声学课程原理验证仿真实验研究
王杰，颜霖煌，陈运达，陈依琳，唐冬
（广州大学 机械与电气工程学院，广东 广州）
摘 要： 本文以镜像反射原理为例，研究利用虚拟仿真声学辅助软件EASE对声学原理进行验证仿真，建立验证性实验项目，促进学生对声学原理更深入的了解以及更好地掌握声学辅助设计软件。本文的工作也对其他声学内容的虚拟仿真实验设计提供了较好的借鉴。
关键词： 声学辅助设计；虚拟仿真；镜像反射原理
一 引言
声学是一门与人类生活息息相关的科学，它直接影响着生活的品质、身心的健康等，良好的声学环境、优质的音质设计已成为当前声学研究领域不可忽视的两大主题。目前高校声学类课程的实验课程设置基本均为传统的物理方式，较少采用计算机软件来进行虚拟仿真，然而虚拟仿真已经在一些学科的课程教学中开始发挥作用[1,2]。在国内外科研领域和工程领域中，近些年一些高性能的声学模拟软件却得到了越来越普遍的应用，如声学模拟软件EASE4.3[3]（德国）、室内声学程序Odeon9.0[4]（丹麦）、室内声学预测软件CATT 8.0（瑞典）、声学预测软件Ramsete（意大利）等，这些软件大多能够对ISO 3382规定的一些声学参量进行模拟计算，从而也具备可听化功能。其中EASE软件在工业界使用比例最高，尤其在国内占据了绝对份额。采用这些高性能软件来进行声学课程的辅助教学和实验能更好地揭示科学机理[5]，可以不受限于实验条件和场地限制来进行参数和方案调整等，从而更简便地获得最佳方案。
本文以镜像反射原理为例，本文研究利用虚拟仿真声学辅助软件EASE对声学原理进行验证仿真，建立验证性实验项目，促进声学类课程的教学，培养本科生利用虚拟仿真软件解决声学工程问题的能力。
二 镜像反射原理实验项目设计
（一）实验原理
图1 镜像原理示意图
声波在前进的过程中遇到光滑的表面便会发生镜面反射，对于无限大刚性壁前脉动小球源的辐射声场，可以看成该声源还有在以刚性壁界面为轴的另一边对称位置上的“虚声源”一起产生的组合声场，如图1所示。脉动小球源所发出的声波界面为球面波振面，与平面分界面存在形状上的不一致，如果直接根据球面波振面来求解反射声波，并且既要满足波动方程又要满足垂直于平面分界面上的振动速度为0的边界条件的解，在数学计算中，十分困难。镜像原理将刚性壁所发挥的作用等效成一个虚拟声源的作用，使得计算简化。在EASE中将加入反射面之后的声压与没有反射面的声压进行对比，研究当反射面个数分别为一面、两面、三面时的声压变化及其规律，以验证镜像原理。
（二）实验设计
由于EASE软件所要求的建模必须为封闭的房间，因此无法做到在EASE软件中只用一个平面来研究镜像反射原理。而为了消除其它面的影响，应将声源放置于离其它墙面超过十倍波长的地方，折中之后可选择以40m作为房间的长、宽、高，这样既可减小其他墙面对运算的影响，也避免设置太大的房间而导致运算耗时太长。完成模型建立后，首先将所有墙壁设置为默认的全吸声材料。
1.单个刚性面的镜像反射设计及仿真分析
存在一个刚性面（吸声材料设为“MIRROR”）的镜面反射时，为了最大程度消除其他面的影响，应将扬声器置于该面的中心位置，这样与其它面的距离才能达到最大。同时，根据镜像原理，应将声源与墙壁（选为顶面）的距离尽量接近，本次实验选为0.2M。对选择顶面的说明：由于EASE软件本身存在一定的缺陷，在用底面进行实验的过程中，发现当声源低于听声面高度的时候，软件将无法对听声面进行运算，因此将顶面作为测试面，这时听声面在z轴的高度将低于声源的高度。
2）带反射运算模式下的直达声声压级与不带反射运算模式下的直达声声压级对比可以发现，前者的数值明显比后者的数值大。而根据直达声的概念，理论上这两者应该相同，由此可推断镜面MIRROR的存在影响了EASE中带反射运算模式下对直达声声压级的计算结果，但也从侧面反映了镜面的存在确实使得声压级变大了，而鉴于不带反射模式下存在MIRROR反射面的直达声声压级与设置房间全吸声的情况下的直达声声压级数值相同，因此不带反射的直达声声压级参考价值较大，并可作参考；
业务层面控制是内部控制具体实施，是各种控制措施和要求的集成，为达到特定的目标而由不同的岗位分别共同完成的一系列活动。活动之间不仅有严格的先后顺序限定，而且活动的内容、方式、责任等也都必须有明确的安排和界定，以使不同活动在不同岗位之间进行转接成为可能，构成闭环系统。目前，业务层面控制活动一般应包括：生产、销售、采购、成本、资金、资产、工程、担保、合同、信息管理等方面。控制措施一般应包括：不相容职责分离控制、授权审批控制、会计系统控制、财产保护控制、计划控制、预算控制、合同管理控制、资金支付控制、信息技术控制、运营分析控制和绩效考评控制等，每一项控制措施独立或组合用于各类活动中。
1）当设置反射面为理想反射面体时，选择不带反射的运算模式时，直达声声压级与总声压级在每个频率的值与设置房间为全吸声面时的值一样，说明了不带反射的运算模式下只计算直达声声压级，而不考虑镜面的反射；
由表1可知：
扬声器均应选择无指向性扬声器，即默认的“SPHERE”。
在EASE中运用带反射的和不带反射两种运算方式对房间声学参量进行二维运算。点击主界面菜单“Calculations”，选择“Area Mapping”，打开标准运算界面，选择菜单的“Mapping”，分别选择带反射和不带反射运算，选择扬声器S1在声源附近的测试点1上进行计算，得到Direct SPL以及Total SPL数据如表1所示。
在调整值尽量向0逼近以后，我们将用一个最大的范围窗口τi涵盖所有的调整值，图6描述了这个过程，范围窗口在x轴上滑动.因为y轴代表了在所有采样中相应的调整值，范围窗口涵盖的调整值就是在这个窗口内所有调整值的总和.为了提高芯片的良率，我们选用可以涵盖最大数量调整值的范围窗口.这样的话，调整值范围的下限由最小值决定.
