现代音响工程设计手册 第十五章.docx

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现代音响工程设计手册第十五章

第十五章扩声系统的计算机辅助设计和系统调校、测试工具

各类扩声音响系统的声场分布设计和声学特性计算一直是系统设计师最感困惑的事，既复杂又费时，与工程完成后的实测结果存在不小差距。

扩声系统的传统设计方法都是根据扬声器系统的特性和布局，采用经典公式，用人工计算方法对典型的几个特殊位置进行直达声和混响声等参数计算，由于各扬声器声源存在相位差，靠经典公式计算很难得到多个声源叠加的准确公式。

此外房间界面的吸收与反射也难以获得精确数据。

如果系统最后的调试又未能达到最佳值，那么实际完成的声学特性与设计结果出现差距就不足为奇了。

计算机辅助设计和系统测量、调校软件终于突破了系统设计和系统测试中的世界性难题。

使优秀性能的音响器材发挥出应有的优良特性，实现系统最佳调校。

并能在工程实施之前就可预听到工程完成后现场任何位置的音响效果。

采用计算机声学软件进行声系统设计现已成为各音响工程公司前期设计工作的主要手段。

用计算机做声场数据分析报告（3D彩色图）、建声设计和最后音响效果的评估已成为音响工程投标过程中的重要技术依据。

早在20世纪80年代初，尽管那时的计算机技术水平还是在昂贵的“386”时期。

美国JBL专业扬声器公司根据系统发展的需要，率先开发了CADP（ComplexArrayDesignerProgram/复杂扬声器阵列设计师程序）的声系统设计应用软件。

该软件在1986年5月为1988年汉城奥运会主会场进行了系统声学设计，并取得了成功。

随着计算机技术的飞跃发展，JBL公司又对这个应用软件升级为CADP2，它的设计内容更为丰富，数据库中不仅储存了JBL全部扬声器产品的数据模型，同时还提供了世界上著名品牌（如EV、ALTEC、EAW、TOA和COMMUNITY等）扬声器的部分数据模型，供系统设计时选用。

CADP2提供的有限脉冲响应滤波器FIR（FinitImpulseResponsefilter）并以ASII文件形式输出，通过Hpersignal-Acoustic听觉信号软件作卷积运算，可模拟预听厅堂中任一位置的音响效果。

美国BOSE公司在80年代初也开发了名为Modeler声学设计软件和Auditioner模拟预`听系统，如图15-1所示。

图15-1Bose的Modeler电脑设计软件和Auditioner预听系统

（a）Modeler的声压分布图（b）AuditionerII预听系统

1984年春，德国ADA公司的声学工作者RainerFeistel&Rostock在很多扬声器专业公司的大力支持下开发了在DOS环境下运行的EASE（EnhancedAcousticSimulatorforEngineers）高级声学工程模拟软件。

90年代后期由原来的EASE2.0版本发展到现在的WINDOWS操作系统下的EASE4.0版本，并把高级反射模拟预听软件EARS（EnhancedAuralizationReflectogramSimulator）合并在一起，使它具有更丰富的新特性和更易操作的界面。

EASE/EARS4.0采用开放式数据库结构，不但本身储存了各种著名品牌扬声器的数据模型和建声材料数据，而且还可输入任何扬声器的数据和任何建声材料数据，供系统设计时选用。

同时还支持与其他专业公司同类软件的数据文件相互转换，如JBL的CADP2、EVI的Audio/AcoustaCADD等。

用EASE4.0软件计算出来的各项声学评估参数与工程完成后的实际测试结果非常相似，误差可精确到±2dB。

因此被广泛采用。

如果说良好的系统设计是系统音响效果的基础，那么最佳的系统调校和测量是系统音响效果的保证。

为获得精确的最优化的系统调校，充分发挥系统中各设备的潜力，1996年美国JBL公司与SIA软件公司联合开发了JBLSmaart1.0现场测量、分析和系统优化控制的计算机软件模块。

