时间：2022-07-26 13:20:52
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇声学设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：音质设计；艺术性表现；主观评价
Abstract: the ultimate goal of timbre design is subjective assessment of the audience. And subjective evaluation of the uncertainty of the decision to the sound design is not only the product of reason, also is the combination of the perceptual and the rational. Both the superiority of timbre design is to meet the functional requirements of acoustics, under the precondition of the visual effect can get on the biggest audience identity.
Keywords: timbre design; Artistic performance; Subjective evaluation
中图分类号： TU112.2+8 文献标识码：A文章编号：
1建声设计艺术性表现中材料的媒介性
综合性体育馆是以视、听为主要使用功能的大型公共建筑。体育馆比赛大厅空间形式设计应与音质设计相配合，音质设计对观众厅空间的影响除在空间大小、平面形式等宏观的选择上，还影响和决定了大厅空间界面的形态。
建筑声学设计中声学材料（或结构）应用与表现是音质设计的物质基础，也是空间界面的物质存在。声学材料与结构除了具有声学性能外，通过本身具有的肌理、质地和色彩等视觉属性，也是实现大厅空间细部特征的有效工具。材料对设计意图的表达，来自于设计师对材料特性准确把握的基础上，赋予材料以理念，促进建筑视觉形象的表达。声学材料（或结构）通过不同的组合与加工方式，能够形成不同的审美体验。例如木材沉静、亲切的自然信息对空间温暖感的表达，体现了建筑与环境融合的心理需求；金属材料的多样化形态体现了当代建筑表皮注重人心理感受与高技术相平衡的思想等。
2声效空间中声学材料的表现方式
声效空间指的是用于观演活动的室内封闭空间，是具备建筑基本范畴（实用、坚固、美观）并兼有室内声场属性的空间。声效空间的空间界面形态传达出了音质设计的目的，这种目的决定了声效空间与其它空间的差异性，既有某种秩序的存在。声效空间的秩序来自于对空间形式的需求和良好音质的功能制约，是一种实用空间的物质性表达。
材料作为空间界面表现的载体，影响着空间的划分强度和品质的塑造。在空间界面的设计中，声学材料与构造是可以直接作用于受众的物质手段，具有其自身的媒介表现性。声学材料与构造的组合方式或表达方式决定了界面信息的传达方式，直接影响信息的传递效果。声效空间是由声效界面通过对功能、形式和材料的选择与回应来完成自身属性的。因此，从声学设计的角度理解，声效空间的艺术性表达关注于构成空间体量的声学材料与构造的表现方式，以及这种表现方式带给空间中人们的建筑体验；从建构的角度理解，空间的形式与音质要求相契合，是声效空间的艺术性由内而外的体现，是形式与功能的统一，也是声学发展的必需。
3声学材料的运用与艺术表现
当今的大型公共建筑设计体现出更多理性的设计观念，重视和关注于建筑的细部和表皮，这些正是通过对材料表现的运用所表达的。
通过感受声学材料的构造方式和材料在细部中的体现，可以进一步理解界面在控制声音的过程中所担负的作用。声学设计中，声学材料同时展现自己的肌理、色彩、质地以及光环境等，空间形式的美感与这些相关元素的组合是否适当直接相关。声学材料的运用是多种材料和构造的综合运用，而不是通过单一材料的选择来进行的。根据材料的不同性质，采用可折叠或可弯曲的建筑表皮形态对原有界面进行替换，使界面根据使用的不同需求进行形状的变化。
对于建筑内部使用空间来讲，进入建筑中的每个人都扮演着传播受众的角色，他们在直觉感知、行为体验的过程中，与建筑表皮所承载的信息发生相互作用，并作出反馈。在声学材料（或结构）的运用中，应当充分考虑到材料表现与受众认知途径的搭接、以及受众解读的附着因素。声学设计作为体育馆设计的组成内容，声学材料（或结构）的选择与应用对设计意图的表达与受众心里的契合至关重要。
4分立与趋同――建声技术与艺术表现的完美结合
在体育建筑快速发展的今天，特别是室内综合性体育馆，其建筑外部形象与内部空间都面临着更高、更综合的要求。室内环境的重要因素，听觉和音质感受与非声学参量（包括视觉、热舒适度）的相互影响逐渐成为建筑声学研究的前沿课题[1]。
基于近年来国内建筑（室内）设计与建筑声学设计的脱节，引发了本文对两者研究范畴的思考。从设计实践中不难看出，建筑师与声学工程师相互之间问题上的争执与矛盾，多是由于所持的技术价值观不同而造成的。事实上，设计的脱节不仅影响了功能的正常使用或缺乏美感的形式，同时也造成了设计上的遗憾和不必要的浪费。综合性体育馆声效空间的室内设计一定程度上依赖于感性的构思，然而实现的过程却依赖理性的技术，这是一种分立，主要体现在艺术表现与声学功能需求的关系之中。声学技术与美学的结合是具有观演功能建筑空间所特有的课题。建立在理性的技术基础之上并注入了感性的建筑思维的声学设计，在室内设计中有着不可忽视的作用，体现出现代空间造型设计对音质设计的认同。
结论
技术与艺术是一对矛盾的统一体[2]。在综合性体育馆建筑空间中，声学材料（或结构）以界面的形式及其自身质感、色彩等视觉属性来影响空间的性质。在声学材料（或结构）的应用方面，各种新型声学材料与复合材料的使用是体育馆比赛大厅音质改善和空间美感营造的基石。
音质设计在于使声学材料的声学理性在视觉上得以充分的表达，将自身的材料质感展示出来，体现表里一致的真实效果。良好的大厅声环境是建筑形式、音质设计的结合，也是材料特性与结构的形态表达。在追求声学逻辑合理性的同时也实现材料的美学价值。建筑声学材料与结构具有声学功能与视觉需求的双重属性，音质设计的艺术性表现能通过视觉传达信息，但其艺术性表现的意义不仅在于视觉形式本身，更重要的还包括了其所传达的情感。这是音质设计在达成声学功能之后，体现在形式之上的意义。
参考文献
普遍来说，房间的声源常常经过六个途径传到我们的耳中：音箱发出的直达声；地板的反射声；天花板的反射声；音箱后墙的反射声；侧墙的反射声以及聆听者背后墙壁的反射声。改变声波的任一反射条件，声音都会随之发生变化。所以，听音环境在很大程度上决定了重放声的音质好坏，假使你设备最好，环境不当也难有好效果，只是这点常常被大家忽略。因为常常房间声学的造价也是不便宜的。房间的声学特性，很大程度上与室内装潢及房间布置有关。
一、长方形
理想的听音房间最好的是长方形，按黄金分割比例，长、宽、高不成整数倍的关系，因为这样的房间能更好的产生声音效果，不易出现驻波折叠，从而提高听感。
二、隔声与吸音
其次是隔声，房间内外不致干扰并使声音扩散。适当的吸声可免除声波往复反射激发出某些固有频率的声音干扰，造成声染色。原则上室内声波的处理扩散应多于吸收，目的是使共振强度降低。但也要注意，不能过度使用吸音材料，过度的吸音会使得房间的混响时间太短，声音变得干涩不圆润。重点在于侧墙和天花板。在侧墙均匀地设置一些吸声和扩散物，要厚重扎实，例如厚重的羊毛毯就是极好的全频吸声物体，薄的地毯、挂帘、壁毯只对中、高频有吸收作用，过多使用会导致声音缺乏色彩和明亮度。同时，一些家具（书柜、桌椅、沙发）都是很好的声音扩散物，能对声音的传播起调整作用，调整低频有很好效果。最理想的方法是在侧墙上贴以适当的扩散板，但这种方法费用较昂贵且影响美观。
