声学设计

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声学设计范文第1篇

美国等发达国家在进行厅堂建筑设计时，均要由建筑师、声学顾问和剧场顾问组成联合设计组，从项目立项开始就一道工作，直至项目完工。这是国外厅堂建筑之所以高质量的重要保证。因此，只有明了建筑声学设计的程序和工作内容，学习国际先进经验和惯常做法，方能保证我国的厅堂建筑具有良好的音质。

一般而言，建筑声学设计的工作内容主要包括噪声控制和音质设计两大部分。

根据建筑物的使用功能、等级与投资规模，参照国际或国家规范来确定建筑物室内噪声标准，是噪声控制设计的首要内容。

通常音乐厅、剧场等厅堂都要求很低的室内背景噪声，因此，这些厅堂的选址很重要，应尽可能远离户外的噪声与振动源。另外，还要进行场地环境噪声与振动调查、测量与仿真预测，目的是为进行厅堂建筑围护结构的隔声设计提供依据，保证厅堂建成后能达到预定的室内噪声标准。

围护结构的隔声设计分为空气声隔声设计及固体声隔声设计两部分，均包括隔声量的计算、隔声材料的选择以及隔声构造设计等内容。除理论计算外，经常需要进行隔声构件的实验室或现场测量，来确定其各频带的隔声量。

噪声控制的另一重要内容，就是针对厅堂建筑内部的噪声振动源进行控制。这些噪声振动源包括空调设备、给排水设备、变压器、某些灯光设备、舞台机械设备以及来自相邻房间通过空气及固体传声传入的噪声和振动等，都将对观众厅的安静造成干扰。因此，在建筑方案设计阶段，声学顾问就必须介入，以便审视建筑内部各种房间的平、剖面布置是否合理，尽可能在建筑设计阶段就将可能的噪声振动干扰减至最低。

此外，建筑声学设计的另一个重要任务就是进行室内音质设计。

音质设计通常包括下述工作内容：

一、确定厅堂体型及体量。为看得清楚、听得清晰，各类厅堂都有个长度的限制。厅堂的宽度会涉及到早期侧向反射声的组织，与音质的空间感有重要关联。厅堂的高度不仅影响竖向早期反射声的组织，而且影响早后期声能比和混响声能的大小及方向。厅堂的体积和每座容积都直接影响混响时间等音质参数。厅堂的体型更是关系到是否存在回声、颤动回声、声聚焦、声影区等音质缺陷。所有这些，都必须在初步方案设计阶段就提供建筑声学的专业意见。

二、确定音质设计指标及其优选值。根据厅堂的使用功能选择混响时间、明晰度、强度指数、侧向能量因子、双耳互相关系数等音质评价指标，并确定各指标的优选值，是音质设计的重要任务。这些指标及其优选值的选定，将为进一步进行音质参量计算和将来竣工后的音质测试提供目标和依据。

三、对乐池、乐台、包厢、楼座及厅堂各界面进行声学设计。厅堂的平面及各界面的形状、面积、倾角等以及乐池、乐台、包厢、楼座、音乐罩、反射板等都影响声脉冲响应的结构，从而对厅堂音质产生重要影响。因此，是否设楼座、包厢，设几层楼座、包厢，楼座和包厢的深度及开敞度多少为合适，栏板的面积与倾角多大较恰当等等，都属于建筑声学设计的范畴，都需由建筑师与声学顾问共同磋商，加以确定。乐池的形状和开口大小也直接影响乐队声能的输送以及乐队与演员的相互听闻。此外，是否设音乐罩或反射板，设何种形式的音乐罩和反射板等等，也都需要从建筑声学专业的角度提供咨询意见，并给出设计方案。 转贴于

四、计算厅堂音质参量。当厅堂的平、剖面及楼座、包厢、乐池、乐台等设计方案拟定以后，就可开始计算厅堂音质参量。通过音质参量的计算，提供设计反馈信息，以便对设计方案作出必要的修改与调整。这个过程有时需要反复进行多次，以便臻于至善。在此过程中，需要辅以平剖面声线分析、三维声场计算机仿真乃至缩尺模型试验等技术手段，才能做出较准确的预计。

五、进行声学构造设计。厅堂音质除了受前述建筑因素影响之外，还与室内装修材料与构造密切相关。因此，声学顾问还需与装修设计师密切配合，共同完成室内装修设计。声学装修构造设计通常包括各界面材料的选择和绘制构造设计图，需详细规定材料的面密度、表观密度、厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及龙骨的间距等技术参数。

六、声场计算机仿真。对厅堂建筑进行仔细的声场分析和音质参量计算，有赖于声场三维计算机仿真。从这一点意义上讲，要进行成功的现代厅堂音质设计已离不开计算机仿真的辅助。

