计算机声场模拟软件ODEON 及其应用

彭庆 傅荣

（1、中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100 2、中国海洋大学新闻中心，山东 青岛 266100）

1 引言

长期以来，室内声学设计一直都是建筑声学领域内的一项技术难题。由于声音在建筑内传播和衰减比较复杂，容易造成建筑完工后声学质量难以达到预期标准，而后续的补救措施受到建筑整体结构的限制有很大的局限性，同时也会造成人力物力的浪费。近年来，随着声场数值计算理论、计算机软硬件技术和信号处理理论的快速发展，数字室内声场模拟技术有了很大的突破，已经出现了一大批得到广泛应用的声场模拟软件，如丹麦的ODEON、德国的EASE、瑞典的CATT 等等。这些软件和技术能够准确的在建筑结构建成之前仿真模拟出设计方案的音质效果，为建设施工提供有效的指导。下文结合实际应用，介绍计算机声场仿真软件ODEON 的特点及其应用。

2 计算机声场模拟软件ODEON 简介

2.1 ODEON 软件的准确性

在上世纪90年代初期，德国声学学会建筑声学技术委员会发起并组织了一次欧洲7个国家的12个单位的室内声场模拟软件的评比，在16个被测试的软件中ODEON 软件的早期版本ODEON2.5 被评为准确度最高的三个软件之一[1]。在长期的应用发展中，ODEON 软件不断进行改进，保证了软件的精确性和准确度。

2.2 ODEON 软件的特点

2.2.1 ODEON 软件是个不断发展的软件。从早期的ODEON1.0 版本，经过20余年的发展，ODEON 软件在其间经过很多版本的演变，目前最新的版本是ODEON9.1 版本（根据不同的应用方向又有Industrial、Auditorium 和Combined 三个子版本）。

2.2.2 ODEON 软件可在 Windows95、98、NT、2000 以及Windows XP 操作系统下均可运行，程序基于MDI 方式，可运行于窗口环境下，具有有好的用户界面和较强的图形编辑能力。

2.2.3 ODEON 软件提供多种建模方式。ODEON 提供 ODEON Editor 和ODEON Extrusion Modeler 两个工具行进建模，同时ODEON 还有多种CAD 接口，可以直接将CAD图纸文件通过接口直接导入到ODEON 软件中来。

2.2.4 ODEON 软件对于吸声材料的使用数量没有限制，ODEON 软件吸声材料数据库中中有上万种材料的吸声参数，同时也允许用户修改吸声材料的吸声系数和散射系数。

2.3 计算机声场仿真的基本原理

ODEON 软件的计算机模拟算法是以几何声学为基础，即声波的传播和能量的衰减过程用声源发出的大量声线或声源对反射界面所形成的各级声像来描述，主要涉及到两种经典的模拟方法:声线跟踪法和虚声源法。

2.3.1 声线跟踪法

在室内声环境下，声源通过向四中均匀发出的大量声射线传播能量，声射线与壁面碰撞发生发射使得能量衰减和传播方向改变。对于任意一根声线，根据概率论知识在碰撞点一部分做镜面发射，一部分做扩散反射。该声线沿着新方向继续前进，每次碰撞后能量减少为原来的（1-α）倍（其中α为界面的吸声系数），当声线能量低于预先设定的阈值时，计算机停止对该声线的跟踪。重复以上过程直至所有的声线都被跟踪完毕，就能确定这个声场的空间分布。

2.3.2 虚声源法[2]

声源在封闭空间的各个壁面的对称点上都存在着它的“像”，称之为一级虚源；该虚声源又可在其他壁面类似地找到它的下一级虚声源，称之为二级虚源，以此类推。如在图2 中，S1，S2，S3，S4，S5是声源S 在各个壁面上产生的一级虚声源；S21是一级虚声源S1 产生的二级虚声源；S31是二级虚声源S21 产生的三级虚声源。各级虚声源的能量取决于它得以产生的壁面的吸声系数和该虚声源的级别。当球的全部虚声源的位置及能量后，就可以把声源对于接收点的贡献等效于各级虚声源的贡献之和，这样就能确定整个空间的声场状况。

ODEON 软件采用了声线跟踪法和虚声源法的混合方法[3]，它吸收了两种经典算法的优点，软件算法中，将模拟分成直达声及早期反射声和后期反射声两部分，对不同的阶段采取不用的模拟方法使得模拟结果与实测结果更具可比性，实现了计算精度和计算效率上的兼顾。

3 基于ODEON 的计算机声场仿真实例

利用ODEON 软件进行模拟分析，首先要对待模拟的建筑进行三维建模，模型的建立可以利用ODEON 软件自带的CAD 接口直接导入CAD 图纸文件也可以利用ODEON Editor和ODEON Extrusion Modeler 两个工具行进编程建模。建模完毕后可以利用ODEON 中的声粒子或声射线分析模型是否封闭是否有重叠的面。接下来要对仿真模拟工作的各项参数进行设置，如声源和接收点的个数位置指向性等、仿真的精确度、各种吸声材料的吸声散射系数、网格点的设置等等。最后仿真计算得出各种参数图表，后续还可以加入HRTR（人头传输函数）进行声场可听化分析。

下面笔者应用ODEON 软件对建设中的某中型阶梯礼堂进行初步的声场模拟分析。此礼堂平面呈矩形，观众区采取阶梯式对称布置。此礼堂多用于会议和学生业余表演，室内声学质量的要求为混响时间适中、直达声清晰、混响声的比重由电声调节。由此，得出声学设计的方案为礼堂后墙屋顶和舞台台口以反射为主曾加声音的清晰度和声场均匀度，两侧侧墙以吸声为主调节混响时间[4]。利用ODEON 软件对该礼堂进行声场模拟，将声源设置在舞台的中央，在观众区均匀设置9个接收点，模拟结果如下：图2为9个接收点的混响时间T30 的在63 到8KHz之间的平均值，图3 为礼堂的网格布置接收点语音清晰度D50 的分布。本工程将随着建筑施工的进展，进行多阶段的声场模拟分析以及现场测量，及时提出更全面优化的设计分析。

4 总结

计算机声场模拟软件ODEON 具有应用灵活、界面友好、精确度高等特点，有效的利用ODEON 软件可以大大的提高室内声场音质控制的水平，能大大的降低建设的难度和时间，同时ODEON 软件的仿真结果能够供进一步分析及时优化设计方案，为施工提供科学的指导。可以预见，随社计算机声场模拟仿真技术的发展和应用的不断扩大，势必会给建筑和声学设计领域带来一场新的技术革命。

[1]王静波.室内声场计算机模拟软件ODEON 在声学设计中的应用.声学技术，2003(04):236-239.

[2]曾向阳.声场一体化原理及应用.西安：西北工业大学出版社，2007，78-106.

[3]Clause Lynge Christensen.Odeon room acoustics program,version 9.0,User Manual[Z].Industrial,Auditorium and Combined Editions,2007.

[4]马大猷，沈豪.声学手册.北京：科学出版社，2004.