聲學設計

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聲學設計范文第1篇

美國等發達國家在進行廳堂建筑設計時，均要由建筑師、聲學顧問和劇場顧問組成聯合設計組，從項目立項開始就一道工作，直至項目完工。這是國外廳堂建筑之所以高質量的重要保證。因此，只有明了建筑聲學設計的程序和工作內容，學習國際先進經驗和慣常做法，方能保證我國的廳堂建筑具有良好的音質。

一般而言，建筑聲學設計的工作內容主要包括噪聲控制和音質設計兩大部分。

根據建筑物的使用功能、等級與投資規模，參照國際或國家規范來確定建筑物室內噪聲標準，是噪聲控制設計的首要內容。

通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內背景噪聲，因此，這些廳堂的選址很重要，應盡可能遠離戶外的噪聲與振動源。另外，還要進行場地環境噪聲與振動調查、測量與仿真預測，目的是為進行廳堂建筑圍護結構的隔聲設計提供依據，保證廳堂建成后能達到預定的室內噪聲標準。

圍護結構的隔聲設計分為空氣聲隔聲設計及固體聲隔聲設計兩部分，均包括隔聲量的計算、隔聲材料的選擇以及隔聲構造設計等內容。除理論計算外，經常需要進行隔聲構件的實驗室或現場測量，來確定其各頻帶的隔聲量。

噪聲控制的另一重要內容，就是針對廳堂建筑內部的噪聲振動源進行控制。這些噪聲振動源包括空調設備、給排水設備、變壓器、某些燈光設備、舞臺機械設備以及來自相鄰房間通過空氣及固體傳聲傳入的噪聲和振動等，都將對觀眾廳的安靜造成干擾。因此，在建筑方案設計階段，聲學顧問就必須介入，以便審視建筑內部各種房間的平、剖面布置是否合理，盡可能在建筑設計階段就將可能的噪聲振動干擾減至最低。

此外，建筑聲學設計的另一個重要任務就是進行室內音質設計。

音質設計通常包括下述工作內容：

一、確定廳堂體型及體量。為看得清楚、聽得清晰，各類廳堂都有個長度的限制。廳堂的寬度會涉及到早期側向反射聲的組織，與音質的空間感有重要關聯。廳堂的高度不僅影響豎向早期反射聲的組織，而且影響早后期聲能比和混響聲能的大小及方向。廳堂的體積和每座容積都直接影響混響時間等音質參數。廳堂的體型更是關系到是否存在回聲、顫動回聲、聲聚焦、聲影區等音質缺陷。所有這些，都必須在初步方案設計階段就提供建筑聲學的專業意見。

二、確定音質設計指標及其優選值。根據廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數、側向能量因子、雙耳互相關系數等音質評價指標，并確定各指標的優選值，是音質設計的重要任務。這些指標及其優選值的選定，將為進一步進行音質參量計算和將來竣工后的音質測試提供目標和依據。

三、對樂池、樂臺、包廂、樓座及廳堂各界面進行聲學設計。廳堂的平面及各界面的形狀、面積、傾角等以及樂池、樂臺、包廂、樓座、音樂罩、反射板等都影響聲脈沖響應的結構，從而對廳堂音質產生重要影響。因此，是否設樓座、包廂，設幾層樓座、包廂，樓座和包廂的深度及開敞度多少為合適，欄板的面積與傾角多大較恰當等等，都屬于建筑聲學設計的范疇，都需由建筑師與聲學顧問共同磋商，加以確定。樂池的形狀和開口大小也直接影響樂隊聲能的輸送以及樂隊與演員的相互聽聞。此外，是否設音樂罩或反射板，設何種形式的音樂罩和反射板等等，也都需要從建筑聲學專業的角度提供咨詢意見，并給出設計方案。 轉貼于

四、計算廳堂音質參量。當廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂臺等設計方案擬定以后，就可開始計算廳堂音質參量。通過音質參量的計算，提供設計反饋信息，以便對設計方案作出必要的修改與調整。這個過程有時需要反復進行多次，以便臻于至善。在此過程中，需要輔以平剖面聲線分析、三維聲場計算機仿真乃至縮尺模型試驗等技術手段，才能做出較準確的預計。

五、進行聲學構造設計。廳堂音質除了受前述建筑因素影響之外，還與室內裝修材料與構造密切相關。因此，聲學顧問還需與裝修設計師密切配合，共同完成室內裝修設計。聲學裝修構造設計通常包括各界面材料的選擇和繪制構造設計圖，需詳細規定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及龍骨的間距等技術參數。

六、聲場計算機仿真。對廳堂建筑進行仔細的聲場分析和音質參量計算，有賴于聲場三維計算機仿真。從這一點意義上講，要進行成功的現代廳堂音質設計已離不開計算機仿真的輔助。

