声学仿真基础介绍
鞋盒式房间室内声学建模仿真
鞋盒式房间室内声学建模仿真Modeling and Simulation of theShoebox Room Acoustic1摘要鞋盒式房间是指不能够处理室内几何形状复杂和室内有任何物体的矩形空间。
室内声学建模是通过计算机建立封闭环境的房间模型，借助特定的算法求出房间的冲激响应函数，模拟室内声波传播情况。
本文推导了利用镜像源法对鞋盒式房间室内声场进行建模的基本原理和算法。
镜像源法是建立在镜面反射虚像的原理上，用几何法作图将反射声看成与声源对称的镜像源发出的。
该算法可以获得给定环境条件下声源至接收麦克风之间的冲激响应函数。
利用MATLAB平台，仿真建立一个具有可操控房间温度、湿度及墙壁材料的矩形房间模型，再利用计算机完成数据分析处理。
通过改变鞋盒式房间的内部环境，模拟声波在这些环境的改变下的传播情况，研究房间的混响情况，房间环境对混响的影响，找出房间的最佳混响时间。
关键词:镜像源法混响时间 MATLAB2AbstractShoebox room is not able to handle complex geometry and interior room of any object in the rectangular space. Room acoustics modeling is the establishment of a closed environment through the computer room model, with a particular algorithm the room impulse response function to simulate the spread of indoor sound. Image source is derived using method of shoebox rooms to model the interior sound field the basic principles and algorithms. Image source method is based on the principleof mirror reflection on the virtual image, using the geometric mapping method will be reflected sound and the sound source as the source mirror symmetry issued. That it can reach the given environmental conditions between the sound source to the microphone to receive the impulse response function. Using MATLAB platform, simulation can be manipulated to establish a room temperature, humidity and wall materials, rectangular room model, and then complete the data analysis using computer processing. Shoebox room by changing the internal environment to simulate the sound wave changes in these environments spread under conditions of room reverberation conditions, the environment of the reverberation of the room to find the best room reverberation time.Key words: image source method reverberation MATLAB3第1章绪论1.1 引言鞋盒式房间声场的模拟研究有助于人们了解室内声音传播的物理规律，从而可在各种封闭结构的声学设计中得到应用。
声学仿真功能指标
声学仿真功能指标
声学仿真功能指标。
一、最大声压级。
是指扩声系统在厅堂听众区产生的最高稳态准峰值声压级。
所谓准峰值声压级是对于非简谐波形的声音与她具有相同峰值的稳态简谐信号声压的有效值表示的声压级。
二、传输频率特性。
扩声系统达到最高可用增益时，厅堂内各听众区稳态声压的平均值相对于扩声系统传声器处声压或扩声设备输入端电压的幅频响应。
三、最高可用增益。
扩声系统在厅堂内产生声反馈自激临界增益减去时的增益。
四、传声增益是指在扩声系统达到最高可用增益时，厅堂内各听众区（可取典型听众区位置）稳态声压级平均值与扩声系统传声器处声压级的差值。
清晰度、可懂度下降。
外部的噪声需要隔音处理，内部的噪声需要在选择设备时控制。
背景噪声越低越好。
扩散性，扩散性是当今建筑声学的重要指标。
声音扩散的均匀是指在各个点的声压级控制在一定的范围内，这要求在一定的扩声增益下，声音在包房内分布得均匀。
声学仿真基础介绍
3）. 有限元方法及边界元方法介绍 4）. Virtual. lab-Acoustic 启动与图形界面介绍 5）. Virtual. lab-Acoustic建模基本知识
• 单位制； • 网格要求； • 单元的法线方向.
