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比利时RAYNOISE大型声场模拟软件

2015-4-10 09:56| 发布者: 秦臻| 查看: 832| 评论: 0|来自: 文章转载于网络

摘要: 几何声学软件raynois的介绍:  RAYNOISE是比利时声学设计公司LMS开发的一种大型声场模拟软件系统。其主要功能是对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟。它能够较准确地模拟声传播的物理过程, ...

几何声学软件raynois的介绍:
  
RAYNOISE是比利时声学设计公司LMS开发的一种大型声场模拟软件系统。其主要功能是对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟。它能够较准确地模拟声传播的物理过程,这包括:镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等现象并能最终重造接收位置的听音效果。该系统可以广泛应用于厅堂音质设计、工业噪声预测和控制、录音设备设计、机场、地铁和车站等公共场所的语音系统设计以及公路、铁路和体育场的噪声估计等。
RAYNOISE系统的基本原理
  RAYNOISE系统实质上也可以认为是一种音质可听化系统(关于“可听化”,详见参考文献[1])。它主要以几何声学为理论基础。几何声学假定声学环境中声波以声线的方式向四周传播,声线在与介质或界面(如墙壁)碰撞后能量会损失一部分,这样,在声场中不同位置声波的能量累积方式也有所不同。如果把一个声学环境当作线性系统,则只需知道该系统的脉冲响应就可由声源特性获得声学环境中任意位置的声学效果。因此,脉冲响应的获得是整个系统的关键。以往多采用模拟方法,即利用缩尺模型来获得脉冲响应。80年代后期以来,随着计算机技术的高速发展,数字技术正逐渐占据主导地位。数字技术的核心就是利用多媒体计算机进行建模,并编程计算脉冲响应。该技术具有简便、快速以及精度可以不断改善的特点,这些是模拟技术所无法比拟的。计算脉冲响应有两种著名的方法:虚源法(Mirror Image Source Method,简称MISM)和声线跟踪法(Ray Tracing Method,简称RTM)。两种方法各有利弊[1]。后来,又产生了一些将它们相结合的方法,如圆锥束法(Conical Beam Mehtod,简称CBM)和三棱锥束法(Triangular Beam Method,简称TBM)[1]。RAYNOISE将这两种方法混合使用作为其计算声场脉冲响应的核心技术[2]。
RAYNOISE系统的应用
  RAYNOISE可以广泛用于工业噪声预测和控制、环境声学、建筑声学以及模拟现实系统的设计等领域,但设计者的初衷还是在房间声学,即主要用于厅堂音质的计算机模拟。进行厅堂音质设计,首先要求准确快速地建立厅堂的三维模型,因为它直接关系到计算机模拟的精度。RAYNOISE系统为计算机建模提供了友好的交互界面。用户既可以直接输入由AutoCAD或HYPERMESH等产生的三维模型,也可以由用户选择系统模型库中的模型并完成模型的定义。 建模的主要步骤包括: (1)启动RAYNOISE;(2)选择模型;(3)输入几何尺寸;(4)定义各面的材料及性质(包括吸声系数等);(5)定义声源特性;(6)定义接收场;(7)其它说明或定义,如所考虑的声线根数、反射级数等。 用户可以利用鼠标在屏幕上从各个不同角度来观看所定义的模型及其内部不同结构的特性(用颜色来区分)。然后就可以启动计算了。通过对计算结果进行处理,可以获得所关心的接收场中某点的声压级、A声级、回声图、和频率脉冲响应函数等声学参量。如果还想知道该点的听音效果,可以先将脉冲响应转化为双耳传输函数,并将其与事先在消声室录制好的干信号相卷积,便可以通过耳听到该点的听音效果。

一、“局部降噪”技术的由来
  目前油气田工业场所普遍存在着噪声污染的问题,在国内,噪声控制已经具备从被动保护转变为主动保护的技术条件及手段,可以开始有针对性的对高噪声场所进行相应的治理。近几年,中国石油各油田对噪声隐患治理开始加大投资,部分油气田在生产场所已大规模开展噪声治理项目。
  在噪声治理投资额度受限制的情况下,利用先进的计算机技术,可以对局部区域实现“局部降噪”,可保证岗位工人定点巡回路线达到85 dB(A)以下,这就是石油天然气工业噪声治理中的“局部降噪”技术。

二、“局部降噪”技术与声场模拟软件RAYNOISE 系统
  通常,针对油气田噪声超标的厂房做噪声治理,大多数声学公司都优选在室内墙体和屋顶满铺各种构造与材料的吸声体,然后再对发出高噪声的设备进行合理的隔声减振处理,只要采用适合声场、音质特性 的构造与材料,同时考虑到设备的通风散热、巡检与维修等因素,选择上述的设计方案一般都会获取良好的降噪效果。毫无疑问,这需要有足够的投资支持,如果建设单位在噪声治理项目上的投资受到限制或者想将有限的投资用于更多的噪声超标场所的治理,就需要有一种新的技术做为支持。“局部降噪”技术的最终成熟应该归功于“声场模拟软件RAYNOISE 系统”的应用。
  声场模拟软件RAYNOISE 系统,其主要功能是对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟,它能够较准确地模拟声传播的物理过程。这包括:镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等现象并能最终重造接收位置的听音效果。该系统可以广泛应用于工业厂房噪声模拟,机舱、火 车、汽车车舱的噪声预测分析;机场、地铁和车站等公共场所的语音系统设计以及公路、铁路和隧道的交通噪声预测分析。例如,大庆剧院应用RAYNOISE 系统进行声学优化设计,部分模拟结果如下。