七、縮尺模型試驗。對于重要的廳堂，除了計算機仿真外，通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型，進行縮尺模型聲學試驗。縮尺模型試驗優于計算機仿真之處，在于唯有它能對室內聲波動效應做出仿真，而前者僅能在中、高頻段，在幾何聲學的范圍內提供較準確的仿真結果。此外，計算機仿真從本質上說是將聲學家已知的聲學原理輸入計算機中，而縮尺模型則可較客觀地展示廳堂中發生的實際聲物理現象。目前，華南理工大學建筑聲學實驗室正在負責對在建的廣州歌劇院作1∶20的聲學縮尺模型試驗，以確保該劇院建成后的高水準音質。

八、可聽化主觀評價。對于重要的廳堂，必要時還可在計算機仿真和縮尺模型試驗基礎上，應用先進的可聽化技術進行主觀聽音評價。可聽化技術是通過仿真計算，或者通過模型試驗測量獲得雙耳脈沖響應，將之與在消聲室中錄制的音樂或語言“干信號”卷積，輸出已加入廳堂影響的聲音信號，供受試者預先聆聽建成后的廳堂音質效果。這是近年發展起來的建筑聲學領域一項高新技術。

九、建筑聲學測量。建筑聲學測量包括噪聲與振動測量，圍護構造隔聲測量，重要材料與構造的吸聲量測量以及廳堂音質參量的測量等。廳堂音質參量測量除了在工程竣工之后進行，以驗證聲學設計是否達標外，有時還需要在廳堂建筑主體完工，進入內部裝修階段時進行，以便為施工的最后階段進行必要的設計修改與調整提供科學數據。

聲學設計范文第2篇

關鍵詞：建筑，幼兒園，聲學

現在的很多建筑是根據幾何學原則設計,雖然特定的幾何比是基本的音韻比,然而建筑的使用者仍然不能避免噪音的干擾. 一個主要的原因是使用者在建筑材料,裝飾材料的選用以及空間設計上沒有全面考慮建筑的聲學特征.所以,許多建筑面臨噪音問題.

聲音與人的身心健康息息相關,對于幼兒園建筑來說更為重要.適度,和諧,健康的聲音環境才有利于兒童的成長. 兒童與成人不同，他們不會作出適當的反應來減少噪音對他們的影響，噪音嚴重威脅了兒童的健康。幼兒園建筑是兒童學習，生活的地方，因此對聲學方面提出了較高的要求。幼兒園應該是能夠控制，吸收噪聲，并且能創造不超過50分貝，適合兒童生活的和諧環境。

因此，在幼兒園建筑中，設計師應充分考慮兒童的實際情況，做出適合于他們使用的功能設計，體現聲學設計的合理性，體現“以人為本”的設計宗旨。

1、室外環境的聲學設計

幼兒園建筑的選址是非常重要的，幼兒園應該建在遠離噪聲的地方，象機場，火車站，工廠，露天市場，購物中心等等這類地方常常會大量產生噪聲，幼兒園建筑的選址如果能遠離這些噪聲源，這會有利于我們為幼兒園創建一個和諧健康的聲學環境。然而，現在的城市環境中用地十分緊張，已經到了見縫插針的境地，幼兒園選址受現實條件的制約，只能停留在理想的理論層面了。

在目前條件下，通過對建筑進行有效的改造，可以最大限度的減少噪聲，利用隔離效果較好的磚石或混凝土構成一個厚重的隔離物，限制外部噪聲進入建筑內部。在建筑四周栽種一些灌木和高大的樹木，形成植物帶，能有效的阻止外部噪聲對建筑內部的影響。建筑立面使用雙層或三層玻璃，門窗上安裝擋風條，把通向室內的管道，電源出口處以及門窗四周的漏縫密封起來，如同保存室內能量的技術一樣，我們可以阻止噪聲通過空氣從外部傳入。這些方法有效地減少了噪聲的傳入。

2、室內聲音控制

空氣傳播，接觸傳播，側向傳播是聲音傳播的三種主要傳播方式。通過設置有效的隔離物，阻擋物可以控制噪聲的空氣傳播。地板和墻壁傳播的噪聲屬于接觸傳播，通過改變表面材料，如：鋪設地毯，懸浮地板等等減少噪聲的產生及傳播。管道和電梯發出的聲音沿墻壁和地板傳出，屬于側向傳播。封閉，密封機械，電器和管道設備附近的裂縫能降低噪聲的側向傳播。

噪聲的控制分為噪聲源，傳播途徑和接受者三個方面。噪聲可以在噪聲源得到控制，對噪聲的傳播途徑進行控制也可以減弱噪聲的傳播。在安靜的室內空間里，室內人員有時制造出非常輕柔的聲音，有時則能制造出吵鬧的聲音，聲音與室內空間的大小有關系，也與隔聲吸音材料的選用有關系。室內的回聲隨著空間的增大而增強，隨著吸音材料的大量使用而減弱。頂棚高度的變化能夠有效的控制室內的聲音。在安靜的空間里，可以采用2.3m-2.9m高的頂棚，在較為活躍的區域里可以采用2.7m-3.3m高的頂棚。在某些情況下需要接受者作出適當的調整，這些都能有效地控制噪聲。