6）. Virtual. Lab 建模分析流程
Source Engine
Microphones Array Muffler
Virtual. Lab中的实现
Lw1
模拟试验中的 ISO3744场点
Lw2
传递损失: TL
TL Lwi Lwt
声衰减: NR
NR 20 log(Pn / P1)
Source
Engine
Lwi
Muffler
P Source
2. 时域2与pr频,t域 c1的2 关2 pt系r2,t： 0
时域
pr,t ~p(r) eit
k 2 2 f c c
2 ~p k 2 ~p 0
频域
求解方程都为运动学方程与结构运动学方程相同，可以将振动与声学方程进行
3. 有限元方法：
耦合求解，从而实现声振耦合的效果。
运动学方程： H i A 2Q p i F
• 映射规则是按照权重进行网格节点进行映射：
网格格式要求：
Virtual. lab-Acoustic建模基本知识
单元法向要求：
有限元网格模型的法线方向总是指向声腔的一面； DBEM的法线必须指向流体存在的一面； IBEM的法线可以指向内也可以指向外，法线方向确定了单元的正方向与负
方向，为了保证计算结果的正确性，有必要让单元法向方向保持一致。
• 在施加边界条件时一定要主要单元的法线方向，与法线方向一致是正值，否则为 负值。
Matlab声学仿真摘要+结论
Matlab声学仿真摘要+结论摘要随着科学技术的发展，声学已经延伸到了许多不同的领域，成为学习现代科学技术必备的基础知识之一，对于声学的研究在通信领域更是有着重要的意义。
本文选择了在声学研究中最为常见的五个基本问题进行了重点的探讨，其中包括回声、多普勒效应、声音滤波、交混回响和短时傅立叶变换。
由于MATLAB 软件具有易学、功能强大和开放性好的优点，所以本文选择应用MA TLAB软件来进行声学仿真研究。
利用MATLAB编程仿真功能和Simulink的模块式仿真功能，并将两者有机地结合起来，可以很容易地对声音进行模拟、观察声音波形，以及进行声音信号的分析和处理。
由于滤波和短时傅立叶变换是对声音信号进行分析和处理的重要方法，所以，在本文的仿真部分对它们进行了更为细致的研究。
关键字：声学；仿真；MATLAB；Simulink结论本文介绍了声学发展的状况，指出了进行声学仿真研究在实际应用中的重要作用。
通过对声学研究中最为常见的五个基本问题（包括回声、多普勒效应、声音的滤波特性、交混回响、短时傅立叶变换）的理论研究与仿真，得到以下结论：1.回声现象主要受两个反射体间的距离和回声衰减速度的影响，适当地调整它们的值就可以有效地减小回声，甚至可以利用回声使原声加强。
2.当听者和声源的相对速度大到可以与声速相比拟时，就可以明显感觉到声音频率的变化，即发生了多普勒效应。
3.在声学滤波过程中，在正确选择采样频率的基础上，正确选择通带和阻带的截止频率，就可以有效地滤掉和保留下预想的频率。
4.在一间有若干个扬声器的礼堂里，扬声器的布置位置决定了交混回响的产生与否。
5.短时傅立叶变换非常适合声音信号的时频分析。
本文只是对声学问题及其仿真研究的初步探讨，考虑问题也不是很全面，这些都有待在日后的实践中进行更加细致的研究和不断的完善。
振动声学仿真培训 李红
8
边界元法的主要优点：
1. 将问题的维数降低一维，因此对空间的离散只须在边界上离散化，而不像 有限元法需将整个求解域离散，可大大减少单元，同时，求解声场时不对时 间进行离散，而是对所计算的频率区间进行离散，减少了数据量和计算时间。 2. 边界元法是一种半解析数值方法，在求解域内是解析的，具有解析与离散 相结合的特点，因而精度也较高，误差主要来源于边界单元的离散，累积误 差小，便于控制。 3. 由于边界元方程自动满足无穷远的边界条件，因此特别适用于无界声场的 求解。同时边界元法只须对边界进行单元剖分，利用形函数插值求出边界节 点上的未知值，就可以通过边界上的已知值计算声场内任意点的解析值，这 对无界区域上的问题特别有意义。
边界元法：
直接边界元法：直接边界元法是采用结构表面的声压值和法向 振动速度作为边界条件来求解Helmholtz 边界积分方程 （网格要求封闭的，所以不能同时计算内外部声场，只能计算 内部声场或是外部声场。）
间接边界元法：间接边界元法是采用结构表面的声压差和速度 差作为边界条件来求解Helmholtz 边界积分方程 （网格要求可以封闭可以不封闭，所以能同时计算内外部声 场。）
3. 声学基本方程：声学方程的任何一种形式都可以流体（空气） 的连续方程、运动方程、能量方程、物态方程推导而来。通过 对流体方程进行线化和不同的假设可以得到不同形式的声学方 程如声学波动方程
