1、第十五章 扩声系统的计算机辅助设计和系统调校、测试工具各类扩声音响系统的声场分布设计和声学特性计算一直是系统设计师最感困惑的事，既复杂又费时，与工程完成后的实测结果存在不小差距。扩声系统的传统设计方法都是根据扬声器系统的特性和布局，采用经典公式，用人工计算方法对典型的几个特殊位置进行直达声和混响声等参数计算，由于各扬声器声源存在相位差，靠经典公式计算很难得到多个声源叠加的准确公式。此外房间界面的吸收与反射也难以获得精确数据。如果系统最后的调试又未能到达最正确值，那么实际完成的声学特性与设计结果出现差距就缺乏为奇了。计算机辅助设计和系统测量、调校软件终于突破了系统设计和系统测试中的世界性难题。使
2、优秀性能的音响器材发挥出应有的优良特性，实现系统最正确调校。并能在工程实施之前就可预听到工程完成后现场任何位置的音响效果。采用计算机声学软件进行声系统设计现已成为各音响工程公司前期设计工作的主要手段。用计算机做声场数据分析报告3D彩色图、建声设计和最后音响效果的评估已成为音响工程投标过程中的重要技术依据。早在20世纪80年代初，尽管那时的计算机技术水平还是在昂贵的“386时期。美国JBL专业扬声器公司根据系统开展的需要，率先开发了CADPComplex Array Designer Program/复杂扬声器阵列设计师程序的声系统设计应用软件。该软件在1986年5月为1988年汉城奥运会主会场
3、进行了系统声学设计，并取得了成功。随着计算机技术的飞跃开展，JBL公司又对这个应用软件升级为CADP2，它的设计内容更为丰富，数据库中不仅储存了JBL全部扬声器产品的数据模型，同时还提供了世界上著名品牌如EV、ALTEC、EAW、TOA和COMMUNITY等扬声器的局部数据模型，供系统设计时选用。CADP2提供的有限脉冲响应滤波器FIRFinit Impulse Response filter并以ASII文件形式输出，通过Hpersignal-Acoustic听觉信号软件作卷积运算，可模拟预听厅堂中任一位置的音响效果。美国BOSE公司在80年代初也开发了名为Modeler声学设计软件和Audi
4、tioner模拟预听系统，如图15-1所示。图15-1 Bose的Modeler设计软件和Auditioner预听系统(a)Modeler的声压分布图 (b)AuditionerII预听系统1984年春，德国ADA公司的声学工作者Rainer Feistel&Rostock在很多扬声器专业公司的大力支持下开发了在DOS环境下运行的EASEEnhanced Acoustic Simulator for Engineers高级声学工程模拟软件。90年代后期由原来的EASE 2.0版本开展到现在的WINDOWS操作系统下的EASE 4.0版本，并把高级反射模拟预听软件EARSEnhanced Aur
5、alization Reflectogram Simulator合并在一起，使它具有更丰富的新特性和更易操作的界面。EASE/EARS 4.0采用开放式数据库结构，不但本身储存了各种著名品牌扬声器的数据模型和建声材料数据，而且还可输入任何扬声器的数据和任何建声材料数据，供系统设计时选用。同时还支持与其他专业公司同类软件的数据文件相互转换，如JBL的CADP2、EVI的Audio/Acousta CADD等。用EASE 4.0软件计算出来的各项声学评估参数与工程完成后的实际测试结果非常相似，误差可精确到2dB。因此被广泛采用。如果说良好的系统设计是系统音响效果的根底，那么最正确的系统调校和测量是
