計算機聲場模擬軟件ODEON 及其應用

彭慶 傅榮

（1、中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100 2、中國海洋大學新聞中心，山東 青島 266100）

1 引言

長期以來，室內聲學設計一直都是建筑聲學領域內的一項技術難題。由于聲音在建筑內傳播和衰減比較復雜，容易造成建筑完工后聲學質量難以達到預期標準，而后續的補救措施受到建筑整體結構的限制有很大的局限性，同時也會造成人力物力的浪費。近年來，隨著聲場數值計算理論、計算機軟硬件技術和信號處理理論的快速發展，數字室內聲場模擬技術有了很大的突破，已經出現了一大批得到廣泛應用的聲場模擬軟件，如丹麥的ODEON、德國的EASE、瑞典的CATT 等等。這些軟件和技術能夠準確的在建筑結構建成之前仿真模擬出設計方案的音質效果，為建設施工提供有效的指導。下文結合實際應用，介紹計算機聲場仿真軟件ODEON 的特點及其應用。

2 計算機聲場模擬軟件ODEON 簡介

2.1 ODEON 軟件的準確性

在上世紀90年代初期，德國聲學學會建筑聲學技術委員會發起并組織了一次歐洲7個國家的12個單位的室內聲場模擬軟件的評比，在16個被測試的軟件中ODEON 軟件的早期版本ODEON2.5 被評為準確度最高的三個軟件之一[1]。在長期的應用發展中，ODEON 軟件不斷進行改進，保證了軟件的精確性和準確度。

2.2 ODEON 軟件的特點

2.2.1 ODEON 軟件是個不斷發展的軟件。從早期的ODEON1.0 版本，經過20余年的發展，ODEON 軟件在其間經過很多版本的演變，目前最新的版本是ODEON9.1 版本（根據不同的應用方向又有Industrial、Auditorium 和Combined 三個子版本）。

2.2.2 ODEON 軟件可在 Windows95、98、NT、2000 以及Windows XP 操作系統下均可運行，程序基于MDI 方式，可運行于窗口環境下，具有有好的用戶界面和較強的圖形編輯能力。

2.2.3 ODEON 軟件提供多種建模方式。ODEON 提供 ODEON Editor 和ODEON Extrusion Modeler 兩個工具行進建模，同時ODEON 還有多種CAD 接口，可以直接將CAD圖紙文件通過接口直接導入到ODEON 軟件中來。

2.2.4 ODEON 軟件對于吸聲材料的使用數量沒有限制，ODEON 軟件吸聲材料數據庫中中有上萬種材料的吸聲參數，同時也允許用戶修改吸聲材料的吸聲系數和散射系數。

2.3 計算機聲場仿真的基本原理

ODEON 軟件的計算機模擬算法是以幾何聲學為基礎，即聲波的傳播和能量的衰減過程用聲源發出的大量聲線或聲源對反射界面所形成的各級聲像來描述，主要涉及到兩種經典的模擬方法:聲線跟蹤法和虛聲源法。

2.3.1 聲線跟蹤法

在室內聲環境下，聲源通過向四中均勻發出的大量聲射線傳播能量，聲射線與壁面碰撞發生發射使得能量衰減和傳播方向改變。對于任意一根聲線，根據概率論知識在碰撞點一部分做鏡面發射，一部分做擴散反射。該聲線沿著新方向繼續前進，每次碰撞后能量減少為原來的（1-α）倍（其中α為界面的吸聲系數），當聲線能量低于預先設定的閾值時，計算機停止對該聲線的跟蹤。重復以上過程直至所有的聲線都被跟蹤完畢，就能確定這個聲場的空間分布。

2.3.2 虛聲源法[2]

聲源在封閉空間的各個壁面的對稱點上都存在著它的“像”，稱之為一級虛源；該虛聲源又可在其他壁面類似地找到它的下一級虛聲源，稱之為二級虛源，以此類推。如在圖2 中，S1，S2，S3，S4，S5是聲源S 在各個壁面上產生的一級虛聲源；S21是一級虛聲源S1 產生的二級虛聲源；S31是二級虛聲源S21 產生的三級虛聲源。各級虛聲源的能量取決于它得以產生的壁面的吸聲系數和該虛聲源的級別。當球的全部虛聲源的位置及能量后，就可以把聲源對于接收點的貢獻等效于各級虛聲源的貢獻之和，這樣就能確定整個空間的聲場狀況。

ODEON 軟件采用了聲線跟蹤法和虛聲源法的混合方法[3]，它吸收了兩種經典算法的優點，軟件算法中，將模擬分成直達聲及早期反射聲和后期反射聲兩部分，對不同的階段采取不用的模擬方法使得模擬結果與實測結果更具可比性，實現了計算精度和計算效率上的兼顧。

3 基于ODEON 的計算機聲場仿真實例

利用ODEON 軟件進行模擬分析，首先要對待模擬的建筑進行三維建模，模型的建立可以利用ODEON 軟件自帶的CAD 接口直接導入CAD 圖紙文件也可以利用ODEON Editor和ODEON Extrusion Modeler 兩個工具行進編程建模。建模完畢后可以利用ODEON 中的聲粒子或聲射線分析模型是否封閉是否有重疊的面。接下來要對仿真模擬工作的各項參數進行設置，如聲源和接收點的個數位置指向性等、仿真的精確度、各種吸聲材料的吸聲散射系數、網格點的設置等等。最后仿真計算得出各種參數圖表，后續還可以加入HRTR（人頭傳輸函數）進行聲場可聽化分析。

下面筆者應用ODEON 軟件對建設中的某中型階梯禮堂進行初步的聲場模擬分析。此禮堂平面呈矩形，觀眾區采取階梯式對稱布置。此禮堂多用于會議和學生業余表演，室內聲學質量的要求為混響時間適中、直達聲清晰、混響聲的比重由電聲調節。由此，得出聲學設計的方案為禮堂后墻屋頂和舞臺臺口以反射為主曾加聲音的清晰度和聲場均勻度，兩側側墻以吸聲為主調節混響時間[4]。利用ODEON 軟件對該禮堂進行聲場模擬，將聲源設置在舞臺的中央，在觀眾區均勻設置9個接收點，模擬結果如下：圖2為9個接收點的混響時間T30 的在63 到8KHz之間的平均值，圖3 為禮堂的網格布置接收點語音清晰度D50 的分布。本工程將隨著建筑施工的進展，進行多階段的聲場模擬分析以及現場測量，及時提出更全面優化的設計分析。

4 總結

計算機聲場模擬軟件ODEON 具有應用靈活、界面友好、精確度高等特點，有效的利用ODEON 軟件可以大大的提高室內聲場音質控制的水平，能大大的降低建設的難度和時間，同時ODEON 軟件的仿真結果能夠供進一步分析及時優化設計方案，為施工提供科學的指導。可以預見，隨社計算機聲場模擬仿真技術的發展和應用的不斷擴大，勢必會給建筑和聲學設計領域帶來一場新的技術革命。

[1]王靜波.室內聲場計算機模擬軟件ODEON 在聲學設計中的應用.聲學技術，2003(04):236-239.

[2]曾向陽.聲場一體化原理及應用.西安：西北工業大學出版社，2007，78-106.

[3]Clause Lynge Christensen.Odeon room acoustics program,version 9.0,User Manual[Z].Industrial,Auditorium and Combined Editions,2007.

[4]馬大猷，沈豪.聲學手冊.北京：科學出版社，2004.