Vol. 5 No.4/ Apr 度一致或略高 2 家庭影院系统建模针对常见的在客厅布置家庭影院的案例由于客厅只具有电视墙和沙发背景墙一般没有侧面墙壁所以不具备布置7.1声道音响的条件常常会选择5.1声道的音响方案由于低音炮对于方向的不敏感性此处暂不考虑低音炮应用

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萧汤勾
7 years ago
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1 基于仿真技术的室内听音系统设计基于仿真技术的室内听音系统设计 Simulation Technology Applied in Room Acoustic Design 杜堂正摘要听音系统广泛存在于日常生活的方方面面, 小到车内音响系统, 大到影院或会场的音响系统, 以及我们居家的视听室或者听音室, 想要追求理想的听音效果, 必须对听音系统进行设计另外, 人们日常生活和工作的房间, 也可以通过设计, 改善房间内的听音效果, 让人在此房间内交谈感觉到更加舒适传统的实验的方法, 可以用仪器很容易地测试一个现有房间的声学效果, 但是这种后验的方法, 需要房间装修布置完后才能进行, 如果房间存在设计缺陷, 只有重新装修, 甚至需要把墙面地面和天花板打掉重来, 成本和时间都是用户所无法接受的应用仿真技术, 可以在房间的设计阶段就考虑到使用过程中的声学效果, 经过分析房间内的声学参数, 发现设计的缺陷, 通过对音箱摆位的优化设计, 以及家具和装修材料的优化选型, 使得室内环境的声学指标达到理想状况, 为室内设计提供低成本高品质的听音解决方案关键词房间 ; 仿真 ; 音响 ; 音箱 ABSTRACT Acoustic system is wildly available in our daily lives, such as car, cinema, council house and audio-visual room. In order to pursue better acoustic effect, the room acoustic design is required, even in a living or working room. Ordinarily we use an acoustic meter to measure a room, that needs a real decorated room with the sound box and the furniture established in it. To improve the room acoustic effect, sometimes you must undertake the cost of breaking the wall, floor or ceiling of a new decorated room. Now we can analysis the acoustic parameters of the room with simulation technology during the design period, to find a better position for the sound box, to choose the material and size of the furniture and the decoration. Simulation technology provides us a good acoustic solution to design an economical and excellent acoustic room. KEYWORDS Room; Simulation; Acoustics; Sound Box 1 引言随着国内生活水平的提高, 人们对于视听享受的要求也越来越高, 家庭影院的快速普及, 带动了音响市场的蓬勃发展音响设计是一个复杂的过程, 对于专业影院的设计, 前期需要专业人员进行经验设计, 后期还要不断调试, 最终才能达到比较理想的效果但是, 普通家庭影院的设计不可能请专业的音响师, 昂贵的音箱摆放在家里, 音效却比视听室差很远, 更没法和影院相比, 房间内会出现比较严重的驻波, 电影的细节被大量掩盖, 人物对白含混不清等等严重的听音问题 2 家庭影院音响系统家庭影院的音箱有多种配置方案, 最常见的有 2.1 声道和 5.1 声道两种, 影院普遍是 7.1 声道和 9.1 声道以上配置下面以的 7.1 声道音响系统为例, 来说明一下音箱位置的摆放主音箱作为最重要的音箱, 位置和角度非常关键, 一般根据经验, 两个主音箱与收听者所处的最佳位置 ( 皇帝位 ) 成 45 度夹角, 并且主箱要面向皇帝位摆放, 如图 1 所示不过目前某些品牌的音箱经过了全新设计, 对于朝向已经没有那么敏感, 完全可以与墙面平行放置图 1 主音箱摆放位置为了保证音效在整个房间内的前后连续性, 影院中会布置大量的环绕音箱在 7.1 声道系统中, 包括两个侧环绕音箱和两个后环绕音箱对于侧环绕音箱, 一般位于房间的两侧墙壁上, 要求与皇帝位平行, 高度与人坐下后耳朵的高 41

