性声源（向1/16球空间辐射声波的声源）所得到的主观和客观评价结果的差异性[6]。结果表明在主观和客观方面采用无指向性声源和强指向性声源得到的可听声之间都存在明显的差别。这些关于声源指向性对仿真结果影响的研究基本是针对音乐，对客观语言清晰度参数的影响较少涉及。彭健新采用声学仿真软件ODEON探讨5种不同的声源对教室内客观语言清晰度参数的影响，指出采用不同声源得到的C50结果差异较大[7]。笔者通过对一个矩形平面教室，进行客观声学测量和建模仿真，采用无指向性声源和近似人声的指向性声源，获取客观语言清晰度参数，比较两种不同声源模拟结果的差异，分析声源指向性对语言清晰度计算机仿真结果的影响。
2 实验方法
选取华南理工大学31号教学楼一教室进行客观声学测量和声学建模仿真。该教室平面为矩形，尺寸为15.82 m×8.22 m×4.9 m。为了使声学仿真的结果与在实际教室里的声学参数一致，采用B&K十二面体扬声器（无指向性声源）对该教室进行客观声学测量。测试时，声源位于讲台上，在教室座位区布置6个接收点，声源和接收点位置如图1所示。 图1 声源与接收点位置示意图
采用最大长度序列（MLS）测量房间脉冲响应，根据测量得到的6个接收点的房间脉冲响应采用DIRAC 4.0软件计算这些接收点位置的客观声学参数，如早期衰变时间EDT、混响时间T30、早迟声能比C50、清晰度D50、语言传输指数STI。然后建立该教室的模型，应用建筑声学仿真软件ODEON，根据实测中声源和接收点位置在模型中设置声源和接收点。仿真时，声源采用无指向性声源，设置声源声功率大小与实测值相符合。通过不断调节教室模型各个界面的声学参数（包括各频带的吸声系数及界面散射系数），使模拟仿真得到的教室内各接收点的客观声学参数值与实测得到的客观声学参数值一致，其差异在一个可觉察差异JND范围内。 保持模型中设置的各类参数数值不变，将模拟声源改为与人声相近的指向性声源进行模拟仿真，仿真得到在指向性声源条件下的客观声学参数。笔者采用JBL-LSR6325P扬声器。由于现实中教室以语言声为主，该扬声器的指向性与人声的指向性相近，如图2所示，其仿真结果能较好地反映实际教室的客观声学参数。 图2 JBL-LSR6325P扬声器与人声指向性特性图 3 实验结果与分析
采用JBL-LSR6325P指向特性声源与无指向性声源对该教室进行仿真，得到的客观语言清晰度参数结果之间的差异如图3所示。图3（a）、图3（b）分别为采用JBL-LSR6325P指向特性声源与采用无指向性声源仿真得到的EDT，T30结果的
差异的百分值；图3（c）为采用两种声源仿真得到的C50的差异；图3（d）为采用两种声源仿真得到的STI的差异。
从图3（a）可看出，由2种不同声源仿真得到的各接收位置上EDT在大部分频带上的差异值均在一个可觉察差异（JND，10%）之内，接收点4在2 000 Hz及其以上倍频带的EDT差异较大，这是由于在这些频带上指向性声源指向性与无指向性声源指向性存在较大的差异，而且接受位置离声源近，直达声占声能的比重大的缘故。由图3（b）可看出，2种不同声源仿真得到的各接收点上T30在各个频带上的差异几乎都在1JND（10%）之内。由此可见，采用具有不同指向性的声源仿真得到的EDT，T30结果有一定差异，但其差异基本都在1 JND内。这从早期衰变时间和混响时间的定义不难得到解释：影响这两个客观声学参数的主要因素是房间的体积、室内吸声面积与平均吸声面积，声源指向性的不同只是声能在空间的分布发生了改变，对早期衰变时间和混响时间不会产生较大的影响。 图3 采用2种声源仿真得到的客观语言清晰度参数结果的差异值
早迟声能比C50与语言传输指数STI都是与语言清晰度的主观感受相关的声学参数[8]。由图3（c）可看出，采用JBL-LSR6325P指向特性声源与采用无指向性声源对该教室进行仿真得到的早迟声能比C50（除接收点 3 外）在 500 Hz，1 000 Hz，2 000 Hz，4 000 Hz，8 000 Hz这几个频带上差异比较明显，大部分差异均超过了 1 JND（1.1 dB）[9]， 采用 JBL-LSR6325P 指向特性声源仿真得到的C50比采用无指向性声源仿真得到的C50高。由图 3（d）可看出,采用JBL-LSR6325P指向特性声源仿真得到的STI比采用无指向性声源仿真得到的STI高，其中STI在位置 1，4，6上的差异超过了1 JND（0.03），差异最大的是离声源最近的接收点4，达到两个听觉阈值0.06。这表明声源指向性对C50，STI的仿真结果有较大的影响。C50反映了直达声和早期反射声与后期反射声的声能比，当频率较低时，JBL-LSR6325P的指向特性近似无指向性，与无指向性声源差异较小，
