用户案例集锦

像作曲家一样，声学工程师也可以塑造声音对人耳的影响。虽然日常生活中的声音不像交响乐那样动人，但是房间内的声学效应却能对室内的人产生巨大的影响。许多现代化的办公室都采用开放式设计，追求工作场所之间的物理隔断最小化。让开放式办公室内的所有交谈都保持安静，既不可能，也没有必要，但是注重工作场所的声学条件设计可以减少他人谈话所带来的干扰。

为了精准调节工作日办公场所的声景组成，瑞士咨询公司 Zeugin Bauberatungen 使用 COMSOL Multiphysics^®软件来分析和预测声音如何在推荐的室内设计中传播。Zeugin 团队通过仿真模型对声学效应进行了准确模拟，提出了能同时愉悦视觉与听觉的实际改善建议。

“大型吸音屏障可能会在视觉上使空间变得杂乱无章，这与室内设计的理念相矛盾。”Zeugin 公司创始人兼总经理 Thomas Zeugin 介绍说，“借助仿真提出的优化方法，既能与建筑师的构想相协调，又能改善员工的声学工作环境。”

A model of the open-office design showing the geometry with materials.

The open-office design model showing the geometry with wireframe rendering.

图 1. Zeugin Bauberatungen 使用 COMSOL^®软件建立的开放式办公室设计。模拟空间包括一个铺着地毯的大型房间内的一组工位（左图，用棕褐色表示），悬浮吊顶和整面窗户墙。吸音板和窗帘（右图）降低了噪声水平，改善了声学工作条件。

仿真优化的设计减少声音干扰

经过深思熟虑的室内设计可以显著改善房间的声音效果。在优化工作场所声学效果的过程中，提高音质实际上涉及降低语音的清晰度，低沉的杂音比清晰的谈话更不容易让人分心。

人类语音声波位于一组特定的频率范围内。在 Zeugin 制作的一份关于建筑声学的案例研究中，他阐释了谈话时声音的基频通常在 100 ~ 250Hz。当我们说话时，喉咙和嘴巴的某些动作会引起频率的变化，例如辅音的频率范围为 250Hz ~ 8kHz。在这些范围内对声波进行修改有助于减低语音的清晰度，从而减少干扰。

图2中的表格列出了与语音的清晰度相关的三个指标，以及与整体声学条件相对应的数值范围，从左到右声学条件逐渐变好。Zeugin 团队使用 COMSOL^®软件开发了房间设计的模型，用于预测这些指标以及其他相关指标的数值。

	差的声学条件	中等声学条件	良好的声学条件
偏距 r_D	r_D> 10m	10 ≥ r_D> 5m	r_D≤ 5m
空间衰减率 D_2,S	D_2,S< 5dB	5dB ≤ D_2,S< 7dB	D_2,S≥ 7dB
4m 处语音的 A 加权声压级 L_P,A,S,4m	L_P,A,S,4m> 50dB(A)	50 ≥ L_P,A,S,4m> 48dB(A)	L_P,A,S,4m≤ 48dB(A)

图2. 根据左侧栏所列的三个指标，表格中列出了差、中等和良好的声学条件的数值范围。来源：EN ISO 3382-3:2012：EN ISO 3382-3:2012。

计算声音传播路径和隔声值

Thomas Zeugin 的职业是听觉效果调配师，考虑到他也是一位训练有素的音乐家，这就非常合理了。他解释说：“我在伯尔尼的瑞士爵士乐学校（获得了吉他音乐学位，之后与父亲一起创办了一家工程咨询公司。由于我所接受的音乐教育，我从一开始就对声学以及房间和建筑物的声音优化产生了浓厚的兴趣。”

当然，Thomas 的分析不仅仅基于他敏锐的听觉。“第一步是基于 Eyring 混响时间方程对房间进行粗略的统计声学计算。在获得更详细的室内设计建筑图后，我们就可以在 COMSOL 中建立三维模型了。” Thomas 介绍道。