2 Vol. 5 No.4/ Apr 度一致或略高 2 家庭影院系统建模针对常见的在客厅布置家庭影院的案例由于客厅只具有电视墙和沙发背景墙一般没有侧面墙壁所以不具备布置7.1声道音响的条件常常会选择5.1声道的音响方案由于低音炮对于方向的不敏感性此处暂不考虑低音炮应用CARA软件针对一个实际的客厅影院案例首先绘制了房间的三维结构图并加入了主要家具图2 侧环绕音箱摆放位置后环绕音箱则位于房间后面的墙壁上一般两个音箱与皇帝位成60度夹角高度与侧环绕的要求基本一致图5 客厅三维结构图图3 后环绕音箱摆放位置中置音箱在影院中的地位仅次于主音箱主要负责传送人声一般中置音箱最好位于荧幕的正后方这要求投影幕布为一种特殊的透声幕否则音箱只位于银幕的上方或下方并且尽量紧靠银幕图6 房间结构和家具吊顶位置图电视为47英寸的液晶电视折算为国际单位为 =1194mm 为了保证电视的观看水平视角小于40度(THX标准) 最佳观看位置距离电视屏幕的距离应该大于1194/0.84=1421mm 客厅的前后距离为3600mm 人正常坐在沙发上眼睛与屏幕的距离大概为3000mm 与电视屏幕的水平视角为20 度完全可以满足小于40度的THX标准图4 中置音箱摆放位置另外对于影院中渲染气氛最重要的低音炮一般会直接放在银幕下面的地面上与主音箱处于同一水平线上由于低音的方向性不敏感低音炮可以不必位于银幕的正下方图7 电视屏幕位置 42

3 基于仿真技术的室内听音系统设计电视的材质为 Thermal Glass(Two layers of 4mm thick glass in window separated by 12mm with no curtain), 吸收系数曲线见图 8 将门绘制在墙面上图 11 Wooden Chair 吸收系数曲线图 8 Thermal Glass 吸收系数曲线沙发和茶几等家具, 以及房门和吊顶等装修物按照实际尺寸简化建模, 尺寸形状的细微差别对计算精度的影响不大, 主要是正确选择家具材质沙发的上表面侧面和底面选择 E a s y Chair(Chair upholstered and covered by fabric), 吸收系数曲线见图 9 图 12 房门材质设计图房门的材料选择 Wooden Door(Usual inhouse door made from plywood), 吸收系数见图 13 图 9 Easy Chair 吸收系数曲线茶几冰箱和装修吊顶等封闭的盒装物体的材料选择 Wooden Case(Closed wooden case,depth:50-60cm,structured surface), 吸收系数曲线见图 10 图 13 Wooden Door 吸收系数曲线房间左侧墙上的大面积玻璃推拉门, 假设玻璃推拉门是完全关闭的, 这也比较符合人们听音时的习惯, 避免外面噪音的影响图 10 Wooden Case 吸收系数曲线桌椅等家具的材料选择为 W o o d e n C h a i r ( W o o d e n c h a i r w i t h l i t t l e t o n o upholstery), 吸收系数曲线见图 11 根据实际位置将门设置好, 选择开门的墙面, 图 14 玻璃推拉门材质设计图 43

4 Vol. 5 No.4/ Apr 玻璃推拉门的材料选择 Storm Window(Two independent windows in the aperture without a curtain), 吸收系数曲线见图 15 的话, 就会适得其反我们看到房间内光滑固体表面的家具和装修物较多, 这些材料表面不能吸收足够的中高频声音仿真计算后给出的建议就是在房间内加入软沙发地毯书架和窗帘而沙发我们已经有了, 书架一般很少摆在客厅, 综合考虑后, 我们可以尝试在沙发前加入地毯, 同时在左侧墙面做一个整面墙的落地窗帘图 15 Storm Window 吸收系数曲线 3 房间计算结果材料选择 Shag Carpet(Thick luxurious carpet with massive foam pad), 吸收系数曲线见图 18, 在中高频具有最高达 55% 的吸收系数通过简单的吸收系数和响应时间的仿真计算, 我们可以很快得到房间的声学环境评价通常声吸收系数会随着频率的上升而增加, 也就意味着响应时间会随着频率的上升而变短图 18 Shag Carpet 吸收系数曲线窗帘的材料选择 Curtain(light)(Usual light and fine curtain, closed and little drapery), 吸收系数曲线见图 19 虽然厚窗帘对于中高频具有最高达 60% 的吸收系数, 但是综合考虑居家的实用性, 我们选择了对整面墙装上最大吸收系数只有 30% 的轻质窗帘图 16 声吸收系数和响应时间结果 ( 优化前 ) 房间现在的情况与通常规律正好相反, 低频吸收较多, 中频和高频吸收太少, 中高频段的混响时间超出理想范围的上限很多在这个房间听音乐, 会觉得缺少低音, 如果按照通常的规律来优化房间图 19 Curtain(light) 吸收系数曲线同时, 考虑在天花板上加入一定面积的夹板作为吸音板, 如图 20 中的黄色区域所示图 20 天花板表面材质设计图图 17 房间声学环境评价夹板选择的是 Plywood Panel2(Plywood panel 4mm thick. 20%perforated. 50mm cavity behind 44

