Ecotec是一套在虛擬空間模型中模擬物理環境狀態的應用軟體

Ecotect在聲環境分析上的目的,在於在設計發展前期,提供設計者一個設計規畫的可能因子分析;而,由於影響聲音品質的影響因子極端眾多,為兼顧精準性與分析效率,EcoTect採用了經過簡化的聲線追蹤法,因此,它在頻率分析、材料吸音、折射係數、音質分析等方面的精緻度,並比不上其他專業的音場分析軟體。

相較於其他軟體,Ecotect在較複雜的幾何模型音場模擬上擁有優勢,並且也因為Ecotect對幾何形式的處理性能,它能夠提供空間設計者更多用空間手段解決音場問題的策略。藉著高度可視化的介面,Ecotect讓設計者能夠有效率地根據空間中聲場特點,來對空間設計中的空間量大小、材質吸音係數等重要因子進行優化。目前Ecotect在聲音環境分析的功能,主要著眼於統計的混響時間分析、幾何讀聲學粒子分析兩個方面,並在最後綜合統計與幾何兩種聲學分析,發展出一套綜合的聲學響應分析策略:

 

<統計的混響時間>

混響時間一般被視為是評價室內音質的指標:它是指當室內音源發聲時,除了室內音場的直達聲與早期反射聲之外,在空間中持續瀰漫、混響、並衰減直到聲音結束所經過的時間。

 

Ecotect中可以計算一定頻率範圍內任何區域中的混響時間,這為進行音場規畫的設計者提供參考的依據。混響過程計算公式,主要是由大量分析並實驗房間量和材料數量位置後,得出的經驗性函數。而Ecotect所使用的公式,則是根據設計者提供變數的詳細程度來給出圖表數據,主要有三種,第一種是1895年由W. C. Sabine所提出的基本混響時間公式原型:

 

其中

RT:當聲源開始停止發聲,至聲壓衰變60db所經歷的時間(s)

V:封閉空間所形成的容積( )

A:封閉空間的總吸音量,為不包括開啟窗戶之空洞的空間總表面積。

 

Sabine公式可以提供設計者對空間量一個最初步的雛型概念,爾後Ecotect則更進一步提供設計者Norris-Eyring公式來進行更精確的音場分析。

 

V:室內總表面積( )

a:平均吸音係數。

這個公式容許設計者為空間表面賦予不同吸音係數的材質。通過吸音係數參數的加入,音場中早期反射音將不再呈現單純的線性衰減曲線,而是間歇性衰減的狀態。這個公式提供設計者更進一步決定材料的使用。

 

Ecotect所提供最後一個Millington-Sette混響時間公式,則是使用在材料的吸音係數差別很大的情況底下:

  

通過對混響時間長短的考慮,我們可以判斷出空間中的聽眾接收到聲響的清晰程度。不同用途的房間對於混響時間有不同的需求,一般說來用於演講、教育學習等用途的空間需要較高的音質清晰程度,而應當提供較短的混響時間。而使用於音樂廳堂的空間,為取得較好的和弦效果,而應當提供較長的混響時間。

 

 

<幾何的聲學粒子分析>

 雖然Ecotect提供了統計的混響時間給設計者聲音清晰度的品質,但是聲音在混響過程中並不是單純地呈現線性的衰減,而是因為幾何上的空間與發聲源彼此影響,而在不同的時間片段呈現出不同的聲能特性

 

由上面的簡圖顯示,當室內聲源開始輻射聲能,直達聲會讓室內各點的聲能密度突然增強,此後早期反射聲將會讓空間中整體的聲能密度小幅增加。最後室內表面與空間吸收的聲能等於聲源輻射出的聲能,則會讓聲能達到飽和平衡。若是聲源停止發聲,則各點的聲音由直達聲、早期反射聲道混響聲依序衰減消失。

