計算機輔助聲學設計--RAYNOISE幾何聲學軟件介紹

RAYNOISE是比利時聲學設計公司LMS開發的一種大型聲場模擬軟件系統。其主要功能是對封閉空間或者敞開空間以及半閉空間的各種聲學行為加以模擬。它能夠較準確地模擬聲傳播的物理過程，這包括：鏡面反射、擴散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等現象并能最終重造接收位置的聽音效果。該系統可以廣泛應用于廳堂音質設計、工業噪聲預測和控制、錄音設備設計、機場、地鐵和車站等公共場所的語音系統設計以及公路、鐵路和體育場的噪聲估計等。

為了描述聲學媒質，SYSNOISE利用了最先進的數字方法。它們基于直接和間接邊界元方法，或者聲學有限元/無限元的聲學方程。結構本身用結構有限元模型表達，可以從所有主流結構有限元和網格生成工具導入。所有分析模塊都完全集成在核心環境中，支持多模型和三維圖形。

SYSNOSISE有強大的集成前、后處理功能，有網格檢查和修正工具。后處理可以畫彩圖，矢量場，變形后的結構，以及XY圖線，柱狀圖和極坐標圖，還包括動畫顯示和聲音回放。

RAYNOISE系統的基本原理

RAYNOISE系統實質上也可以認為是一種音質可聽化系統（關于“可聽化”，詳見參考文獻［1］）。它主要以幾何聲學為理論基礎。幾何聲學假定聲學環境中聲波以聲線的方式向四周傳播，聲線在與介質或界面（如墻壁）碰撞后能量會損失一部分，這樣，在聲場中不同位置聲波的能量累積方式也有所不同。如果把一個聲學環境當作線性系統，則只需知道該系統的脈沖響應就可由聲源特性獲得聲學環境中任意位置的聲學效果。因此，脈沖響應的獲得是整個系統的關鍵。以往多采用模擬方法，即利用縮尺模型來獲得脈沖響應。80年代后期以來，隨著計算機技術的高速發展，數字技術正逐漸占據主導地位。數字技術的核心就是利用多媒體計算機進行建模，并編程計算脈沖響應。該技術具有簡便、快速以及精度可以不斷改善的特點，這些是模擬技術所無法比擬的。計算脈沖響應有兩種著名的方法：虛源法（MirrorImageSourceMethod，簡稱MISM）和聲線跟蹤法（RayTracingMethod，簡稱RTM）。兩種方法各有利弊［1］。后來，又產生了一些將它們相結合的方法，如圓錐束法（ConicalBeamMehtod，簡稱CBM）和三棱錐束法（TriangularBeamMethod，簡稱TBM）［1］。RAYNOISE將這兩種方法混合使用作為其計算聲場脈沖響應的核心技術［2］。

萊蕪禮堂聲場計算機模擬效果圖

RAYNOISE系統的應用

RAYNOISE可以廣泛用于工業噪聲預測和控制、環境聲學、建筑聲學以及模擬現實系統的設計等領域，但設計者的初衷還是在房間聲學，即主要用于廳堂音質的計算機模擬。進行廳堂音質設計，首先要求準確快速地建立廳堂的三維模型，因為它直接關系到計算機模擬的精度。RAYNOISE系統為計算機建模提供了友好的交互界面。用戶既可以直接輸入由AutoCAD或HYPERMESH等產生的三維模型，也可以由用戶選擇系統模型庫中的模型并完成模型的定義。建模的主要步驟包括：

（1）啟動RAYNOISE；

（2）選擇模型；

（3）輸入幾何尺寸；

（4）定義各面的材料及性質（包括吸聲系數等）；

（5）定義聲源特性；

（6）定義接收場；

（7）其它說明或定義，如所考慮的聲線根數、反射級數等。

? ? ? ? 用戶可以利用鼠標在屏幕上從各個不同角度來觀看所定義的模型及其內部不同結構的特性（用顏色來區分）。然后就可以啟動計算了。通過對計算結果進行處理，可以獲得所關心的接收場中某點的聲壓級、A聲級、回聲圖、和頻率脈沖響應函數等聲學參量。如果還想知道該點的聽音效果，可以先將脈沖響應轉化為雙耳傳輸函數，并將其與事先在消聲室錄制好的干信號相卷積，便可以通過耳聽到該點的聽音效果。

國家話劇院計算機聲學設計模擬效果圖

RAYNOISE的特點

　　與近10年來所出現的其它幾種聲場模擬軟件，如Signalgic公司的Hypersignal-Acoustic3．4和EASE2．0等相比，RAYNOISE無論是在使用方面還是功能方面都顯得更加成熟，它形成了一個比較完整的、獨立的可聽化系統。而Hypersignal-Acoustic3．4只能作為其它可聽化軟件的軟硬件接口［3］，即它只能完成將干信號與從其它軟件的脈沖響應作卷積運算并模擬聽音效果這部分工作；EASE2．0也需要同EARS（Electronically　Auralization　Room　Simulation）配套使用才能實現可聽化。

軍樂團音樂廳聲場計算機模擬效果圖

RAYNOISE的不足

? ? ? ? 但是盡管RAYNOISE　Revision　3．0系統在以前版本基礎上作了較大改進，無論是在使用上還是在計算精度上都有所突破，但由于它始終都是以幾何聲學為理論基礎，因而必然就會受到幾何聲學的限制。例如它在低頻或小尺度空間的模擬效果比較差，這必然會大大縮小其應用范圍。再如，它只能給出簡單聲源（如點源）在給定點的模擬結果，而對于運動聲源、分布式聲源、指向性聲源以及更為復雜的情形則顯得力不從心

南京廣電中心劇場聲場計算機模擬效果圖

? ? ? ??LMSSYSNOISE--聲振耦合分析軟件SYSNOISE是市場上最先進的聲-振分析軟件，但并不要求使用者是聲學專家。

? ? ? ??SYSNOISE是全球聲-振領域的設計、故障診斷、優化的先驅，功能強大。從空腔的聲場預測到環繞物體的聲場分析，甚至可計算聲場作用下結構的響應，從而幫助噪音控制工程師優化產品的聲-振特性。SYSNOISE的優秀用戶遍及工業界的各類技術人員，如：研究開發工程師喜歡靈活性，偶爾使用的用戶需要易于理解的圖形界面，設計工程師則依賴在線"向導"幫助自己完成分析。來自振源的聲輻射從振動測量結果或有限元計算結果，計算物體表面及任意點的輻射聲場。例如：發動機、壓縮機的噪聲，揚聲器的聲輻射。聲場分布預測聲場中結構周圍形成的聲場和結構振動。例如：潛艇探測、道路噪音屏障的隔聲效果。結構路徑傳播計算動態激勵引起的結構強迫振動響應及產生的聲場。例如：發動機支架設計、轉子不平衡的影響。

? ? ? ??空氣路徑傳遞損失計算處在聲場中的薄板的傳遞損失特性、被激起的振動大小、板兩側的聲場。例如：由發射噪音引起的衛星振動、聲波穿過裝飾面板的傳播、洗碗機噪音。