大剧院池座声反射现状分析:弧型墙面上使用穿孔吸声装饰板,解决了存在的聚焦问题 

大剧场观众席500Hz 声压级分布图:通过合理的声学设计,基本解决了声场不均匀问题,观众厅主要区域声场分布不均匀度在5dB 以内,无声场缺陷,满足声学设计一级标准(6dB 以内)。
降噪工程设计的模拟方法为:
  1、先将建筑构筑物按实际尺寸的比例输入电脑建模,再将噪声源的分布位置与噪声值输入电脑,RAYNOISE系统便会反映出建筑构筑物内的声场环境(用色谱显示)。
  2、将各种声学措施及其降噪量输入电脑建模,RAYNOISE 系统又会反映出建筑构筑物内的声场环境变化(通过颜色的变化来识别)。
  3、按照甲方指定的劳动保护区域,根据声学计算与工程经验多次调整声学措施的安装位置与安装量,从若干个模拟结果中选择出能使保护区域声环境达标的性价比最为合理的方案。
  RAYNOISE 系统可以根据现实噪声实测数值十分准确的仿真出声场分布和音质参数,对不同方案进行模拟,预测与检验降噪效果,查找设计薄弱环节,进行优化设计。在此之前仅通过声学计算和工程经验还无法实现噪声治理中的“局部降噪”技术,通过应用RAYNOISE 系统不仅实现了“局部降噪”技术设想,还可精确的完成各种类型的声学设计。
三、应用案例
辽河油田某泵房应用RAYNOISE 系统进行降噪设计。
正常情况下只有一台地面泵和一台清水泵运行,我们只需按单套泵运行的工况进行降噪设计。经现场检测分析,我们应用RAYNOISE 系统进行噪声频谱分析及计算机模拟,主要采用泵房室内安装吸声体与设备外围安装隔声屏障相结合的降噪设计,对此泵房采用以下四种方案进行对比分析。
注水泵房测点布置见下图: 

治理前各测点频谱分析见下表:

厂房未做任何声学处理,RAYNOISE 系统模拟治理前的声场分布见下图(图中由浅到红的颜色变化对应着 噪声值由低到高的分布)

从图中可以看出声场分布不均匀,最低97.9dB(A),最高101.6 dB(A),均超过国家劳保标准不大于85dB(A)的要求。,必须进行吸声和隔声处理。
方案一(局部降噪):屋顶和侧墙局部安装吸声体,设备外围安装“∪形”隔声屏障,RAYNOISE 系统模 拟治理后的声场分布见下图。

从上图分析得知,执行方案一,治理后室内声级为60.0~96.0dB(A),工人巡检及经常活动的区域最高达90dB(A),不能达到国家劳保标准≤85dB(A)的要求。
方案二:屋顶及侧墙都安装吸声体,设备外围安装“∪形”隔声屏障,RAYNOISE 系统模拟治理后的声场分布见下图。 