为使声音的扩散度更广，不致来回往复聚为一起成为有害驻波，就要改变该频率声音的行进路线，我们可以请专业设计师商量，但最实际的方法是移动音箱或聆听位置。架空的木地板对低频也有吸收作用，当房间较小时，可以防止低频量感的过度。如果房间声音的低频发出轰鸣声，可在地板的近反射声的反射点附近，铺设厚重的羊毛地毯。当声音刺耳、低频量感不够时，就应在两侧墙的近反射声的反射点设置吸声物覆盖处理。如果出现声音太干，应优先取掉地毯，在房间角落放置玻璃纤维作成的吸声块或布坐垫，可作混响时间的最后调整。
三、房间完好封闭性
房间的隔声还跟房间的封闭性有关。听音房间的理想隔声对一般家庭而言其实是很难办到的，因为门、窗、墙、地板和天花板，任何一个与外面相通的小细处都会将室外的声音传进来，并将室内的声音传出去，特别是将低频传得更远，而影响到声音的最佳效果。门窗是隔声的薄弱环节，良好的隔音可将窗作成双层，在已有的窗上再加一层，当然这时的窗要有好的密封性，这是花费最少且效果不错的方法。对于门，可以采取带空腔的中空双层门，面板使用胶合板制作，中间铺敷吸声棉。如果觉得这样繁琐，便要听从专业影音设计师的见解，从实际环境出发，探究最合适的隔音办法。其他包括插座，门把手这样的细微之处，也应尽可能的做处理，让声音无法外漏。如果是在客厅，由于通道关系而影响室内声场的平衡，可在不对称的墙面与角落加上吸声材料，尽量让两侧的反射声均衡。
接下来，我们说说听音室器材的位置摆放。
现在听音室大致可以分为以下三种：1.专业听音室（如视听室）；2.与起居兼用的家庭听音室；3.以影像为主的AV视听室。三者的声道系统不一样，因而器材摆放上也是各有讲究，但三者之间也存在着相通之处。我们最常接触的莫过于2.0、2.1、4.1、5.1和7.1的多声道系统（任何x.1音箱中的，1指代的是独立的超重低音音箱，俗称低音炮）。
2.0声道
对于2.0系统来说，有一个
“三角形法”原则。只需将两只音箱放在听音者的正前方（两音箱之间距离为1.5-2m左右），聆听者处于与两只音箱组成的三角形顶点。音箱与人耳的角度在45到60度以内。这个角度是有讲究的，它很好的把握了聆听者与音箱的距离，如果音箱离听者太近，音域定位便不够精准，且高低音单元存在相位差，声音便不能同步。如果距离太远，声场则会变窄，失去空间感和临场感。
其次，音箱要与后墙、侧墙相隔一定的距离（20-50厘米以上）。因为一般的2.0音箱的倒相孔都是后置的，如果音箱紧靠后墙，倒相孔中的声波便不能完全放出，声场的效果就会大打折扣，有些音箱更是必须借助墙壁的反射、叠加、混音才会有较好的低音效果。音箱不要离侧墙太近，以防侧墙体的反射作用改变了声波的传播方向与强度而影响音质。再次，音箱与人耳最好处于同一平面，如果音箱高度不够，我们可以使用音箱支架以获得好的聆听效果，得到所谓的“皇帝位”。
“三角形法”又俗称为半自由近音场听法。它的好处是可以减少四面墙反射音对音箱直接音的过度干扰，可得到很好的定位感以及宽深的音场，是能够听到最多、最直接、最清楚细节的一种摆法。除角度不变外，这个三角形根据房间大小、后级功率不同可大可小，自由调节。
2.1声道
2.1相比于2.0，多了一个低音炮。音箱的摆放跟2.0大同小异。超重低音喇叭效果入耳听到是有限的，反而是人的其它感官会感受到。超重低音只是在特定的节目源存在并需要还原。比如，在电影院或现实中，我们能够感受到飞机起飞时那种力量与能量的震撼，但是如果我们的家庭影院没有配置超重低音喇叭音箱或者配置不合理，就无法感受到这种震撼。摆放低音炮，注意到以下几点就好。
通常把超低音音箱放在前方墙角附近，最好离墙角1m以上；避免摆放在和墙壁等距离的地方，例如，房间宽为4米，则不要摆放在离两边墙为2米的地方；其三，与墙壁之间应为不等距关系，不要把音箱摆放在靠近墙角处及侧墙和后墙等距离的地方（如离侧墙或后墙距离分别为1/3、1/5的距离）。这是因为这样的摆法能增强低频的交错叠织，低音更浑厚圆润。
4.1声道
4.1跟2.1比较，是在原基础上增加了两个后置环绕音箱，用来强化声音的定位和环绕效果。两个前置音箱和低音炮的位置摆放就无需再多说了，遵循着“三角形”法则，形成等腰或等边三角形。而对于这两个新增的环绕音箱，我们一般将其摆放在“皇帝位”的左右两侧，音箱面对面的架设，直接面对听音区域。环绕音响位置太前，我们无法获得足够的向后效果，位置太后，包围感和环绕感就会减弱。就高度来说，大约比聆听者的坐姿高70-90厘米左右。除此之外，还有一种参照杜比实验室规定的摆放法，将后置环绕悬挂于后墙之上，距离听音者1.5米为宜。安装时，两个环绕要以听音者为中轴线对称。倘若房间设计不允许，你也可以把它们吊挂在后方墙上。
5.1声道
5.1声道在4.1的基础上多了一个中置的卫星箱，也就是我们所称的中央声道。它的主要作用是用来播放电影中的人声和对白。也就是说5.1声道由前置的左、中、右三个音箱和两个环绕以及低音炮组成。
前置左右音箱和低音炮与前面讲的相同，两个前置放在屏幕左右两侧，与用户形成45到60度的夹角。如果在小房间使用大、中型屏幕，则左右音箱可紧靠在屏幕两侧。如果屏幕较小，可使它们距离屏幕稍远以获得较宽阔的立体声场。中置音箱，正对用户，距离用户2-4m。左、中、右三个声道的辐射角度朝向用户，以此减少来自天花板、墙壁和屋顶的反射，保证声像定位的清晰度。
目前来说，环绕音箱有两种类型，一种是普通的单极型小音箱，它们通常被放在音箱架上或高挂于墙上。另一种环绕音箱则是偶极型音箱，每只音箱内均有两只背靠背安装的扬声器，均接成反相方式。偶极型音箱只能对前后方发出高频声音而无法发出低频声音（即使给它输入低频信号也因抵消而发不出低音）。它只同时向前和向后发声而不会向聆听者的侧面发声，并且使声音到达聆听者前先充满听音室。
摆放时，左环绕与右环绕这两声道的音箱，其声音的扩散性应重于方向性，这样有利营造浓郁的环绕气氛。偶极型音箱摆放时，要着重考虑两个因素：谐振（强迫振荡频率非常接近自由振荡频率系统中出现的振荡现象）和自我衰削。抗谐振的最佳位是离顶棚（或地面）20%的室内空间高度处（如室内高度为2.5m，则最佳位置为上、下50cm处）。通常，家庭使用偶极型音箱的是绝少数。
直接辐射式环绕音箱，则跟前面提到的相差无异。布置方案很多，例如：固定在两侧墙壁上；或固定在后方墙壁上，使它们向外和向上张开呈倒八字形并朝向边墙与天花板结合处。与用户成100到120度的夹角，后置环绕应尽量与前置音箱保持在一个平面上。这点要值得注意，环绕箱太高会感觉人声从空中传来，而太低对白又会被矮化。总之，要听起来声音从前方出来，听来顺耳自然。
寻找低音炮的最佳位置，我们可以接好它的喇叭线并反复播放一段具有强低音效果的音乐，再绕房间四周仔细去听。听时，要将耳朵贴于地面，大致处于超低音音箱高度的位置。然后，找出低音最平稳、最深沉、最清晰的点，即为超低音音箱的最佳摆放位置。
7.1声道
关键词：室内声学、计算机模拟、RAYNOISE
中图分类号： U467.1+2 文献标识码： A 文章编号：
引言
随着计算机技术的日益发展，软件模拟成为室内声学设计的主要分析手段之一。相对于传统的计算方法和声学模型，软件模拟计算速度快、精度高、易于修改、成本小，具有不可比拟的优势。目前国际上比较著名的声学软件有比利时LMS公司开发的RAYNOISE，德国ADA公司的EASE以及丹麦技术大学的ORDENS等。本文以RAYNOISE软件为例，讨论了软件模拟在室内声学分析中的具体应用。
