视听一体化系统CAVS及其在噪声预测中的应用

　　引　言

　　封闭空间声场的计算机模拟和预测是近年来颇受关注的一项新技术。在过去十余年中,许多国外的声学研究机构或公司纷纷开展了相关软件的研发工作,并已取得了相当大的进展。目前出现在国际市场上的有代表性的商品化声场模拟软件有EARS、ODEON等[1-2]。这些软件建模所采取的具体方法各不相同,但其理论基础都是几何声学。总体来看,这些软件具有一定的实用价值,但仍然主要用于研究领域。国内目前从事相关研究的人员极少,还没有类似的商品化软件。本文作者从五年前开始致力于声场视听一体化模拟系统的研究,现已利用Visual C++和OpenGL研制出一个软件系统CAVS1.0[3],该系统已初步具备参数预测、可听化、可视化等主要功能。这一系统不仅可应用于建筑音质设计,也可应用于噪声控制、虚拟现实等领域。本文介绍该系统在噪声控制中的应用,通过实例验证了该系统在噪声预测和评价方面的可行性与实用性。

　　1　CAVS系统简介

　　1.1　基本原理

　　类似于现有商品化软件,CAVS同样以几何声学为理论基础。在比较现有基本方法———声线跟踪法、虚源法、声束法之后[4],本系统建模采用的是一种基于动态声接收的改进声线跟踪法[3],这主要是考虑到声线跟踪法具有计算速度高,精度能不断改进,可以考虑散射、干涉,算法设计相对简单等优点。CAVS的基本思想是通过声线跟踪求解各种声场条件下的声场脉冲响应函数,以之为基础实现参数预测和可听化等功能。其中,参数预测就是指通过声线跟踪法模拟室内声场脉冲响应函数,再利用一系列公式模拟计算声压级、混响时间T30、T60、明晰度C50、C80、清晰度D以及声场力度G、中心时间Ts等声学参数[5]。例如噪声级L可根据以下公式计算:

式中,E(t)是能量衰减曲线,p(τ)是脉冲响应函数。

　　可听化是利用模拟所得的脉冲响应序列与一个事先录制好的无反射干信号卷积,将结果转化为一定格式的音频文件即可通过耳机或扬声器来试听虚拟音效,这一过程也可称为主观听觉模拟。为增强软件的实用性和可操作性,CAVS系统引入了可视化思想。它包括三方面的含义:界面可视化(利用可视化平台研制软件,使该系统具有良好的可视化用户界面,便于使用);模型可视化(通过兼容的专用图形软件产生操作者所定义的三维建筑模型);数据可视化(利用一系列图、表显示有关计算数据)。

　　所谓视听一体化,就是将参数预测、可听化和可视化集成至一个软件系统当中,使它们成为相互关联的功能模块。这种系统可以从客观声学参数、直观视觉效果和主观听觉效果三方面同时为操作者提供待研究声场的特性。