5 基于仿真技术的室内听音系统设计 filled with mineral fiber), 吸收系数曲线见图 21, 在中高频可以达到 60%~80% 以上的高吸收率的音箱尺寸相近的主音箱中置音箱和环绕音箱的模型, 并将音箱放置在房间的相应位置, 开始没有必要把位置放置的很精确拉伸外围的蓝色框, 给出音箱允许的位置变动范围加入收听者, 放置于沙发的中间位置, 此处即为我们设定的皇帝位图 21 Plywood panel2 吸收系数曲线对房间的装修布置进行优化后, 我们重新计算吸收系数和响应时间, 得到的结果如图 22 所示用三种不同的算法获得的响应时间曲线全部位于深绿色的理想曲线范围之内, 说明我们的房间声学环境得到了明显改善图 24 音箱位置图 ( 优化前 ) 开始优化计算, 经过对一组五个音箱相对于皇帝位的听音效果进行整体迭代计算, 最终得到了一组最佳的音箱位置, 如图 25 所示图 22 声吸收系数和相应时间结果 ( 优化后 ) 软件对于房间的低中高频全部给出了绿色合格标志, 声音质量已经不再依赖于房间的环境因素, 而更多的是依赖音箱的听者的位置图 25 音箱位置图 ( 优化后 ) 根据我们优化后的结果, 在装修初期就可以确定音箱布线的方案对于优化后的房间声场情况, 我们首先分析地面上 1m 处的声染色结果, 可以看到客厅的中心部位声染色最低, 最小值只有 70% 左右, 而靠近墙壁和家具位置, 声染色明显变大, 最大达到 270% 声染色数值过大, 说明声音的改变也越大, 意味着此处无 4 音响计算结果图 23 房间声学环境评价音箱根据软件自带的产品库, 分别选择与自己图 26 声染色结果 ( 地面上 1m) 45

6 Vol. 5 No.4/ Apr 最后分析驻波情况在5~40960Hz范围内取了118个频率对房间内均匀分布的3223个位置进行声压级计算在5个扬声器的激励下获得了不同频率下的驻波图下图为172.8Hz下的驻波图可以看到明显的声波干涉叠加的现象在波峰的区域 172.8Hz的音量会非常高在波谷区域该频率的音量会比较低 L1所示的皇帝位在整个频段中没有处在明显的波峰和波谷位置说明这个位置的听音效果是最好的法收听到均衡的真实声音其次分析立体声定位结果可以看到客厅中后部的一个十字区域定位效果较好房间的角落墙壁和家具处定位效果非常差图27 立体声定位(地面上1m) 然后分析语言清晰度结果可以看到整个房间内语言清晰度都很好只有墙壁和家具内才会出现严重的清晰度问题图31 驻波(地面上1m 172.8Hz) 5 结论图28 语言清晰度(地面上1m) 通过以上多种评价方法的综合分析我们可以得到以下结论对以上三种评估方法进行加权平均后获得了声场的全面评估可以看到收听者所处的位置L1 正处在数值最低的客厅中后部区域此处的声染色较少立体声定位准确语言清晰正是理想的皇帝位 (1)仿真方法可以快速地评价房间的声学环境对于改进房间的设计具有非常大的帮助本案例根据前期房间设计的不足增加了大面积的窗帘和地毯并在天花板上增加了吸音板有效的改善了中高频混响时间过长的现象 (2)仿真方法可以优化音箱的摆位对于房间内每个位置的声场特性可以进行全面的分析本案例中根据选定的皇帝位和设定的5个音箱的摆位范围优化计算出了一组最佳的音箱位置和朝向并经过对声场的全面分析证明了本案例的音响设计是合理的图29 声场全面评估(地面上1m 加权平均值) 根据房间瞬态响应动画可以看到音箱发出的狄拉克脉冲的波阵面相互干涉并经过墙壁反射的情况图30是截取了7.1ms时的房间瞬态响应结果作者简介杜堂正男 1979年生 2005年毕业于西安交通大学能源与动力工程学院并取得硕士学位现就职于深圳先进技术研究院产品与工程仿真实验室研究方向包括散热分析气动噪声分析多相流分析流体机械仿真以及仿真软件开发等图30 房间瞬态响应(地面上1m 7.1ms) 46

國立中山大學學位論文典藏.PDF

國立中山大學學位論文典藏.PDF 國立中山大學企業管理學系碩士論文以系統動力學建構美食餐廳異國麵坊之管理飛行模擬器研究生 : 簡蓮因撰指導教授 : 楊碩英博士中華民國九十七年七月致謝詞寫作論文的過程是一段充滿艱辛與淚水感動與窩心的歷程, 感謝這一