2000年经多次升级推出了功能更为强大的SIASmaartLive4.0版的应用软件，使它成为优化专业音响系统调校和测量必不可少的最先进的工具。

本章将专门论述上面系统设计和系统调校工具两者的原理、功能和应用方法。

15.1扩声系统的计算机辅助设计

15.1.1计算机应用软件在系统设计中可解决哪些问题？

1、选择扬声器和确定安装位置

根据扩声系统的功能和需要达到的声学技术特性指标，选择适宜的扬声器或扬声器组合以及它们的安装位置。

2、声场设计计算

计算扩声系统声音覆盖区内的最大声压级、声场分布不均匀度和传输频率特性，并用3D彩色图表达计算结果。

3、计算各听众位置的直达声、直达声+混响声和直达声与混响声的声能比D/R。

根据计算结果，可提出改进扬声器的布局和安装位置，或重新选择扬声器类型。

4、计算房间混响时间RT60和优化建声设计

混响时间RT60是听感效果的重要条件。

过小时，声音变“干”，不丰满；过大时，会产生隆隆声，声音浑，听不清。

不同用途的扩声系统都有最适宜的混响时间要求，通过计算，采取适当的建声技术措施，最终可达到满足要求的RT60。

在软件设计中还可根据要求的RT60，通过内部运算可自动找出数据库内的吸声材料配置。

5、消除反射回声

通过Level-Time-Path（声压级-传播时间-传播途径）或声线法，可找出高于3次反射的强反射声的传播途径及其相应的反射面。

利用这个特性可确认有害的回声现象，并通过更换反射面的吸声材料消除反射回声。

此外，通过声音传播时间的计算，确定各声源（扬声器）需插入的延时量，使各声源的声音能“同步”到达观众区，提高声音的清晰度。

6、声音清晰度计算

为满足不同节目的清晰度要求，声学设计软件可用辅音清晰度损失Alcons%（PercentageArticulationLossOfConsonanls）、快速说话传递指数RASTI（RapidSpeechTransmissonIndex）和透明度C值（测量）等3种方法表达。

7、声音预听

在上述各项设计完成后，预听软件可在建立的模型中播放预先录制的节目。

用户可通过计算机的监听扬声器或立体声耳机收听到扩声系统服务区内任何一个指定位置的声音效果。

如果计算机内的虚拟模型建得非常精确，那么在工程实施之前预听到声音效果与工程完成后现场的声音效果非常接近。

15.1.2JBL-CADP2系统设计软件

CADP2是一种在Windows95系统版本以上操作系统运行的系统设计软件，它可完成RT60混响时间计算、直达声场计算、反射声场计算、直达声+反射声场计算、直达声+混响声场计算、直达声与混响声声能比D/R计算、传输频率特性计算、LTP（声压级—传播时间—传播路径）计算和清晰度计算（Alcons%）等。