七、缩尺模型试验。对于重要的厅堂，除了计算机仿真外，通常还须建立一定缩尺比的厅堂模型，进行缩尺模型声学试验。缩尺模型试验优于计算机仿真之处，在于唯有它能对室内声波动效应做出仿真，而前者仅能在中、高频段，在几何声学的范围内提供较准确的仿真结果。此外，计算机仿真从本质上说是将声学家已知的声学原理输入计算机中，而缩尺模型则可较客观地展示厅堂中发生的实际声物理现象。目前，华南理工大学建筑声学实验室正在负责对在建的广州歌剧院作1∶20的声学缩尺模型试验，以确保该剧院建成后的高水准音质。

八、可听化主观评价。对于重要的厅堂，必要时还可在计算机仿真和缩尺模型试验基础上，应用先进的可听化技术进行主观听音评价。可听化技术是通过仿真计算，或者通过模型试验测量获得双耳脉冲响应，将之与在消声室中录制的音乐或语言“干信号”卷积，输出已加入厅堂影响的声音信号，供受试者预先聆听建成后的厅堂音质效果。这是近年发展起来的建筑声学领域一项高新技术。

九、建筑声学测量。建筑声学测量包括噪声与振动测量，围护构造隔声测量，重要材料与构造的吸声量测量以及厅堂音质参量的测量等。厅堂音质参量测量除了在工程竣工之后进行，以验证声学设计是否达标外，有时还需要在厅堂建筑主体完工，进入内部装修阶段时进行，以便为施工的最后阶段进行必要的设计修改与调整提供科学数据。

声学设计范文第2篇

关键词：建筑，幼儿园，声学

现在的很多建筑是根据几何学原则设计,虽然特定的几何比是基本的音韵比,然而建筑的使用者仍然不能避免噪音的干扰. 一个主要的原因是使用者在建筑材料,装饰材料的选用以及空间设计上没有全面考虑建筑的声学特征.所以,许多建筑面临噪音问题.

声音与人的身心健康息息相关,对于幼儿园建筑来说更为重要.适度,和谐,健康的声音环境才有利于儿童的成长. 儿童与成人不同，他们不会作出适当的反应来减少噪音对他们的影响，噪音严重威胁了儿童的健康。幼儿园建筑是儿童学习，生活的地方，因此对声学方面提出了较高的要求。幼儿园应该是能够控制，吸收噪声，并且能创造不超过50分贝，适合儿童生活的和谐环境。

因此，在幼儿园建筑中，设计师应充分考虑儿童的实际情况，做出适合于他们使用的功能设计，体现声学设计的合理性，体现“以人为本”的设计宗旨。

1、室外环境的声学设计

幼儿园建筑的选址是非常重要的，幼儿园应该建在远离噪声的地方，象机场，火车站，工厂，露天市场，购物中心等等这类地方常常会大量产生噪声，幼儿园建筑的选址如果能远离这些噪声源，这会有利于我们为幼儿园创建一个和谐健康的声学环境。然而，现在的城市环境中用地十分紧张，已经到了见缝插针的境地，幼儿园选址受现实条件的制约，只能停留在理想的理论层面了。

在目前条件下，通过对建筑进行有效的改造，可以最大限度的减少噪声，利用隔离效果较好的砖石或混凝土构成一个厚重的隔离物，限制外部噪声进入建筑内部。在建筑四周栽种一些灌木和高大的树木，形成植物带，能有效的阻止外部噪声对建筑内部的影响。建筑立面使用双层或三层玻璃，门窗上安装挡风条，把通向室内的管道，电源出口处以及门窗四周的漏缝密封起来，如同保存室内能量的技术一样，我们可以阻止噪声通过空气从外部传入。这些方法有效地减少了噪声的传入。

2、室内声音控制

空气传播，接触传播，侧向传播是声音传播的三种主要传播方式。通过设置有效的隔离物，阻挡物可以控制噪声的空气传播。地板和墙壁传播的噪声属于接触传播，通过改变表面材料，如：铺设地毯，悬浮地板等等减少噪声的产生及传播。管道和电梯发出的声音沿墙壁和地板传出，属于侧向传播。封闭，密封机械，电器和管道设备附近的裂缝能降低噪声的侧向传播。