在幼兒園建筑中，很多噪聲是由建筑內部的使用者人為制造的，或者說這些使用者沒有對噪聲進行有效的控制。幼兒園里，兒童是主要的使用者，兒童和他們的家具都離地面很近，他們頭頂上方50%的空間都是空的，這樣，噪聲可以通過空氣在室內毫無阻擋的進行傳播，從而引起噪聲的擴散。針對這種情況，我們可以讓頂棚的高度有所變化，或者設置高度不同的隔離物減緩噪聲的傳播，有助于將噪聲控制在噪聲源附近。

室內的排氣，供暖系統是我們需要控制的噪聲源之一。可以讓管道通過走廊進入房間，穿過墻體的供暖，供水管道與墻體之間會留下很小的容易被忽視的小裂縫，聲音能通過裂縫傳入，對這些裂縫一定要進行密封處理。如有可能還需要將管道包起來，以降低噪聲和回聲。

幼兒園建筑的室內需要動靜分區，安靜區用來休息，學習，吵鬧區用來游戲和表演，這樣，可以有效的控制噪聲源。室內電器應嚴格選擇，使用噪聲小的或靜音的，例如：衛生間中的沖刷設備產生的噪音有可能驚嚇兒童。所以要選擇高質量的設備。我們在千方百計的減少噪音的同時，也可以在室內適當的放置有助于抵消室內各種噪聲的背景音樂，這樣可以減弱兒童發出的聲音，泉水聲，種聲都可以用作背景音樂。

聲音具有一定的穿透性，可以穿過墻壁從一個房間進入相鄰的另一個房間，為了防止這種情況，可以增加墻壁的厚度，減緩聲音的傳播，讓房間更具私密性，這種方法也適用于辦公室，會議室等私密性較強的空間。

幼兒園室內所用的裝飾材料應以吸音隔音材料為主，混凝土，玻璃，塑料板是導致室內聲音質量較差及產生共振的主要原因。在室內墻面上多用一些柔軟，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聲音，同時阻止聲音向外部傳播。室內頂面的隔音處理有多種方法，可以在頂面上懸掛一些布幔或者用一些吸聲隔音材料裝飾頂面。地面上則可以鋪設地毯增加吸聲效果。墻面，頂面上所用的絲織品要有很強的阻燃性，減少火災隱患。

3、引入愉悅的聲音

兒童的童年是在幼兒園度過，幼兒園中的很多東西會留在他們的記憶里。為兒童創造一種美好的聲樂環境，伴隨著兒童成長，作為一種獨特的音樂，啟迪兒童純真的心靈。

美好的聲樂環境離不開愉悅的聲音，大自然為人們提供了許多美妙的聲音。在幼兒園中利用喂鳥的工具，結果實的植物吸引一些鳥類，鳥的叫聲常常能吸引兒童，安慰兒童，它們那美妙的叫聲就是一種天然的背景音樂。大自然當中的植物也能產生愉悅的聲音，在室外栽種一些蘆葦，竹子等，讓兒童感受到空氣的流動。潺潺的流水，噴濺的瀑布，交匯出美妙的聲音。在室外的窗戶上懸掛風鈴，笛子，風車等也能奏出動聽的聲音。鳥鳴聲，風鈴聲，泉水聲，風聲為整個環境增添了許多愉悅的聲音。也可以在室內引入這種源于大自然中的優美適度的聲音，如：在室內建造循環的泉水或小型的瀑布等，可以讓兒童感受到這種聲音。為幼兒園的兒童創造一個優美的聲樂環境。對于兒童來說，聲音是一種重要的安全資源，高質量的聲學環境有益于兒童的成長。

4、結語

幼兒園建筑中的聲學設計是現代室內外環境設計的一個重要方面，是一個不容忽視的環境問題。只有不斷吸收國外先進經驗，分析兒童的成長規律，結合兒童的實際需要，體現“以人為本”的設計宗旨，做出合理的聲學設計，才能創造一個真正有益于兒童成長的理想環境。這對于從事室內外環境設計的人員來說，既是一種挑戰，也是一種責任。需要我們在實踐中不斷地進行研究和探索。

參考文獻

1、詹姆斯?考恩。李晉奎等譯。建筑聲學設計指南。北京；中國建筑工業出版社，2003。

聲學設計范文第3篇

關鍵詞：廳堂建筑；聲學；設計

作為聽音場所。廳堂建筑的聽音質量是第一重要的，因此必須認真做好建筑聲學設計，確保其音質。只有明確建筑聲學設計的要點和手段，才能保證廳堂建筑具有良好的音質。

一、建筑聲學設計的要點

一般而言，建筑聲學設計的要點主要包括噪聲控制和音質設計兩大部分。

(一)噪聲控制

通常音樂廳、劇場等廳堂都要求很低的室內背景噪聲，因此，這些廳堂的選址很重要，應盡可能遠離戶外的噪聲與振動源。另外，還要進行場地環境噪聲與振動調查、測量與仿真預測，目的是為進行廳堂建筑圍護結構的隔聲設計提供依據。保證廳堂建成后能達到預定的室內噪聲標準。此外，建筑聲學設計的另一個重要任務就是進行室內音質設計。

