比利時RAYNOISE大型聲場模擬軟件

1、比利時RAYNOISEt型聲場模擬軟件 幾何聲學(xué)軟件rayn ois的介紹：RAYNOISE是比利時聲學(xué)設(shè)計公司 LMS開發(fā)的一種大型 聲場模擬軟件系統(tǒng)。 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(xué)行 為加以模擬。它能夠較準(zhǔn)確地模擬聲傳播的物理過程，這包括：鏡面反射、擴(kuò)散反射、 墻面和空氣吸收、 衍射和透射等現(xiàn)象并能最終重造接收位置的聽音效果。該系統(tǒng)可以廣 泛應(yīng)用于廳堂音質(zhì)設(shè)計、工業(yè)噪聲預(yù)測和控制、錄音設(shè)備設(shè)計、機(jī)場、地鐵和車站等公 共場所的語音系統(tǒng)設(shè)計以及公路、鐵路和體育場的噪聲估計等。RAYNOIS系統(tǒng)的基本原理：RAYNOIS系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上也可以認(rèn)為是一種音質(zhì)可聽化系統(tǒng)(關(guān)于“

2、可聽化”，詳見參考文獻(xiàn) 1)。它主要以幾何聲學(xué)為理論基礎(chǔ)。幾何聲學(xué)假定聲學(xué)環(huán)境中聲波以聲線 的方式向四周傳播，聲線在與介質(zhì)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(xué)環(huán)境當(dāng)作線性系統(tǒng)， 則只需知道該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)就可由聲源特性獲得聲學(xué)環(huán)境中任意位置的聲學(xué)效果。因此，脈沖響應(yīng)的獲得是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。以往多采用模擬方法，即利用縮尺模型來獲得 脈沖響應(yīng)。 80 年代后期以來， 隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展， 數(shù)字技術(shù)正逐漸占據(jù)主導(dǎo)地 位。數(shù)字技術(shù)的核心就是利用多媒體計算機(jī)進(jìn)行建模，并編程計算脈沖響應(yīng)。該技術(shù)具 有簡便、快速以及精度可以不斷

3、改善的特點(diǎn)，這些是模擬技術(shù)所無法比擬的。計算脈沖 響應(yīng)有兩種著名的方法：虛源法( Mirror Image Source Method，簡稱MISM和聲線跟 蹤法(Ray Tracing Method，簡稱RTM。兩種方法各有利弊1。后來，又產(chǎn)生了一 些將它們相結(jié)合的方法，如圓錐束法(Conical BeamMehtod，簡稱CBM和三棱錐束法(Triangular Beam Method ，簡稱TBM 門。RAYNOISE各這兩種方法混合使用作為 其計算聲場脈沖響應(yīng)的核心技術(shù) 2。RAYNOIS系統(tǒng)的應(yīng)用：RAYNOIS可以廣泛用于工業(yè)噪聲預(yù)測和控制、環(huán)境聲學(xué)、建筑聲學(xué)以及模擬現(xiàn)實(shí)系 統(tǒng)的設(shè)

4、計等領(lǐng)域， 但設(shè)計者的初衷還是在房間聲學(xué)， 即主要用于廳堂音質(zhì)的計算機(jī)模擬。 進(jìn)行廳堂音質(zhì)設(shè)計， 首先要求準(zhǔn)確快速地建立廳堂的三維模型， 因?yàn)樗苯雨P(guān)系到計算 機(jī)模擬的精度。RAYNOIS啄統(tǒng)為計算機(jī)建模提供了友好的交互界面。用戶既可以直接輸入由AutoCAD或HYPERMES等產(chǎn)生的三維模型，也可以由用戶選擇系統(tǒng)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(zhì) (包括吸聲系數(shù)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(shù)、反射級數(shù)等。用戶可以

5、利用鼠標(biāo)在屏幕上從各個不同角度來觀看所定義的模型及其內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的特性 （用顏色來區(qū)分）。然后就可以啟動計算了。通過對計算結(jié)果進(jìn)行處理，可以獲得所關(guān) 心的接收場中某點(diǎn)的聲壓級、 A 聲級、回聲圖、和頻率脈沖響應(yīng)函數(shù)等聲學(xué)參量。如果 還想知道該點(diǎn)的聽音效果， 可以先將脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)化為雙耳傳輸函數(shù)，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(diǎn)的聽音效果。一、“局部降噪”技術(shù)的由來目前油氣田工業(yè)場所普遍存在著噪聲污染的問題，在國內(nèi)， 噪聲控制已經(jīng)具備從被 動保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃颖Ｗo(hù)的技術(shù)條件及手段， 可以開始有針對性的對高噪聲場所進(jìn)行相應(yīng) 的治理。近幾年，中國石油各油田對噪聲隱患治理開始