噪声的控制分为噪声源，传播途径和接受者三个方面。噪声可以在噪声源得到控制，对噪声的传播途径进行控制也可以减弱噪声的传播。在安静的室内空间里，室内人员有时制造出非常轻柔的声音，有时则能制造出吵闹的声音，声音与室内空间的大小有关系，也与隔声吸音材料的选用有关系。室内的回声随着空间的增大而增强，随着吸音材料的大量使用而减弱。顶棚高度的变化能够有效的控制室内的声音。在安静的空间里，可以采用2.3m-2.9m高的顶棚，在较为活跃的区域里可以采用2.7m-3.3m高的顶棚。在某些情况下需要接受者作出适当的调整，这些都能有效地控制噪声。

在幼儿园建筑中，很多噪声是由建筑内部的使用者人为制造的，或者说这些使用者没有对噪声进行有效的控制。幼儿园里，儿童是主要的使用者，儿童和他们的家具都离地面很近，他们头顶上方50%的空间都是空的，这样，噪声可以通过空气在室内毫无阻挡的进行传播，从而引起噪声的扩散。针对这种情况，我们可以让顶棚的高度有所变化，或者设置高度不同的隔离物减缓噪声的传播，有助于将噪声控制在噪声源附近。

室内的排气，供暖系统是我们需要控制的噪声源之一。可以让管道通过走廊进入房间，穿过墙体的供暖，供水管道与墙体之间会留下很小的容易被忽视的小裂缝，声音能通过裂缝传入，对这些裂缝一定要进行密封处理。如有可能还需要将管道包起来，以降低噪声和回声。

幼儿园建筑的室内需要动静分区，安静区用来休息，学习，吵闹区用来游戏和表演，这样，可以有效的控制噪声源。室内电器应严格选择，使用噪声小的或静音的，例如：卫生间中的冲刷设备产生的噪音有可能惊吓儿童。所以要选择高质量的设备。我们在千方百计的减少噪音的同时，也可以在室内适当的放置有助于抵消室内各种噪声的背景音乐，这样可以减弱儿童发出的声音，泉水声，种声都可以用作背景音乐。

声音具有一定的穿透性，可以穿过墙壁从一个房间进入相邻的另一个房间，为了防止这种情况，可以增加墙壁的厚度，减缓声音的传播，让房间更具私密性，这种方法也适用于办公室，会议室等私密性较强的空间。

幼儿园室内所用的装饰材料应以吸音隔音材料为主，混凝土，玻璃，塑料板是导致室内声音质量较差及产生共振的主要原因。在室内墙面上多用一些柔软，有孔，吸音的材料，如：壁毯，壁布，吸音板等。吸音材料可以吸收一部分声音，同时阻止声音向外部传播。室内顶面的隔音处理有多种方法，可以在顶面上悬挂一些布幔或者用一些吸声隔音材料装饰顶面。地面上则可以铺设地毯增加吸声效果。墙面，顶面上所用的丝织品要有很强的阻燃性，减少火灾隐患。

3、引入愉悦的声音

儿童的童年是在幼儿园度过，幼儿园中的很多东西会留在他们的记忆里。为儿童创造一种美好的声乐环境，伴随着儿童成长，作为一种独特的音乐，启迪儿童纯真的心灵。

美好的声乐环境离不开愉悦的声音，大自然为人们提供了许多美妙的声音。在幼儿园中利用喂鸟的工具，结果实的植物吸引一些鸟类，鸟的叫声常常能吸引儿童，安慰儿童，它们那美妙的叫声就是一种天然的背景音乐。大自然当中的植物也能产生愉悦的声音，在室外栽种一些芦苇，竹子等，让儿童感受到空气的流动。潺潺的流水，喷溅的瀑布，交汇出美妙的声音。在室外的窗户上悬挂风铃，笛子，风车等也能奏出动听的声音。鸟鸣声，风铃声，泉水声，风声为整个环境增添了许多愉悦的声音。也可以在室内引入这种源于大自然中的优美适度的声音，如：在室内建造循环的泉水或小型的瀑布等，可以让儿童感受到这种声音。为幼儿园的儿童创造一个优美的声乐环境。对于儿童来说，声音是一种重要的安全资源，高质量的声学环境有益于儿童的成长。

4、结语

幼儿园建筑中的声学设计是现代室内外环境设计的一个重要方面，是一个不容忽视的环境问题。只有不断吸收国外先进经验，分析儿童的成长规律，结合儿童的实际需要，体现“以人为本”的设计宗旨，做出合理的声学设计，才能创造一个真正有益于儿童成长的理想环境。这对于从事室内外环境设计的人员来说，既是一种挑战，也是一种责任。需要我们在实践中不断地进行研究和探索。