6、系统音响效果的保证。为获得精确的最优化的系统调校，充分发挥系统中各设备的潜力，1996年美国JBL公司与SIA软件公司联合开发了JBL Smaart 1.0现场测量、分析和系统优化控制的计算机软件模块。2023年经屡次升级推出了功能更为强大的SIA Smaart Live 4.0版的应用软件，使它成为优化专业音响系统调校和测量必不可少的最先进的工具。本章将专门论述上面系统设计和系统调校工具两者的原理、功能和应用方法。15.1扩声系统的计算机辅助设计15.1.1计算机应用软件在系统设计中可解决哪些问题？1、选择扬声器和确定安装位置根据扩声系统的功能和需要到达的声学技术特性指标，选择适宜的扬声器或
7、扬声器组合以及它们的安装位置。2、声场设计计算计算扩声系统声音覆盖区内的最大声压级、声场分布不均匀度和传输频率特性，并用3D彩色图表达计算结果。3、计算各听众位置的直达声、直达声+混响声和直达声与混响声的声能比D/R。根据计算结果，可提出改良扬声器的布局和安装位置，或重新选择扬声器类型。4、计算房间混响时间RT60和优化建声设计混响时间RT60是听感效果的重要条件。过小时，声音变“干，不饱满；过大时，会产生隆隆声，声音浑，听不清。不同用途的扩声系统都有最适宜的混响时间要求，通过计算，采取适当的建声技术措施，最终可到达满足要求的RT60。在软件设计中还可根据要求的RT60，通过内部运算可自动找出
8、数据库内的吸声材料配置。5、消除反射回声通过Level-Time-Path声压级-传播时间-传播途径或声线法，可找出高于3次反射的强反射声的传播途径及其相应的反射面。利用这个特性可确认有害的回声现象，并通过更换反射面的吸声材料消除反射回声。此外，通过声音传播时间的计算，确定各声源扬声器需插入的延时量，使各声源的声音能“同步到达观众区，提高声音的清晰度。6、声音清晰度计算为满足不同节目的清晰度要求，声学设计软件可用辅音清晰度损失Alcons%Percentage Articulation Loss Of Consonanls、快速说话传递指数RASTIRapid Speech Transmiss
9、on Index和透明度C值测量等3种方法表达。7、声音预听在上述各项设计完成后，预听软件可在建立的模型中播放预先录制的节目。用户可通过计算机的监听扬声器或立体声耳机收听到扩声系统效劳区内任何一个指定位置的声音效果。如果计算机内的虚拟模型建得非常精确，那么在工程实施之前预听到声音效果与工程完成后现场的声音效果非常接近。15.1.2 JBL-CADP2 系统设计软件CADP2是一种在Windows 95 系统版本以上操作系统运行的系统设计软件，它可完成RT60混响时间计算、直达声场计算、反射声场计算、直达声+反射声场计算、直达声+混响声场计算、直达声与混响声声能比D/R计算、传输频率特性计算、L
10、TP声压级传播时间传播路径计算和清晰度计算Alcons%等。1、 CADP2的三个根本功能设计程序1建立房间声学模型为什么要专门创立房间的声学模型呢？它与建筑设计图有何不同呢？这是因为： 建筑图通常提供的是两维空间的图形，它不能涉及全部声学空间。声学特性计算程序需要涉及全部声学空间的三维空间3D图形。 建筑图通常包含与声学特性不相关的信息；声学模型不需要包括比声波波长更小尺寸的物体。 声学模型要求房间的外表结构为平坦的外表，这是因为模仿声波传播只能限于平坦的外表，因此在声学模型中曲线的外表只能用一系列的小块平面近似表达。 声学模型要求每个平面设有外表吸声的信息吸声材料，建筑图就没有此信息。CA