“建立好房间模型后，我们就可以使用射线声学进行计算，以获得那些重要的室内声学指标。我们还使用了软件附加的声学模块中的声学扩散方程接口，” Thomas 继续介绍，“这使我们能够计算二次声音传播路径和房间隔断的隔声值。之后，我们就能模拟这些因素是如何影响整个模拟空间的声学条件了。”

声学环境改善措施的效果比较

上述案例研究为 Zeugin 利用仿真解决实际的设计问题提供了启发。这个项目的主要研究对象是位于瑞士奥斯特蒙迪根市的一栋办公楼，包括对一个大型开放式房间内的声音传播进行分析。整个空间的最初设计（图3）包括多张共用工作桌、一面宽大的带有窗户的墙、双层地板和带有悬挂式吸音板的混凝土天花板。其他材料和家具尚未选定。

An overhead view of the office design, with a red dot on the right-hand side and a red line connecting it with nine blue dots spanning the length of the model.

图3. Zeugin 模拟的办公室设计俯视图。红点表示模拟声波的来源，蓝点表示测量点。

“我们的仿真结果表明，如果不采取任何消声措施，语音产生的低频声波可以不受阻碍地传播到整个房间。” Thomas 介绍说，“仿真计算得到的偏距值显示，令人分心的语音声级可以传播到距离声源 12m 远的地方。”根据图2的定义，这些指标和其他指标均表明该房间的声学效果属于差到中等级别。

不过，房间的声学性能可以通过统筹布置建筑单元得到改善。通过两个具体的设计变更：在窗户上安装隔音窗帘，以及在靠近房间中央的位置悬挂两块嵌入钢板的吸音板，获得了如图4所示的改善效果。

The office model with no mitigation measures in the Rainbow color table, showing that the volume distribution remains in the yellow–red color scale throughout the model.

The office model with mitigation measures in the Rainbow color table, showing that the suspended panels change volume distribution in each section of the office, with the leftmost section in green, the middle in yellow, and the right in red.

图4. Zeugin 的模拟结果显示了在未采取任何缓解措施的办公室内 1000Hz 声场声压级分布（左图），以及安装了悬挂式吸音板和隔音窗帘后 1000Hz 声场分布（右图）。

A close-up of the leftmost suspended panel in the office model in the Rainbow color table.

图5. 最左边的悬挂式吸音板的近景图及其对声压级分布的影响。

隔音窗帘使整个房间的声学条件进入了 “中等”级别范围，而悬挂式吸音板则显著扩大了“良好”级别声学工作条件所涵盖的区域。“吸音材料可以起到一定的隔音作用，但使用安装在高处的屏障直接阻断声波路径则最有益。” Thomas 解释道。

请注意，他所说的最有益屏障是指靠近房间中央的大面板，而不是围着每个办公桌的隔板。Thomas 继续解释说：“工位之间的隔板可能会给员工带来视觉上的隐私感，但从声学角度来看，这些隔板只能降低 2 ~ 3dB 的声级。通过提供基于数值模拟的分析来消除人们对声音的误解，仿真能够帮助指导 Zeugin 的客户选择更有效的室内声学设计。”

利用仿真技术创造室内外声景

正如作曲家的作品可以让不同规模的观众产生共鸣一样，Zeugin 团队进行的声学仿真分析的价值也不仅仅是降低独立办公室的噪声。例如，他们目前正在重新设计一家公司的餐厅和会议室，这些场所需要举办聚会，因此对房间内部以及房间之间的声学条件要求很高。还有一些项目是要求在更大的范围内减少噪声。Zeugin 还被伯尔尼市委托改善位于繁忙高速公路旁的整个社区的声学环境。

“ COMSOL 软件的功能非常强大，并且可以灵活使用，我们可以为许多不同类型的项目开发模型并进行对比计算。” Thomas 总结道，“基于后续的实际测量结果，我们发现仿真结果与实际情况非常吻合。这让我们对自己的研究结果充满信心，也让我们的客户放心。”