参考文献

1、詹姆斯?考恩。李晋奎等译。建筑声学设计指南。北京；中国建筑工业出版社，2003。

声学设计范文第3篇

关键词：厅堂建筑；声学；设计

作为听音场所。厅堂建筑的听音质量是第一重要的，因此必须认真做好建筑声学设计，确保其音质。只有明确建筑声学设计的要点和手段，才能保证厅堂建筑具有良好的音质。

一、建筑声学设计的要点

一般而言，建筑声学设计的要点主要包括噪声控制和音质设计两大部分。

(一)噪声控制

通常音乐厅、剧场等厅堂都要求很低的室内背景噪声，因此，这些厅堂的选址很重要，应尽可能远离户外的噪声与振动源。另外，还要进行场地环境噪声与振动调查、测量与仿真预测，目的是为进行厅堂建筑围护结构的隔声设计提供依据。保证厅堂建成后能达到预定的室内噪声标准。此外，建筑声学设计的另一个重要任务就是进行室内音质设计。

(二)音质设计

音质设计通常包括下述工作内容：

1.确定厅堂体型及体量。

2.确定音质设计指标及其优选值。根据厅堂的使用功能选择混响时间、明晰度、强度指数、侧向能量因子、双耳互相关系数等音质评价指标，并确定各指标的优选值，是音质设计的重要任务。

3.对乐池、乐台、包厢、楼座及厅堂各界面进行声学设计。

4.计算厅堂音质参量。当厅堂的平、剖面及楼座、包厢、乐池、乐台等设计方案拟定以后，就可开始计算厅堂音质参量。

5.进行声学构造设计。厅堂音质除了受前述建筑因素影响之外，还与室内装修材料与构造密切相关。声学装修构造设计通常包括各界面材料的选择和绘制构造设计图，需详细规定材料的面密度、表观密度、厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及龙骨的间距等技术参数。

6.声场计算机仿真。对厅堂建筑进行仔细的声场分析和音质参量计算，有赖于声场三维计算机仿真。

7.缩尺模型试验。对于重要的厅堂，除了计算机仿真外，通常还须建立一定缩尺比的厅堂模型，进行缩尺模型声学试验。

8.可听化主观评价。可听化技术是通过仿真计算。或者通过模型试验测量获得双耳脉冲响应，将之与在消声室中录制的音乐或语言“干信号”卷积，输出已加入厅堂影响的声音信号，供受试者预先聆听建成后的厅堂音质效果。这是近年发展起来的建筑声学领域一项高新技术。

9.建筑声学测量。建筑声学测量包括噪声与振动测量，围护构造隔声测量，重要材料与构造的吸声量测量以及厅堂音质参量的测量等。

10.对电声系统设计提供咨询意见。对于需要安装电声系统的厅堂，建筑声学专家尚需与音响工程师配合，对电声系统的设备选型、设计与安装提供咨询意见。

11.组织主观评价。对于重要厅堂，在工程落成后，组织专门的演出和主观评价，来检验建成后厅堂的音质效果，是建筑声学设计最后一个重要环节。

二、声学设计的手段

准确地预测房间的音质效果一直是建筑声学研究者追求的理想。厅堂音质模型测定是建筑声学设计的重要手段。随着软件技术的发展，使用计算机进行声场的模拟研究成为现实。近年来，使用基于有限元理论的方法模拟声音的高阶波动特性，在低频模拟上获得了一些进展。

厅堂中短延时反射声的分布，是决定音质的重要因素。在缩尺模型中，用电火花作为脉冲声源测得的短延时反射声分布，与实际大厅的短延时反射声分布有良好的对应，对在设计阶段确定厅堂的大小、体型等有重要参考意义。混响时间是公认的一个可定量的音质参数，通过模型试验可以预测所要兴建厅堂的混响时间。声场不均匀度也是一个重要的音质参数。

模型试验的测量系统、测量方法和结果的表达与实际厅堂相同，但需要根据厅堂模型的缩尺比s，在混响时间测量和声场不均匀度测量时对测量频率作相应改变。不同频率的声波，在空气介质中传播，特别是高频声波，它的由空气吸收引起的衰减在不同温、湿度条件下差别很大，对混响时间测量结果，需采取对空气吸收的影响作相应的修正，且有足够的精度。

声学设计范文第4篇

【关键词】江豚；白鱀豚；白暨豚；USB；水声录音机；水听器

1.引言

江豚是国家二级保护动物，其淡水亚种长江江豚为中国所特有，为濒危亚种。使用声学方法为对长江江豚数量、行为等进行科学考察的重要手段之一。白鱀豚已“功能性灭绝”，未能保留下可用于细胞培养的活细胞，但还有在野外存在少量个体的可能。

近年来在针对长江江豚和白鱀豚的科学研究和科学考察中，采用的是由标准水听器、同轴电缆、主放大器、高采样率信号记录仪或采集卡、处理软件等组成的系统，或者使用专用的双声道微型发声事件记录仪。标准水听器是为了作为计量标准而生产的，稳定性好，售价高，在野外使用中易损坏。