6、加大投資，部分油氣田在生產(chǎn)場 所已大規(guī)模開展噪聲治理項(xiàng)目。在噪聲治理投資額度受限制的情況下，利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，可以對局部區(qū)域?qū)?現(xiàn)“局部降噪”， 可保證崗位工人定點(diǎn)巡回路線達(dá)到 85 dB（A） 以下，這就是石油天然氣 工業(yè)噪聲治理中的“局部降噪”技術(shù)。二、“局部降噪”技術(shù)與聲場模擬軟件RAYNOISE系統(tǒng)通常，針對油氣田噪聲超標(biāo)的廠房做噪聲治理，大多數(shù)聲學(xué)公司都優(yōu)選在室內(nèi)墻體 和屋頂滿鋪各種構(gòu)造與材料的吸聲體， 然后再對發(fā)出高噪聲的設(shè)備進(jìn)行合理的隔聲減振 處理，只要采用適合聲場、音質(zhì)特性 的構(gòu)造與材料，同時考慮到設(shè)備的通風(fēng)散熱、巡 檢與維修等因素，選擇上述的設(shè)計方案一般都會獲取良好的降噪

7、效果。毫無疑問，這需 要有足夠的投資支持， 如果建設(shè)單位在噪聲治理項(xiàng)目上的投資受到限制或者想將有限的 投資用于更多的噪聲超標(biāo)場所的治理， 就需要有一種新的技術(shù)做為支持?！熬植拷翟搿?技術(shù)的最終成熟應(yīng)該歸功于“聲場模擬軟件RAYNOISE系統(tǒng)”的應(yīng)用。聲場模擬軟件RAYNOISE系統(tǒng)，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(xué)行為加以模擬，它能夠較準(zhǔn)確地模擬聲傳播的物理過程。這包括：鏡面反 射、擴(kuò)散反射、墻面和空氣吸收、 衍射和透射等現(xiàn)象并能最終重造接收位置的聽音效果。 該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房噪聲模擬，機(jī)艙、火 車、汽車車艙的噪聲預(yù)測分析； 機(jī)場、 地鐵和車站等公共場所的語

8、音系統(tǒng)設(shè)計以及公路、 鐵路和隧道的交通噪聲預(yù)測分 析。例如，大慶劇院應(yīng)用 RAYNOISE系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計，部分模擬結(jié)果如下 降噪工程設(shè)計的模擬方法為：1、先將建筑構(gòu)筑物按實(shí)際尺寸的比例輸入電腦建模，再將噪聲源的分布位置與噪 聲值輸入電腦，RAYNOISE系統(tǒng)便會反映出建筑構(gòu)筑物內(nèi)的聲場環(huán)境（用色譜顯示）。2、 將各種聲學(xué)措施及其降噪量輸入電腦建模，RAYNOISE系統(tǒng)又會反映出建筑構(gòu)筑 物內(nèi)的聲場環(huán)境變化（通過顏色的變化來識別） 。3、按照甲方指定的勞動保護(hù)區(qū)域，根據(jù)聲學(xué)計算與工程經(jīng)驗(yàn)多次調(diào)整聲學(xué)措施的 安裝位置與安裝量， 從若干個模擬結(jié)果中選擇出能使保護(hù)區(qū)域聲環(huán)境達(dá)標(biāo)的性價比最為 合理