(二)音質設計

音質設計通常包括下述工作內容：

1.確定廳堂體型及體量。

2.確定音質設計指標及其優選值。根據廳堂的使用功能選擇混響時間、明晰度、強度指數、側向能量因子、雙耳互相關系數等音質評價指標，并確定各指標的優選值，是音質設計的重要任務。

3.對樂池、樂臺、包廂、樓座及廳堂各界面進行聲學設計。

4.計算廳堂音質參量。當廳堂的平、剖面及樓座、包廂、樂池、樂臺等設計方案擬定以后，就可開始計算廳堂音質參量。

5.進行聲學構造設計。廳堂音質除了受前述建筑因素影響之外，還與室內裝修材料與構造密切相關。聲學裝修構造設計通常包括各界面材料的選擇和繪制構造設計圖，需詳細規定材料的面密度、表觀密度、厚度、穿孔率、孔徑、孔距、背后空氣層厚度以及龍骨的間距等技術參數。

6.聲場計算機仿真。對廳堂建筑進行仔細的聲場分析和音質參量計算，有賴于聲場三維計算機仿真。

7.縮尺模型試驗。對于重要的廳堂，除了計算機仿真外，通常還須建立一定縮尺比的廳堂模型，進行縮尺模型聲學試驗。

8.可聽化主觀評價。可聽化技術是通過仿真計算。或者通過模型試驗測量獲得雙耳脈沖響應，將之與在消聲室中錄制的音樂或語言“干信號”卷積，輸出已加入廳堂影響的聲音信號，供受試者預先聆聽建成后的廳堂音質效果。這是近年發展起來的建筑聲學領域一項高新技術。

9.建筑聲學測量。建筑聲學測量包括噪聲與振動測量，圍護構造隔聲測量，重要材料與構造的吸聲量測量以及廳堂音質參量的測量等。

10.對電聲系統設計提供咨詢意見。對于需要安裝電聲系統的廳堂，建筑聲學專家尚需與音響工程師配合，對電聲系統的設備選型、設計與安裝提供咨詢意見。

11.組織主觀評價。對于重要廳堂，在工程落成后，組織專門的演出和主觀評價，來檢驗建成后廳堂的音質效果，是建筑聲學設計最后一個重要環節。

二、聲學設計的手段

準確地預測房間的音質效果一直是建筑聲學研究者追求的理想。廳堂音質模型測定是建筑聲學設計的重要手段。隨著軟件技術的發展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現實。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動特性，在低頻模擬上獲得了一些進展。

廳堂中短延時反射聲的分布，是決定音質的重要因素。在縮尺模型中，用電火花作為脈沖聲源測得的短延時反射聲分布，與實際大廳的短延時反射聲分布有良好的對應，對在設計階段確定廳堂的大小、體型等有重要參考意義。混響時間是公認的一個可定量的音質參數，通過模型試驗可以預測所要興建廳堂的混響時間。聲場不均勻度也是一個重要的音質參數。

模型試驗的測量系統、測量方法和結果的表達與實際廳堂相同，但需要根據廳堂模型的縮尺比s，在混響時間測量和聲場不均勻度測量時對測量頻率作相應改變。不同頻率的聲波，在空氣介質中傳播，特別是高頻聲波，它的由空氣吸收引起的衰減在不同溫、濕度條件下差別很大，對混響時間測量結果，需采取對空氣吸收的影響作相應的修正，且有足夠的精度。

聲學設計范文第4篇

【關鍵詞】江豚；白鱀豚；白暨豚；USB；水聲錄音機；水聽器

1.引言

江豚是國家二級保護動物，其淡水亞種長江江豚為中國所特有，為瀕危亞種。使用聲學方法為對長江江豚數量、行為等進行科學考察的重要手段之一。白鱀豚已“功能性滅絕”，未能保留下可用于細胞培養的活細胞，但還有在野外存在少量個體的可能。

近年來在針對長江江豚和白鱀豚的科學研究和科學考察中，采用的是由標準水聽器、同軸電纜、主放大器、高采樣率信號記錄儀或采集卡、處理軟件等組成的系統，或者使用專用的雙聲道微型發聲事件記錄儀。標準水聽器是為了作為計量標準而生產的，穩定性好，售價高，在野外使用中易損壞。

目前使用的微型發聲事件記錄儀為進口產品，售價高，使用中易丟失而造成較大經濟損失。此記錄儀將采集的超聲信號進行模擬帶通濾波和檢波后，進行2kHz采樣率的模數轉換并記錄在閃存上。因此，該設備只能記錄江豚的回聲定位信號的特征，無法記錄完整波形。