目前使用的微型发声事件记录仪为进口产品，售价高，使用中易丢失而造成较大经济损失。此记录仪将采集的超声信号进行模拟带通滤波和检波后，进行2kHz采样率的模数转换并记录在闪存上。因此，该设备只能记录江豚的回声定位信号的特征，无法记录完整波形。

本文将介绍一种由宽频带水声USB录音机等组成的廉价齿鲸亚目动物被动声学实时监测系统设计。

2.硬件系统描述

系统主要由简易水听器、前置差分输出放大器、信号电缆、USB录音机主板、微机、配套软件构成，可以记录信号的完整波形并进行实时处理。整个系统造价十分低廉，即使损坏或丢失，损失也很小。系统还可以同时记录下可能还存在的白鱀豚的哨叫声和回声定位信号。另有基于NI数据采集卡的宽带录音播放系统用于系统调试和校准。

2.1 简易水听器

用于制作简易水听器的压电陶瓷管外直径为8mm、内直径为6mm，长12mm，订购自淄博宇海电子陶瓷有限公司。计划使用软线将压电陶瓷管连接至前置放大器，并增加绝缘、屏蔽、防水结构后，制成简易水听器。目前，防水密封工艺尚未能成功完成。

端屏蔽近似下，径向极化压电陶瓷管水听器低频接收灵敏度为[1]：

将内半径a=3mm，外半径b=4mm，PZT-5A材料的g31=-11.4×10-3Vm/N，g33=24.9×10-3Vm/N[2]代入上式，可得接收灵敏度为31.4μV/Pa，即-210dB（相对1V/μPa）。

在前置放大器中，压电陶瓷管产生的信号电压被一片低噪声CMOS双运算放大器ADI AD8656放大至94倍，并转为差分信号。前置放大器由正5V单电源供电。这样，用于连接前置放大器和USB录音机主板的屏蔽信号电缆内仅需一对信号、一对电源共两对双绞线即可，避免了使用昂贵的同轴电缆。

2.2 USB录音机主板设计

输入到USB录音机主板上的信号，被TI THS4131双极型低噪声全差分运算放大器放大至12.2倍，设计3dB通频带为87Hz～165kHz。此防混叠滤波器网络结构采用THS4131的器件手册上所推荐的结构。图1为包含前置放大器和缓冲放大器在内的系统模拟前端整体的电路原理图。

模数转换芯片使用TI ADS8323，这是16位、双极性差分输入、并行输出模数转换器芯片。数据转换速率设置为500ksps，所需数据传输速度为1MB/s。因ADS8323内部没有输入缓冲放大器，因此必须配合输入缓冲放大器使用，否则会得到错误的转换结果。模数转换芯片输出的数据经Cypress CY7C68013A后，使用USB 2.0总线连接至微机。CY7C68013A输入时钟信号由24MHz晶振给出。传输数据时，USB 2.0总线工作于批量数据传输模式。测试表明，当数据传输速度为1MB/s时，仅仅使用CY7C68013A内置的FIFO缓存，即可保证在长时间传输中，数据不丢失。

AD转换和数据传输的时序控制信号，由3.3V供电的CPLD Altera EPM3064生成，其输入时钟信号由20MHz晶振给出。因ADS8323要求高电平信号至少为3.0V，而EPM3064在3.3V供电下输出的高电平最低为3.1V，余量较小，因此使用一片5V供电的74HCT244进行电平转换。为减小CPLD中数字电路的运行导致的噪声，在采样瞬间，CPLD内状态发生转换的触发器数量应最小化。

系统需要的模拟和数字3.3V电源为使用线性稳压芯片ASM1117-3.3对5V的USB供电降压后获得。系统需要的模拟和数字5V电源为先用开关电源芯片MC33063对USB供电升压至7.1V后，再使用线性稳压芯片得到，以提高电源稳定度，降低噪声。

仿真得到系统在5kHz处总电压放大倍数为1142倍。一个模数转换单位（ADU）对应模数转换芯片输入端的76.3μV，即在压电陶瓷管端为0.0668μV/ADU。由压电陶瓷管接收灵敏度为31.4μV/Pa可得系统灵敏度约为2.13mPa/ADU。

图2为试制的系统实物照片。拍摄时尚未在水听器外安装绝缘及屏蔽层。

3.软件及录音播放系统

配套的软件为使用C++编写的Windows控制台应用程序。目前代码总量约2000行。软件为多线程工作，设计为可实时识别江豚回声定位信号并输出信号特征参数，并可保存录音至.wav文件。