9、的方案。RAYNOISE系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)噪聲實(shí)測數(shù)值十分準(zhǔn)確的仿真出聲場分布和音質(zhì)參數(shù)， 對不同方案進(jìn)行模擬，預(yù)測與檢驗(yàn)降噪效果，查找設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在此 之前僅通過聲學(xué)計算和工程經(jīng)驗(yàn)還無法實(shí)現(xiàn)噪聲治理中的 “局部降噪 ”技術(shù)，通過應(yīng)用 RAYNOISE系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了 局部降噪”技術(shù)設(shè)想，還可精確的完成各種類型的聲學(xué)設(shè)計。三、應(yīng)用案例遼河油田某泵房應(yīng)用 RAYNOISE系統(tǒng)進(jìn)行降噪設(shè)計。 正常情況下只有一臺地面泵和一臺清水泵運(yùn)行， 我們只需按單套泵運(yùn)行的工況進(jìn)行降噪 設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場檢測分析，我們應(yīng)用RAYNOISE系統(tǒng)進(jìn)行噪聲頻譜分析及計算機(jī)模擬，主要采用泵房室內(nèi)安裝吸聲體與設(shè)備外圍

10、安裝隔聲屏障相結(jié)合的降噪設(shè)計，對此泵房采用以下四種方案進(jìn)行對比分析。四、“局部降噪”技術(shù)的前景 “在職工健康的時候抓健康”這是為當(dāng)今安全環(huán)保管理 者普遍認(rèn)同的管理理念， 伴隨著噪聲控制與治理的智能化發(fā)展， 石油天然氣工業(yè)場所 （如 泵房、鍋爐房或加熱間、風(fēng)機(jī)房、電機(jī)房、壓縮機(jī)房、發(fā)電機(jī)房、油管車間、鉆井場所 以及配套的值班室等） 的噪聲治理將會在“局部降噪”技術(shù)的影響下進(jìn)入到一個新的發(fā) 展階段。工業(yè)噪聲控制?確定機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的廠房內(nèi)噪聲聲壓級 ?計算機(jī)器設(shè)備輻射到相鄰房間或者廠房外面的噪聲 ?評估不同的噪聲控制方案，比如吸聲襯墊、機(jī)器設(shè)備布局、廠房設(shè)計等等，減小輻射 聲功率環(huán)境聲學(xué)應(yīng)用?評價來

11、自高速公路、廠房等的噪聲沖擊?設(shè)計優(yōu)化的隔聲屏障和障礙物（位置、長度、高度、材料等等） 室內(nèi)聲學(xué)應(yīng)用?評估混響時間?評估和優(yōu)化公共建筑內(nèi)的語音清晰度（地鐵站、機(jī)場候機(jī)樓、大型商場等等） ?選擇理想的揚(yáng)聲器安放位置?噪聲掩蔽系統(tǒng)的合理安置（比如圖書館） ?最少化昂貴的吸聲材料耗費(fèi)，降低成本 ?開放區(qū)域的語音清晰度和私密性研究（銀行、開放式設(shè)計室等等） ?音樂廳聲學(xué)設(shè)計（清晰度、可達(dá)性、混響、等等）?漫散屏設(shè)計和安置?不同房間布局的聲學(xué)方案對比 各組成模塊的結(jié)構(gòu)框圖 分別按下述四個方面對各模塊逐一說明： 主要功能概覽Graphical User Interface 圖形用戶界面?基于OSF/Mot

12、if或者M(jìn)S-Windows的圖形界面? 直觀的下拉菜單? 帶菜單快捷鍵的工具條? 可以定制的工具條? 在線聯(lián)機(jī)幫助Geometry Interfaces 幾何接口? DXF 格式 , 包含層信息?支持絕大多數(shù)的CAE幾何文件格式Input data 輸入數(shù)據(jù)?幾何輸入支持組的定義和屬性編號 ?點(diǎn)選、框選、自由選擇?封閉 和/或 開放的幾何模型?根據(jù) Harris 模型的空氣吸聲?材料屬性支持 1/3 倍頻程或者頻率表格 ?支持吸收系數(shù)、散射系數(shù)、透射系數(shù)?包含材料數(shù)據(jù)庫 ?點(diǎn)、線、面板聲源（附加到多邊形側(cè)面）?支持聲源方向性圖輸入，橫向和縱向極坐標(biāo)表格?支持相干 / 不相干聲源?場點(diǎn)：點(diǎn)、線