RAYNOISE软件简介
RAYNOISE软件是针对声学开发的一种大型声场模拟软件系统，主要功能是对封闭空间、半封闭空间或开敞空间的各种声学现象进行模拟。RAYNOISE软件模拟主要以几何声学为理论基础，模型采用圆锥束法（CBM）和三棱锥束法（TBM）作为声场脉冲响应的计算方法，这两种方法综合了传统的虚声源法（MISM）和声线跟踪法（RTM）的优势，能够较准确地模拟声传播的物理过程，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，尤其在中高频范围，并且能够模拟接收点的听音效果，可以广泛用于噪声预测和控制、环境声学、室内声学设计等多种领域。
室内声学模拟过程
RAYNOISE软件模拟的主要过程包括建模、计算和后处理三部分。建模时需要输入以下模型信息：1）三维空间模型；2）传播介质的特性；3）各围合面的声学特性（如吸声系数、散射系数等）；4）声源特性及位置；5）接收点的位置；6）座位接收面的位置。
在计算过程中，影响计算结果的主要参数包括声线数量、反射方法、反射阶次、截止时间、动态范围等。其中，声线数和反射阶次是两个重要的影响因素，通常需要通过试算确定取值，当计算结果趋于稳定时，表示为最佳取值。计算结果经过后处理可以生成图形或动画。
室内声学模拟分析实例
本文用RAYNOISE软件对某多功能厅进行了室内声学模拟分析。如图4.1和4.2所示，多功能厅位于某三层建筑的第二、三层，主要用于会议和小型演出，厅内容积约1.5万m³，可容纳800人，平面呈矩形，长度约33m，宽度约25m。舞台位于矩形的西侧短边，南侧为玻璃幕墙，北侧及东侧为柱子，直接与二、三层走廊相通。多功能厅内无吊顶，屋顶沿短边方向倾斜，南侧高约15m，北侧高约13m，采用高度800mm的井字梁。
图4.1 多功能厅平面图
由于项目中的多功能厅原本是一个用于集会和展示的大堂，后期改为具有会议和演出功能的多功能厅。因此，多功能厅的‘先天’条件很差：总体积较大，与走廊连通，内表面形状复杂，而且可利用的吸声面积较小，这些问题都可能对厅内的音质产生不利影响。
为了控制多功能厅的音质效果，多功能厅的两侧墙和后墙的梁、柱、三层栏杆全部采用木丝板吸声构造，并适当加宽梁、柱的宽度；屋顶井字梁的梁格内填木丝板；舞台墙面采用穿孔金属板（内填玻璃棉）；化妆间、侧台、走廊设矿棉吸声吊顶。
本次模拟为独唱者使用时的情况，声源为点声源，位于舞台中心，距地面1.5m高，接收面位于观众席区，距地面1.2m。图4.3~4.5为500Hz时多功能厅的声场分布SPL、混响时间RT60、清晰度D50的分布图。
图4.3 声压级SPL分布图（500Hz）
图4.4 混响时间RT60分布图（500Hz）
图4.5 清晰度D50分布图（500Hz）
从模拟结果可知，多功能厅中频满场混响时间为1.4s；声场不均匀度约为7dB；清晰度D50＞40%；各项声学指标数值比较合理，声学性能良好，因此按照现有的声学设计可以满足多功能厅的使用要求。
结论
与传统的方法相比，计算机模拟技术不仅效率高，而且结果更加详细，为声学设计的定量化提供了有效的手段。通过RAYNOSIE软件模拟分析，直观的获得了室内声学设计所需的多种指标，从而在早期设计方案阶段就开始为设计者提供指导，对合理分析、优化室内声学设计方案起到巨大的作用。
参考文献：
[1] 建筑物理(第三版). 柳孝图，中国建筑工程出版社，2010
[2] 建筑声学设计手册. 项端祈，中国建筑工程出版社，1987
[3] 声音·人·建筑[M].L.H.肖丁尼斯基（林达悃 李崇理 译），中国建筑工程出版社，1985
(一)顶棚顶棚的设计要注意吸声效果的实施，在装修时注意隔声、吸声材料的运用，另外还要注意室内灯光架、灯光固定件的防震处理。使演播室的顶棚技能和好的吸收室内的杂音，又能隔绝室外的杂音，保证演播质量。
(二)墙体墙面设计演播室的墙体墙面设计是声学装修的一个重要组成部分，再设计装修时墙体要使用具有良好吸音作用的材料，比如加气混凝土或者在双墙中间填堵吸声棉，提高吸音效果；墙体的厚度与结构要根据具体的用房环境来决定；另外墙体的材料要选择使用清洁、卫生、环保、美观而且即防火又耐用的材料。
(三)门窗设计要点演播室的门窗也应该具有一定的隔音作用，门的隔声量主要取决于它的质量、刚性以及气密性，所以门的材质一般选用质量较大的材料，因为质量大的材料隔音量也比较大。大师这种门比较笨重，现在播音室门的设计一般采用轻质材料制作，在三层13mm厚的木板中夹两层11mm厚的玻璃棉，两面再各加一层五合板和一层榉木饰面板，门框及门的边缘敷上毛毡对门缝进行密封，也能起到很好的隔音效果。播音室的窗可以设计也可以不设计，如果设计，主要考虑玻璃的材质，一般会选用较厚的玻璃，能提高隔音效果。
(四)地面的设计播音室室内地面的设计除了要有一定的吸声作用外，还要考虑美观、清洁等方面的因素。一般采用干式浮筑地面、木地板或者铺吸声地毯等，有利于降低室内的频混响时间。
(五)其它设施设备设计演播室重点设备是空调，因为如果空调排风扇的安装不当，演播室内其他所有的部分的隔声、吸声作用做的再好也是无济于事的。所以要注重演播室内空调的装修设计，一般选择中央空调时，需注意送风系统的设计，风口需要做消声处理，但是庞大的风管系统，会给温度调节和控制带来很大的困难，而且整个系统不停地运转，会造成很大的浪费，运行成本很高。为了减少这些问题，可以采用令热泵送风系统的中央空调，这种运行方式可以调节空调运行时间，使用比较灵活。如果要最大限度的减弱空调的噪音，就要选购质量比较好的低噪音空调，将空调的内机安装与室外，然后再用短风管接入室内，最后对进、回风口做消声处理。
二、其他设计技巧
(一)声场均匀度控制从室内声学来看，如果反射声波扩散良好，为了取得良好的声场扩散，在设计室内吸声墙体时，需要把中高频的牺牲结构与中低频的牺牲结构区分交错布置，同时再设计一系列的形状不规则的铝制板扩散板，提高整个室内的声场均匀度。
(二)声学缺陷的预防演播室房间的设计要注意避免“声染色”问题的出现，如果出现“声染色”现象，室内一些地方的的频率可能会加强会减弱，导致声音失真，这是声学设计的一大缺陷，必须采用一些措施避免这些缺陷。一种方式是可以再播音室的各个角落做45度的切角，切脚墙面墙面要经过强吸音处理，以便消除声染色现象；另一种方式是在原来播音室吸音墙的基础之上大部分强做成强吸声墙，特别是墙角与天花板的夹角处，可以采用多层强吸音材质，提高吸音效果。一般情况下，播音室会选择第二种方法消除声染色，因为第一种方式在室内做声学切角占用室内空间，会影响本来就不大的室内空间。而第二种方法不仅节省空间，而且不会使声音出现任何失音的情况。
(三)切断固体传声的措施从物理学上来说，声音在股体内传播的衰减程度不强，而要想切断演播室墙体、门窗、空调等的固体传声，要在施工环节就加强控制，做好施工缝内落灰、落砖管理，积极改进各个节点的构造。如果施工缝间有杂物存在，容易形成刚性连接，减弱消音效果。施工过程中可以在非播音室的墙根处预留清扫口，这样可以做到一边施工一边清扫，施工完毕后再堵住清扫口，这样就避免了缝隙杂物。另外安装空调时需要挖掘管道，，这些管道穿进大小播音室时，需要做柔性连接，风管与墙体的连接处用沥青、干硬性砂浆塞实，以此来达到消音的效果。
(四)声学装修施工现在的演播室墙体一般采用超细玻璃棉宽频牺牲构造，而顶棚一般采用腔内填棉的方式来控制混响时间，以免发生声学聚焦或者长延时反射声现象，破坏使内消音效果。所以在装修时对演播室的非声学墙体的普通见白作法用弹涂法来代替，这种方法能够很好的降低长延时反射声现象的出现。
三、结语
关键词：厅堂建筑；声学；设计