1、CADP2的三个基本功能设计程序

（1）建立房间声学模型

为什么要专门创建房间的声学模型呢？

它与建筑设计图有何不同呢？

这是因为：

1建筑图通常提供的是两维空间的图形，它不能涉及全部声学空间。

声学特性计算程序需要涉及全部声学空间的三维空间（3D）图形。

2建筑图通常包含与声学特性不相关的信息；声学模型不需要包括比声波波长更小尺寸的物体。

3声学模型要求房间的表面结构为平坦的表面，这是因为模仿声波传播只能限于平坦的表面，因此在声学模型中曲线的表面只能用一系列的小块平面近似表达。

4声学模型要求每个平面设有表面吸声的信息（吸声材料），建筑图就没有此信息。

CADP2的房间声学模型由四个视图表示：

第一象限为：

斜轴测图（立体图），第二象限为顶视图（俯视图），第三象限为正面视图，第四象限为侧视图。

如图15-2所示。

图15-2房间的四象限声学模型图

通过键盘或鼠标输入建筑图中的房间三维尺寸。

用FLIE目录下的NEW命令创建声学模型，单击TOOLS\NEWPLANE命令就可以作图了。

（2）安装、定位和瞄准选定的扬声器组或扬声器阵列

根据扩声工程的使用功能、服务区的范围和供声方案选定扬声器组（或扬声器阵列），

然后在房间声学模型中安装、定位和瞄准这些扬声器。

CADP2可把多个扬声器箱叠积在一起组成扬声器组或扬声器阵列，并把这些扬声器组或阵列可作为单个扬声器装置来处理，进行定位、瞄准，储存和检索。

如图15-3所示。

从软件数据库中取出相应扬声器产品的各项数据，输入到安装好的扬声器系统中，并赋予适当的驱动功率，即可开始各项声学参数的计算。

图15-3扬声器组的定位

图15-4和图15-5是把扬声器装置的波束射线（简称声线）从房间的边到边和从房间的前到后进行扫描试验，初步决定扬声器的安装角和观众区的覆盖范围。

图15-6是扬声器安装角的调整。

图15-4扬声器波束的前后覆盖范围

图15-5扬声器波束的左、右覆盖范围

图15-6扬声器安装角的调整

（3）声学特性的计算和显示

CADP2提供直达声、反射声和混响声场的计算。

采用功率相加或平均值相加法进行声源合成。

用颜色表达房间各位置的声压级。

用户可调整图面的分解度和参考刻度……。

并把多个扬声组成的扬声器组合可作为单个扬声器来处理，这里涉及多声源（扬声器）声功率的合成问题。

1多声源功率的求和方法

在声场设计中，首先遇到的是在房间中任何位置听到的声源是如何相加合成的。

CADP2设计软件引入了两种声音功率合成方法。

·功率求和法（powerSummation）

功率求和法的前提是两个声源之间的距离大于10倍声波波长，此时各声波到达听众位置的相位是不相关的，可用均方根求和合成声功率：

（15-1）

式中：

Pj为单个声源的声功率，单位为瓦（W）。

从式中可看到，两个相等声功率的声波，它们的合成功率比单个声源的声功率增加3dB（即增加一倍功率）。

声压级增加6dB。

功率求和法的特点是快捷、简单，但没有考虑复杂信号的合成结果。

如果用同一个信号源驱动两个靠近的扬声器（其间距离为声波的分数波长），此时到达听众位置的信号应考虑是相关的。

因此它只能完成声功率合成的近似结果。

·复杂信号的平均值求和（AverageComplexSummateon）/ACS

ACS是一种采用全频段信息的处理方法。

引入了听觉测试中可表达声音响度和音色的倍频程或1/3倍频的测量方法。

对倍频程或1/3倍频程频带的信号进行真实有效值的复杂求和。

2声学特性的计算和结果显示

由于声学特性计算的项目很多，每个项目又有不同频段的计算，为使这些计算不产生混乱，计算层的管理显得十分重要。

CADP2保持现代软件设计的理念，允许用户在数据输入和操作中使用透明层管理概念。

CADP2采用三种层面类型工作：

房间声学模型、扬声器组和特性计算。

每个层面可形成一张透明胶片的概念，并且总是可以相互调整，在任何时间都可删除，修改和上下移动。

任何层面可以被隐匿，以显示其他层面上被遮蔽的细节。

计算结果以彩色等级在各视图中显示。

2、声学特性计算

（1）混响时间RT60计算

房间混响时间是影响听觉效果的重要参数。

CADP2可对已有表面装饰设计的房间进行混响时间计算，也可根据房间用途要求的混响时间，输入房间各表面吸声材料的吸声数据，然后计算RT60，计算结果由图15-7所示的曲线显示。

混响时间可根据吸声面积的大小和房间的容积等数据，根据平均吸声系数的大小，可选用赛宾（Sabine）费兹罗伊/赛宾（Filzoy/Sabine）、诺斯-埃林（Norris-Eyring）和赛宾/诺斯-埃林（Sabine/Norris-Eyring）等4个常用公式计算。

