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。

从20世纪30年代起，室内声场模拟主要依靠经典缩尺模型来完成，该技术已发展得较为成熟，至今仍然应用比较广泛。

此后长期以来，厅堂设计常常采用缩尺模型实验的方法。

所谓缩尺模型就是按厅堂建筑实际尺寸的1:10或1:20制作一个模型，在该模型内研究声波的传播及声学特性，并按一定的比例关系折算到实际厅堂中，从而了解其声学特性情况。

模型与实物尺寸之比为1:n，测量频率之比为n:1，声音传播之比为1:1，模型在测量频率下的材料吸声系数与实物材料的吸声系数之比为1:1。

因此在模型中要采用特殊设计制作的扬声器传声器，另外在模拟模型测量高频率下的吸声系数也需要在模型混响室对各种可供选用的吸声材料和结构进行测试，从中选出与实物相近的使用。

n值有一定的限度，因为它越高，可供选用的与实物相近的吸声材料和结构越不容易找到，而相应的扬声器呵传声器制作难度也就越大。

可以看出满足缩尺模型实验的条件也很高，由于经济成本较高，所需实验设施多，在一个模型中完成所有实验是很困难的，这种技术往往只能在一些重要建筑或结构的设计中才会使用。

1.2 计算机声学建模的发展随着计算机技术的发展，计算机数学模型开始代替缩尺模型。

计算机模拟是一种数字式方法，能有效弥补缩尺模型技术的不足。

从20世纪60年代至今，大约有40年的发展历史。

目前，室内声场计算机模拟技术已在建筑声学、心理声学、虚拟现实等领域受到广泛重视并已开始步入实际应用阶段。

以下分为发展过程、分支研究方向、应用领域和发室内声场计算机模拟的发展过程依据进展情况及研究规模，在过去40年的发展历程大致划分为以下3个阶段:(1)发展初期20世纪60年代末,70年代末，对室内声学的研究仍以经典的统计学理论及缩尺模型技术为主。

不过，随着计算机的强大能力开始在科研领域逐步显现，基于计算机模拟的研究方法在物理学的各个分支方向也开始受到关注。

有学者提出利用计算机模拟室内声场的构想，但由于当时的理论基础还不够完善，也缺乏足够的技术支持，发展4一直比较缓慢。

挪威、德国等欧洲国家的一批研究人员率先开始这方面的研究工作，对声场计算机模拟理论的发展起到了重要的推动作用。

挪威的A. Krokstad在1968年提[1]出了第一个比较完整的弥漫降雨法算法(Ray- Tracing Method，RTM)，使得计算机模拟技术应用于实际室内声场成为可能。

因此人们把这篇论文发表的年代看作室内声场计算机模拟研究的开端。

声线跟踪法与后来出现的镜像源法( Image Source Method，[2]ISM)都是以几何声学为基础的经典方法。

最初对这些算法的验证多限于二维或三维矩形空间情况，没有在工程实践中得到应用。

(2)快速发展20世纪80年代,90年代前期，H.Lee等人从算法设计和程序实现方面对RTM和ISM方法进行了进一步研究，使得它们可直接用于三维封闭声场的模拟。

但两种方法都是几何声学方法，仅适用于中、高频或大尺度结构情况。

因此，它们主要应用于大型建筑(如音乐厅、地铁站、大型厂房等)的声学设计、预测与评价。

20世纪80年代后期，声场计算机模拟技术有了新的发展。

代表性的进展包括:?M.Vorlander提出了一种混合方法(Hybrid Method)，它利用了RTM和ISM在本质上的联系和各自的优点，将它们合二为一，即利用声线跟踪过程寻找有效的镜像源，使计算效率和精度都得到了提高，这种思想是后来许多实用性算法的基础;?80年代末，德国ADA声学设计公司推出第一个基于矩形空间的可听化软件，后来发展为RS软件，并在年代初期能与[3]建筑声学模拟软件匹配。

(3)面向应用20世纪90年代中期至今，出现了一个研究声场计算机模拟方法的高峰时期。

欧洲著名的声学期刊《Applied Acoustics》(《应用声学》) 在短短几年内曾数次出版特刊，集中展示该领域的最新发展，其中有不少研究思想或方法至今仍然被广泛使用。

这一阶段，对声场计算机模拟方法的研究出现了多样化的趋势，除了最为流行的弥漫降雨法、镜像源源法和混合法外，声束跟踪法(Beam Tracing Method，BTM)包括圆锥束跟踪法(Conical Beam Tracing Method，CBTM)、三棱锥束跟踪法(Triangular Beam TracingMethod，TBTM)和自适应声束跟踪法(Adaptive Beam Tracing Method，ABTM)以及声[4]学辐射度法(Acoustic Radiosity Method，ARM)等改良的方法纷纷被提出，并在不同的算法中得到了应用。

其中，以声线跟踪法、声束线跟踪法和混合法最受关注，现有商品化软件基本上都是以这几种方法作为理论基础。

20世纪90年代前后中国也先后有研究机构开展室内声场计算机模拟研究,如浙江大学、同济大学、华南理工大学和西北工业大学等。

总体而言，国内由于在这方面的研究投入不足，持续开展该方向研究的机构较少，研究规模有限，总体水平与国外还有一定的差距。

最近几年，室内声场计算机模拟研究呈现出蓬勃发展的趋势。

北欧诸国、德国、美国、日本、意大利、英5国和法国等都有许多声学研究机构在从事这方面的工作，研究成果已开始朝实用型转[5]变，研究方向也呈现多样化的趋势。

例如，德国鲁尔大学通信声学所侧重于双耳听觉模拟研究，英国南安普敦大学声学中心的研究重点是环境声学预测，芬兰赫尔辛基大学电讯软件和多媒体实验室则致力于交互式虚拟声学的研究，丹麦技术大学主要研[6]究建筑声学设计。

声场可视化也成为继可听化之后的又一个新的研究方向，这一点从1997年日本国际声学会议和1999年美国声学学会年会上发表的论文可看出。

同时，可视化研究使室内声场计算机模拟与虚拟现实、三维动画等技术的结合成为可能。

1.3 主要研究内容本文构建了鞋盒式房间室内的声学模型，模拟室内声学的传播过程，研究房间的混响。

依据几何原理，采用镜像源法来用计算机进行模拟仿真。

将古典声学的建模用计算机来完成，将几何声学的镜像源法与MATLAB完美结合，有效的完成了室内声学的建模，模拟了室内的声场状况。

这样可以完美模拟实际中的声学厅堂，解决了古典声学造价高，模拟条件高的问题，将所学理论知识与实际相联系，解决实际生活中的应用问题，很有意义。

在接下来的第2章是MATLAB的简介，我将首先介绍我所用的MATLAB软件的发展历史，然后是MATLAB的特点及应用领域，了解我所使用的MATLAB软件，运用MATLAB强大的库函数和强大的绘图能力完成对鞋盒式房间的声学建模。