四、“局部降噪”技术的前景 “在职工健康的时候抓健康”这是为当今安全环保管理者普遍认同的管理理念,伴随着噪声控制与治理的智能化发展,石油天然气工业场所(如泵房、锅炉房或加热间、风机房、电机房、压缩机房、发电机房、油管车间、钻井场所以及配套的值班室等)的噪声治理将会在“局部降噪”技术的影响下进入到一个新的发展阶段。
工业噪声控制
•确定机器设备产生的厂房内噪声声压级
•计算机器设备辐射到相邻房间或者厂房外面的噪声
•评估不同的噪声控制方案,比如吸声衬垫、机器设备布局、厂房设计等等,减小辐射声功率
环境声学应用
•评价来自高速公路、厂房等的噪声冲击
•设计优化的隔声屏障和障碍物(位置、长度、高度、材料等等)
室内声学应用
•评估混响时间
•评估和优化公共建筑内的语音清晰度(地铁站、机场候机楼、大型商场等等)
•选择理想的扬声器安放位置
•噪声掩蔽系统的合理安置(比如图书馆)
•最少化昂贵的吸声材料耗费,降低成本
•开放区域的语音清晰度和私密性研究(银行、开放式设计室等等)
•音乐厅声学设计(清晰度、可达性、混响、等等)
•漫散屏设计和安置
•不同房间布局的声学方案对比
各组成模块的结构框图
分别按下述四个方面对各模块逐一说明:
主要功能概览
Graphical User Interface 图形用户界面
• 基于OSF/Motif或者MS-Windows的图形界面
• 直观的下拉菜单
• 带菜单快捷键的工具条
• 可以定制的工具条
• 在线联机帮助
Geometry Interfaces 几何接口
• DXF格式, 包含层信息
• 支持绝大多数的CAE几何文件格式
Input data 输入数据
•几何输入支持组的定义和属性编号
•点选、框选、自由选择
•封闭 和/或 开放的几何模型
•根据Harris’模型的空气吸声
•材料属性支持1/3倍频程或者频率表格
•支持吸收系数、散射系数、透射系数
•包含材料数据库
•点、线、面板声源(附加到多边形侧面)
•支持声源方向性图输入,横向和纵向极坐标表格
•支持相干/不相干声源
•场点:点、线、面、圆、圆柱、球面、六面体
Analysis 分析求解
•高效的虚源法搜索引擎(圆锥束和三角束法)
•基于声线跟踪方法的多阶扩散反射
•连续尾部修正
•声源和虚源衍射
•相干声源窄带分析
•面板声源方法模拟透射
•可调整计算参数,比如声线数、反射次数、时间窗等等
•使用平均自由路径迅速统计计算混响时间
•同时计算标准图、频响函数、回声图等等
•丰富的声学结果序列:SPL(声压级), STI(语音清晰度), RT60(60ms混响时间), 等等
Postprocessor 后处理
•模型材料和声学结果的可视化表示
•图形结果:云图、等值线、变形场等等
•频响函数结果:带各种选项的XY曲线图(计权dB,FFT变换等等)
•回声图结果,可在几何模型上绘制声线路径图
•双耳脉冲响应
•消声室录制好的干信号相卷积输出:WAV, AU, AIFF等格式
 
关于本软件的其它说明:
    RAYNOISE是比利时声学设计公司LMS开发的一种大型声场模拟软件系统。其主要功能是对封闭空间或者敞开空间以及半闭空间的各种声学行为加以模拟。它能够较准确地模拟声传播的物理过程,这包括:镜面反射、扩散反射、墙面和空气吸收、衍射和透射等现象并能最终重造接收位置的听音效果。该系统可以广泛应用于厅堂音质设计、工业噪声预测和控制、录音设备设计、机场、地铁和车站等公共场所的语音系统设计以及公路、铁路和体育场的噪声估计等。
RAYNOISE系统的基本原理
RAYNOISE系统实质上也可以认为是一种音质可听化系统(关于“可听化”,详见参考文献[1])。它主要以几何声学为理论基础。几何声学假定声学环境中声波以声线的方式向四周传播,声线在与介质或界面(如墙壁)碰撞后能量会损失一部分,这样,在声场中不同位置声波的能量累积方式也有所不同。如果把一个声学环境当作线性系统,则只需知道该系统的脉冲响应就可由声源特性获得声学环境中任意位置的声学效果。因此,脉冲响应的获得是整个系统的关键。以往多采用模拟方法,即利用缩尺模型来获得脉冲响应。80年代后期以来,随着计算机技术的高速发展,数字技术正逐渐占据主导地位。数字技术的核心就是利用多媒体计算机进行建模,并编程计算脉冲响应。该技术具有简便、快速以及精度可以不断改善的特点,这些是模拟技术所无法比拟的。计算脉冲响应有两种著名的方法:虚源法(Mirror Image Source Method,简称MISM)和声线跟踪法(Ray Tracing Method,简称RTM)。两种方法各有利弊[1]。后来,又产生了一些将它们相结合的方法,如圆锥束法(Conical Beam Mehtod,简称CBM)和三棱锥束法(Triangular Beam Method,简称TBM)。RAYNOISE将这两种方法混合使用作为其计算声场脉冲响应的核心技术。
RAYNOISE系统的应用
RAYNOISE可以广泛用于工业噪声预测和控制、环境声学、建筑声学以及模拟现实系统的设计等领域,但设计者的初衷还是在房间声学,即主要用于厅堂音质的计算机模拟。进行厅堂音质设计,首先要求准确快速地建立厅堂的三维模型,因为它直接关系到计算机模拟的精度。RAYNOISE系统为计算机建模提供了友好的交互界面。用户既可以直接输入由AutoCAD或HYPERMESH等产生的三维模型,也可以由用户选择系统模型库中的模型并完成模型的定义。 建模的主要步骤包括: (1)启动RAYNOISE;(2)选择模型;(3)输入几何尺寸;(4)定义各面的材料及性质(包括吸声系数等);(5)定义声源特性;(6)定义接收场;(7)其它说明或定义,如所考虑的声线根数、反射级数等。用户可以利用鼠标在屏幕上从各个不同角度来观看所定义的模型及其内部不同结构的特性(用颜色来区分)。然后就可以启动计算了。通过对计算结果进行处理,可以获得所关心的接收场中某点的声压级、A声级、回声图、和频率脉冲响应函数等声学参量。如果还想知道该点的听音效果,可以先将脉冲响应转化为双耳传输函数,并将其与事先在消声室录制好的干信号相卷积,便可以通过耳听到该点的听音效果。

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