作为听音场所。厅堂建筑的听音质量是第一重要的，因此必须认真做好建筑声学设计，确保其音质。只有明确建筑声学设计的要点和手段，才能保证厅堂建筑具有良好的音质。
一、建筑声学设计的要点
一般而言，建筑声学设计的要点主要包括噪声控制和音质设计两大部分。
(一)噪声控制
通常音乐厅、剧场等厅堂都要求很低的室内背景噪声，因此，这些厅堂的选址很重要，应尽可能远离户外的噪声与振动源。另外，还要进行场地环境噪声与振动调查、测量与仿真预测，目的是为进行厅堂建筑围护结构的隔声设计提供依据。保证厅堂建成后能达到预定的室内噪声标准。此外，建筑声学设计的另一个重要任务就是进行室内音质设计。
(二)音质设计
音质设计通常包括下述工作内容：
1.确定厅堂体型及体量。
2.确定音质设计指标及其优选值。根据厅堂的使用功能选择混响时间、明晰度、强度指数、侧向能量因子、双耳互相关系数等音质评价指标，并确定各指标的优选值，是音质设计的重要任务。
3.对乐池、乐台、包厢、楼座及厅堂各界面进行声学设计。
4.计算厅堂音质参量。当厅堂的平、剖面及楼座、包厢、乐池、乐台等设计方案拟定以后，就可开始计算厅堂音质参量。
5.进行声学构造设计。厅堂音质除了受前述建筑因素影响之外，还与室内装修材料与构造密切相关。声学装修构造设计通常包括各界面材料的选择和绘制构造设计图，需详细规定材料的面密度、表观密度、厚度、穿孔率、孔径、孔距、背后空气层厚度以及龙骨的间距等技术参数。
6.声场计算机仿真。对厅堂建筑进行仔细的声场分析和音质参量计算，有赖于声场三维计算机仿真。
7.缩尺模型试验。对于重要的厅堂，除了计算机仿真外，通常还须建立一定缩尺比的厅堂模型，进行缩尺模型声学试验。
8.可听化主观评价。可听化技术是通过仿真计算。或者通过模型试验测量获得双耳脉冲响应，将之与在消声室中录制的音乐或语言“干信号”卷积，输出已加入厅堂影响的声音信号，供受试者预先聆听建成后的厅堂音质效果。这是近年发展起来的建筑声学领域一项高新技术。
9.建筑声学测量。建筑声学测量包括噪声与振动测量，围护构造隔声测量，重要材料与构造的吸声量测量以及厅堂音质参量的测量等。
10.对电声系统设计提供咨询意见。对于需要安装电声系统的厅堂，建筑声学专家尚需与音响工程师配合，对电声系统的设备选型、设计与安装提供咨询意见。
11.组织主观评价。对于重要厅堂，在工程落成后，组织专门的演出和主观评价，来检验建成后厅堂的音质效果，是建筑声学设计最后一个重要环节。
二、声学设计的手段
准确地预测房间的音质效果一直是建筑声学研究者追求的理想。厅堂音质模型测定是建筑声学设计的重要手段。随着软件技术的发展，使用计算机进行声场的模拟研究成为现实。近年来，使用基于有限元理论的方法模拟声音的高阶波动特性，在低频模拟上获得了一些进展。
厅堂中短延时反射声的分布，是决定音质的重要因素。在缩尺模型中，用电火花作为脉冲声源测得的短延时反射声分布，与实际大厅的短延时反射声分布有良好的对应，对在设计阶段确定厅堂的大小、体型等有重要参考意义。混响时间是公认的一个可定量的音质参数，通过模型试验可以预测所要兴建厅堂的混响时间。声场不均匀度也是一个重要的音质参数。
模型试验的测量系统、测量方法和结果的表达与实际厅堂相同，但需要根据厅堂模型的缩尺比s，在混响时间测量和声场不均匀度测量时对测量频率作相应改变。不同频率的声波，在空气介质中传播，特别是高频声波，它的由空气吸收引起的衰减在不同温、湿度条件下差别很大，对混响时间测量结果，需采取对空气吸收的影响作相应的修正，且有足够的精度。
对于短延时反射声分布测量，厅堂音质模型的缩尺比s一般采用1／5或1／10，也有采用1／20的，但因受试验设备和频率过高的限制，精度受到一定影响。对混响时间的测量，缩尺比s为1／20时只能对应实际厅堂1000Hz或2 000Hz以下的频率。推荐缩尺比s不小于1／10，对混响时间和声场不均匀度的测量可扩展至实际厅堂中的4000Hz。短延时反射声分布测量的精度也较高。
模型的内表面形状，有些起伏尺寸比较小，对声波的反射和扩散没有多大影响，在制作模型时可适当简化。但必须保留等于或大于实际厅堂中声波为2000Hz的波长的起伏，不能省略。因为这些部分会对声场的不均匀度有较大影响。要使厅堂音质模型的内表面各个部分，包括观众席的吸声系数在所测量的频率范围内与相对应的实际厅堂内表面各部分及观众席的吸声系数完全相符，实际上有很大难度，因此允许有±10％的误差。
为了避免在模型中的背景噪声过高导至动态范围达不到要求而影响精度，厅堂音质模型的外壳必须有足够的隔声量。舞台空间大小、形状及吸声状况，对观众厅的短延时反射声分布、混响时间及声压级分布有很大影响。在模型试验时，这部分宜包括在内。舞台空间部分的吸声状况也应进行相应的模拟。
奥运建筑大型综合体育馆建筑设计特点
奥运体育建筑大型综合体育馆在建筑上主要有以下几个特点：
(1)容纳观众数量多，根据《体育建筑设计规范》(JGJ31－2003)，特大型体育馆的定义为容量大于1万座，而本文介绍的两个体育馆的容量均在1.8万，比上述规定高出近1倍。
(2)体积巨大：在上述规范中，混响时间指标根据体育馆的体积分为三档，大于80000m3，400003－80000m3，小于40000m3，而国家体育馆的容积为510900m3，北京奥林匹克篮球馆的容积347400m3，比规范中最高档的体积高4－6倍。
(3)采用桁架的形式早期的体育馆，如首都体育馆，多在屋顶结构下设置装修吊顶，而在北京亚运会时代建造的体育馆基本上就取消了装修吊顶，屋顶的结构形式多采用网架，而此次为北京奥运会建造的体育馆屋顶的结构形式采用了桁架，而且由于跨度很大，屋顶系统的承载力有限。
(4)轻质屋面：屋面均采用轻质金属屋面材料。
(5)连通空间形式：以前的体育馆的比赛大厅多为单独的封闭空间，与休息厅分隔，而近期建造的体育馆多采用连通空间形式，即将比赛大厅与休息大厅连通为一个空间。
(6)用途多样：奥运会的体育馆不仅要考虑奥运会其间的体育比赛，还要考虑赛后的使用，包括文艺演出和大型集会等用途。
国家体育馆声学设计
1.概况及特点
国家体育馆位于奥林匹克公园中心区的南部，与“鸟巢”、“水立方”毗邻而居，是奥林匹克中心区标志性建筑之一。体育馆屋顶曲面近似扇形，如行云流水般飘逸又富于动感，四周竖立的钢骨架与大面积晶莹剔透的玻璃幕墙相映衬，犹如一把张开的中国扇，彰显出中国文化的内涵这是奥林匹克中心区三大体育建筑中唯一的完全由我国自己设计的体育建筑。
国家体育馆平面呈矩形，观众席长约140m，宽约110m比赛场地长约74m，宽约43m，屋顶为单向波浪弧形，比赛场距屋顶最高处的高度约为40m。比赛大厅与观众休息大厅连为一体，有效容积(包括观众休息大厅)为510900m3，容纳约1.8万名观众(赛时)，每座容积为28.4m3。
2.声学设计指标的确定
根据《体育建筑设计规范》(JGJ31－2003)，大干80000m3的体育馆特级和甲级的混响时间指标(满场 中频)为1.7s，由于本体育馆的体积远大于80000m3，而混响时间是与体积成正比的，所以，要使该体育馆达到这个指标是非常困难的，也是不现实的。对于体育馆来说，由于不存在使用自然声的可能性，所以建筑声学设计的主要目的就是保证体育馆内电声系统能够达到良好的效果，而随着电声技术的发展和电声设备的更新，电声系统对建声条件的要求也有所降低。根据《体育建筑设计规范》，上述混响时间指标可以有0.15s的变动范围，所以我们制定了如下建筑声学设计指标，
(1)混响时间(80％满场，s)；
中频(500Hz)：1.85s；
频率特性：低频(125Hz)提升1.2倍(相对于中频)，高频为0.9倍。
(2)噪声限值(dBA)：
背景噪声应低于35dBA，噪声评价曲线NR－30：