NI PCI-6040E能够以每秒最高1M采样的采样率，12位的量化精度输出最高电压为±10V的信号。这足以满足要求，故调试用录音播放系统使用NI PCI-6040E数据采集卡的模拟信号输出直接驱动压电陶瓷，工作采样率为500ksps。播放程序使用C语言编写，通过调用NI DAQmx库函数控制数据采集卡。

4.硬件系统初步测试结果

系统原型在空气中可录下清晰的讲话声音。图3为在足够安静的环境下的空气中测得的系统的噪声功率谱，测试时，反馈电容C8、C9因故未安装。

在关注的100kHz～150kHz共50kHz的带宽内，噪声电压有效值为2.7ADU。设系统灵敏度为2.13mPa/ADU，则此50kHz的带宽内噪声对应单频信号的峰峰值为约16.3mPa，或84.2dB（相对1μPa）。另外，在此灵敏度下，不饱和最大信号声压级峰峰值为163dB（相对1μPa）。

长江江豚发出的回声定位信号脉冲中心频率在125kHz左右，信号的声源级峰峰值SL平均约197dB（相对1μPa @ 1m）；15℃下淡水中125kHz平面声波衰减为λ≈0.004dB/m；在球面波传播情况下，接收点声压级SPL与声源级间的关系为SL=SPL+20logR+λR，R为距离[3]。忽略环境噪声，可算出84.2dB最小检测声压级SPL对应的探测最远距离为8.54km。

在关注的4～8kHz频段，系统噪声有效值在大部分频点上略小于0.3ADU2/kHz，即在50Hz带宽内噪声峰峰值约0.35ADU，在2.13mPa/ADU灵敏度下，对应声压级峰峰值为57.4dB（相对1μPa）。但在4.05、4.7、5.4、6.1kHz±25Hz频点上，噪声分别为10.4、6.2、0.91、0.37ADU2/kHz。

白鱀豚回声定位信号中心频率在77kHz左右，具有线性周期调制特性[4][5]。

白鱀豚哨叫声基频频率平均为5.7kHz（标准差0.67）；声源级峰峰值SL平均为143.2dB（标准差5.8，相对1μPa @ 1m）[6]。根据SL=SPL+15logR+λR（计入水底声吸收的浅水近似），以及λ≈10-5dB/m[7]，忽略环境噪声，可算出57.4dB最小检测声压级SPL对应的探测最远距离为322km，但考虑水面曲率、水较浑浊等的影响后，探测距离可能将远不能达到此值。如果依然使用球面波传播近似计算，忽略环境噪声，可算出探测最远距离为19.1km。

5.结语

本文主要给出了一个宽频带水声USB录音机的硬件设计。经初步测试，基于此USB水声录音机的江豚及白鱀豚被动声学监测系统可以实现设计的功能。与目前长江江豚及白鱀豚科考中使用的系统相比，此系统同时具有成本低，可实现实时监测，可保存完整录音数据的特点。

参考文献

[1]栾桂冬，张金铎，王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京大学出版社，1990：224.

[2]Mattiat.O.E.超声换能器材料[M].科学出版社，1979.

[3]Li S，Akamatsu T，Wang D，et al.Localization and tracking of phonating finless porpoises using towed stereo acoustic data-loggers[J].The Journal of the Acoustical Society of America，2009，126：468.

[4]荆显英，肖友芙，景荣才.白鱀豚的回声定位信号[J].海洋学报（中文版），1983，1：11.

[5]王丁，刘仁俊，陈佩薰，王治藩，卢文祥，杨叔子.白鱀豚的发声及其与环境适应的初步研究[J].水生生物学报，1989，03：210-217.

[6]Wang K，Wang D，Akamatsu T，et al.Estimated detection distance of a baiji’s（Chinese river dolphin，Lipotes vexillifer）whistles using a passive acoustic survey method[J].The Journal of the Acoustical Society of America，2006，120：1361.

[7]刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨工程大学出版社，1993：69-71.

注：本工作受广东省大学生创新实验项目资助（No.1059011046）。

致谢：感谢中科院水生所王克雄副研究员提供长江江豚回声定位信号及白鱀豚哨叫声录音，以及与王克雄副研究员、李松海博士、郑劲松博士的有益讨论。

作者简介：

张帆（1981—），男，四川达州人，深圳大学光电工程学院博士研究生，研究方向：全局快门半导体影像传感器设计。

声学设计范文第5篇

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一直是建筑声学研究者追求的理想，谁不想在设计音乐厅图纸时就能听到她的声音效果呢？一百多年来，人们逐渐发现了一些物理指标，并揭示了它们与房间主观音质的关系，包括混响时间RT60、早期衰减时间EDT、脉冲声响应、清晰度指数等等。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音的波动性，任何一种模拟方法目前都不能获得绝对真实的结果。本文在参考研究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进行汇编和总结，以便深入地了解计算机辅助建筑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获得应用，但模型比较简单，无法得到定量结果。20世纪60年代，模拟理论、测试技术等逐渐发展完善，进行大量研究和实践后，比例模型在客观指标的测量方面已经基本达到了实用化。现在，声源、麦克风、模拟声学材料已经可以和实物对应，仪器的频带也扩展了，在模拟混响时间、声压级分布、脉冲响应等常用指标已经达到实用的精度。