本文將介紹一種由寬頻帶水聲USB錄音機等組成的廉價齒鯨亞目動物被動聲學實時監測系統設計。

2.硬件系統描述

系統主要由簡易水聽器、前置差分輸出放大器、信號電纜、USB錄音機主板、微機、配套軟件構成，可以記錄信號的完整波形并進行實時處理。整個系統造價十分低廉，即使損壞或丟失，損失也很小。系統還可以同時記錄下可能還存在的白鱀豚的哨叫聲和回聲定位信號。另有基于NI數據采集卡的寬帶錄音播放系統用于系統調試和校準。

2.1 簡易水聽器

用于制作簡易水聽器的壓電陶瓷管外直徑為8mm、內直徑為6mm，長12mm，訂購自淄博宇海電子陶瓷有限公司。計劃使用軟線將壓電陶瓷管連接至前置放大器，并增加絕緣、屏蔽、防水結構后，制成簡易水聽器。目前，防水密封工藝尚未能成功完成。

端屏蔽近似下，徑向極化壓電陶瓷管水聽器低頻接收靈敏度為[1]：

將內半徑a=3mm，外半徑b=4mm，PZT-5A材料的g31=-11.4×10-3Vm/N，g33=24.9×10-3Vm/N[2]代入上式，可得接收靈敏度為31.4μV/Pa，即-210dB（相對1V/μPa）。

在前置放大器中，壓電陶瓷管產生的信號電壓被一片低噪聲CMOS雙運算放大器ADI AD8656放大至94倍，并轉為差分信號。前置放大器由正5V單電源供電。這樣，用于連接前置放大器和USB錄音機主板的屏蔽信號電纜內僅需一對信號、一對電源共兩對雙絞線即可，避免了使用昂貴的同軸電纜。

2.2 USB錄音機主板設計

輸入到USB錄音機主板上的信號，被TI THS4131雙極型低噪聲全差分運算放大器放大至12.2倍，設計3dB通頻帶為87Hz～165kHz。此防混疊濾波器網絡結構采用THS4131的器件手冊上所推薦的結構。圖1為包含前置放大器和緩沖放大器在內的系統模擬前端整體的電路原理圖。

模數轉換芯片使用TI ADS8323，這是16位、雙極性差分輸入、并行輸出模數轉換器芯片。數據轉換速率設置為500ksps，所需數據傳輸速度為1MB/s。因ADS8323內部沒有輸入緩沖放大器，因此必須配合輸入緩沖放大器使用，否則會得到錯誤的轉換結果。模數轉換芯片輸出的數據經Cypress CY7C68013A后，使用USB 2.0總線連接至微機。CY7C68013A輸入時鐘信號由24MHz晶振給出。傳輸數據時，USB 2.0總線工作于批量數據傳輸模式。測試表明，當數據傳輸速度為1MB/s時，僅僅使用CY7C68013A內置的FIFO緩存，即可保證在長時間傳輸中，數據不丟失。

AD轉換和數據傳輸的時序控制信號，由3.3V供電的CPLD Altera EPM3064生成，其輸入時鐘信號由20MHz晶振給出。因ADS8323要求高電平信號至少為3.0V，而EPM3064在3.3V供電下輸出的高電平最低為3.1V，余量較小，因此使用一片5V供電的74HCT244進行電平轉換。為減小CPLD中數字電路的運行導致的噪聲，在采樣瞬間，CPLD內狀態發生轉換的觸發器數量應最小化。

系統需要的模擬和數字3.3V電源為使用線性穩壓芯片ASM1117-3.3對5V的USB供電降壓后獲得。系統需要的模擬和數字5V電源為先用開關電源芯片MC33063對USB供電升壓至7.1V后，再使用線性穩壓芯片得到，以提高電源穩定度，降低噪聲。

仿真得到系統在5kHz處總電壓放大倍數為1142倍。一個模數轉換單位（ADU）對應模數轉換芯片輸入端的76.3μV，即在壓電陶瓷管端為0.0668μV/ADU。由壓電陶瓷管接收靈敏度為31.4μV/Pa可得系統靈敏度約為2.13mPa/ADU。

圖2為試制的系統實物照片。拍攝時尚未在水聽器外安裝絕緣及屏蔽層。

3.軟件及錄音播放系統

配套的軟件為使用C++編寫的Windows控制臺應用程序。目前代碼總量約2000行。軟件為多線程工作，設計為可實時識別江豚回聲定位信號并輸出信號特征參數，并可保存錄音至.wav文件。

NI PCI-6040E能夠以每秒最高1M采樣的采樣率，12位的量化精度輸出最高電壓為±10V的信號。這足以滿足要求，故調試用錄音播放系統使用NI PCI-6040E數據采集卡的模擬信號輸出直接驅動壓電陶瓷，工作采樣率為500ksps。播放程序使用C語言編寫，通過調用NI DAQmx庫函數控制數據采集卡。

