聲學模擬軟件的發展

聲學模擬軟件的發展

如今，當我們設計一套聲音系統的時候，無論是固定安裝還是演出系統，聲學模擬軟件肯定是我們首先要使用的工具。這種由學院派于上世紀70年代研發出來的簡單函數，如今已經發生了巨大的變化，對專業音頻領域產生了復雜而深遠的影響。它被視為系統設計師最為重要的工具，同時這項技術也在不斷地發展更新。

聲學模擬軟件的發展來自兩方面，一是如Bose,L-Acoustics和Yamaha等設備制造商伴隨相關設備提供軟件，另一方面則是一些獨立的軟件研發機構如Catt, EASE,Odeon和Ulysses等的不斷努力。雖然這些程序都是獨一無二的，但它們的研發卻都直接影響著專業音頻領域，同時為設備在某一場地將以何種狀態來工作的預測提供了更為可靠的保障。

大多數獨立解決方案都起源于教育機構的研發活動。舉例來說，Odeon最初是丹麥技術大學聲學技術研究所和一些有著準確房間聲學效果需求的公司共同合作的結果。而EASE的研發起點則是文化建筑協會的Wolfgang Ahnert博士和來自柏林洪堡大學理論物理研究所的Rainer Feistel博士聯手的結果，他們組成的團隊致力于編寫聲學建模程序，用于模擬延時以及大型揚聲器系統的電平調整。 “和現在相比，早期的Odeon所實現的功能十分原始，”Odeon A/S的研發部門總監Claus Lynge Christensen說道。“事實上，1984年還是電腦的童年時期，它的性能不允許你做如今看來十分簡單的事情。因此這些建模的計算也并不成熟，它們只是十分粗略的估算。”

“1990年的EASE 1.0和2011年的EASE 4.3相比簡直就是自行車和汽車的區別，”AFMGTechnologies總經理Stefan Feistel補充道。“你可以很輕松地獲得想要的結果，但速度和質量則有著極大的不同。” 個人電腦工作性能的發展也使得建模軟件從一個錦上添花的工具逐漸變成了設計者必不可少的武器。我們知道，立體視圖效果是當前軟件的優勢，但這種優勢的本質卻在于處理速度和新的功能，比如頻率散射的統計功能等等。

“這些軟件的圖形顯像能力是隨著個人電腦的不斷進化而逐步增強的。用戶界面也是如此，”教育機構Synergetic Audio Concepts主席Pat Brown說道。“顯示界面越來越好看，而計算時間也僅僅是原先的一個零頭。”

“包括使用CAD建模在內的軟件更新是十分重要的，”Christensen先生補充道。“更多先進算法都必須圍繞這一技術而展開，如統計物體周圍的衍射情況、距離相關參數、實際聽音模擬、常規揚聲器模擬以及線陣列揚聲器模擬等等。”

這些技術進步都為系統設計者們提供了具有實際意義的巨大幫助。“電腦對復雜揚聲器系統和惡劣聲學環境的分析和設計能夠節省時間和金錢。它能夠在近乎零成本的條件下提出具體的系統方案，”Feistel先生說道。“同等重要的是，它能夠協助用戶了解揚聲器之間的相互關系、房間聲學所產生的影響以及可以進行優化的潛能。”

“通過使用Odeon這樣的高級房間聲學模擬軟件，你不僅可以了解系統直達聲將如何覆蓋觀眾區域，還可以知道這套系統在某間具體的房屋里表現如何。它將房間幾何形狀、表面材料和聲音系統同時列入計算范圍，”Christensen先生補充道。“事實上，你甚至有可能通過耳機聽到聲音設計的結果。”

但即使技術是如此先進，最重要的部分仍然是終端用戶，過分以來軟件的準確性也將產生一定的問題。“如果系統設計者能力不足，這些快速計算，并通過漂亮的圖形呈現在人們面前的結果則有可能是徹底錯誤的，”Brown先生說道。“除非設計者了解這些算法的機制，他們就無法知道他們要模擬什么，要相信什么。”

“當今，用于模擬計算的函數所遭遇的潛在問題與20年前沒有什么不同，”他接著說道。“這些程序視聲音為光束，并通過光的傳播規律來預測聲音的輻射情況，”Brown先生解釋道。“這種假設對于高頻來說較為適用，但對低頻則行不通，它們兩者之間有一種漸變的規律。這意味著建模軟件程序可能給出一個很好的高頻單元模擬，完全錯誤的超低揚聲器設置以及湊合能用的中頻揚聲器設置，”SynAudCon的主席說道。

