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在过去的两年时间里，我曾经在LAC制图教室里撰写过一系列的通风，日照与辐射模拟的教程，但是除了这些常见的建筑分析要素之外，另一个在当今建筑设计中愈发重因素-声音，它的模拟与分析却是很多学生所不熟悉的。



因此在这次系列教程中，我将从建筑师和建筑系学生的视角出发，带着大家了解一些建筑设计中比较重要的声学概念，以及向大家介绍一款简单，易学并且适合建筑学人士使用声学分析软件——Pachyderm.



那么在今天的第一篇教程中，我们就一起来学习建筑声学中最基本的声音强度以及Pachyderm声学模拟的基本知识。


STEP 1
理论概念

在开始正式的模拟操作之前，首先我们需要回顾一些基本的建筑声学概念，为我们后续的模拟操作打下一个比较坚实的基础。



那么对于声音以及声学模拟来说，很明显声音的强度应该是我们最直接可以感受到的属性，除此之外由于声音本身干扰属性，声音的强度会对于建筑中使用者的活动产生直接的作用，并影响到建筑设计中的降噪处理 （关于降噪的内容会在后续教程中进行介绍）。



那么在建筑声学中，声音的强度涉及到五个非常重要的声学概念：声功率，声强，声强级，声压和声压级。

这里面我们首先了解下声功率，声功率指的是在单位时间内向外辐射的声能，单位为W。因此大家可以看到，声功率是一个绝对量，只与声源有关，与其他无关，因此它是声源的一个物理属性。但是大家在现实生活中应该都感受到了，即使对于同一个功率的声源，随着相对距离的变化，耳朵感到的声音强度是在随之变化的，因此声功率这个参量并不能直接客观的描述到人耳所能感受到的声音强弱。

所以下面我们就要介绍下一个概念：声强。声强故名思议指的就是声音的强弱，当然更为科学的定义指的是声波平均能流密度的大小，也就是单位时间内声源向外辐射的声波能量密度，单位是 W/平方米。

那么在一个理想的，无阻碍的，由点声源发出的均匀地向四周辐射声能，距离点声源r处的声强就是:I=x/(4πr2),其中X为点声源的声功率，单位为W。因此大家可以看到，声强除了与声源有关，还与其同声源的距离有关，因此它可以比较客观的描述到人耳所能感受到的声音强弱。

对于声功率与声压大家可以类比热能和温度：在一个有电暖气的房间中，暖气散发出一定功率的热能，所以从暖气片中散发出来的热能与环境无关，不受环境的影响。但是房间中的温度与房间中的热能环境有关，不同位置的温度可能不一样。类似地，放置在房间中的音箱辐射出一定功率的声能，但是声压取决于声学环境和在房间中距声源的距离，如下图所示。声功率是“根源”，声压是声源引起的“影响”。



但是根据实验的研究表明，人对声音强弱的感觉并不是与声强成正比，而是与其对数成正比的。这正是人们使用声强级来表示声强的原因，其单位为贝尔声强级（贝尔，Bel）L=lg[I/I0]=lg（I/I0）。一般人对强度相差十倍贝尔的两个声音便可区别出来，因此用贝尔的十倍来作为声强的单位则更为方便，这个单位称为分贝尔（decibel），简称分贝（dB），即SIL=10lg[I/I0]=10lg（I/I0）式中I为声强，I0=10-12 瓦/平米称为基准声强，声强级的常用单位是分贝（dB）。

那么到此为止貌似我们已经可以很好的运用声强级进行声音强度的描述了，但是在实际的运用过程中，声强与声强级却面临着一个非常严重的问题：以当前的设备水平，单位面积空间中的声波能量的检测却非常困难。所以虽然声强级是一个非常好的用于度量声音的理论参量，实际使用过程中却并不方便。这也就导致了声压和声压级的出现。

声压就是大气压受到声波扰动后产生的变化，即为大气压强的余压，它相当于在大气压强上的叠加一个声波扰动引起的压强变化。由于声压的测量比较容易实现，所以声学中常用这个物理量来描述声波。不过由于在人耳的听觉范围内声压的绝对值变化范围跨越多个数量级（如下图），因此使用绝对声压并不方便人们进行研究和交流。



所以类似于声强级，人们给定声压与参考声压之比的以10为底的对数乘以20，获得声压级，以符号SPL表示，即：SPL=20LOG(10)[p(e)/p(ref)] 其单位同样是分贝。声压级可以说是最为常见的度量声音强度的参量。大家经常看到的一系列不同声音的强度介绍（如上图），也就是以声压级为单位的。

