浅谈声学模拟软件

sawstudio · 发表于 2006-5-20 15:36:00

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浅谈声学模拟软件
如今，当我们设计一套声音系统的时候，无论是固定安装还是演出系统，声学模拟软件肯定是我们首先要使用的工具。这种由学院派于上世纪70年代研发出来的简单函数，如今已经发生了巨大的变化，对专业音频领域产生了复杂而深远的影响。它被视为系统设计师最为重要的工具，同时这项技术也在不断地发展更新。

　　声学模拟软件的发展来自两方面，一是如Bose, L-Acoustics和Yamaha等设备制造商伴随相关设备提供软件，另一方面则是一些独立的软件研发机构如Catt, EASE, Odeon和Ulysses等的不断努力。虽然这些程序都是独一无二的，但它们的研发却都直接影响着专业音频领域，同时为设备在某一场地将以何种状态来工作的预测提供了更为可靠的保障。

　　大多数独立解决方案都起源于教育机构的研发活动。举例来说，Odeon最初是丹麦技术大学声学技术研究所和一些有着准确房间声学效果需求的公司共同合作的结果。而EASE的研发起点则是文化建筑协会的Wolfgang Ahnert博士和来自柏林洪堡大学理论物理研究所的Rainer Feistel博士联手的结果，他们组成的团队致力于编写声学建模程序，用于模拟延时以及大型扬声器系统的电平调整。

　　“和现在相比，早期的Odeon所实现的功能十分原始，”Odeon A/S的研发部门总监Claus Lynge Christensen说道。“事实上，1984年还是电脑的童年时期，它的性能不允许你做如今看来十分简单的事情。因此这些建模的计算也并不成熟，它们只是十分粗略的估算。”

　　“1990年的EASE 1.0和2011年的EASE 4.3相比简直就是自行车和汽车的区别，”AFMG Technologies总经理Stefan Feistel补充道。“你可以很轻松地获得想要的结果，但速度和质量则有着极大的不同。”

　　个人电脑工作性能的发展也使得建模软件从一个锦上添花的工具逐渐变成了设计者必不可少的武器。我们知道，立体视图效果是当前软件的优势，但这种优势的本质却在于处理速度和新的功能，比如频率散射的统计功能等等。

　　“这些软件的图形显像能力是随着个人电脑的不断进化而逐步增强的。用户界面也是如此，”教育机构Synergetic Audio Concepts主席Pat Brown说道。“显示界面越来越好看，而计算时间也仅仅是原先的一个零头。”

　　“包括使用CAD建模在内的软件更新是十分重要的，”Christensen先生补充道。“更多先进算法都必须围绕这一技术而展开，如统计物体周围的衍射情况、距离相关参数、实际听音模拟、常规扬声器模拟以及线阵列扬声器模拟等等。”

　　这些技术进步都为系统设计者们提供了具有实际意义的巨大帮助。“电脑对复杂扬声器系统和恶劣声学环境的分析和设计能够节省时间和金钱。它能够在近乎零成本的条件下提出具体的系统方案，”Feistel先生说道。“同等重要的是，它能够协助用户了解扬声器之间的相互关系、房间声学所产生的影响以及可以进行优化的潜能。”

　　“通过使用Odeon这样的高级房间声学模拟软件，你不仅可以了解系统直达声将如何覆盖观众区域，还可以知道这套系统在某间具体的房屋里表现如何。它将房间几何形状、表面材料和声音系统同时列入计算范围，”Christensen先生补充道。“事实上，你甚至有可能通过耳机听到声音设计的结果。”

　　但即使技术是如此先进，最重要的部分仍然是终端用户，过分以来软件的准确性也将产生一定的问题。“如果系统设计者能力不足，这些快速计算，并通过漂亮的图形呈现在人们面前的结果则有可能是彻底错误的，”Brown先生说道。“除非设计者了解这些算法的机制，他们就无法知道他们要模拟什么，要相信什么。”

　　“当今，用于模拟计算的函数所遭遇的潜在问题与20年前没有什么不同，”他接着说道。“这些程序视声音为光束，并通过光的传播规律来预测声音的辐射情况，”Brown先生解释道。“这种假设对于高频来说较为适用，但对低频则行不通，它们两者之间有一种渐变的规律。这意味着建模软件程序可能给出一个很好的高频单元模拟，完全错误的超低扬声器设置以及凑合能用的中频扬声器设置，”SynAudCon的主席说道。