比例模型的原理是相似性原理，根据库特鲁夫的推导，对于1:10的模型来讲，房间尺度缩小10倍后，如果波长同样缩短10倍，即频率提高10倍时，若模型界面上的吸声系数与实际相同，那么对应位置的声压级参量不变，时间参量缩短10倍。如10倍频率的混响时间为实际频率混响时间的1/10。然而，很难依靠物理的手段完全满足相似性的要求。空气吸收、表面吸收相似性的处理是保证模拟测量精度的关键。比例模型是现阶段所知唯一能够较好模拟室内声场波动特性的实用方法，可是由于模型制作成本较高、需要利用充氮气或干燥空气法降低高频空气吸收、模拟材料吸声特性难于控制的因素，这种方法存在很大的局限性。

随着软件技术的发展，使用计算机进行声场的模拟研究成为现实。从数学的观点来看，声音的传播由波动方程，即由Helmholtz方程所描述。理论上，从声源到接收点的声脉冲响应可以通过求解波动方程来获得。但是，当室内几何结构和界面声学属性非常复杂时，人们根本无法获得精确的方程形式和边界条件，也不能得到有价值的解析解。如果对方程进行简化处理，所得到的结果极不精确，不能实用，完全利用波动方程通过计算机求解室内声场是不可行的。实用角度讲，使用几何声学的声线追踪法和镜像虚声源法，通过计算机程序可以获得具有一定参考程度的房间声学参数。但由于忽略了声音的波动特性，处理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不足。近年来，使用基于有限元理论的方法模拟声音的高阶波动特性，在低频模拟上获得了一些进展。

2、几何声学模拟方法

几何声学模拟方法借鉴几何光学理论，假设声音沿直线传播，并忽略其波动特性，通过计算声音传播中能量的变化及反射到达的区域进行声场模拟。由于模拟精度不高，而且高阶反射和衍射的计算量巨大，因此，大多数情况是使用几何方法计算早期反射，而使用统计模型来计算后期混响。

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”，追踪它们的传播路径。声粒子因反射吸声不断地失去能量，并按入射角等于反射角确定新的传播方向。

为了计算接收点的声场，需要定义一个接收点周围的面积或体积区域来捕获经过的粒子。无论如何处理，都会收集到错误的声线或丢失一些应有的粒子。为了保证精度，必须有足够密的声线和足够小的接收点区域。对于一个表面积为10m2的房间中传播600ms的声音，至少需要100,000条声线。

声线追踪法的早期意义在于提供近次声音反射的区域，如图1。最近，这种方法进一步发展为将声线转化成具有特殊密度函数的圆锥或三角锥，然而，存在交迭问题，仍无法达到实用的精度。声线追踪的主要优点是算法简单，很容易被计算机实现，算法的复杂度是房间平面的数量的倍数。通过确定声线镜面反射路径、漫反射路径、折射和衍射路径，能够模拟非直达混响声场，甚至可以模拟含有曲面的声场。声线追踪的主要缺点在于，由于为了避免丢失重要的反射路径，要产生大量声线，因此带来巨大的计算量。另一个缺点是，因为声线追踪计算结果对于接收点的位置有很大的依赖性，如果进行声压级分布计算，必须取声场中大量的位置，对结果要求的越精细，计算量将越大。此外，由于声音的波动特性，波长越长，绕过障碍物的能力就越强，在低频段，声线追踪方法得不到可靠的结果。

2.2镜像虚声源法

虚声源法建立在镜面反射虚像原理上，用几何法作图求得反射声的传播范围，如图2。虚声源法的优点是准确度较高，缺点是计算工作量过大。如果房间不是规则的矩形，且有n个表面，就有可能有n个一次反射虚声源，并且每个又可能产生（n－1）个二次反射的虚声源。例如，一个15,000m3的房间，共有30个表面，600ms内约有13次反射，这时可能出现的虚声源数目约是2913≈1019。其算法复杂度为指数级，高阶虚声源将爆炸式增长。然而，在一个特定的接收点位置，大多数虚声源不产生反射声，大部分计算是徒劳的。上例中，只有1019中的2500个虚声源对于给定的接收点有意义。虚声源模型只适用于平面较少的简单房间或是只考虑近次反射声的电声系统。