對于準確模擬低頻聲音的傳播特性這一挑戰，各大廠商都在積極應對，以期獲得一個很好的解決方案。“我們在低頻的建模方面進展很快，一些類似于錄音棚這樣的小型房間已經可以被準確模擬，”Feistel先生說道。“這將是EASE5.0最與眾不同的地方。”

Christensen先生也同樣意識到了這個問題。“Odeon以高頻建模為主，這意味著它無法在低頻區域做出準確可靠的預測。這種建模不適合用來分析低頻染色這種小型房間的主要問題，”他解釋道。“我們正在尋求其它的建模方式以掌握整個房間的聲音輻射特點。”

“聲學建模需要你了解聲音，它們僅僅是一個計算器，”Brown先生解釋道。“它們可以讓設計者嘗試模擬一個真實的空間，但它無法做出設計上的決定。如果你不知道它模擬的是什么，那么你得到的模型就可能毫無實際意義，設計就有可能失敗。一個設計師需要電聲學知識來從建模軟件中獲取有意義的結果，”Brown先生說道。

“正如30年前那樣，一個基本的宗旨就是‘垃圾輸入，垃圾輸出’，”Feistel先生補充道。“這意味著建模軟件僅僅是一個工具，不是銀質子彈。它是一個復雜的計算器，但僅限于此。如果使用者無法做出決定或無法解讀計算結果，那么EASE將無法提供幫助。”

由設備制造商提供的相關軟件，其研發則展示了他們的揚聲器和整套系統所具有的功能。“當Yamaha推出其Installation系列揚聲器時，我們希望通過Y-S3模擬軟件向客戶們展示安裝我們揚聲器的最佳方案。這充分利用了我們在聲學設計上的知識和經驗，”Yamaha亞太地區擴聲市場銷售和市場負責人Shinya Uchida說道。

“我們的首要概念就是通過幾個簡單的步驟來展示模擬結果，這從一開始就沒有任何改變。用戶們可以通過選擇房間形狀、揚聲器型號和輸出模式來得到模擬結果，”Uchida先生接著說道。“隨著軟件得到更新，能夠模擬的揚聲器型號變得越來越多。同時，模擬的模式也隨著更新而得到不斷地豐富。Y-S3擁有幾種模式可供用戶選擇，通過選擇這種模式，所有揚聲器都會自動調整設置，而不需要一個一個來改變設置。”

“在軟件背后的另一項技術成就，是準確性越來越高的自動調試功能以及算法速度的提高。此外還有用戶界面和操作性上的提升，如幫助用戶選擇某個揚聲器或功放來避免錯誤的搭配等新功能。”這種幫助用戶了解最終系統聲音狀態的概念同樣可以在Bose的Modeller軟件中找到。作為各個制造商獨立研發的軟件，這種軟件所使用的技術使得系統集成者在整個系統的設計階段就能夠看到不同的情況，并預測最終的聲音是什么樣的。

當然，影響制造商的并不只是這些聲學模擬軟件，準確的數據也是極為重要的。“全世界的顧問、設計者和施工者都需要EASE提供的數據來進行工作，”Feistel先生說道。“這也使得制造商們必須了解自身產品的技術細節，通過專業的方式對設備進行測量以便提供軟件可以依靠的數據。雖然在這方面的發展較慢，但一個做事嚴謹的公司勢必會提供其全線產品的高度準確的數據。”

“通過聲學建模，根據揚聲器的設計參數和房間特點來得到準確的預測結果，這將實際安裝過程中可能出現的錯誤轉移到了電腦模擬階段，”Christensen先生再次高度強調了聲學模擬軟件在整個業界中的重要性。“這就使得問題在發生前就得到了解決，同時允許我們嘗試不同的解決方案。這些方案和房間幾何形狀、建筑材料和聲音系統相關，通過這些參數，測試軟件就能夠提供更佳精確、有效且經濟的解決方案。”

盡管如此，Feistel先生仍然認為，“任何一個聲音系統都需要通過實際聽音來進行校準。完全通過先期的模擬來設計一套系統是不可能的。當然，如果一個理解軟件原理的人能夠恰當地使用這種工具，你所得到的計算結果將十分接近實際情況，可怕的錯誤就可以被避免。但人們必須使用自己的大腦、耳朵和眼睛來對復雜的電腦計算進行補充。