空调运行并达到使用工况时，低于40dBA，噪声评价曲线NR－35。
(3)无音质缺陷：
大厅内不得出现明显的音质缺陷(回声、颤动回声和声聚焦等)。
3.声学设计措施
(1)建声设计的主要问题
从声学角度，国家体育馆主要存在以下问题：比赛大厅内的屋顶呈凹弧形，容易产生声聚焦和回声等声学缺陷比赛大厅和休息大厅连为一体，一方面增大了容积，从而增大控制混响时间的难度，另一方面易产生耦合效应；比赛大厅四周无墙面，而与之连通的休息厅的护结构是大面积的玻璃，可以用来布置吸声材料的面积十分有限
(2)屋面系统的声学设计
由于该体育馆的墙面很少，所以可以进行吸声处理的重要部位就是屋顶。由于屋顶呈凹弧形，所以在进行吸声处理时除了要考虑增加吸声量，控制混响时间外，还必须考虑消除可能出现的声聚焦和声反射等声学缺陷。为此我们选择了如下措施：
在屋架内悬吊垂片式吸声体：由于本体育馆体积巨大，体积超过50万m3，每座容积高达到了28m3／座，而可供布置吸声材料的界面又相对较少，总内表面积约96000m3仅靠在体育馆本身的界面上布置吸声材料不能满足控制混响时间的要求，必须增加相当大数量的吸声量，而最有效的方法就是悬挂空间吸声体。
空间吸声体由于各表面都暴露在声场中，所以吸声效率最高。吸声体的形式和材料除了必须满足声学要求外，还必须满足建筑装修风格和结构承载的要求。
形式的选择 国家体育馆外形象一把展开的折扇，显示了浓郁的中国特色，而在内部装修时，神似折扇关闭时扇骨形式的垂片，就成为一个不断重复的主题，如休息厅的吊顶墙面的百叶等。为了使声学设计不破坏体育馆总体的建筑风格，使声学构件统一于装修的主题之下，经过与建筑师协商，在体育馆中采用了垂片式空间吸声体，将休息厅垂片式的吊顶延伸到比赛大厅内，强化了建筑风格。吸声体呈矩形，高度为500mm，厚度为100mm，片间距为400mm，悬吊在桁架下弦上面的位置，从图中可见垂片式空间吸声体实际效果。
材料的选择 由于国家体育馆跨度很大，屋顶系统的承载能力有限，所以空间吸声体采用了无骨架空间吸声体，其芯材为用阻燃环保纤维织物毡进行封闭处理的80K离心玻璃板，面材为阻燃吸声布，板的边框是通过固化工艺将玻璃棉板的周边固化形成的，板和框为一体。该吸声体由于没有金属或木制的龙骨，所以重量很轻。另外，其吸声
性能良好，而且由于饰面材料与芯材复合良好，不易脱离；另外，由于该产品的芯材用环保阻燃织物毡进行了封闭处理，所以不会出现玻璃棉纤维逸散的情况，环保性能良好，安装比较简便。
屋面板下进行纤维喷涂处理：但由于体育馆的屋面为凹弧形，容易产生回声和声聚焦的声学缺陷，根据以往的经验，垂片式空间吸声体由于在两片之间有一定的距离，有时可能遮挡不住来自屋顶的反射声，所以不能完全消除声缺陷。为了解决这个问题，我们在屋面板下层做了25mm厚纤维喷涂。纤维喷涂技术是将经过预先特殊工艺处理的无机超细纤维、纤维素、抗火化合物以及粘接剂等原料，通过专用配套的喷涂设备混合，在施工现场喷涂于混凝土、钢板、石膏板等各种基体表面上，形成具有一定厚度喷涂层。纤维喷涂材料除具有一定的吸声能力外，还具有保温、绝热等功能，在以钢板作为基体时，还具有较好的阻尼作用，可以较明显的提高其隔声性能。
所以采用此措施除了可以改变屋面的吸声性能，消除声聚焦和回声等声学缺陷外，还可以提高轻屋面的防雨噪声性能，提高轻屋面的空气隔声性能，并具有一定保温作用。
(3)其他部位声学设计措施
由于顶部的空间吸声体和纤维喷涂的吸声频率主要在中高频，而低频的吸声能力稍弱，为了控制体育馆的低频混响时间，我们在体育馆护墙上部内侧百叶内设置了穿孔FC板低频共振吸声构造，具体构造是在金属百叶后安装6mm厚穿孔FC板，孔径5mm，孔距25mm，板后贴一层无纺吸声纸，板后空腔400mm，共振频率为125Hz。
在观众席三层赞助商包厢外墙面，除玻璃窗外其他部分采用木质吸声板吸声构造，具体构造为：18mm厚木质吸声板，28／4M，穿孔率7.5％，板后贴无纺吸声纸，板后空腔150mm，空腔内填50mm厚40K离心玻璃棉板。
比赛场地周围有固定墙面的部分，采用木质吸声板吸声构造，具体构造同上。
主席台和贵宾包厢采用吸声量较大的全软包座椅，普通观众席采用硬椅。
(4)休息厅的声学处理
由于比赛大厅和休息厅是连通的，所以如果休息厅内的混响时间过长，可能会与比赛大厅产生声耦合效应，出现声学缺陷，影响语言的清晰度，所以必须在休息厅内也进行一定的声学处理。结合休息厅的装修设计，在休息厅采取了以下声学处理措施。
观众休息厅内坐席下斜板吊顶内采用玻璃棉吸声构造具体构造为：50mm厚40K玻璃棉板外包玻璃丝布，放于斜板吊顶上。
观众休息厅内16m板下垂片吊顶内采用玻璃棉吸声构造，具体构造为双层轻钢龙骨，50mm厚40K离心玻璃棉板外包黑色玻璃丝布，与楼板之间留50mm的空腔，下罩钢板网刷防锈漆。
篮球馆声学设计
1.概况及特点
北京奥林匹克篮球馆是五棵松文化体育中心重要的组成部分，比邻北京奥运会棒球比赛的场地。作为2008年奥运会篮球预赛和决赛用馆，该场馆是一座设计先进，功能齐全的现代化综合体育馆，总占地面积16.8万m2，总建筑面积6.3万m2，可以容纳观众1.8万人。
北京奥林匹克篮球馆平面呈方形，观众席边长为110m比赛场地活动座椅收起时长约65m，宽约52m，篮球比赛时长约38m，宽约25m，屋顶为平面，比赛场距屋顶最高处约为35m。比赛大厅与观众休息大厅连为一体，有效容积(包括观众休息大厅)为347400m3，容纳约1.8万名观众(赛时)，每座容积为19.2m3／座。
2.声学设计指标的确定
虽然该体育馆称为篮球馆，但其用途除在奥运会之间进行篮球比赛外，在赛后还会进行其他各种大型比赛，并且要求可以进行大型文艺节目和群众集会，所以属于综合体育馆对建筑声学条件有较高的要求，为此，制定如下声学设计指标：
(1)混响时间(80％满场，s)，
中频(500Hz)：1.85s；
频率特性：低频(125Hz)提升1.2倍(相对于中频)，高频为0.9倍。
(2)噪声限值(dBA)，
背景噪声应低于35dBA，噪声评价曲线NR－30；
空调运行并达到使用工况时，低于40dBA，噪声评价曲线NR－35。
(3)无音质缺陷：大厅内不得出现明显的音质缺陷(回声、颤动回声和声聚焦等。
3.声学设计措施
(1)建声设计的主要问题
北京奥林匹克体育馆虽然也可以容纳1.8万名观众，属于特大型体育馆，但从声学角度，与国家体育馆相比有如下的优势：
体育馆的体积小与国家体育馆，每座容积为19.2m3／座，混响时间的控制相对较容易：体育馆的屋顶形式为平顶，不易产生声聚焦等声学缺陷；体育馆的座椅为软椅(国家体育馆的座椅为硬椅)，为大厅提供了较大的吸声量。
但与国家体育馆相同，本体育馆也存在比赛大厅四周无墙面，而与之连通的休息厅的护结构是大面积的玻璃，可以用来布置吸声材料的面积十分有限等问题。
(2)屋面系统的声学设计
由于该体育馆建筑设计师为了保证整体的风格 不希望采用空间吸声体，为了尽量满足建筑风格的要求我们进行了详细的计算。根据该体育馆每座容积相对较小而且所有座椅均为软椅的特点，我们在声学设计时就没有采用空间吸声体。而采取了以下吸声措施：
由于其他可以布置吸声材料的界面十分有限，所以体育馆顶部就成为最重要的吸声部位。我们将整个顶部都设计成宽频强吸声构造。另外由于屋面为轻质金属屋面，所以增强其隔声性能也可解决问题。为此，在桁架上弦与屋面之间设置隔声和吸声双重功能的构造：一方面提高轻屋面的隔声性能，另一方面起到保温和吸声作用，因此它是集吸声、保温、隔声三项功能的复合结构其中紧贴轻质屋面板下的50mm厚80K玻璃棉板和9mm厚PC板(高强纤维水泥板)组成隔声层，可以有效地提高屋面的隔声量，同时也具有良好的保温性能，对建筑的节能也具有重要的作用，在下面的空腔、100mm厚40K玻璃棉板、无纺吸声纸和穿孔铝板组成了高效宽频吸声层，除控制混响时间外，还可以有效的消除可能产生的回声等声学缺陷。总面积约15100m2。