在提供初期設計階段關於基本空間量與材料的比例關係的混響數據之後;Ecotect接下來透過幾何學的聲學分析策略,企圖描述出上述這種聲音能量在不同時間片斷所表現的聲音狀態。Ecotect透過將聲音視為如同光線一般的幾何學對象,讓設計者能夠有明確的可視化指標來優化室內吸音材料、種類及具體位置。由於Ecotect沿用幾何光學的分析原則來描述聲音現象,因此,聲音被簡化為以下幾個基本假設來分析:

1. 聲波能量的傳播遵循射線的幾何規則

2. 用光學的入射與反射角度來描述聲波輻射狀態,不考慮不同頻率聲波彼此干擾的現象。

3. 所有複雜房間表面被分解為一系列多邊形表面

4. 表面吸音係數不會影響入射角度

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上圖中不同顏色的色點,表示在空間中不同區域所具有的聲能強度,由於是將聲波視為光學粒子理解,因此並不反應聲音彼此干射產生的能量增減關係

 

<綜合的聲學響應分析>

聲學響應綜合了前述的混響聲學以及幾何聲學系統所開發出來的分析方法。在聲學響應分析中,系統讀取了從聲源輻射出的聲波粒子,並根據聲波線在空間中的運動軌跡來反應封閉空間中不同時間不同區域的聲學混響分布範圍。原本在混響時間公式中只能針對全部區域進行分析的統計學平均計算,在響應分析中,則透過聲波粒子化的幾何分析手段,加入了考量空間特性的操作程序。需要注意的是,在Ecotect中的這個聲學響應分析中,出現的點狀分布粒子,實際上表示的並不是聲音粒子,而是『聲音粒子削減的程度』。這種表示內容與直觀理解相反的結果,或許正是不同物理現象轉換再現上的困難。

 

  

<分析與檢討>

整體而言,Ecotect所使用的公式容許設計者混合配置不同的吸音材料,來考量混響材料與空間量之間的關聯性。雖然Ecotect提供了三個公式來分析空間中混響衰減時間的長短,然而應當注意:

1. 混響時間計算公式所使用的吸音係數僅屬於實驗的結果,它的目的主要在提供設計者對如:空間量、使用用途、隔間形式等有一個初步的概念。

2. 由於Ecotect的公式並未加入如空氣濕度、溫度等對不同頻率聲音輻射速度差距的重要因子,因此並不宜做為音場分析報告的最終判斷數據。

3. 混響時間計算的公式並未考慮空間的幾何學性質所產生的差異,若是要進行如回聲或是聲音屏蔽效果等細部音場設計時,仍是需要進行精確的幾何分析。

Ecotect這種將聲音視為線性或粒子性質對象的描述策略,雖然可以有效的讓設計者視覺化地理解空間與聲音之間的幾何關係,但是這種將聲學物理特性轉換為光學物理性質的操作,實際上隱含了以下的問題:

1. 在實際的情況底下,不同頻率的聲波傳遞,實際上並非完全是疊加狀態,而是因為波長的關係而產生出波峰與波谷相互抵抗、削減、或是合成等複雜的情況。並無法像Ecotect所呈現的理想化平均分布狀態,而是會因為不同波長的聲音干擾,在不同的區域產生不同的音場性質。

2. Ecotect使用幾何聲學來描述聲波的基本假設,主要建立在聲波的波長與房間尺寸相比可以忽略不計的高頻(波長短)音波;因此在大型廳堂中的高頻聲波傳遞狀況,Ecotect的模擬值將會較接近實際結果。然而,實際上人耳可以分辨的頻率在17公尺到17公厘之間(頻率約為20Hz-20kHz),也就是說事實上一般音樂中,可被明顯辨認的中低頻音波(20Hz10kHz)波長度是在難以的17公尺到17公分之譜。

3. Ecotect無法處理諸如音樂廳和聲、或是擁有嘈雜人聲的現實音場狀況,並省略許多非線性的波形干涉結果,雖然說使用者可以透過音場粒子的動態表現非常視覺化的理解空間中(短波長的高頻率)直達音或反射音分布狀態。但是對於影響聲音品質與清晰程度的低音頻漫射、或是因為頻率干涉產生的死點情況,無法獲得有效的解決與改善。

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