计算结果由图15-7所示的曲线显示。

图中各条曲线由上到下依次是：

目标值、Filzroy（s）、Sabine、Filzroy（NE）和Norris-Eyring公式计算的结果。

图15-7混响RT60的计算结果显示

（2）直达声场计算

直达声场是指只计算各声源的直达声参数，不计算各种反射声。

计算频带范围从125HZ～8KHZ倍频程范围内选择。

通常选择计算125HZ、500HZ、1000HZ、2KHZ、4KHZ和8KHZ等多个倍频程的直达声场，并由此也可获得系统传输频率特性的数据和声场不均匀度数据。

图15-8直达声场的计算结果显示

（3）反射声场计算

反射声场是声学领域极其重要的研究课题。

近次反射声可增加直达声的强度、明亮度和丰满度。

但延长时间超过50ms的多次反射声会给我们带来很多麻烦，产生回声，影响声音清晰度和出现声反馈啸叫等。

通过反射声场的计算，可发现房间中声波反射最强烈的表面和影响声音清晰度的因素，从而可改进建声和电声设计方案。

反射声场的计算要比直达声场复杂的多。

首先要输入房间各表面选用的吸声材料的吸声数据，然后确定需计算反射声的反射次数。

一般3次反射范围内的反射声场计算较快（近次反射声），但更多次的反射声计算需要很长时间，甚至超过8个小时，因此往往让计算机在整个晚上自动计算，第二天就可以看到结果（这样可不影响白天的工作）。

（4）直达声+近次反射声、直达声+混响声和直达声与混响声的声能比（D/R）计算

比直达声晚到50ms以内的反射声称为近次反射声或早期反射声，近次反射声对声音清晰度、丰满度和声压级等有很大贡献，人耳又难以把它与直达声区分（但计算机可把它们区分），因此在声场设计中一般都把直达声+近次反射声合并在一起考虑。

混响声是比直达声晚到50ms以后的各次反射声。

它的贡献是使声音浑厚和声场均匀。

但它并不传播声音信息，还可掩蔽直达声，影响声音清晰度。

直达声与混响声声能比（D/R）的计算结果，可作为音质评价的参考依据。

（5）辅音清晰度损失计算

辅音清晰度损失百分率Alcons%的计算结果可直接指示语言清晰度指数AI（ArticulationIndex）或语言可懂度指标。

语言清晰度与混响时间RT60、直达声与混响声的声能比（D/R）、背景噪声电平和声压级大小等因素有关。

CADP2可根据房间的实际情况选择NC15～NC65等11种背景噪声环境之一，并在2KHZ倍频程带宽内自动计算Alcons%或AI值。

服务区内各位置的计算结果用颜色表达：

辅音清晰度损失范围在0～3%时，用红色显示，清晰度为优秀。

Alcons%=3～7%为蓝色，清晰度为良好。

Alcons%=7～15%为绿色，清晰度为一般。

Alcons%=15～30%为黄色，清晰度为差。

Alcons%＞30%为紫色，清晰度为无法接受。

图15-9是语言清晰度指数计算的输入参数选择菜单。

除可选择房间的背景噪声曲线、噪声电平测量的倍频程中心频率外，还可选择直达声+近次反射声的截止时间（Cutofftime），即直达声与混响声的分隔时间。

图15-9语言清晰度指数计算的输入参数选择菜单

（6）声压级—传播时间—传播路径LTP（Level—Time—Path）计算

CADP2的LTP是利用声音射线（简称声线）方法计算声源（扬声器）到达听众位置的直达声，近次反射声和多次反射声的声压级、传播路径和到达听众位置的时间等参数。

这是调整扬声器安装位置、指向、插入延时、分析房间声学特性和计算反馈前的系统增益等非常有用的工具。

图15-10是LTP计算的一个图例。

中间是LTP的参数输入菜单和计算结果。

菜单窗口中的LevelSummary（声压级摘要）的PartitionTime（分隔时间）是输入直达声（包括早期反射声）与混响声（后期反射声）的分隔时间，软件默认的分隔时间为7ms，相当EASE软件中C7测量（讲话清晰度）。