4.硬件系統初步測試結果

系統原型在空氣中可錄下清晰的講話聲音。圖3為在足夠安靜的環境下的空氣中測得的系統的噪聲功率譜，測試時，反饋電容C8、C9因故未安裝。

在關注的100kHz～150kHz共50kHz的帶寬內，噪聲電壓有效值為2.7ADU。設系統靈敏度為2.13mPa/ADU，則此50kHz的帶寬內噪聲對應單頻信號的峰峰值為約16.3mPa，或84.2dB（相對1μPa）。另外，在此靈敏度下，不飽和最大信號聲壓級峰峰值為163dB（相對1μPa）。

長江江豚發出的回聲定位信號脈沖中心頻率在125kHz左右，信號的聲源級峰峰值SL平均約197dB（相對1μPa @ 1m）；15℃下淡水中125kHz平面聲波衰減為λ≈0.004dB/m；在球面波傳播情況下，接收點聲壓級SPL與聲源級間的關系為SL=SPL+20logR+λR，R為距離[3]。忽略環境噪聲，可算出84.2dB最小檢測聲壓級SPL對應的探測最遠距離為8.54km。

在關注的4～8kHz頻段，系統噪聲有效值在大部分頻點上略小于0.3ADU2/kHz，即在50Hz帶寬內噪聲峰峰值約0.35ADU，在2.13mPa/ADU靈敏度下，對應聲壓級峰峰值為57.4dB（相對1μPa）。但在4.05、4.7、5.4、6.1kHz±25Hz頻點上，噪聲分別為10.4、6.2、0.91、0.37ADU2/kHz。

白鱀豚回聲定位信號中心頻率在77kHz左右，具有線性周期調制特性[4][5]。

白鱀豚哨叫聲基頻頻率平均為5.7kHz（標準差0.67）；聲源級峰峰值SL平均為143.2dB（標準差5.8，相對1μPa @ 1m）[6]。根據SL=SPL+15logR+λR（計入水底聲吸收的淺水近似），以及λ≈10-5dB/m[7]，忽略環境噪聲，可算出57.4dB最小檢測聲壓級SPL對應的探測最遠距離為322km，但考慮水面曲率、水較渾濁等的影響后，探測距離可能將遠不能達到此值。如果依然使用球面波傳播近似計算，忽略環境噪聲，可算出探測最遠距離為19.1km。

5.結語

本文主要給出了一個寬頻帶水聲USB錄音機的硬件設計。經初步測試，基于此USB水聲錄音機的江豚及白鱀豚被動聲學監測系統可以實現設計的功能。與目前長江江豚及白鱀豚科考中使用的系統相比，此系統同時具有成本低，可實現實時監測，可保存完整錄音數據的特點。

參考文獻

[1]欒桂冬，張金鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京大學出版社，1990：224.

[2]Mattiat.O.E.超聲換能器材料[M].科學出版社，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]荊顯英，肖友芙，景榮才.白鱀豚的回聲定位信號[J].海洋學報（中文版），1983，1：11.

[5]王丁，劉仁俊，陳佩薰，王治藩，盧文祥，楊叔子.白鱀豚的發聲及其與環境適應的初步研究[J].水生生物學報，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]劉伯勝，雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱工程大學出版社，1993：69-71.

注：本工作受廣東省大學生創新實驗項目資助（No.1059011046）。

致謝：感謝中科院水生所王克雄副研究員提供長江江豚回聲定位信號及白鱀豚哨叫聲錄音，以及與王克雄副研究員、李松海博士、鄭勁松博士的有益討論。

作者簡介：

張帆（1981—），男，四川達州人，深圳大學光電工程學院博士研究生，研究方向：全局快門半導體影像傳感器設計。

聲學設計范文第5篇

關鍵詞：聲線追蹤法；虛聲源法；聲線束追蹤法；有限元法

準確地預測房間的音質效果一直是建筑聲學研究者追求的理想，誰不想在設計音樂廳圖紙時就能聽到她的聲音效果呢？一百多年來，人們逐漸發現了一些物理指標，并揭示了它們與房間主觀音質的關系，包括混響時間RT60、早期衰減時間EDT、脈沖聲響應、清晰度指數等等。音質參量預估是室內聲學設計的關鍵。目前，人們采用經典公式、縮尺比例模型、計算機模擬來預測這些參數。

室內聲學的復雜性源于聲音的波動性，任何一種模擬方法目前都不能獲得絕對真實的結果。本文在參考研究國外計算機音質模擬文獻的基礎上，對室內聲學的主要模擬方法進行匯編和總結，以便深入地了解計算機輔助建筑聲學設計的基本原理、適用性和局限性。