13、、面、圓、圓柱、球面、六面體Analysis 分析求解?高效的虛源法搜索引擎（圓錐束和三角束法）?基于聲線跟蹤方法的多階擴(kuò)散反射?連續(xù)尾部修正?聲源和虛源衍射?相干聲源窄帶分析?面板聲源方法模擬透射?可調(diào)整計算參數(shù)，比如聲線數(shù)、反射次數(shù)、時間窗等等 ?使用平均自由路徑迅速統(tǒng)計計算混響時間?同時計算標(biāo)準(zhǔn)圖、頻響函數(shù)、回聲圖等等?豐富的聲學(xué)結(jié)果序列：SPL（聲壓級）,STI （語音清晰度）,RT60（ 60ms混響時間）,等 等Postprocessor 后處理?模型材料和聲學(xué)結(jié)果的可視化表示?圖形結(jié)果：云圖、等值線、變形場等等?頻響函數(shù)結(jié)果：帶各種選項(xiàng)的 XY曲線圖（計權(quán)dB, FFT變換等等）

14、?回聲圖結(jié)果，可在幾何模型上繪制聲線路徑圖Auralization?雙耳脈沖響應(yīng)?消聲室錄制好的干信號相卷積輸出：WAV, AU, AIFF 等格式關(guān)于本軟件的其它說明：RAYNOISE是比利時聲學(xué)設(shè)計公司 LMS開發(fā)的一種大型聲場模擬軟件系統(tǒng)。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(xué)行為加以模擬。 它能夠較準(zhǔn)確地模擬 聲傳播的物理過程,這包括：鏡面反射、擴(kuò)散反射、墻面和空氣吸收、衍射和透射等現(xiàn) 象并能最終重造接收位置的聽音效果。 該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于廳堂音質(zhì)設(shè)計、工業(yè)噪聲 預(yù)測和控制、錄音設(shè)備設(shè)計、機(jī)場、地鐵和車站等公共場所的語音系統(tǒng)設(shè)計以及公路、 鐵路和體育場的噪聲估計等

15、。RAYNOISE系統(tǒng)的基本原理RAYNOISE系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上也可以認(rèn)為是一種音質(zhì)可聽化系統(tǒng)(關(guān)于“可聽化”，詳見參考文獻(xiàn) 1)。它主要以幾何聲學(xué)為理論基礎(chǔ)。幾何聲學(xué)假定聲學(xué)環(huán)境中聲波以聲線的方 式向四周傳播，聲線在與介質(zhì)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(xué)環(huán)境當(dāng)作線性系統(tǒng)，則 只需知道該系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)就可由聲源特性獲得聲學(xué)環(huán)境中任意位置的聲學(xué)效果。 因此， 脈沖響應(yīng)的獲得是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。以往多采用模擬方法，即利用縮尺模型來獲得脈沖 響應(yīng)。 80 年代后期以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)正逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。 數(shù)字技術(shù)

16、的核心就是利用多媒體計算機(jī)進(jìn)行建模， 并編程計算脈沖響應(yīng)。該技術(shù)具有簡 便、快速以及精度可以不斷改善的特點(diǎn)，這些是模擬技術(shù)所無法比擬的。計算脈沖響應(yīng) 有兩種著名的方法：虛源法( Mirror Image Source Method，簡稱MISM和聲線跟蹤法(Ray Tracing Method,簡稱RTM。兩種方法各有利弊1。后來，又產(chǎn)生了一些將 它們相結(jié)合的方法，如圓錐束法(Conical Beam Mehtod，簡稱CBM和三棱錐束法(Triangular BeamMethod，簡稱TBM。RAYNOISE將這兩種方法混合使用作為其計算 聲場脈沖響應(yīng)的核心技術(shù)。RAYNOISE系統(tǒng)的應(yīng)用RAYNOIS可以廣泛用于工業(yè)噪聲預(yù)測和控制、環(huán)境聲學(xué)、建筑聲學(xué)以及模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計等領(lǐng)域，但設(shè)計者的初衷還是在房間聲學(xué)，即主要用于廳堂音質(zhì)的計算機(jī)模擬。進(jìn) 行廳堂音質(zhì)設(shè)計， 首先要求準(zhǔn)確快速地建立廳堂的三維模型，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到計算機(jī) 模擬的精度。RAYNOISE系統(tǒng)為計算機(jī)建模提供了友好的交互界面。用戶既可以直接輸入由AutoCAD或 HYPERMES等產(chǎn)生的三維模型，也可以由用戶選擇系統(tǒng)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 RAYNOIS；E ( 2)選擇模型； (3)輸入幾