室內噪音預測研究回顧

室內噪音預測研究回顧

室內噪音相關的預測方法源於室內聲學、建築聲學的預測分析方法。最初關於建築聲學的認識僅限於認識和實踐經驗，直到1900年W.C.Sabine發表了關於“混響”的論文，詳細分析了封閉立方體室內的吸聲與定義房間“混響時間”之間的重要關係，提出了著名的Sabine公式。這是室內聲學、建築聲學的研究史開創性的里程碑，其中混響的概念與Sabine公式直到現在仍然是室內聲學經典理論的基礎，混響時間這一參數至今仍是室內噪音預測中最重要的參數之一。
自Sabine之後到二十世紀五十年代前，與室內音質相關的建築聲學研究主要集中在四個方面：改進混響時間的計算；改進測試技術；研究材料的吸聲性能；探索最佳混響時間。二十世紀二十年代末到三十年代初，有人將統計學方法用於混響時間的計算並獲得了成功，其中最著名的是C.Eyring公式。1932年V.O.Knudsen出版《建築聲學》一書，著重從室內音質和隔聲兩個方面來研究建築聲學。研究室內音質圍繞的是最佳混響時間指標，而研究隔聲則是以“品質定律”為基礎，逐漸更多地側重於室內噪音的控制。
P.M.Morse於1936年出版《振動與聲》，主要用波動理論來分析室內聲傳播的規律，提出了閉合空間的簡正模式和簡正頻率等重要概念，並解釋了低頻聲在閉合空間內聲場分佈的不均勻性和隨時間衰減的不規則。Morse的理論成為後來室內波動聲學研究與發展的基礎。《建築聲學》和《振動與聲》兩書的出版標誌著建築聲學已成為一門系統性學科。這些與建築聲學相關的早期研究也是現代室內噪音預測方法的基礎。
從二十世紀五十年代起，室內聲學中提出了對聲脈衝相應的研究。1951年，H.Haas發現從聽覺上可以分辨具有一定強度時延大於35ms的聲音，但其方向仍在未經延時的聲源方向。只有時延大於50ms時，第二聲源才能被聽到。此即為著名的“Haas效應”，它的出現使混響時間不再是評估室內音質的唯一指標。
註：本節未列引文的史實均引述、整理自文獻[1,2]中對經典室內聲學、建築聲學的發展進程綜述。在所提出的音質指標中，有一類是從時域上求出聲能比，即把直達聲以及在50ms內到達的反射聲稱為早期聲，而把餘下的反射聲稱為混響聲，並定義出早期聲與混響聲的聲能比。這類指標包括：1950年L.L.Beranek和T.J.Schultz提出的混響聲能對早期聲能的比值（後來兩人將該比值的對數的10倍定義為“行進活躍度R”）；1953年R.Thiele提出清晰度D這一指標；1969年，L.Cremer與Kürer建議並提出“能量重心到達時間”的指標概念，稱為“重心時間”。
另一類指標是與混響時間相類似的用於描述穩態聲能衰變規律的指標，其中最重要的是V.L.Jordan於1975年提出的指標：“早期衰變時間”（EDT），該指標定義為根據穩態聲能衰減10dB的衰變率推出的混響時間。這類指標均與混響時間相關，並不能作為單獨的指標進行評估。
到二十世紀六十年代末，人們認識到側向反射聲能對於聽覺空間感的重要性。這是室內聲學研究的一個重大進展，意味著室內反射聲的研究從時域發展到三維空間。這方面最早於1966年由Schroeder等人在紐約菲哈莫尼音樂廳內測量發現；緊接著，H.Marshall發現第一個反射聲若來自側向則對音質有好處；M.Barron與P.Damaske於六十年代末至七十年代初進行了相關系統研究，其證實早期側向反射聲與良好的音樂空間感有關。以此為基礎，人們進一步提出若干與空間感有關的物理指標，較重要的是由V.L.Jordan 、M.Barron 分別提出的“側向能量因數”（LEF）和由Gottlob於1973年提出的“雙耳相關係數”（IACC）。LEF定義為早期側向聲能（5～80ms）占早期總聲能的比重； IACC是雙耳之間聲信號差異性的衡量指標，其確定方法：使用兩個傳聲器在聽者耳道入口處測量聲場，再用對應的計算程式計算測量聲音不一致的程度，IACC越低則空間感越好。這一階段出版了一系列重要的建築聲學著作，包括：1950年V.O.Knudsen與C.M.Harris的《建築中的聲學設計》；1954年L.L.Beranek的《聲學》；1949～1961年L.Cremer的《室內聲學的科學基礎》。這些對室內瞬態聲場建立過程中的人的雙耳感覺的研究在現代室內噪音預測中也有應用。
