浅谈大房间声学模拟软件EASE_5_

6 EASE软件数据库EASE软件数据库(包括吸声材料数据库和扬声器数据库等)是该软件建立模型进行声学参量预测和实现可听化必要的前提条件。

下面对它们所起的作用加以讨论。

6.1 吸声材料数据库在安装英文版EASE软件数据库时其自带的吸声材料数据库包括美国吸声材料数据库(American Base)和德国吸声材料数据库(Germany Base)两个安装选项。

国内用户通常选择安装前者数据库。

那么在我国厅堂音质设计中，仅仅采用美国吸声材料库能否胜任呢？这要从用户采用吸声材料数据库营造房间合适的声环境的最终目的来分析。

如果仅仅用来学习EASE软件，弄清楚软件所给出的几个项目案例的吸声材料的设置原则，那也是没有问题的。

如果用户采用EASE做房间声学设计，并付诸工程实施的话，仅仅依靠美国吸声材料库是远远不够的。

这就涉及吸声材料数据库的正确使用问题。

下面加以论述。

6.1.1 EASE软件自带的吸声材料数据库EASE软件美国吸声材料数据库包括两个部分：完整吸声材料数据库(FULL)和吸声材料厂商提供的数据库(Manufacturers)。

6.1.1.1 完整吸声材料数据库(FULL)所谓完整吸声材料数据库，并非指吸声材料大全，而是指该库中吸声材料涉及的面比较广泛。

FULL吸声材料数据库共计收集189种吸声材料，大致分为三种类型。

①虚拟吸声材料包括百分比材料(如20%.mat、40%.mat等)以及linear.mat(在125~8 000 Hz吸声系数从0.2~0.8线性增加)。

虽然它很容易被用户记住，但在现实生活中，它是不存在的。

EASE软件在中国使用初期曾有人在工程投标时使用过，这是对软件数据库使用中的一个误解，并非FULL吸声材料数据库所有内容都可用。

②建筑物基础材料或室内用品它不属于专业吸声材料厂商的产品，但在声学设计时必不可少。

实木门，木地板，各类地毯，瓷砖，光滑的水泥墙面或地面，粗糙的水泥墙面或地面，抹灰的砖墙，窗玻璃，各类坐人的座椅等。

这类吸声数据库文件具有一定程度的通用性，可供国内用户选用。

③厂商提供的商品化吸声材料FULL吸声材料数据库只收入一部分专业厂商生产的具有一定代表性吸声材料产品。

6.1.1.2 厂商吸声材料数据库(Manufacturers)包括16个专业厂商生产的约388种吸声材料商品。

6.1.2 建立国产吸声材料数据库的必要性近年来随着国内建材工业的发展，建筑吸声装饰材料应用的日益广泛，促进了吸声材料工业的发展。

无论从产品规格，还是从产品质量都有了长足的进步。

材料性能优异和装饰效果美观的新型吸声材料不断研制和进入市场。

在厅堂扩声系统工程中营造房间声环境需要采用国产吸声材料就有了现实物质基础。

在这种情况下，就有必要建立适应我国国情的国产吸声材料数据库。

6.1.3 建立国产吸声材料数据库EASE软件吸声材料数据库是一个开放的数据库，浅谈大房间声学模拟软件EASE(5)支持用户根据已有的国产材料吸声测量数据自行建立吸声材料数据库。

