基于輻射度方法的聲場仿真.pdf

1、作為一種室內(nèi)聲場仿真方法，(聲學(xué))輻射度方法是建立在幾何聲學(xué)基礎(chǔ)上的一種邊界元方法。論文對該方法本身以及利用其研究建筑空間聲學(xué)特性這兩方面都作了一定的工作。論文包含兩個(gè)主要部分，第一部分從第二章到第四章是對輻射度方法本身的研究，包括理論和實(shí)驗(yàn)研究；第五、六章則用輻射度方法對一些特殊建筑空間類型的聲場特性進(jìn)行了研究。 第二章通過把時(shí)間因子引入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的渲染方程，得到了可用于室內(nèi)聲學(xué)的“與時(shí)間相關(guān)的渲染方程”。利用不同的雙向反

2、射分布函數(shù)，該渲染方程不但可以推導(dǎo)出前人在聲學(xué)領(lǐng)域中提出的描述理想擴(kuò)散反射界面的經(jīng)典輻射度方程以及將經(jīng)典輻射度方程拓展后描述理想鏡面反射的輻射度方程，而且為發(fā)展描述一般的界面反射方式的輻射度方法提供了理論基礎(chǔ)。 第二章的另一項(xiàng)主要工作是對輻射度方法的并行實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了初步研究，給出了輻射度方法的三種并行實(shí)現(xiàn)并分析比較了它們的效率。本文的工作可進(jìn)一步優(yōu)化開發(fā)輻射度方法的并行算法以及分布式運(yùn)算提供參考。為了優(yōu)化算法、盡可能降低輻射度方法

3、的運(yùn)算量，第三章在前人的理論基礎(chǔ)上提出了房間聲能衰變時(shí)具有的聲場松弛的概念，并給出衡量聲場松弛程度的測度。這些測度建立在本文提出的松弛角及其衰變的概念之上。在比較了一系列房間聲場松弛特性后，提出了建立在聲場松弛特性上的松弛判據(jù)，用來判定結(jié)束輻射度運(yùn)算的時(shí)間。研究表明，在房間界面吸聲系數(shù)不是非常高、房間形狀也不是特別不規(guī)則的情況下，相比前人通常使用的能量判據(jù)，松弛判據(jù)能有效地縮短運(yùn)算時(shí)間。 作為對聲場松弛的深入研究，第三章提出了聲

4、場松弛性質(zhì)、提出并證明了與之相關(guān)的松弛擴(kuò)展定理。運(yùn)用松弛擴(kuò)展定理，可以把一開始局限于房間界面上所有點(diǎn)處的聲能衰變上的松弛性質(zhì)拓展到更一般的情況，例如，房間中任意一組受聲點(diǎn)處的聲能衰變具有的松弛性質(zhì)。 第三章最后對一個(gè)給定房間中松弛角的衰變特性進(jìn)行了研究。研究表明，給定房間中松弛角衰變率并不唯一，而是與房間中初始聲能分布有關(guān)。第四章在一個(gè)界面高度擴(kuò)散反射的模型房間中對輻射度方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。針對兩個(gè)聲學(xué)參量——穩(wěn)態(tài)聲壓級SPL與

5、穩(wěn)態(tài)混響聲壓級SPLr一一進(jìn)行了實(shí)測結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的對比，其中參量SPLr是前人的實(shí)驗(yàn)研究中未曾涉及過的。結(jié)果表明兩個(gè)參量隨受聲點(diǎn)變化的規(guī)律與輻射度方法仿真計(jì)算的結(jié)果高度一致。 作為輻射度方法在建筑聲學(xué)問題上的應(yīng)用，第五章研究具有擴(kuò)散反射界面的球形空間的聲場特性。首先把輻射度方法的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與前人的解析結(jié)果進(jìn)行了對比印證。數(shù)值計(jì)算結(jié)果證明，在一個(gè)具有擴(kuò)散反射界面、界面吸聲系數(shù)均勻分布的球體中，位于球心的無指向性穩(wěn)態(tài)點(diǎn)聲源在

6、球中引起的混響聲場確實(shí)是理想擴(kuò)散聲場。文章進(jìn)一步把界面鏡面反射與界面擴(kuò)散反射的球體中的聲場進(jìn)行對比，來深入探討具有擴(kuò)散反射界面的球體中的聲場特性，諸如球體中鏡面反射界面引起的聲聚焦被擴(kuò)散反射界面所消除的效應(yīng)。當(dāng)聲源偏離球心時(shí)，一般而言，難以通過解析方法計(jì)算脈沖響應(yīng)來進(jìn)行聲場研究，而本文則采用輻射度方法對這種情況下的聲場進(jìn)行了研究，計(jì)算分析了若干聲學(xué)參量在球體中的分布。例如，計(jì)算表明，當(dāng)聲源偏離球心時(shí)，擴(kuò)散反射界面仍然消除了球體可能引起的

7、聲聚焦效應(yīng)。 第六章對具有擴(kuò)散反射界面的圓柱形城市空間的聲學(xué)特性進(jìn)行了研究。研究圍繞幾個(gè)因素的變化而展開。因素包括處于廣場中心聲源高度、圓柱形廣場空間的平面尺度大小、地面吸聲系數(shù)的變化、側(cè)墻吸聲系數(shù)不均勻分布，以及地面具有鏡面或擴(kuò)散反射特性等。通過對脈沖響應(yīng)的仿真，計(jì)算與分析了若干聲學(xué)參量在廣場中的分布。該研究對理解此類空間的聲學(xué)特性提供了參考。例如，研究表明，擴(kuò)散反射的環(huán)形側(cè)墻沒有形成聲聚焦的現(xiàn)象；廣場一般具有較大的尺度，則來