(3)比赛大厅内其他部位的吸声处理
在其他部位，还进行了如下吸声处理，在观众席三层贵宾包厢以下墙面，采用木制吸声板吸声构造，该构造表面为有一定透空率的木饰面复合板材，具有良好的装饰性，同时便于清洁，而且具有较高的防火等级，对低频有较好的吸声效果。
观众席采用有一定吸声量的局部软包座椅
玻璃幕墙在与比赛大厅相通的部位(从比赛大厅可以看到的部位)采用吸声遮光百叶。
(4)休息厅的声学处理
吊顶：在楼板下粘贴一层吸声材料(如100mm厚玻璃
棉板)，然后在下层结合装修设计设置透声的吊顶。
观众休息厅内部分墙面采用了木丝吸声板吸声构造。
北京奥林匹克篮球馆按美国NBA的规格要求进行了装修，并安装了世界最先进的全彩高清LED显示系统，包括吊挂在比赛大厅中间的一个净高9.042m，最大直径约为11m的“漏斗屏”，以及位于观众席拦板处的两圈条形LED屏营造了非常热烈的气氛。竣工后举行了多次大型文艺演出，如周杰伦、周华健演唱会等，各方面反映效果很好。
结论
经过这两个为奥运会新建的最大的综合体育馆的建筑声学设计实践，并通过体育馆竣工后的测量结果和使用效果的综合比较作者有如下经验。
1.声学设计与建筑和装修设计的结合
每个建筑都有其独特的建筑风格和主题，而建筑中的各专业设计均应在服从总体风格的前提下各自发挥，声学设计也不例外。所以声学设计人员必须与建筑师和装修设计师有良好的沟通，必须使自己的设计满足总体建筑风格的要求，在达到良好声学效果的同时，起到美化环境，强化主题的作用。
2.混响时间设计指标的制定
对于体育馆来说，建筑设计的目的就是满足电声系统的要求 随着现代电声技术和器材的进步，对混响时间的要求也有所放宽。另外由于现代特大型体育馆，体积巨大，而可以布置吸声材料的界面十分有限，所以将混响时间设计指标定的过低，是不现实也是不必要的，而且需要大量的投资，对于体积大于30万m3的特大型体育馆，中频满场混响时间在1.9s－2.0s之间，就基本可以满足现代扩声系统的各种要求。从北京奥林匹克篮球馆的实际测量数据和举行文艺演出的实际效果可以证明上述结论。
3.空间吸声体的使用
空间吸声体是体育馆中控制混响时间的常用措施，但是否使用也应根据实际需要来确定。另外空间吸声体的选择必须考虑体育馆的总体风格，结构的承载等因素，应在和建筑设计师和结构设计师充分协商后确定。
4.综合屋面系统的声学设计
对于特大型综合体育馆，屋面系统是可以进行吸声处理的最大界面，是建筑声学设计的关键在进行屋面系统设计时，除了控制混响时间外，还必须考虑声学缺陷的消除和隔声性能的增强。
DH：请为我们的读者简单介绍一下你自己。
华刘勇：我本来是医学、法律专业的，搞声学算是半路出家。1994年，我从医院院长转任装潢公司经理，业务主要涉及室内设计、装潢施工，这段经历为我提供了宝贵的实践经验。2000年起，我开始接触家庭影院声学产品，其后一直从事高端声学产品的研发和生产，目前已申领了十多项国家专利，专利涵盖了70多款声学产品。在此期间对整体影院进行了潜心的摸索、研究，总结出一整套设计、施工管理、施工流程方案，并编写了很多整体影院的施工工艺。目前主要和一些做设备的公司合作，开展整体影院的设计、施工。本人的强项是影院的整体施工管理。我做人崇尚助人为乐、无私奉献，经常会对新入行的同仁热情传授技术，因此被业内不少同行亲切地称一声“师傅”。
DH：介绍一下目前中国声学材料这块市场的现状。
华刘勇：家庭影音定制安装产业在中国大陆的发展很快，从2008年开始到现在的短短五年间，无数定制安装公司如雨后春笋般涌现。很多传统零售型影音公司，正在向定制安装公司转型，声学设计与声学材料的使用是他们的突破口。就我看来，目前大多数家庭影院定制安装公司还是非常重视这一块的，都能明白在不经过声学处理的影音室里安装任何品牌设备，设备的优点都不能发挥到极致，所以现在无论公司大小，在给客户设计的方案中，多多少少都会使用声学材料。目前市场上的声学材料良莠不齐，标准也不统一，有的定制安装公司甚至拿一些用于商业用途的声学材料使用在客户家里，导致不良的音质效果。声学材料的环保问题，知识产权保护问题，还没引起足够的重视，一方面有人在粗制滥造，假冒伪劣，另一方面有人在盲目施用。
DH：本次HAA上，你所提供的声学材料有什么特点
华刘勇：由于HAA总监Gerry先生非常重视授课质量，所以他要求课堂上所使用的声学材料不仅要声学效果出色，其外观也必须非常考究，以免给上课的学员留下不好的印象。所以，本次为HAA level II培训所提供的声学材料都是按美国标准在工厂用手工定制生产的，采用了优质、环保玻璃纤维棉和木板型材、配件，无论是外观还是声学效果在课后都得到了美方讲师和中文讲师的肯定与好评。
DH：谈下你对HAA的感受
华刘勇：HAA培训是全世界最顶级的小房间声学培训，本次培训也是我们公司第三次赞助HAA培训，我们非常高兴，同时也非常自豪能为推动家庭影音声学技术在中国的发展尽到自己一份绵薄之力。我自己也到课堂现场旁听过，授课老师能把以前大家认为很玄乎的声学问题用科学、客观的方式展示给学员，老师的授课浅显易懂，学员们收获很大，我觉得HAA的培训很了不起。在本人看来，小房间声学设计类课程的普及将是未来几年推动行业发展的重点之一。
DH：你如何看定制安装在中国的发展，你准备做些什么？
华刘勇：我个人感觉，定制安装产业在中国的发展前景广阔，同行们都清楚定制安装是大势所趋。但是目前很多定制安装公司各方面的水平还需要提升，不仅仅是技术，在公司管理，项目管理和市场推广、宣传方面都需要加强。我们公司会不遗余力地支持整个行业的发展与进步，会在今年开始提供更加定制化的产品与服务以满足定制安装公司愈来愈苛刻的设计要求。本人愿意和同仁们互相切磋、交流，共同把中国的定制安装技术推向更新、更高、更强。
关键词：动车组；滚动轴承；轴承故障；检测机理；声学诊断；状态监控
0引言
我国动车组具有运行速度高、连续高速运行里程长的特点，滚动轴承承受的动态载荷较大，容易出现轴承故障。当前对动车组和客车车辆滚动轴承的检测主要依靠车载轴温报警装置进行在线监控和定期进行人工检查。车载轴温报警装置主要监控轴承晚期故障，一旦出现轴温报警必须立即停车检查，严重影响行车秩序，造成巨大社会影响[1]。定期人工检查无法及时监测轴承故障，而且受个人主观因素影响，容易出现故障漏检、漏判。迫切需要采用先进技术及设备开展动车组和客车车辆滚动轴承早期故障检测和诊断，有效预防滚动轴承事故的发生。目前，国内外在列车滚动轴承故障轨边声学诊断领域做的比较成熟的有美国TTCI和澳大利亚TrackIQ公司，其研制开发的滚动轴承故障轨边声学诊断系统在全世界均有70多套应用。2003年开始，我国与TrackIQ等国外公司合作，引进了滚动轴承故障轨边声学诊断系统，为适应我国的铁路状况，逐步实现国产化。试验过程中对TADS的硬件进行了全面消化吸收，对软件进行联合开发，对系统的组网方式进行了改进，取得了良好效果[2]。我国动车领域运用的LM滚动轴承故障轨边声学诊断系统（即LM系统），通过引进先进的动车组TADS系统并将其国产化，采用先进的轨边声学指向跟踪技术、声音频谱分析技术和计算机智能识别技术对动车组和客车车辆滚动轴承外、内圈滚道和滚动体裂纹、剥离、磨损及腐蚀等故障进行早期诊断及分级报警，适用于各型CRH系列动车组及客车车辆滚动轴承故障的在线动态检测。
1滚动轴承故障及检测机理
1.1滚动轴承故障
客车车辆滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。
