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计算机辅助设计软件

发布日期:2019-03-25 浏览量:808次

1.计算机辅助设计软件的发展

早在1933年,德国人Spandock教授就试图在1/5的房间腔体模型内通过改变声源、传声器的位置来总结出混响时间以外的其他参数,可惜由于当时的技能能力所限,收获甚微,1965年Spandock等人在大型计算机中建立数学模型,开始了计算机参与室内声学设计的应用。

利用计算机对厅堂建声和扩声系统声学特性进行辅助设计的实用化系统软件源于20世纪80年代中期的美国,1986年,出现了商品化的室内声学计算机辅助设计软件,即一套由博世公司推出的,基于APOLE机上的软件,用于确定音箱最佳摆放位置,由于这套软件仅适合PA应用,而且库文件中只能使用博世本厂音箱的参数,因而未受到广泛的重视。90年代后期,国际上著名的音响生产厂商相继开发出多种建筑声学仿真CAD,计算机(辅助设计)软件,并不断完善计算方法和结果展示,这些软件的扬声器数据库中基本涵盖了世界著名音箱厂商的产品系列,以供设计工程师选用,其中最具代表性的有美国JB L公司的CADP2,美国博士公司的THE BOSE SPEAKER,丹麦技术大学的ODEON,美国MARKIV'S集团的ACOUSTA CADD和日本TOA公司与日本东京大学联合开发的CAD软件等,目前国际上最具盛名并被广泛采用的是德国ADA声学设计公司在90年代初期开始开发的通用数据库设计软件EASE,其后,EAW、EV、Turbosound、Mayer、RCF等都推出了自己的音箱位置、厅堂建声设计软件,但在这些软件的背后都有软件EASE的影子。

EASE声学CAD设计系统具有很好的可信度,其计算结果与实际测试结果比较接近,如果厅堂的建声数据足够准确,计算的数据与最终的电声实测结果相比较,其误差率可控制在正负1db之内,对工程设计而言具有很好的指导性,但是计算机声学建模不过是一个设计模拟的工具,从本质上讲它和计算器、尺一样,只是利用所提供的信息计算出结果,比如它虽然能显示出扬声器摆位在环境中的效果,但并不能分析放在何处最合理,计算机辅助设计软件对于专业的音响工作者而言是非常有效的工具,随着技术的不断成熟,软件在音箱工程设计安装调试中的应用会越来越广泛。

2.EASE软件功能

在扩声系统设计中,扬声器位置、安装角度、以及扬声器的组合等是决定扩声器设计质量的关键问题,在大型体育场馆、会场和剧场的扩声设计中,观众席的面积较大,所需扬声器的数量较多,为保证生产均匀度和其他扩声指标,扬声器的布局设计是十分繁琐和费时的工作,传统的方法是先根据经验和粗略的计算得出每组扬声器的大致覆盖范围,再根据测量结果进行调整,在这种设计方法中,因为缺乏足够的定量数据,所以扬声器产生的总体扩声效果很难在各扬声器安装之前得到准确反映。需要在扬声器的实际安装中做较大调整,这不仅影响了工程的进度,也增加了费用,因此针对具体的扩声工程,如何得到扬声器布局的优化方案,最大限度的发挥各扬声器的作用是扩声设计中需要解决的问题。

计算机模拟软件为解决上述问题提供了有效的方案。利用EASE进行辅助扩声设计的基本过程是在三维直角坐标系统中输入厅堂、观众席平面的各边界、方向等参数,建立听音环境的计算机三维模型→输入各扬声器的初步位置(X、Y、Z)、安装角度(俯仰角、水平角、旋转角)及扬声器的型号(含功率、指向性、频率特性等参数),建立扬声器布局方案的计算机模型→EASE计算、模拟出任意听音位置上频率响应、信噪比及各扬声器在此位置上产生的声压级大小等参量→根据计算、模拟的结果对扬声器布局方案的各参数(型号,位置,角度,功率等)进行调整,最终得出满足各项扩声指标的扬声器布局方案并由计算机输出,在计算机上对扬声器布置方案进行修改、调整不仅速度快,而且对各种方案的扩声效果可通过模拟准确直观的表示出来,便于对方案进行有针对性的调整。

在模拟计算中,EASE调出数据库EASE BASE中的扬声器参数,这些扬声器的参数包括灵敏度,三维指向性,最大功率,频响等。EASE的数据库EASE BASE是开放的,用户可对EASE BASE中扬声器的参数进行修改、更新,也可以增加库中没有列出的扬声器,使用户有更大的选择余地。