表1 测试点上有1个镜面反射时带反射标准模块与不带反射标准模块运算数据
经过多年发展，我国气象观测能力已经得到很大提高。随着技术进步，气象观测能力进一步发展成为可能。需强化各项技术的应用，加强管理，提高气象工作人员的业务能力，实现地面综合气象观测能力的进一步提高，从而实现我国气象事业的进一步发展和促进农业经济发展。
3）房间的直达声声压级为104.21dB的情况下，对比房间总声压级与直达声声压级的值发现，响总声压级总是比直达声声压级大1.17dB，该实验结果符合镜像原理所指出的镜面反射后达到测试点的声压会大于没有镜面反射时的声压，及总声压级比直达声声压级大的那部分，为经过反射在此达到测试点的声压。
由试验数据可知，测量温度波动是造成试验数据误差的主要原因.聚苯乙烯泡沫板的5次传热系数的测量平均值为0.890 W/(m2·K)，真空玻璃的5次传热系数测量平均值为3.105 W/(m2·K).当测量温度波动大于0.2 ℃时，试验数据明显偏离平均值，且偏离越大，误差越大.
2.多个刚性面的镜像反射设计及对比仿真分析
因此，他希望医院服务中心继续努力，一方面通过患者宣教，尽力说服患者不要太早到达医院，在控制院内人流的同时也能减少交叉感染风险；另一方面通过服务流程改造，进一步压缩患者在院内停留时间。
存在两个刚性面（吸声材料设为“MIRROR”）的镜像反射时，同理，声源距两个面的距离尽量接近（也均选为0.2M），同时要尽量减小其它面的影响；存在三个刚性面（吸声材料设为“MIRROR”）的镜像反射，扬声器距三面墙的距离均为0.2m。
通过EASE仿真得到分别存在一个、两个和三个刚性反射面时的数据，比较可以发现，在带反射的标准运算模块下，当没有镜面反射时，房间总声压级为104.22dB；当有一个镜面反射时，房间总声压级为105.39dB，比没有反射面时增加了1.17dB；当有两个镜面反射时，房间总声压级为106.32dB，比没有反射面时增加了2.10dB；当有三个镜面反射时，房间总声压级为108.43dB，比没有反射面时增加了4.21。根据镜像原理，当分别存在1个、2个、3个镜像面时，理想情况下能量成倍增加，而实际试验结果并没有增加这么多，首先是镜像原理是在无限大刚性壁的条件下提出的，而EASE只能研究封闭的房间，无法完全消除其他墙面的影响；其次，EASE采用的是声线追踪的方法，EASE实验结果也与声线数目有关，本次仿真选取了300条声线，即最终到达测试点的声压级为它们经过房间反射后平均的结果；以及也与仿真中选取的测试点位置有关。但随着反射面个数的增加，通过EASE仿真依旧可以得出测试点的声压级也随着镜面个数的增加而增加，从一定程度上镜像反射原理得到了有效的验证。
三 总结和展望
本文以镜像反射原理为例，研究利用虚拟仿真声学辅助软件EASE对声学原理进行验证仿真，对声学理论的虚拟仿真作出了有益的探索。笔者也用EASE对声柱中阵元距离与波长的关系对主瓣和旁瓣的影响所反映的声干涉现象原理进行了仿真、对室内厅堂的理论简正频率与EASE计算的结果进行对比验证，因篇幅所限，未在本文阐述。利用虚拟仿真软件对更多的声学原理进行设计是值得探索的方向。
参考文献
[1] 宁曦，陈省平，谢晓倩，等. 虚拟仿真实验在海洋科学实验教学中的应用[J]. 教育现代化,2018,5(14)：160-163.
[2] 蔺昕，王英刚，郑冬梅,等. 地方高校环境工程专业虚拟仿真实验教学思考[J]. 教育现代化, 2017,4(16)：65-66.
[3] 江腾浩.线阵列扬声器仿真应用研究[D].南京艺术学院,2018.
[4] 沈勇，乐意，等.大型厅堂的建筑声学设计方法研究[J].南京大学学报（自然科学）,2011,47(02)：208-217.
[5] 胡国祥.大型展厅展厅声场特点及语言清晰度研究[D].华南理工大学,2012.
本文引用格式： 王杰，等.声学课程原理验证仿真实验研究[J].教育现代化,2019,6(65)：136-137,154.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.65.060
基金项目： 本文受广州大学教育教学研究项目（JY201848）、广东省教育厅教研项目（教学团队、联合培养研究生示范基地、2015JGXM-ZD22、JY201603、2018A103415）。
作者简介： 王杰，女，汉族，湖北荆州人，博士，教授，研究方向：声信号处理与语音信号处理。
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