由这两种声源模拟得到的C50差异较小；但随着频率的升高，两种声源的指向性的差异较大，将导致室内空间声能的分布差异较大，使接收位置的直达声和早期反射声与后期反射声的声能比产生较大差异，因此，由这两种声源仿真得到的C50差异较大。由于模拟仿真时，没有考虑噪声的影响，Shroeder MR已经证明复调制转移函数为房间脉冲响应p（t）的复数傅里叶变换，其实部等于平方脉冲响应的归一化的傅里叶变换[10]，即
根据式（1）计算得到各倍频带每个调制频率对应的m（F）即可得到STI值，由于2种声源指向性在中高频存在较大的差异，这将造成仿真得到的各接收位置的房间脉冲响应序列随时间的分布不同，由式（1）计算得到中高频段的m（F）存在较大的差异，因此仿真得到的STI会存在较大的差异。
表1为采用T检验的方法对2种声源模拟得到的客观声学参数在95%的置信水平下进行T检验分析的结果。由表1可看出，EDT的仿真结果除了在8 000 Hz频带上存在显著差异外，在其余各频带上均无显著差异；T30的仿真结果无显著性差异；早迟声能比C50的仿真结果在低频125 Hz，250 Hz频带上无显著性差异，在500～8 000 Hz频带上存在显著性差异；2种声源STI的仿真结果存在显著性差异。这表明声源指向性的不同对教室内的EDT与T30的影响较小，而对C50与STI产生显著的影响。
表1 2种声源仿真结果的显著性比较?
由以上分析可知，采用近似人声指向特性声源仿真得到的C50，STI比采用无指向性声源仿真得到的C50，STI高，在实际应用中，采用无指向性声源进行声场仿真、测量将低估教室内的语言清晰度。以往研究基本上是采用无指向性声源作为声源进行客观声学参数测量和仿真，而无指向性声源与实际声源之间存在较大的差异，为了反映实际围蔽空间的真实声学特性，在仿真、测量过程中应选择与实际声源指向
性相近的声源。予以保留，作为德国ADA公司EASE软件低端配置产品供用户选用。
当然带有AURA运算模块的EASE软件版本对于非扩散声场（也包括扩散声场）模拟运算数据有着较高可信度。同样也能完成建声设计和电声设计的相关设计内容，从而在厅堂扩声系统声学设计阶段就能准确地预测扩声系统工程完成后厅堂听声面上各点位处的声学参量这一设计目标。从而使带有AURA运算模块的EASE软件版本列入德国ADA公司EASE软件高端配置产品供用户选用。
然而，通过软件进行声场模拟所获得的音质参量数据毕竟与该参量实际测量值之间还是存在不同程度的差距。这里存在着一些不确定影响因素：所模拟的厅堂的吸声材料数据的选取与实际安装材料的真实声学特性之间的差别大小；软件运算法则适用条件的近似性（几何声学方法）与厅堂真实声环境下声波传播物理过程的差别；软件发展不同阶段运算模块性能的差别（EASE软件配置的高低）以及软件用户（设计者）的技术素质高低等。 参考文献
[1] 林泰勇，李碧香.EASE3.0软件应用的可信度研究[J].电声技术，2005（6）：20-24；2005（7）：7-9.
[2] 高玉龙.也谈EASE3.0软件应用的可信度[J].电声技术，2005（12）：12-14. [3] 杜铭秋，王季卿.计算机模拟在厅堂音质设计中的有效性[J].电声技术，2006（3）：14-17.
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[5] 阿诺特 W，斯蒂芬 F.扩声技术原理及其应用[M].王季卿，赵其昌，译.北京：电子工业出版社，2003.
[6] ISO.ISO 3382:Acoustics-measurement of the reverberation time with
reference to other acoustical parameters[S].[S.l.]：ISO，1997.
[7] 高玉龙.厅堂建筑音质计算机辅助设计-EASE4.1使用详解[M].北京：国防工业出版社，2007.
[8] 高玉龙.声学设计软件EASE及其应用[M].北京：国防工业出版社，2006.
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