同一時期，室內聲學（不局限於噪音）的數位預測、仿真技術逐步發展，最早有1958年C.J.Allred和A.Newhouse發表的用蒙特卡羅法計算聲線在介面上碰撞幾率的文章；1968年，挪威的A.Krokstad等人首次發表關於用聲線追蹤法（Rays Tracing Technique，RTT）模擬室內聲場的文章。室內聲場電腦數字仿真技術在二十世紀七十年代開始蓬勃發展，1972年B.M.Gibbs和D.K.Jones發表了利用虛聲源法（Image Source Method，ISM）模擬室內聲場的論文。此後該領域沿兩方向發展：一是利用電腦試驗來研究室內聲學，對經典理論加以驗證；二是致力於預測仿真技術實用化，用於指導室內聲學設計。
二十世紀八十年代，Hodgson [3]、Jovivic[4]、Lindqvist[5]和Kurze[6]等人使用ISM計算了大型廠房空間內的聲場分佈，並發現這類空間內的聲場分佈不滿足擴散場條件，經典室內聲學理論不再適用； 1982年，A.Kulowski詳細討論了RTT的使用誤差[7]，而J.Borish[8]在1984年則將之前的簡單ISM推廣至室內具有任意多面體的情形。
1987年，Kirszenstein[9]基於ISM開發出一種電腦模型，考慮了聲源輻射的指向性，用於矩形房間內的聲場分析與電聲模擬；R.N.S.Hammad[10]使用ISM提出的電腦模型則既可用於預測任意個聲源在矩形或立方體房間內的聲場分佈，也可用於房間的側牆或天花板出現傾斜的情況。
1989年，A.M.Ondet和J.L.Barbry開發出基於RTT的室內聲場預測程式RAYCUB[11]；之後M.Hodgson[12]、H.A.Akil[13]和R.M.Windle[14]在各自工作中分別使用該程式進行預測計算，結果表明，RAYCUB具有當時同類軟體中最高的準確度。
到九十年代，S.M.Dance在室內聲場電腦預測計算模型等方面做了大量工作[15,16]，並以RAYCUB為基礎開發出加入聲源指向性的程式RAYCUB-DIR和加入Kurze聲衍射模型[17]的程式RAYCUB-DIR REDIR[18]。同時，以相干虛源法（Coherent Image Source Method, CISM）模型為核心，S.M.Dance發展了計算程式CISM用於計算非擴散閉空間內的聲場分佈，並加以了驗證[19]。
1992年，丹麥技術大學聲學技術實驗室的G..M.Naylor[20]提出了一種新的計算軟體ODEON用於室內聲場的預測計算。ODEON的演算法中將類比分成早期反射聲和後期反射聲兩部分進行，綜合吸收了ISM和RTT的優點，同時考慮了聲的波動性，並引入了散射反射的理論模型，至今應用很廣。
到1995年，A.Farina在RTT基礎上優化出三角錐追蹤法（Pyramid Tracing Technique，PTT），並對應開發有計算模型RAMSETE[21]，該方法很大程度上簡化了RTT的聲線優選運算，節省了更多的運算資源。
九十年代末至今，室內聲場電腦數字仿真領域著重考慮擴散問題和室內聲場的聽覺模擬（Auralisation）研究。1996年，Y.W.Lam[22]對比了三種散射、反射模型應用於室內聲場電腦數字仿真，指出由於表面的有限尺度引起的散射更多的反映在低頻部分，而由表面的不規則性引起的散射則更多的反映在高頻部分。而聽覺模擬的基本原理是將一個在消聲室內錄製的“幹”信號（音樂或語言信號）輸入一個數位濾波器進行調製，而該濾波器具有與所研究的房間相同的脈衝回應，用數學來描述即將原始聲信號與脈衝回應進行卷積運算。調製之後的聲信號再使用揚聲器重放，則聽者可預聽到房間的聲學效果。為盡可能逼真，數位濾波器不僅需類比房間本身的聲學特性，還要模擬人的頭部和外耳對聲信號的影響，即要包括人頭和外耳的傳遞函數，可通過對人工頭的測量得到。
綜上所述，雖然室內噪音相關的預測方法在這100多年裏從無到有，有了巨大的進展，形成了波動聲學、幾何聲學、統計聲學等理論分析方法，聲線法、虛源法、有限元、統計能量分析等數值模擬方法，提出了混響時間、早期聲能比、早期衰變時間等一系列描述室內噪音場的參量，能夠對室內噪音進行初步的預測，但還不存在一個能完全準確預測室內噪音的方法。室內聲源的時空複雜性和室內聲學結構的多樣性導致完全準確預測需要巨大的計算和存儲量，包括大量的準確的輸入參數。

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