1、比例縮尺模型模擬和計算機聲場模擬

自塞賓時代起，比例縮尺模型就在室內聲學中獲得應用，但模型比較簡單，無法得到定量結果。20世紀60年代，模擬理論、測試技術等逐漸發展完善，進行大量研究和實踐后，比例模型在客觀指標的測量方面已經基本達到了實用化。現在，聲源、麥克風、模擬聲學材料已經可以和實物對應，儀器的頻帶也擴展了，在模擬混響時間、聲壓級分布、脈沖響應等常用指標已經達到實用的精度。

比例模型的原理是相似性原理，根據庫特魯夫的推導，對于1:10的模型來講，房間尺度縮小10倍后，如果波長同樣縮短10倍，即頻率提高10倍時，若模型界面上的吸聲系數與實際相同，那么對應位置的聲壓級參量不變，時間參量縮短10倍。如10倍頻率的混響時間為實際頻率混響時間的1/10。然而，很難依靠物理的手段完全滿足相似性的要求。空氣吸收、表面吸收相似性的處理是保證模擬測量精度的關鍵。比例模型是現階段所知唯一能夠較好模擬室內聲場波動特性的實用方法，可是由于模型制作成本較高、需要利用充氮氣或干燥空氣法降低高頻空氣吸收、模擬材料吸聲特性難于控制的因素，這種方法存在很大的局限性。

隨著軟件技術的發展，使用計算機進行聲場的模擬研究成為現實。從數學的觀點來看，聲音的傳播由波動方程，即由Helmholtz方程所描述。理論上，從聲源到接收點的聲脈沖響應可以通過求解波動方程來獲得。但是，當室內幾何結構和界面聲學屬性非常復雜時，人們根本無法獲得精確的方程形式和邊界條件，也不能得到有價值的解析解。如果對方程進行簡化處理，所得到的結果極不精確，不能實用，完全利用波動方程通過計算機求解室內聲場是不可行的。實用角度講，使用幾何聲學的聲線追蹤法和鏡像虛聲源法，通過計算機程序可以獲得具有一定參考程度的房間聲學參數。但由于忽略了聲音的波動特性，處理高頻聲和近次反射聲效果較好，模擬聲場全部信息尚有很大不足。近年來，使用基于有限元理論的方法模擬聲音的高階波動特性，在低頻模擬上獲得了一些進展。

2、幾何聲學模擬方法

幾何聲學模擬方法借鑒幾何光學理論，假設聲音沿直線傳播，并忽略其波動特性，通過計算聲音傳播中能量的變化及反射到達的區域進行聲場模擬。由于模擬精度不高，而且高階反射和衍射的計算量巨大，因此，大多數情況是使用幾何方法計算早期反射，而使用統計模型來計算后期混響。

2.1聲線追蹤方法

聲線追蹤方法是從聲源向各方向發射的“聲粒子”，追蹤它們的傳播路徑。聲粒子因反射吸聲不斷地失去能量，并按入射角等于反射角確定新的傳播方向。

為了計算接收點的聲場，需要定義一個接收點周圍的面積或體積區域來捕獲經過的粒子。無論如何處理，都會收集到錯誤的聲線或丟失一些應有的粒子。為了保證精度，必須有足夠密的聲線和足夠小的接收點區域。對于一個表面積為10m2的房間中傳播600ms的聲音，至少需要100,000條聲線。

聲線追蹤法的早期意義在于提供近次聲音反射的區域，如圖1。最近，這種方法進一步發展為將聲線轉化成具有特殊密度函數的圓錐或三角錐，然而，存在交迭問題，仍無法達到實用的精度。聲線追蹤的主要優點是算法簡單，很容易被計算機實現，算法的復雜度是房間平面的數量的倍數。通過確定聲線鏡面反射路徑、漫反射路徑、折射和衍射路徑，能夠模擬非直達混響聲場，甚至可以模擬含有曲面的聲場。聲線追蹤的主要缺點在于，由于為了避免丟失重要的反射路徑，要產生大量聲線，因此帶來巨大的計算量。另一個缺點是，因為聲線追蹤計算結果對于接收點的位置有很大的依賴性，如果進行聲壓級分布計算，必須取聲場中大量的位置，對結果要求的越精細，計算量將越大。此外，由于聲音的波動特性，波長越長，繞過障礙物的能力就越強，在低頻段，聲線追蹤方法得不到可靠的結果。

2.2鏡像虛聲源法

虛聲源法建立在鏡面反射虛像原理上，用幾何法作圖求得反射聲的傳播范圍，如圖2。虛聲源法的優點是準確度較高，缺點是計算工作量過大。如果房間不是規則的矩形，且有n個表面，就有可能有n個一次反射虛聲源，并且每個又可能產生（n－1）個二次反射的虛聲源。例如，一個15,000m3的房間，共有30個表面，600ms內約有13次反射，這時可能出現的虛聲源數目約是2913≈1019。其算法復雜度為指數級，高階虛聲源將爆炸式增長。然而，在一個特定的接收點位置，大多數虛聲源不產生反射聲，大部分計算是徒勞的。上例中，只有1019中的2500個虛聲源對于給定的接收點有意義。虛聲源模型只適用于平面較少的簡單房間或是只考慮近次反射聲的電聲系統。