11、DP2的房间声学模型由四个视图表示：第一象限为：斜轴测图立体图，第二象限为顶视图俯视图，第三象限为正面视图，第四象限为侧视图。如图15-2所示。图15-2 房间的四象限声学模型图通过键盘或鼠标输入建筑图中的房间三维尺寸。用FLIE目录下的NEW命令创立声学模型，单击TOOLSNEW PLANE 命令就可以作图了。2安装、定位和瞄准选定的扬声器组或扬声器阵列 根据扩声工程的使用功能、效劳区的范围和供声方案选定扬声器组或扬声器阵列，然后在房间声学模型中安装、定位和瞄准这些扬声器。CADP2可把多个扬声器箱叠积在一起组成扬声器组或扬声器阵列，并把这些扬声器组或阵列可作为单个扬声器装置来处理，进行定位
12、、瞄准，储存和检索。如图15-3所示。从软件数据库中取出相应扬声器产品的各项数据，输入到安装好的扬声器系统中，并赋予适当的驱动功率，即可开始各项声学参数的计算。图15-3 扬声器组的定位图15-4和图15-5是把扬声器装置的波束射线简称声线从房间的边到边和从房间的前到后进行扫描试验，初步决定扬声器的安装角和观众区的覆盖范围。图15-6是扬声器安装角的调整。图15-4 扬声器波束的前后覆盖范围图15-5 扬声器波束的左、右覆盖范围图15-6 扬声器安装角的调整3声学特性的计算和显示CADP2提供直达声、反射声和混响声场的计算。采用功率相加或平均值相加法进行声源合成。用颜色表达房间各位置的声压级。
13、用户可调整图面的分解度和参考刻度。并把多个扬声组成的扬声器组合可作为单个扬声器来处理，这里涉及多声源扬声器声功率的合成问题。 多声源功率的求和方法在声场设计中，首先遇到的是在房间中任何位置听到的声源是如何相加合成的。CADP2设计软件引入了两种声音功率合成方法。功率求和法power Summation功率求和法的前提是两个声源之间的距离大于10倍声波波长，此时各声波到达听众位置的相位是不相关的，可用均方根求和合成声功率： (15-1)式中：Pj为单个声源的声功率，单位为瓦W。从式中可看到，两个相等声功率的声波，它们的合成功率比单个声源的声功率增加3dB即增加一倍功率。声压级增加6dB。功率求和
14、法的特点是快捷、简单，但没有考虑复杂信号的合成结果。如果用同一个信号源驱动两个靠近的扬声器其间距离为声波的分数波长，此时到达听众位置的信号应考虑是相关的。因此它只能完成声功率合成的近似结果。复杂信号的平均值求和Average Complex Summateon/ACSACS是一种采用全频段信息的处理方法。引入了听觉测试中可表达声音响度和音色的倍频程或1/3倍频的测量方法。对倍频程或1/3倍频程频带的信号进行真实有效值的复杂求和。 声学特性的计算和结果显示由于声学特性计算的项目很多，每个项目又有不同频段的计算，为使这些计算不产生混乱，计算层的管理显得十分重要。CADP2保持现代软件设计的理念，允
15、许用户在数据输入和操作中使用透明层管理概念。CADP2采用三种层面类型工作：房间声学模型、扬声器组和特性计算。每个层面可形成一张透明胶片的概念，并且总是可以相互调整，在任何时间都可删除，修改和上下移动。任何层面可以被隐匿，以显示其他层面上被遮蔽的细节。计算结果以彩色等级在各视图中显示。2、 声学特性计算1混响时间RT60计算房间混响时间是影响听觉效果的重要参数。CADP2可对已有外表装饰设计的房间进行混响时间计算，也可根据房间用途要求的混响时间，输入房间各外表吸声材料的吸声数据，然后计算RT60，计算结果由图15-7所示的曲线显示。混响时间可根据吸声面积的大小和房间的容积等数据，根据平均吸声系数的大小，可选用赛宾Sabine费兹罗伊/赛宾Filzoy/Sabine、诺斯-埃林Norris-Eyring和赛宾/诺斯-埃林Sabine/Norris-Eyring等4个常用公式计算。计算结果由图15-7所示的曲线显示。图中各条曲线由上到下依次是：目标值、Filzroys、Sabine、FilzroyNE和Norris-Eyring公式计算的结果。