室内音乐厅声学射线追踪仿真与验证

2022年 1月 11日

在开始建造或改建音乐厅之前,工程师可以对它的声学效果进行数值研究,以预测房间内的声效。与我们感兴趣的波长相比,音乐厅通常具有较大的尺寸,因此最适合使用声射线追踪的数值分析方法。我们通过对一个著名音乐厅进行模拟并将模拟结果与 现场 测量结果进行比较,验证了声射线追踪是预测音乐厅及其声学效果的准确方法。

柏林音乐厅的声音

自 COMSOL Multiphysics® 软件 6.0 版本开始,COMSOL 案例库中提供了一个室内音乐厅的声学仿真案例模型。在该模型中,我们使用声射线追踪研究了柏林音乐厅的小厅。(注:您可以直接跳转至文末的按钮,点击进入 COMSOL 案例库查看该案例模型。)

夜间柏林音乐厅剧院的图像。
夜晚的柏林音乐厅。图片由 Ansgar Koreng 提供。通过 Wikimedia Commons获得许可 CC BY 3.0 (DE)

柏林音乐厅于 1821 年作为剧院开放,由普鲁士建筑师 Karl Friedrich Schinkel 设计。1945 年,在二战即将结束时,剧院不幸被毁。

1979 年,剧院进行了重建,现在拥有三个独立的大厅:

  1. 大礼堂:可容纳 1400 人
  2. 小厅:近 400 个座位
  3. 现代 Werner Otto 大厅:250 个座位

在本文演示的案例模型中,我们对柏林音乐厅的小厅进行了仿真。

在 COMSOL Multiphysics® 中进行声射线追踪分析

COMSOL Multiphysics 6.0 版本附加的“声学模块”中提供的增强的射线声学功能,能够根据用户定义的空间指向性函数,或使用前一个研究中的 外场计算 特征释放射线的强度和相位分布。

该案例模型基于 Brinkmann、Aspöck 等人在 2019 年和 2020 年做的研究 (参考文献1-2) 。模型的几何体积为 2350m3,与文献中的模型不同,案例模型的音乐厅座位被构建为一个高 0.8m 的拉伸体。

注:所有数据均来自 Brinkmann、Aspöck 等人的研究,据 CC BY-SA 4.0 获得许可。

室内音乐厅的几何形状。
室内音乐厅模型的几何形状。

该研究在 1/3 倍频波段进行,包含 10 对源-接收器位置。舞台上有两个全向音源位置,中央座位区包括五个接收位置。房间的声学参数来自计算获得的脉冲响应。

仿真结果

声学射线追踪分析能够深入了解柏林音乐厅的声学行为。该模拟计算了从源发射的每条射线在 100Hz 到 5000Hz 频率范围内所携带的功率。

为了获得房间脉冲响应,模型计算了沿每条射线的声功率,同时考虑了空气衰减以及混合镜面反射和漫反射。脉冲响应能量衰减用于计算单个源-接收器对的房间声学参数。软件先全部计算了 10 个源-接收器的电平衰减曲线,其中每个房间的声学参数都有 10 个值;然后计算了 10 个源-接收器的平均值,以找到房间大厅的整体平均值。

显示一对源-接收器在不同频率下的电平衰减曲线的图。
一个源接收器在不同频率下的电平衰减曲线。

通过一个代表三倍于最小可察觉差 (JND) 值的区间,对声射线追踪研究的结果与 现场 测量数据进行了比较。结果发现,早期衰减时间(EDT)与房间的感知混响密切相关;纯净度(C80)以及清晰度(D)的模拟值和测量值都非常吻合。

显示测量和计算的早期衰减时间之间比较的图。
显示测量和计算的清晰度之间的比较的图。
显示测量定义和计算定义之间比较的图。

EDT(左)、C80(中)和 D(右)的仿真结果和测量结果比较。

发现这三个参数的测量值拟合良好,验证了使用声射线追踪仿真研究这类问题的准确性。

使用光线追踪模拟柏林音乐厅小厅的声学效果。
柏林音乐厅小厅完整的声学射线追踪仿真。

动手尝试

室内乐厅案例模型展示了 COMSOL Multiphysics 在高级室内声学场景中应用的潜力。单击下面的按钮,进入 COMSOL 案例库,尝试自己动手模拟!

参考文献

  1. F. Brinkmann, L. Aspöck, D. Ackermann, S. Lepa, M. Vorländer, and S. Weinzierl, “A round robin on room acoustical simulation and auralization,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 145, pp. 2746-2760, 2019, doi: 10.1121/1.5096178.
  2. L. Aspöck, F. Brinkmann, D. Ackermann, S. Weinzierl, and M. Vorländer, “BRAS – Benchmark for Room Acoustical Simulation”, 2020, doi: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6726.3.

评论 (6)

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志业 薛
志业 薛
2022-04-19

刚上手COMSOL还不是太熟练,虚心请教一下博主,想求一个处于室内的打孔金属腔体内瞬时声源(冲激源)的传播轨迹(采用射线声学),考虑了声-结构耦合和多孔弹性波发现不能与射线声学耦合怎么办?只能采用压力声学的瞬态和多孔弹性波做么?

hao huang
hao huang
2022-04-21 COMSOL 员工

多孔弹性波只能用于频域,可参考案例:https://cn.comsol.com/model/ultrasonic-car-parking-sensor-68041

Yilin Wang
Yilin Wang
2022-05-26

您好,我也是新手,想请教一下跑这样一个模型需要什么样的配置,一般会要跑多久呢?我用的是Macbook Pro M1芯片 64G内存的笔记本,不知道带不带的动。

洋洋 张
洋洋 张
2022-05-26 COMSOL 员工

点击获取“获取教程模型”可打开案例链接下载模型文件,该案例研究1消耗内存12G,耗时20多分钟。关于推荐的计算机配置您还可以参考https://cn.comsol.com/support/knowledgebase/866

玉珠 龙
玉珠 龙
2023-07-12

您好。我用射线声学模块做了一个非常简单的距离地面5m的点源声辐射,经地面反射,观察与地面垂直截面的声压分布的图。理论上可以用镜像法两个球面波叠加得到声压分布。但comsol的仿真做不到这个效果。也用pressure acoustic 模块试了,也看不到相位叠加的效果。可能是因为哪里有问题呢?谢谢!

Yuqing Ge
Yuqing Ge
2023-07-17 COMSOL 员工

您好,这可能与您模型的具体设置有关,建议您将模型发送至技术支持中心(http://cn.comsol.com/support),由工程师帮您查看。

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