2.3聲線束追蹤方法

聲線束追蹤方法是聲線追蹤的發展，通過跟蹤三角錐形聲線束，獲得界面對聲源的反射路徑，如圖3。簡單的說，建立從聲源產生的一系列充滿二維空間的聲線束，對每一個聲線束，如果與空間中的物體表面相交，就把穿透物體表面的聲線束部分進行鏡像，得到反射聲線束，同時記錄所出現虛聲源的位置，用于進一步的跟蹤。與虛聲源法比較，聲線束追蹤的主要優點在于在非矩形空間中，從幾何上可以考慮更少的虛聲源數目。

舉例說明，如圖4，考慮從聲源經過面a鏡像的虛聲源Sa，那么全部可以見到Sa的點都在聲線束Ra中。相似的，聲線束Ra與平面c，d的交線，是Sa產生二次虛聲源的反射面。而其他的平面，將不會產生對Sa的二次反射。這樣，聲線束追蹤方法能夠大大地減少虛聲源的數目。另一方面，鏡像虛聲源方法更適于矩形房間，因為所有的虛聲源幾乎都是可見的。聲線束追蹤法的缺點是三維空間的幾何操作相對復雜，每一條聲束都可能被不同的表面反射或阻礙；另一個限制是彎曲表面上的反射和折射很難模擬。

2.4第二聲源法

一種有效的方法綜合了幾何聲學和波動統計特性，被稱為第二聲源法。第二聲源法將反射階段分為早期反射和后期反射，人為地確定一個早期反射和后期反射的反射次數界線，稱為“轉換階數”。高于轉換階數的反射屬于后期反射，聲線將被當作能量線而不是鏡面反射線，此時，聲線撞擊表面后，撞擊點產生一個第二聲源。第二聲源的能量是聲線初始能量乘以此前傳播中撞擊到的所有表面的反射系數的乘積。如圖5，兩個相鄰的聲線進行了6次反射，轉換階數設為2,大于2次反射的聲線將按Lambert''''s法則隨機方向反射。最先的兩個反射是鏡面反射，虛聲源為S1和S12。2次以上的高階反射中，每個聲線在反射面上產生第二聲源。通過計算虛聲源和“第二聲源”的響應，可以計算混響時間以及其它房間聲學參數。

第二聲源法中，確定轉換階數非常重要。轉換階數設定越高計算結果不一定越好。隨反射次數增加，聲線變得稀疏，反向追蹤時會造成丟失虛聲源的機會增加，這就需要聲線足夠密。聲線過密一方面受到計算時間和內存的限制，另一方面的問題是，在高次反射中很多的小反射面被探測到。由于波動特性，這些小表面的實際反射一般比依據幾何反射聲學法則計算的結果要弱得多，所以丟失這些小反射面的虛聲源可能比將他們計算進來更符合實際情況。ODEON程序實驗表明，提高轉換階數、增加聲線密度可能會帶來更壞的結果。一般觀眾廳中僅500到1000個聲線產生的結果即具有價值，且發現最優的轉換階數是2或3。這說明混合模型能夠提供比兩種純粹的幾何方法還要準確的結果，并且減少了大量計算量。然而，混合方法模型必須引入散射的概念。

3、散射

聲音散射的量為散射系數，是非鏡面反射能量與全部反射能量的比。散射系數的取值范圍是0到1，s＝0表示全部是鏡面反射，s＝1表示全部是某種理想的散射。散射能夠通過統計方法在計算機模型中模擬。使用隨機數，散射的方向依據Lambert''''s余弦法則計算，同時鏡面反射的方向依據鏡面反射法則計算。取值在0到1之間的散射系數決定這兩個方向矢量之間的比例。圖6中表示了不同散射系數作用下的聲線反射。為了簡化，例子用二維來表現，但實際上散射是三維的。沒有散射的情況下，聲線追蹤完全是鏡面反射，實際上，0.2的散射系數足夠用來得到較好的散射效果。

通過對計算機模擬和實測比較，發現散射系數在大而平的表面上需人為地設置為0.1左右，而在非常不規則的表面上需達到0.7。0或1的極端值在計算機模擬中必須避免，一是因為這不切實際，二是計算可能出現惡化的結果。不同頻率散射系數也不同，因表面尺寸產生的散射一般出現在低頻，而因表面起伏產生的散射一般出現在高頻。散射系數難于確定是影響幾何方法模擬精度的障礙之一。

4、有限元法和邊界元方法

幾何聲學的方法忽視了聲音的波動特性，因此無法對聲波的波動特性進行模擬，如聲波的衍射、繞射等。在低頻段，聲波的波長較長，能夠越過高頻聲波不能越過的障礙物。因此，幾何聲學模型得不到準確的低頻計算結果。為了解決這個問題，提出了有限元和邊界元方法。