软件的这一功能就使得建立国产吸声材料数据库成为可能。

吸声材料实测数据源自下列权威声学专著：《声学手册》[5]，《实用建筑声学》[6]，《建筑吸声材料与隔声材料》[7]及《建筑声学材料与结构：设计和应用》[8]。

在这些专著中列出了国内一些厂商产品的一些实测吸声系数数据。

经过笔者整理按每本书主要数据各建立一组国产吸声材料数据库。

相应数据库材料吸声系数列表读者可参见资料[2][3]的相关附录表格，而数据库文件则保存在该书配套光盘中。

读者可以将其拷贝到C:/EASE40Data/Global Materials40目录下就可以在房间模型中调用(四组吸声材料数据库共收录540种吸声材料)。

当然，读者也可以根据其他权威机构实测数据建立自己的吸声材料数据库。

有了这些数据库，就可以把设计成果用来指导施工，付诸实际工程的声学装修中。

只有厅堂实际吸声材料设置与模型材料设置保持一致，才有可能对厅堂声学参量的预测结果与实测结果接近一致。

否则EASE设计将是纸上谈兵，从而失去对工程的实际指导意义。

6.2 扬声器数据库EASE软件自带的扬声器数据库收录了世界上较为知名的80多家扬声器厂商的数千种型号的扬声器测量数据。

6.2.1 软件自带的扬声器数据库介绍扬声器数据库中每一型号的扬声器技术指标数据主要包括下列内容：①频率响应曲线(Frequency Response)，②指向性指数(Directivity)，③指向性因子Q(Q Factor)，④特性灵敏度(Sensitivity)，⑤最大功率(Max. Power)表示扬声器最大平均功率(RMS)随频率变化的曲线，⑥最大声压级，⑦扬声器幅度衰减三维球图。

上述扬声器技术指标的测量数据比较全面地描述了一个扬声器(系统)本身的物理特性。

由于不同型号扬声器制造工艺和驱动单元的结构的差异，它们之间物理特性也有所不同。

EASE软件扬声器数据库收集了世界上知名厂商数千种型号的技术数据，可以堪称扬声器数据手册大全，用于快速查找某种扬声器数据，其作用是任何平面媒体所无法取代的。

6.2.2 扬声器数据测量条件上述数据反映扬声器本身的物理特性，是在所谓自由空间(消声室)条件下进行测量的。

现实各类房间有着各不相同的声环境(包括声反射)，因而在这样的房间测量出扬声器特性(例如三维指向性图)也就随着声环境的不同而不同。

所以在带有墙壁反射的房间中，就无法测量出扬声器本身的实际性能。

在各类房间扬声器测量中，唯有在消除墙壁反射影响的消声室中，才能测量出真正反映其本身物理特性的唯一的扬声器技术数据。

这些测量数据就是建立EASE扬声器数据库的技术依据。

无论什么型号的扬声器，只要加入到EASE扬声器数据库，就都要按照同样标准要求进行特性测量和建库。

6.2.3 扬声器数据库功能分析与工程测量实践在EASE软件中，扬声器数据库如何参与声学参量计算，这样的参与和实际情况是否相符，工程测量的实践能否给出相应的验证结论是本节所要讨论的主要内容。

6.2.3.1 扬声器数据库计算使用下面以软件中早期标准运算模块和高端的AURA 运算模块为例说明扬声器数据库在计算房间声学参量过程是如何发挥作用的。

1)标准运算模块标准运算模块的工作条件是房间声场属于(均匀的)扩散声场，其基本工作原理是依照封闭房间扩散声场环境下单只扬声器在听声面上产生的直达声声压级和混响声声压级计算公式算得的总声压级数值。

在消声室测量的涉及扬声器指向性的参数对不同听声点位声压级计算数据有直接影响，但是建模后厅堂声场模拟是在有反射的实际房间进行的。

也就是说，一个扬声器放在实际房间是否还能保持扬声器在消声室测量的扬声器指向性的参数就成了问题。

所以EASE软件中的标准运算模块对第一类声学参量运算的数据仅仅是建立在保持消声室扬声器测量数据不变的假设前提下计算出的。

这个假设是否成立，值得推敲。

事实上，在厅堂扩声系统工程中，扬声器就摆放在处于不同声环境的房间中，它的三维指向性实实在在地受到声环境的影响而与消声室测量数据不同，在EASE软件标准运算模块进行第一类声学参量仿真，还采用以消声室测量数据为依据的数据库，就已经不太真实。