2.3声线束追踪方法

声线束追踪方法是声线追踪的发展，通过跟踪三角锥形声线束，获得界面对声源的反射路径，如图3。简单的说，建立从声源产生的一系列充满二维空间的声线束，对每一个声线束，如果与空间中的物体表面相交，就把穿透物体表面的声线束部分进行镜像，得到反射声线束，同时记录所出现虚声源的位置，用于进一步的跟踪。与虚声源法比较，声线束追踪的主要优点在于在非矩形空间中，从几何上可以考虑更少的虚声源数目。

举例说明，如图4，考虑从声源经过面a镜像的虚声源Sa，那么全部可以见到Sa的点都在声线束Ra中。相似的，声线束Ra与平面c，d的交线，是Sa产生二次虚声源的反射面。而其他的平面，将不会产生对Sa的二次反射。这样，声线束追踪方法能够大大地减少虚声源的数目。另一方面，镜像虚声源方法更适于矩形房间，因为所有的虚声源几乎都是可见的。声线束追踪法的缺点是三维空间的几何操作相对复杂，每一条声束都可能被不同的表面反射或阻碍；另一个限制是弯曲表面上的反射和折射很难模拟。

2.4第二声源法

一种有效的方法综合了几何声学和波动统计特性，被称为第二声源法。第二声源法将反射阶段分为早期反射和后期反射，人为地确定一个早期反射和后期反射的反射次数界线，称为“转换阶数”。高于转换阶数的反射属于后期反射，声线将被当作能量线而不是镜面反射线，此时，声线撞击表面后，撞击点产生一个第二声源。第二声源的能量是声线初始能量乘以此前传播中撞击到的所有表面的反射系数的乘积。如图5，两个相邻的声线进行了6次反射，转换阶数设为2,大于2次反射的声线将按Lambert''''s法则随机方向反射。最先的两个反射是镜面反射，虚声源为S1和S12。2次以上的高阶反射中，每个声线在反射面上产生第二声源。通过计算虚声源和“第二声源”的响应，可以计算混响时间以及其它房间声学参数。

第二声源法中，确定转换阶数非常重要。转换阶数设定越高计算结果不一定越好。随反射次数增加，声线变得稀疏，反向追踪时会造成丢失虚声源的机会增加，这就需要声线足够密。声线过密一方面受到计算时间和内存的限制，另一方面的问题是，在高次反射中很多的小反射面被探测到。由于波动特性，这些小表面的实际反射一般比依据几何反射声学法则计算的结果要弱得多，所以丢失这些小反射面的虚声源可能比将他们计算进来更符合实际情况。ODEON程序实验表明，提高转换阶数、增加声线密度可能会带来更坏的结果。一般观众厅中仅500到1000个声线产生的结果即具有价值，且发现最优的转换阶数是2或3。这说明混合模型能够提供比两种纯粹的几何方法还要准确的结果，并且减少了大量计算量。然而，混合方法模型必须引入散射的概念。

3、散射

声音散射的量为散射系数，是非镜面反射能量与全部反射能量的比。散射系数的取值范围是0到1，s＝0表示全部是镜面反射，s＝1表示全部是某种理想的散射。散射能够通过统计方法在计算机模型中模拟。使用随机数，散射的方向依据Lambert''''s余弦法则计算，同时镜面反射的方向依据镜面反射法则计算。取值在0到1之间的散射系数决定这两个方向矢量之间的比例。图6中表示了不同散射系数作用下的声线反射。为了简化，例子用二维来表现，但实际上散射是三维的。没有散射的情况下，声线追踪完全是镜面反射，实际上，0.2的散射系数足够用来得到较好的散射效果。

通过对计算机模拟和实测比较，发现散射系数在大而平的表面上需人为地设置为0.1左右，而在非常不规则的表面上需达到0.7。0或1的极端值在计算机模拟中必须避免，一是因为这不切实际，二是计算可能出现恶化的结果。不同频率散射系数也不同，因表面尺寸产生的散射一般出现在低频，而因表面起伏产生的散射一般出现在高频。散射系数难于确定是影响几何方法模拟精度的障碍之一。

4、有限元法和边界元方法

几何声学的方法忽视了声音的波动特性，因此无法对声波的波动特性进行模拟，如声波的衍射、绕射等。在低频段，声波的波长较长，能够越过高频声波不能越过的障碍物。因此，几何声学模型得不到准确的低频计算结果。为了解决这个问题，提出了有限元和边界元方法。