3
主要内容： 声学基本概念 声学有限元FEM 声学边界元BEM 声辐射 统计能量法
4
噪声
随着科学技术的发展，噪声污染日益严重，控制噪声污染已成为环境保护的 重要内容。噪声已同空气污染和水污染一起被列为当今世界的三大主要污染源。 为了控制环境噪声污染，改善人们的生活和工作环境，世界各国都投入了大量 的人力、物力开展减振降噪方面的研究，并制定了一系列的标准与法规，取得 了较大的发展。 结构振动所辐射的噪声是噪声的主要来源之一，因此结构声辐射的预测对于 噪声的控制与降低有着重要的意义。目前用于结构振动声辐射的数值方法主 要是离散方法与能量方法，离散方法主要有有限元(Finite Element Method)、 边界元(Boundary Element Method)和无限元(Infinite Element Method)；能量 方法主要有统计能量方法(Statistical Energy Analysis)和能量有限元(Energy Finite Element Method)
声学仿真结果分析报告
声学仿真结果分析报告声学仿真是通过计算机模拟声波的传播和反射过程，用于预测和分析声学环境中的声压级、声波传播路径和声场特性等参数的一种方法。
声学仿真结果分析报告是对声学仿真结果进行系统性统计和分析的文档，旨在提供给相关技术人员参考。
首先，声学仿真结果应包括声波传播路径和声压级的分布图。
通过对声场中各点的声波传播路径和声压级进行仿真模拟，可以直观地观察到声波的传播规律和声压级的分布情况。
通过分析声波的传播路径和声压级的分布，可以找出噪声源、声源受到的衰减程度，以及可能引起噪声源及其衰减的因素。
同时，还可以据此评估声音的传播效果，为改善声场环境提供依据。
其次，声学仿真结果还应包括声音频谱图的分析。
声音的频谱图可以展示不同频率声波的强度和分布情况，通过对频谱图的分析，可以判断声音的主要频率成分和其他频率成分的强度大小。
根据声波的频谱特性，可以评估声音的质量和特点。
同时，还可以据此判断噪声源的频率特性和可能的干扰因素，为减少噪声源的干扰和优化声音的质量提供依据。
另外，声学仿真结果还应包括声音传播中的反射和折射过程的分析。
声音在传播过程中会发生反射和折射现象，通过对这些现象的仿真模拟和分析，可以评估并预测声音的反射和折射路径和强度。
根据声音的反射和折射情况，可以判断声音的传播路径是否遇到了障碍物，以及声音的传播路径和声音本身的变化。
同时，还可以据此评估声音的传播效果和干扰因素，为优化声学环境提供依据。
最后，声学仿真结果还应包括声学参数的统计分析。
声学参数如声压级、声速和声能等是对声音进行量化和描述的参数，通过对声学参数的统计分析，可以评估声音的能量大小、传播效果和干扰因素。
通过对声学参数的统计分析，可以得出声音的特点和特性，为优化声学环境和改善声音质量提供依据。
综上所述，声学仿真结果分析报告应包括声波传播路径和声压级的分布图、声音频谱图的分析、声音传播中的反射和折射过程的分析，以及声学参数的统计分析等内容，这些分析结果可以为优化声学环境和改善声音质量提供依据。
声波在声学建模与仿真中的应用研究
声波在声学建模与仿真中的应用研究声波是一种机械波，通过分子之间的振动传递能量，是人类日常生活中常见的一种波动现象。
声波的传播速度与介质的性质密切相关，不同介质对声波的传播速度有不同的影响。
声波在声学建模与仿真中的应用研究，涉及到声波传播的原理、声学模型的构建以及声波仿真技术的应用等方面。
声波传播的原理是声学建模与仿真的基础。
声波的传播速度可以通过介质的密度、弹性模量和介质的物理性质等参数来计算。
在声学建模与仿真中，研究人员可以通过对声波传播原理的深入研究，建立数学模型来描述声波在不同介质中的传播规律。
这些模型可以用于预测声波在特定环境中的传播路径、传播速度以及传播损耗等信息，为声学建模与仿真提供理论基础。
声学模型的构建是声学建模与仿真的核心内容。
声学模型是对声波传播环境的一种抽象描述，可以包含介质的物理性质、几何形状以及边界条件等信息。
通过对声学模型的构建，研究人员可以模拟不同环境中声波的传播特性，进而预测声波的传播效果。
例如，在建筑设计中，可以通过声学模型来评估室内的声音吸收效果，为室内声学设计提供指导。
在城市规划中，可以通过声学模型来评估建筑物对周围环境的声音传播影响，为城市环境的声学设计提供参考。
声波仿真技术的应用是声学建模与仿真的重要手段。
声波仿真技术通过模拟声波的传播过程，可以预测声波在特定环境中的传播效果。
声波仿真技术可以基于声学模型进行，也可以基于数值计算方法进行。