2)AURA运算模块AURA运算模块不是基于扩散声场公式计算声场声压级，而是采用声线跟踪法计算房间声源至听声面上某一点处的声场脉冲响应，然后再折算出其他各种声学参量(例如总声压级SPL，语言清晰度D)。

AURA运算模块适用于房间均匀或不均匀的扩散声场。

假定房间各个内表面都是平面所构成的封闭空间，处于其中某一位置的扬声器声源某时刻向四周均匀地发射大量声粒子。

这些声粒子都沿直线运动，我们把声粒子与壁面的碰撞点逐次相连所形成的线称为声线。

假定每根声线开始时都携带一定的能量，其大小取决于声源辐射能量(与扬声器指向性相关)和发射声粒子的数量。

当某一声粒子遇到壁面声线在该点一部分作镜面反射，按照反射角等于入射角的法则确定新的传播方向；一部分作扩散散射，其方向由计算机发出随机数来决定。

该声线沿新方向继续前进，当壁面的吸声系数为α时，每次碰撞后它的能量减少为原有能量的(1~α)倍，直到其能量低于预先设定的能量门限值(例如-60 dB)或高于预先设定的声线碰撞壁面的反射次数值(例如 10 次)时，则计算机停止对该声线的跟踪，继而跟踪下一条声线。

如此重复进行直至设定的所有粒子均被跟踪完毕。

这样就在房间某一听声点位置依照时间顺序生成脉冲响应的序列脉冲。

声场脉冲响应是房间声源至接收点之间所构成的(声音传输)线性系统的传递函数，它在室内声场模拟研究中十分重要。

通过模拟计算声场脉冲响应，不但可以求出描述声场的许多重要参量，还为进一步研究可听化技术打下基础。

整个跟踪过程中每条声线是按照频率从低频100 Hz到高频10 000 Hz逐一频率完成的。

如果房间还有另外一只扬声器，则再重复上述跟踪过程。

由此可见，影响房间脉冲响应的扬声器参数同样包括扬声器指向性(决定向不同方向辐射声粒子初始声能的相对量值)和扬声器最大声压级特性(决定向不同方向辐射声粒子初始声能的绝对量值)。

在EASE 软件中无论是采用标准运算模块还是采用AURA运算模块进行声学参量运算时，扬声器数据库最大声压级特性和扬声器三维指向性图(幅度衰减三维球图)的作用都不容忽视。

6.2.3.2 扬声器数据库功能分析从前面论述可知，对同一房间、同一声环境设置中采用不同型号的扬声器按同一算法计算声学参量，会产生不同的计算结果，其根源在于不同型号的扬声器数据库数据之间的差异造成的。

这就给人造成一种印象：在工程中采用了A型扬声器现场安装，就必须对号入座用A型扬声器的数据库文件进行声场模拟，否则运算结果就不会准确。

那么事实果真如此吗？在EASE软件环境中进行声场模拟之前，首先进行房间声环境的设置。

在设置房间界面吸声材料、扩散结构时，房间各个界面反射是客观存在的。

因此不同房间各个界面的声反射的情况也各不相同。

这个房间就是一个具有一定反射的房间。

一个扬声器放在这样房间的声环境里，那么它在消声室里测量出来的作为建立扬声器数据库的依据，反映扬声器本身的物理特性各项技术参数还能保持不变吗？正如在“6.2.2扬声器数据测量条件”节所述，在具有一定反射的房间是测量不出反映扬声器本身的物理特性各项技术参数，也就是说，在这样的声环境中，扬声器实际的物理特性都偏离了数据库给出的参数。

此时，在消声室里测量出来的各种类型的扬声器数据，例如扬声器三维指向性图(幅度衰减三维球图)就随着房间声环境的不同而偏离了原有图形形状。

它们(指不同型号扬声器图形数据)之间的差别就变得十分模糊，甚至与原有图形变得面目全非。

还有一个基本事实需要注意：国内众多的剧场、礼堂、电影院扩声系统工程采用各种各样类型的扬声器都能实现设计功能，都能满足相应的声学指标。