当然也可输入50ms或80ms的分隔时间（相当于EASE中的C50和C80），这是用来测定音乐节目清晰度的指标。

图15-10LTP计算图

输入分隔时间后，就可计算出EarlyTotal早期反射声（包括直达声）和后期反射声LateTotal的声压级及早期反射声与后期反射声的声压级比值（Early：

Late）的计算结果。

在菜单的声线路径选项中（SelectedPath），可输入声线反射次数（Reflection），然后即可计算出声源到达指定听众位置的时间ArrivedTime及相应声压级的计算结果。

右下角是各反射声到达听众区的时间（横坐标，刻度为秒）和相应的声压级（纵坐标，刻度为dB）。

在模型的三个视图中还显示各声线在房间中的实际路径。

计算非常方便。

图15-11是LTPEchogram的计算窗口，此窗口可用来计算反馈前的系统增盖（相当于我国标准的传声增盖）。

在CADP2的系统增盖计算中，规定讲话人的嘴口位于话筒后面2英尺（0.68公尺）的地方，这个距离通常是实际使用中最差的位置，大多数讲话人都在这个距离之内。

讲话人嘴口的高度为5英尺（1.52公尺）。

讲话人在话筒处产生的平均声压级为77.3dB。

此时的声反馈还没有满足系统振荡（啸叫）条件。

给系统增加驱动电平，使扬声器声源在话筒点产生的声压级提高到与讲话人在话筒点产生相同的声压极，此时系统处于临界振荡（啸叫）状态，此状态是无法实际应用的，因为他处于振荡的边缘，工作极不稳定，音质极差。

为此必须再减小6dB的驱动功率，使系统具有稳定工作的余量。

此时可开始计算听众区不同位置的系统增盖了。

图15-11LTPEchogram计算系统增盖

（a）话筒处声压级的计算（b）听众位置的声压级计算

用LTP计算出讲话者不用扩声系统（系统关闭）时听众位置的声压级为55.1dB，以及开通扩声系统时扬声器系统在同一听众位置的声压级为75.3dB，由此可得到那个听众位置的系统增盖为75.3dB-55.1dB=20.2dB。

（7）系统声音预听

运用计算机软件进行系统设计可优化系统设计结果。

但在设计中还存在太多的模糊函数，例如房间中的多个共振频率和声聚焦的存在、声波多次反射的不确定性及其引起的时间延迟难以确切计算、多声源之间的相互作用和影响、舞台上声源对观众区声音的影响等……。

为此CADP2又进一步开发了在系统设计完成后，实际工程尚未开始之前就可试听房间内任何位置的音质效果的计算机软件。

如果对某些位置的听觉效果不满意，可对系统进行调整，直至满意为止。

模拟试听软件不仅可作为系统设计结果的补充，同时又可给看不懂系统设计结果报告的工程业主提供既能看到试听位置又能听到系统的预示结果。

15.1.3EASE系统设计软件

1998年德国ADA（AcousticDesignAhnert）公司把运行在DDS操作平台上的EASE2.12版本的系统设计软件升级到在Windows98操作平台上运行的EASE3.0版本。

2001年又升级到EASE4.0版本。

新版EASE3.0/EASE4.0包括了原有DOS版本的全部功能，又增加了许多新特性，使它成为被广泛采用的系统设计的标准软件。

采用32bit的数字结构，远远超过了其他类似的系统设计软件。

32bit的数据结构扩展了软件模块内部可实现的细节、缩短了系统分析计算时间和预听结果的处理时间。

EASE3.0/4.0版本已把EASE（设计模块）和EARS（预听播放模块）两种功能集合在一起，可让你在系统设计完成后立即选择任何一个收听位置，几秒钟后即可从PC机的监听扬声器或监听耳机中直接听到那个位置的真实声音。