在声学建模与仿真中，研究人员可以利用声波仿真技术来评估不同声学设计方案的效果，优化声学设计方案。
例如，在汽车工程中，可以通过声波仿真技术来评估汽车的噪声控制效果，为汽车噪声控制提供技术支持。
在音响系统设计中，可以通过声波仿真技术来评估音响系统的声场分布，优化音响系统的设计。
声波在声学建模与仿真中的应用研究不仅仅局限于建筑设计和汽车工程等领域，还涉及到医学、地震学、水声学等多个领域。
在医学领域，声波可以用于医学成像，如超声波成像技术可以通过声波的传播来获取人体内部组织的影像信息。
声学仿真标准
声学仿真标准是用于评估和比较声学仿真模型准确性和可靠性的准则。
这些标准包括以下几个方面：
1.准确性：声学仿真模型应能够准确地模拟声音在各种环境条件下的传播和衰
减。
这要求模型能够考虑声波的反射、折射、吸收和散射等物理现象，以及温度、湿度、材料特性等环境因素对声音传播的影响。
2.分辨率：声学仿真模型应具有足够的分辨率，以便能够捕捉到声音传播过程
中的细节和微小变化。
这要求模型能够处理高频率、高精度和大规模的数据集。
3.可扩展性：声学仿真模型应具有可扩展性，以便能够适应不同的应用场景和
需求。
这要求模型能够灵活地调整参数和算法，以适应不同的环境和条件。
4.可靠性：声学仿真模型应具有可靠性，以便能够在实际应用中提供可靠的结
果和预测。
这要求模型经过充分的验证和测试，以确保其准确性和可靠性。
总之，声学仿真标准是评估和比较声学仿真模型的重要准则，包括准确性、分辨率、可扩展性和可靠性等方面。
这些标准有助于确保声学仿真模型在实际应用中提供准确、可靠的结果和预测。
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软件组成及功能介绍
Source
Flow-based
System
FEM-Acoustics
Mechanical Electro-magn
Test-based 1D
BEM-Acoustics RAY-Acoustics
Ep PdV
V0
小振幅条件下 物态方程
声学动量方程
p
0
v t
声学连续方程
0v
t
'
声波物态方程
p1
c2 ' 0
声学波动方程
2 p 1 2 p 0 c2 t2
0
总能量方程
E
Ek
Ep
1 2
0V0
(v2
1 02c02
p2)
声学基础介绍
3. 声压、声功率及声强：
声压：听到的就是声压，是由于空气的压力脉动作用到人耳的鼓膜上所感受到的；标 量
Y+ Y-
G(X,Y) G(X,Y)
G(X,Y) G(X,Y)
nY
nY
X
Direct BEM
Interior OR exterior Direct (p,v) approach Non-symmetric system of equations
Closed domain Collocation scheme
2. 时域2与pr频,t域 c1的2 关2 pt系r2,t： 0
时域
pr,t ~p(r) eit
k 2 2 f c c
2 ~p k 2 ~p 0
频域
求解方程都为运动学方程与结构运动学方程相同，可以将振动与声学方程进行
3. 有限元方法：
耦合求解，从而实现声振耦合的效果。
运动学方程： H i A 2Q p i F
n
vn
Y
G
X
,
Y
dS
pX
Ap Bv
[A], [B]：影响矩阵 {p}：节点压力 {v}：节点法向速度
pX
m
p
m
Sm
N
N ()GX, YJ()d
m
Sm
pmam X
vmbm X
m
m
at p bt vn
有限元方法及边界元方法介绍
间接边界元：
S S S Y Y Y nY nY
Source Engine
Microphones Array Muffler
Virtual. Lab中的实现
Lw1
模拟试验中的 ISO3744场点
Lw2
传递损失: TL
TL Lwi Lwt
声衰减: NR
NR 20 log(Pn / P1)
Source
Engine
Lwi
Muffler
P Source
p p ,
p p n n
p(X )
S
(Y )
G(X ,Y )
nY
(Y
)
G(X ,Y
)
dS
Indirect BEM
Interior AND exterior Indirect (,) approach Symmetric system of equations No restrictions on domain : open, ribs, … Variational scheme
• 映射规则是按照权重进行网格节点进行映射：
网格格式要求：