　　对于准确模拟低频声音的传播特性这一挑战，各大厂商都在积极应对，以期获得一个很好的解决方案。“我们在低频的建模方面进展很快，一些类似于录音棚这样的小型房间已经可以被准确模拟，”Feistel先生说道。“这将是EASE5.0最与众不同的地方。”

　　Christensen先生也同样意识到了这个问题。“Odeon以高频建模为主，这意味着它无法在低频区域做出准确可靠的预测。这种建模不适合用来分析低频染色这种小型房间的主要问题，”他解释道。“我们正在寻求其它的建模方式以掌握整个房间的声音辐射特点。”

　　“声学建模需要你了解声音，它们仅仅是一个计算器，”Brown先生解释道。“它们可以让设计者尝试模拟一个真实的空间，但它无法做出设计上的决定。如果你不知道它模拟的是什么，那么你得到的模型就可能毫无实际意义，设计就有可能失败。一个设计师需要电声学知识来从建模软件中获取有意义的结果，”Brown先生说道。

　　“正如30年前那样，一个基本的宗旨就是‘垃圾输入，垃圾输出’，”Feistel先生补充道。“这意味着建模软件仅仅是一个工具，不是银质子弹。它是一个复杂的计算器，但仅限于此。如果使用者无法做出决定或无法解读计算结果，那么EASE将无法提供帮助。”

　　由设备制造商提供的相关软件，其研发则展示了他们的扬声器和整套系统所具有的功能。“当Yamaha推出其Installation系列扬声器时，我们希望通过 Y-S3模拟软件向客户们展示安装我们扬声器的最佳方案。这充分利用了我们在声学设计上的知识和经验，”Yamaha亚太地区扩声市场销售和市场负责人Shinya Uchida说道。

　　“我们的首要概念就是通过几个简单的步骤来展示模拟结果，这从一开始就没有任何改变。用户们可以通过选择房间形状、扬声器型号和输出模式来得到模拟结果，”Uchida先生接着说道。“随着软件得到更新，能够模拟的扬声器型号变得越来越多。同时，模拟的模式也随着更新而得到不断地丰富。Y-S3拥有几种模式可供用户选择，通过选择这种模式，所有扬声器都会自动调整设置，而不需要一个一个来改变设置。”

　　“在软件背后的另一项技术成就，是准确性越来越高的自动调试功能以及算法速度的提高。此外还有用户界面和操作性上的提升，如帮助用户选择某个扬声器或功放来避免错误的搭配等新功能。”

　　这种帮助用户了解最终系统声音状态的概念同样可以在Bose的Modeller软件中找到。作为各个制造商独立研发的软件，这种软件所使用的技术使得系统集成者在整个系统的设计阶段就能够看到不同的情况，并预测最终的声音是什么样的。

　　当然，影响制造商的并不只是这些声学模拟软件，准确的数据也是极为重要的。“全世界的顾问、设计者和施工者都需要EASE提供的数据来进行工作，”Feistel先生说道。“这也使得制造商们必须了解自身产品的技术细节，通过专业的方式对设备进行测量以便提供软件可以依靠的数据。虽然在这方面的发展较慢，但一个做事严谨的公司势必会提供其全线产品的高度准确的数据。”

　　“通过声学建模，根据扬声器的设计参数和房间特点来得到准确的预测结果，这将实际安装过程中可能出现的错误转移到了电脑模拟阶段，”Christensen先生再次高度强调了声学模拟软件在整个业界中的重要性。“这就使得问题在发生前就得到了解决，同时允许我们尝试不同的解决方案。这些方案和房间几何形状、建筑材料和声音系统相关，通过这些参数，测试软件就能够提供更佳精确、有效且经济的解决方案。”

　　尽管如此，Feistel先生仍然认为，“任何一个声音系统都需要通过实际听音来进行校准。完全通过先期的模拟来设计一套系统是不可能的。当然，如果一个理解软件原理的人能够恰当地使用这种工具，你所得到的计算结果将十分接近实际情况，可怕的错误就可以被避免。但人们必须使用自己的大脑、耳朵和眼睛来对复杂的电脑计算进行补充。”

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