如果声学模型建立精确，那么EASE3.0/4.0的工程计算结果与工程完工后的实测结果非相似，误差可精确到±2dB。

EASE的基本功能设计程序和CADP2一样，包括建立房间声学模型、安装定位并瞄准扬声器和声学特性计算及显示部分。

1、建立房间模型（简称建摸）

EASE的房间模型与CADP2一样，包括全向视图、侧视图、顶视图和正视图。

房间建摸还包括在房间各表面上贴入吸声材料，以便开始后面各项声学特性的计算。

EASE中储存的墙面材料（EaseWall）都是美国的吸声材料，在选用时应尽量选择与国内接近的吸声材料或者用EaseWall建立自己国内的吸声材料库。

EASE所有模拟的结果都是针对听众范围而言的，所以即使模型建好了，扬声器也加入了，其他条件都具备了，如果没有加入听众区域，EASE是不会进行模拟计算的。

如果场地复杂，整个场地可分解为若干个听众区，一种称为格栅的特别功能，可立刻把座位填满观众区。

用声源可检查观众区与声反射表面的相互作用。

2、安装、定位和瞄准扬声

建摸结束后，可根据系统用途和供声方案选定扬声器并在房间模型相应的位置摆放和瞄准扬声器。

EASE声源数据库中储存了很多世界各大品牌扬声器的详细数据，供计算时选用。

为适应选用其他没有储存的扬声器产品，可输入这些新颖扬声器的数据。

EASE声源数据库扬声器的频率分解度均为1/3倍频程，指向性均用5度精度的扬声器极坐标数据输入。

扬声器信息包括用户自己规定的分频器和均衡器。

可把单个扬声器组合为扬声器陈列，开发一种复杂扬声器陈列，这种复杂扬声器陈列可包括驱动器延时的调整和波束控制等。

一种新的球型显示特征还可详细检查扬声器阵列中的声波干扰图，可从任何角度在球形内部任何地方观察扬声器组的远声场3D图。

声源干扰的计算可选择复杂功率相加或Ureda相加或简单均方根相加法的任一种。

3、声学特性计算

EASE可完成CADP2同样的全部声学特性指标的计算和结果显示。

详细方法可查阅《EASE3.0用户手册和指导》（EASE3.0UsersManual&Tutorial，已有中文译文）。

这里仅对三种清晰度指标的计算作进一步说明。

（1）辅音清晰度损失Alcons%

EASE2.12采用1971年提出的PeutzShortForm公式计算结果，EASE3.0/4.0采用后来提出的PeutzLongForm计算方法。

两种Alcons%标准的对照如表（15-1）所示。

PeutzLongForm辅音清晰度损失计算公式为：

Alcons=

（15-2）

式中：

A=-0.32lg

B=-0.32lg

C=0.5lg

把上述数据代入式（15-2）可得到：

Alcons=0.9

（15-3）

式中：

Pdiff为分隔时间后的声能

Pdir为分隔时间前的声能

表15-1Alcons%辅音清晰度损失

Alcons值

EASE2.12

EASE3.0

Excellent优秀

0～3%

0～7%

Good良好

3～7%

7～11%

Fair一般

7～11%

11～15%

Poor劣质

11～15%

15～18%

采用计算公式

PeutzShortForm

PeutzShortForm

（2）快速语言传递指数RASTI

快递语言传递指数RASTI的计算公式为：

RASTI=0.9482-0.1845

ln（Alcons%）（15-4）

对应两种辅音清晰度损失标准将产生两种快速语言传递指数标准，如表（15-2）所示。

表15-2快速语言传递指数RASTI

RASTI值

EASE2.12

EASE3.0

Excellent优秀

0.75～1

0.6～1

Good良好

0.6～0.75

0.45～0.6

Fair一般

0.45～0.6

0.3～0.45

Poor劣质

0.3～0.45

0.25～0.3

Unacceptable不能接受

0～0.3

0～0.25

（3）C测量清晰度指数（ClarityMeasures）

上述两项清晰度指数是表明语言节目的清晰度标准，语言清晰度要求分隔时间可短些。

但对音乐节目来说，它要求有足够的后期反射声，因此要求的分隔时间长一些。

C测量清晰度指数根据分隔时间的长短可分别表达语言节目的清晰度和音乐节目的清晰度。

它的计算公式如下：

（15-5）

式中：

Csplit是不同分隔时间的C值，有C7、C50和C80三档数值；

P（t）dt是声能随时间的变化函数。

C7、C50和C80是