当然说到这，相信一些之前没有怎么接触过建筑声学的童鞋可能有些蒙圈了，所以下面我们就先把理论知识放到一边，进入Pachyderm进行一下最简单的声源设置和声音强度的获取。


STEP 2
软件下载

当然因为今天的文章是本次教程的首篇，因此我们还有花费一些篇幅介绍一下软件的下载与安装。对于Pachyderm，大家可以去pachyderm的官网，
http://www.perspectivesketch.com/pachyderm/index.php/pachyderm
点击download下载当前这个最新的版本。（官网中还有部分Pachyderm的教程，大家有兴趣的话也可以自行进行相关的阅读）。



当然各位也可以去food4Rhino进行下载。



下载之后直接安装，安装完成之后，启动Rhino，在命令栏中直接输入PachyDerm_Acoustic即可打开Pachyderm的主界面。





那么对于软件的学习，我就不一个指令一个指令的介绍了。我们还是根据案例来进行学习。今天因为我们之前完成了声音强度概念的介绍，所以我们就先完成一个最基本的建筑声源的布置和声音强度的分析。


STEP 3
基础分析

那既然是进行建筑声学的分析，首先肯定是需要布置一个建筑空间。今天的例子中，我们就简单在Rhino里面绘制一个矩形，表示一个建筑房间。



之后我们需要为这个房间指派声学材料，对于声学的材料的具体介绍我们会留在下一篇关于降噪的文章中进行详细讲解。今天了我们就简单的赋予这个房间一个材质。打开Pachyderm主菜单，点开第二个卷展栏material。



在这里面我们可以选择已有材质或者自行建立新的材质。在这我们就选择一个最普通的concrete材质，然后在for layer里面选择Default图层，因为我们当前的rhino物体在default图层。Pachyderm中声学材质的赋予可以通过物件属性单独赋予也可以通过图层统一赋予，个人更为建议使用图层统一赋予。



完成模型建立和材质赋予之后，我们就要布置声源和接受者。

我们可以使用insert命令放置声源和接收器，其中声源叫做insert source 接收器叫做insert receiver。其中声源造型为一个红色的多面体，而接收器为一个话筒。



我们假设声源和接收器在建筑内部，我们来做一个最普遍的室内声环境模拟。



那么完成放置之后下面我们就要设置声源的基本属性了，选择声源。首先我们需要选择声音的类型，Pachyderm提供了四种不同的声音选项。



第一个默认的Geodesic Directional Distribution，他是一个均匀的全方向辐射的声源类型，声音沿法线均匀的发出。

那第二种Pseudo-Random Directional Distribution，他也是一个全方向辐射的声源类型，但是使用了标准随机数生成器来决定声音从声源射出的方向，也就是声音的方向是随机的，所以声音的分布会更不均匀一些。

第三个Common Loudspeaker Format的使用需要一个叫做Common Loudspeaker File (CLF)文件。这个文件里面包含着声源特定的信息，各位可以去类似于CLF这样一些声学网站下载对应的文件。

那么最后这个directional他是pachyderm2加入进来的一个新的选项，作者目前还没有对它做出官方解释，所以我也不是特别的清楚，我个人觉得他应该是根据某个文件确定声音的方向。不过一般了我们都会使用第一种默认的声音模式来进行测试。

这里面主要需要设置的就是声源处的声强级了（SWL）。



当然在这大家会发现我们需要为不同频率的声音设置SWL,那么这里面对于这些不同的频率有个名词叫octave: 八度音阶进行形容。声音在不同的频率下会有不同的表现，所以一般我们会选择6个或者八个特殊的频率用作声音的模拟。那么大家可以根据实际的情况设置不同音阶对应的声强值，也可以简单的把他们设置成同一个值，那么大家可以看到右边就是在距离声音一米处的声压级。然后在这我们还可以设置声音的延续的时间。

全部设置好之后，点击Calculate即可开始声学的计算。当然在impulse里面有很多的参数可以进行精度的设置，考虑到篇幅在这就不在展开了，大家感兴趣的话可以参考下我的视频教程：

http://www.yyooke.com/index/mulitcourse/detail.html?cid=575





经过一段时间的等待，当其reach convergence之后，我们就可以点击第三个卷展栏analysis获取分析结果。



在这里面我们可以获取众多的声学材料，当然在这我们只选择声压级进行分析。打开卷展栏选择SPL



大家就可以看到在当前室内环境下，处于receiver位置处人耳所能感受的声音强度。那么这个过程就是一个最基本的声音强度的模拟与分析的过程。



今天的教程到此为止了，最后总结下本次教程的重点：

1：五大基本声学概念的理解
2：Pachyderm的下载与安装
3：房间的布置与材料的赋予
4：声源和接收器
5：声学模拟与结果分析