（1）内圈与轴相配合并与轴一起旋转。
（2）外圈作用是与轴承座相配合，起支撑作用，一般情况下内圈随轴旋转，外圈不动。
（3）滚动体是滚动轴承中的核心元件，借助于保持架均匀分布在内圈和外圈之间，其形状大小和数量直接影响滚动轴承的使用性能和寿命，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦，我国动车组滚动轴承的滚动体形状为圆柱形和圆锥形。滚动轴承内外圈上都有凹槽滚道，起着降低接触应力和限制滚动体轴向移动的作用。
（4）保持架使滚动体均匀分布并引导滚动体旋转起作用，如果没有保持架，相邻滚动体将直接接触，发热和磨损都会增大[3]。CRH2型动车组滚动轴承见图1。由于滚动轴承材料缺陷、加工或装配不当、不良、水分和异物侵入、腐蚀剥落及过载等原因都可能导致早期损坏。另外，即使在安装、和使用维护都正常的情况下，经过一段时间的运转，轴承也会出现疲劳剥落和磨损等现象，影响轴承正常工作。概括起来滚动轴承的主要故障形式有：裂损、剥离、麻点、划伤、凹痕和擦伤等（见图2）[4]。
1.2滚动轴承故障检测机理
当滚动体和滚道接触处有局部缺陷时，轴承在运动过程中就会产生一个冲击信号，缺陷在不同元件上接触点经过缺陷的频率也不同，这个频率就成为冲击的间隔频率或特征频率。引起滚动轴承振动和噪声的原因，除了外部激励因素外，还有内、外圈和滚动体接触面缺陷引起的振动的特征频率（见表1）。轴承在线轨边声学诊断系统主要采用声音（噪声）方法。
（1）轴承无故障或缺陷时，轴承在旋转时表现出来的振动主要由转动面的光洁度和波纹度引起的，因此运转时发出的声音应该是正常声音。
（2）轴承滚动面出现缺陷时，滚动体碾压到缺陷部位，产生冲击振动，从而产生异常声音。振动作用时间短，时域能量不大，但频率丰富且具有周期性。
（3）轴承不同部位由于转速不同，所发出的异常声音频率也不同，计算机可以根据声学频率特征识别出发生故障的部位。故障越严重，异常声音的振幅相应越大，即异常声音的振幅大小反映了故障的严重程度[5]。
2轨边声学诊断原理轨边声学探测
主要是要根据滚动轴承运行机理及轴承尺寸，准确全面采集轴承任何部位发生故障、缺陷时所产生的振动声音。LM系统是利用声学传感器获取运行中的滚动轴承发生的声学信号。LM系统检测原理如下：
（1）利用声学传感器阵列，采用现代声学诊断技术，对高速运行列车的车辆滚动轴承故障信号进行实时拾取、滤波、采集、处理。
（2）采用声学传感器阵列技术和多传感器信号合成及定位技术保证系统对故障轴承诊断的可靠性和准确性。
（3）利用故障轴承信号拾取技术、系统降噪技术及频谱分析和小波形分析技术，使得系统对故障轴承缺陷程度具有极高的预报精度。
（4）与车号自动识别系统相结合，实现故障轴承车号和轴位的自动定位。
（5）计算机根据不同轴承故障信号的频率、能量、幅值和相关的车速、载荷等因素，判别出各种不同轴承故障类型和故障缺陷程度，实现对滚动轴承早期故障进行预警、防范，保证行车安全。列车报警频谱图见图3，是列车在TADS上经过6次采集检测到的轴承有缺陷时的列车报警频谱图。横坐标代表报警次数，纵坐标代表声音强度。当有缺陷时，轴承在运转过程中就会产生一个冲击信号（绿色波形），随着转动圈数的增加，声音强度会逐渐降低。列车多次经过时，由波形图可知，声音信号有规律的出现，且振动频次一致。由此可以判断轴承发生故障。而当无缺陷时，列车报警频谱图上不会出现如此有规律的报警信号。
3轨边声学诊断关键技术
3.1声学传感器阵列跟踪式检测技术
单独声学传感器的有效区域仅为1.1m左右，若采用单独声学传感器，在这么大的指向区域内保持接收信号灵敏度的一致性是不可能的，难以对轴承故障进行准确判断。为此，LM系统采用单侧16个传感器阵列（见图4），采用跟踪式检测方式，保证某一轴承在探测区内传感器接收的轴承振动信号是连续的，保证检测效果。
3.2声学传感器冗余设计技术
LM系统单侧采用16个声学传感器阵列，其中2个为安全冗余设计，出现异常状况时，剩余声学传感器同时工作即可保证滚动轴承声音信号采集的连续性。声学传感器冗余设计极大提高了系统工作的可靠性，有效保证了系统的检测效果。
3.3动车组和客车车辆自动兼容检测技术
在充分调研各型动车组和客车车辆滚动轴承的基础上，准确计算和模拟出各型动车组和客车车辆轴承不同部位故障频率，建立了各型动车组和客车车辆轴承故障模型，并在后期数据处理上做了精确修正，使得LM系统完全满足自动兼容检测各型动车组和客车车辆滚动轴承的需求，并在实际运用中得到验证。
3.4声学采集单元集成式设计技术
LM系统声学传感器主机柜和副机柜均采用集成化设计，将单侧16个声学传感器集成在一个机柜内，机柜内创新性的设计了一体成型的抛物线型反射腔（见图5），声学传感器直接朝向抛物线型腔，减小了设备装调难度，保证了传感器间的安装精度，最大限度采集了轴承运转声音，保证了数据采集的稳定性。
3.5标准化数据处理技术
LM系统在疑似故障报警频谱图上采用了标准化数据处理技术（见图6），将轴承元件故障频率转变成无量纲形式呈现，最终结果与车速等无关，只与轴承本身参数有关，缺陷判别比较直观，大大减轻了数据分析人员的工作量，有效减少了漏判和误判。
4轨边声学诊断系统组成
LM系统由现场检测单元、数据处理单元和远程控制单元组成。现场检测单元主要实现滚动轴承声音信号的采集、车号信息采集、测速及计轴计辆等功能；数据处理单元主要实现声音信号处理、故障模式识别及车号识别等功能；远程控制单元主要实现数据远程分析、运行状态监控等功能，设备日常数据分析及监控等工作在远程调度室即可正常进行。检测数据传输流程示意见图7。
（1）现场检测单元。现场检测单元安装在轨道两侧，主要部件包括：开机传感器、声学采集单元、测速传感器、辅助测速传感器和图像车号识别装置。
（2）数据处理单元。数据处理单元包括：不间断电源箱、保护门控制箱、远程电源控制箱、信号调理前置机、信号采集处理计算机、集线器、HDSL调制解调器、车号识别设备主机等。数据处理单元在主计算机软件统一调度下，完成声音信号采集、故障轴承模式识别、计轴计辆、车号识别、数据上传、自检和远程维护等工作。
（3）远程控制单元。远程控制单元独立于设备检测控制现场，通过光纤与数据处理单元进行通信连接，主要由控制主机和网络设备等组成，实现数据的远程分析、运行状态监控等功能。
5系统运用
动车组TADS设备已在武汉、南昌和上海铁路局现场配置应用，运用至今能自动检测各型动车组轴承故障，运行稳定，检测情况良好。截至2015年6月，动车组TADS设备共检测动车组列车80000余列次，报警动车组轴承故障40例，其中19例经分解确认存在剥离故障，21例落轮返厂处理（落轮后人工转动轴承能听到明显异音），有效防止了因轴承故障引起的行车事故。
参考文献
[1]任尊松，孙守光，李强．高速动车组轴箱弹簧载荷动态特性[J]．机械工程学报，2010，46(10)：109-115．
[2]崔涛．铁路TADS监控及联网跟踪预报系统设计及实现[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009．
[3]廉振红，王增胜．滚动轴承的组合结构设计应考虑的问题[J]．中国科技信息，2010(20)：152-153．
2月16日，从罗马传出一个消息：由英国著名建筑师佛斯特爵士领导的评审团宣布，福克沙司和徐亚英等人提出的方案获得罗马会议宫国际设计竞赛的第一名。
按照福克沙司和徐亚英等人提出的方案，这座由玻璃和金属建成的会议宫首层大厅空无一柱，堪称“悬浮建筑”。法国《建筑学导报》刊出了这座会议宫的相关文字资料和图片，标题是《浮起来的会议厅》。1995年6月20日，法国建筑科学院在向徐亚英颁发“银质奖章”时作出这样的评价：“徐亚英是当前国际建筑声学界最有名望的专家之一。”“银质奖章”是建筑声学家的最高奖项。