现在的EASE软件不仅可以对扩声系统进行计算机辅助设计,还可以对建声系统进行辅助分析,如厅堂音质的计算机模拟。厅堂音质的计算机模拟是当今建筑声学发展中一个引人注目的新技术,也是该领域中的研究热点,各种模拟算法及相应的软件相继推出,模拟的方法大致可分为声线法和声像法两大类,前者模拟速度快而后者模拟精度高,EASE混合使用两种方法,具有较高的精度,也大大降低了计算时间,可以在较低配置的计算机上进行音质模拟,与扩声设计相似,EASE先建立厅堂的三维计算机模型,即输入厅堂的各个面及其各频带的吸声系数,通过对厅堂中任意位置上脉冲响应的模拟计算得出一系列的厅堂音质参量,这样,在建筑设计的方案阶段就可以评价厅堂的音质,为厅堂音质的优化设计提供了客观的数据,EASE2.0以上版本增加了听觉模拟模块,对模拟得到的脉冲响应同“干”信号(语言或音乐)进行卷积计算,经外耳传输函数处理即可发出实际的音质效果,更有助于建筑师及声学工程师对设计方案的调整。

用EASE进行辅助设计,准确地建立厅堂的三维计算机模型是至关重要的,这关系到模拟的精度,实际的厅堂往往有几百个面组成,各个面所用材料的吸声性能也各不相同,所以建立模型的过程将十分复杂,对此设计了吸声材料及吸声系数的数据库供用户调用,这个数据库也是开放式的。

考虑到AutoCAD在建筑设计中广泛应用,EASE允许调用AutoCAD中建立的三维房间模型。

EASE设计软件的主要功率功能包括:

(1)显示建声特性中125~8000Hz间7个频率对应的混响时间。

(2)显示建声特性中125~8000Hz间7个频率对应的需要清晰度C50。

(3)显示建声特性中125~8000Hz间7个频率对应的音乐透明度C80。

(4)显示扩声系统直达声场的最大声压级和声场分布(不均匀度)。

(5)显示扩声系统混响声场的最大声压级和声场分布(不均匀度)。

(6)显示辅音损失率(辅音清晰度,Alcons)计算结果。

(7)显示语言可懂度(快速传递指数,RASTI)计算结果。

(8)显示扬声器至其声音覆盖区的直达声及多次反射声的“声域”路径。

(9)显示扬声器-3db/-6db/-9db覆盖范围角的声线图。

在设计阶段,利用EASE软件的上述功能,在提供一定建声条件(在厅堂几何尺寸确定的前提下,根据经验设定厅堂内表面的吸声材料)和一定电声条件(设定扬声器的型号,数量,摆位,角度等)下可以得到厅堂的建声、电声模拟效果及简单的分析,承接系统的设计工程师就可以给装修提出材料选用的建议,也可为扩声系统工程的一项安装调试提出指导性建议。

3.EASE软件版本

EASE是由德国学者Rainer Feistel& Rostock主持开发,德国ADA公司发行的全球现今最好用、最专业音响工程辅助设计软件。

从20世纪90年代初的1.0版到1995年推出的EASE2.13版,都是DOS版本,随后,AOA公司推出了Windows版EASE 3.0,从基本功能上讲,Windows版比DOS版大幅提升,如变成Windows界面外,扬声器数据精确度大幅提高,输出图形更加漂亮,很多操作和功能出现并细化,通过建立数学模型可以在计算机中以图形的方式完全模拟音响系统在实际场所安装后的效果,甚至可以播放用户指定听音区指定位置的模拟听音效果,在易用性和分析能力上有了明显提高。

在2.13版,EASE是“Electro Acoustic Simulator for Engineers”的缩写,意思是"工程师所用的电声工程仿真(模拟)软件"。自3.0版开始,EASE是"Enhanced Acoustic Simulator for Engineers"的缩写,意思是“高性能的声学工程仿真模拟软件”,一字之差说明后者比前者在性能上有了显著增强。

EASE 3.0包含多个版本,如DEMO版、JUNIOR版、FULL版、DEMO版只具备简单的查看功能而没有任何编辑和模拟的功能。JUNIOR版能建立和编辑模型,也能进行一般的模拟,但一些特殊功能除外,因此是个经济实用的版本,FULL版没有任何功能限制。

EASE 3.0在完成室内声学的辅助设计时所需要的参数分为声源及界面两大类,其中声源类参数主要是指音箱的声学指标,需说明音箱的指向性因数Q值、指向坐标(分辨率为5°)、频响特性(100Hz-10kHz,精确到1/3CT)、声中心等,在音箱生产厂商的网页上,一般都提供EASE专用格式的库文件,另外一个重要参数是界面的吸声情况,主要是装修材料的吸声值与频率的关系。

2003年,ADA公司推出了EASE 4.0,和EASE 3.0相比,主要增加的功能有:

(1)界面和操作更加直观、方便。

(2)分析数据彻底改变EASE 3.0的单一频率计算,而是改为自定义频段分析,即分析绘制的图形是10Hz~10kHz的全频分析,更加符合实际和准确。

(3)所有分析的数据既可以用图形表示,也可以用数据图表表示。

(4)绘制三维图形,更加逼真,增加灯光效果,照射的效果更接近实物。

(5)增加线性矩阵功能,在分析音箱矩阵时更加方便调整各个矩阵音箱的安装参数和校正时间。

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