Virtual. lab-Acoustic建模基本知识
单元法向要求：
有限元网格模型的法线方向总是指向声腔的一面； DBEM的法线必须指向流体存在的一面； IBEM的法线可以指向内也可以指向外，法线方向确定了单元的正方向与负
方向，为了保证计算结果的正确性，有必要让单元法向方向保持一致。
n
Engine
Muffler
Anechoic Termination
Lwt P1
模拟试验中 的 吸声尖劈
模拟试验中 的 麦克风
如何使用Virtual. Lab对消声器的性能进行评估：虚拟实验
有限元方法及边界元方法介绍
1.软件中的数值方法目的：
求解波动方程，以计算各个场点的声压，以及分析声压的贡献来自于那些声 源；
声学仿真基础介绍
Virtual. Lab Acoustic Training
Name: Sun Xinbo – 孙新波 Email：xinbo.sun@ Mobile: 13917512172 Tel: 021-50796282-318
目录
声学仿真基础介绍目录：
1）. 软件组成及功能介绍； 2）. 声学基础介绍：
软件组成及功能介绍
1. Virtual. Lab-Acoustic主要模块组成及功能：
• Harmonic/Transient Acoustic FEM； 时域/频域范围内求解纯声学问题及耦合声学问题
• Harmonic/Transient Acoustic BEM； 时域/频域范围内求解纯声学问题及耦合声学问题
Virtual. lab-Acoustic建模基本知识
网格要求：
BEM：对网格是否是四边形网格或三角形网格没有特定的要求；
• 对于FMBEM，网格必须是三角形网格；
FEM：对网格是否是六面体或四面体网格没有特定要求。 网格大小：要满足分析频率要求，一般单元尺寸要位波长的1/6； 传递导纳定义的界面网格要求：两个面上的网格节点要一一对应上； 映射网格要求：
• 声学方程，声波的能量，声功率和声强； • 声级；
3）. 有限元方法及边界元方法介绍 4）. Virtual. lab-Acoustic 启动与图形界面介绍 5）. Virtual. lab-Acoustic建模基本知识
• 单位制； • 网格要求； • 单元的法线方向.
6）. Virtual. Lab 建模分析流程
• Raynoise； 采用射线声学理论处理高频声学问题
• SEA+： 统计能量方法求中高频声学问题
• ATV/MATV-Solver FEM/BEM; 求解声传递向量，主要用于处理振动表面与辐射点之间的传递矩阵，从而进 行快速求解；
• Inverse Numerical Acoustic 声学反问题求解，主要用于反求声源；
one side problem
both sides problem
Virtual. lab-Acoustic 启动与图形界面介绍
频域边界元模块 频域有限元模块
导入网格模型或分析模型
Virtual. lab-Acoustic建模基本知识
单位制：
b-Acoustic模块对单位制本身没有特定的要求，主要是根据建立的 网格模型尺寸，在导入模型时需要将模型的单位定义好。
激励与响应关系： p i0H i0A 2Q1F
模态方法求解：
第一步： H i2Qi 0
求模态
第二步： a i0H i0A 2Q1F
第三步： p iai a
求声压
求模态参与因子
有限元方法及边界元方法介绍
4. 边界元方法：无需建立三维的声学空间实体网格
直接边界元：
S
pY
GX ,Y i
声功率：从声源中辐射出的能量；标量 声强：垂直于声波传播方向，单位面积上通过的平均能量流；矢量
波长： 声压级：
声功率级： 声级的叠加：
声学基础介绍
声学基础介绍
产品声学性能评估-以消声器为例:
插入损失: IL
Source
Microphones Array
Engine
IL Lw1 Lw2
SEA
Receiver
Standard
Advanced
声学基础介绍
1. 声学波动方程
z dx
忽略粘性效应 牛顿第二定律
忽略高阶项
dz
y
dy x 微元体理论进行求解微元体 的平衡方程（运动，质量）
2. 声波能量
质量守恒定律 忽略高阶项
绝热边界 忽略高阶项
动能方程
Ek
1 2
0V0v 2
势能方程
V
• 在施加边界条件时一定要主要单元的法线方向，与法线方向一致是正值，否则为 负值。
Virtual. lab可以自动对网格法向进行自动检测：
Virtual. Lab 建模分析流程
确定分析类型
导入网格
对网格进行检查
定义材料及边界属性
定义载荷
定义求解参数
求解
数据后处理