融合技术与艺术的魔术师徐亚英说，建筑声学主要包括建筑、物理和音乐三方耗资13亿法郎的巴黎音乐城是当今世界最大的音乐建筑群，设计师是国际最高建筑奖普利茨科奖得主、法国人波桑帕克。按照城市规划的需要，音乐城的外壳呈椭圆形，稍有建筑常识的人都知道，椭圆形建筑很容易造成声聚焦效果。因此，波桑帕克的椭圆形大顶方案一出，立即招徕种种批评，大有被封杀的危险。
波桑帕克知道徐亚英善於化难为易，便来征求他的意见，得到的日答是法国式的幽默：“为什么不？”徐亚英认为，凡事都要具体分析。椭圆空间固然会产生声聚焦效果。但是，交响乐队的位置总会有一个高度，只要把音乐厅的下面部分处理成一个鞋盒子形，上面部分可以是加了工的椭圆形，看似无法协调的矛盾总是可以化解的
徐亚英和波桑帕克反覆研究，决定把巴黎音乐城设计成上方椭圆形下方鞋盒形的建筑。徐亚英还在天花板上采用“平方剩余系列”扩散体，破除声聚焦和颤动日声。他把四分之一的天花板改成活动式，墙上亦装设大幕布。这样，包括韩德尔、巴哈以及布列兹等不同风格的音乐演出，因天花板和大幕布的不同位置，便有不同的声学效果。
将有限的精力集中发挥
我问他：“法国有26000名建筑工程师，为什么在声学方面没有的高手？而你从中国来到法国，短短几年就已经在建筑声学界成绩可观，秘诀何在？”
徐亚英的回答看似平常，没有惊人之处。
他说：“做人不可以没有雄心壮志，但又不可以什么都要，只能把自己有限的精力集中在一个着力点上选择这个看力点则是一辈子的事，最好能把自己的兴趣、爱好与专业结合起来，这样就会不知疲倦地奋斗下去。”
徐亚英说：“我很幸运，能把我的着力点选在建筑声学这一行，令我四十多年从未真正舍弃它。不论当年下放在江西鄱阳湖农场劳动，还是今天在欧洲的豪华酒店抽雪茄，只要一听到交响乐的几声合弦，或是几句西皮二黄，还是苏州评弹，我的整个神经部会绷起来，马—想到演奏厅，想到天花板和隔音板，想到各种建筑材料，想到乐队的位置，想到用不用扩音器：我就会浮想联翩，怎样使音质更清澈、更浑厚。”
谈到徐亚英在国际上的成就，大家都离不开他和建筑大师贝聿铭的合作，他俩都是苏州人，都在巴黎相识。当时，徐亚英正在蓬皮杜中心的音乐研究所作磬学研究，贝聿铭则因达拉斯音乐厅的声学设计而与美国声学顾问约翰逊争执不下，很想听听你亚英的意见。在徐亚英对达拉斯音乐厅的分析与判断中，贝聿铭慧眼识英雄！终於在巴黎罗浮宫的扩建工程中请徐亚英担任声学顾问。
贝聿铭力排众议，在罗浮宫上加盖玻璃金字塔的工程已在现代建筑史上留下辉煌的一页。作为声学顾问！徐亚英亦功不可没。金字塔的构想出自贝聿铭的大手笔，而金字塔下的中央廉堂要设立大支柱、螺旋楼梯和悬挑平台则是采纳了徐亚英的建议，化解了回声之害不应给自己的脑袋设限制
1986年，徐亚英承接了把梅茨军火库改建为可容纳1500人的大音乐厅的工程，与之合作的设计师是被誉为新古典主义大师的西班牙人伯菲尔。徐亚英利用他在中国时就提出的“双耳效应”理论，努力造成侧向扩散空
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间声效！消除了颤动回声，场内1500个不同位置的观众均能得到浑厚明澈的乐音。当今最有影响的指挥家、大提琴大师罗斯托波维奇在新建成的梅茨音乐厅举行独奏音乐会之後，称之为“欧洲最好的音乐厅之一”。《梅茨日报》把徐亚英赞扬为"声学大师"，认为他最为灵敏地搭起了“声音七巧板”。徐亚英爱说：“变化是绝对、永恒的，唯有在动中追求暂时的平衡人们不应给自己的脑袋设限制，自己束缚了创造性。”
【关键词】剧场；建筑声学；问题
中图分类号：TU112文献标识码： A
一、前言
经济的发展促进了科学的进步，也使建筑声学得到了广泛的应用，与其是在音乐厅及剧场的建设中，吸音及混响的应用及处理，使其演出效果达到了理想的状态。
二、剧场建设的前期准备
1、重视剧场的功能定位
剧场建设方必须重视、合理确定剧场的功能定位，不宜过分追求多功能要求。具体来说：剧场属功能性建筑，其使用功能应科学合理确定；多功能剧场应确定主次功能，不宜并列全能高标准；要根据实际需要、技术可行、投资经济合理三原则平衡确定。对于剧场的功能定位，有以下建议：
（一）歌剧院。以歌剧、音乐剧为主，可兼用于戏剧、芭蕾和音乐会（设舞台音乐罩）演出。
（二）剧场。以戏剧为主，可兼用会议。
（三）专业音乐厅。仅用于交响音乐会等各类音乐演出，不宜兼其他功能。
（四）大型会堂。以大型会议为主，可兼综艺演出。
（五）中小会议厅。以会议为主，可兼电影放映。
（六）大型体育馆。以体育比赛为主，可兼大型综艺演出等。
2、选择好的建声设计单位和设计师
要注意选择好剧场建声专业的设计单位和设计师，要正确对待中方与外方的设计单位和设计师（包括建筑设计和建声设计）。清华大学建筑学院的燕翔老师曾将声学设计单位、工程业主单位、施工单位比作为医、患、药三个方面，这个比喻还是比较形象的。一名患者患病了，一定要找好的医生，吃好的药，才能将病治好；在剧场建设中这个道理同样适用。现在建声设计市场上存在这种情况，有的是正规的专业单位，有的则是设备厂商和材料供应商兼做建声设计，这就要求业主单位做出正确的判断和选择，一定要选择正规的专业单位进行声学设计，才能保证好的声学效果。
三、主声源的变化、各墙面与声源的关系的处理
如前所述，我国近代建设的剧场与西方的歌剧院有着很大差别。西方的歌剧院观众席为立体式，楼层多、包厢多，底层观众席并不多，仅占总数的1/3～1/4，有的更少。观众离声源近，一般都靠自然声。而我国的剧场大多为扁平式，一般仅二层，底层的观众席占绝大多数。场地较长，前后排之间的距离大多超过 30m，观众与演员之间的距离变化大。为防止回声，后墙通常都做吸声处理，导致后排的声能严重不足，必须借助于电扩声。在正常情况下，主扬声器应安放在台口的上方。此时，声源已不在舞台面，各反射面应该如何处理？
1993 年国家大剧院筹备办和清华大学建筑系共同对十多个剧场做了测试，通过数据分析，寻找在剧场中声压级的实际分布情况。当时的实验是在舞台上设置一个12面体作为声源，得到的观众厅声压级的分布情况与赛宾公式基本相符。但由于舞台空间和挑台的影响也带来了一些差异，在电扩声为主的情况下，声源将是舞台口上方的扬声器，那将会得到怎样的结果？目前在许多设计中，天棚的反射面仍以舞台的声源为主来设计，这些情况应该做些研究和探讨。
四、关于降噪
1、空调机房、风机房等应远离观众厅上述设备房如确需与观众厅隔墙设置时,应增加该部分墙体的隔声措施,并在空调机房、风机房内部做吸声降噪处理,以及为机器做良好的隔振减振措施。个别有一定噪声的空调通风设备、设施如需安置(或吊装)在放映机房或办公、大堂等区域时,除应有良好的减振措施外,还应为上述设施制作隔声罩,但绝对不允许安装在观众厅空间范围内。
2、通风管道的降噪措施
空调通风管道、消防排烟管道等不能串厅布设；要控制管道和进、出口的风速不能过高；通风主管道应增加多节必要的消声设施,以衰减借助通风管道传入观众厅的主机噪声。观众厅内部,建议使用高分子材料的空调通风管道。
3、其它管道的噪声控制
像雨水管、落水管等经常有水流流动的管道,应尽量避免在观众厅内部空间布设。如果房屋结构中已布设了雨水管、落水管等,而且无法移动,就要求将上述水管(尤其立管部分)做旋流处理以及必要的隔声处理。
4、要注意处理好楼板撞击噪声
如果观众厅楼板上方是营业用的舞厅、歌城等能发出很强撞击噪声的场所,要考虑增加一定的减振隔声措施。除在楼板敷贴减振材料以及吊顶增加吸声材料以外,必要时还可增加弹簧隔声吊顶等。但针对非常强烈的撞击噪声,还要考虑到围护隔墙的固体噪声传递影响。因为没有任何隔振措施的砖混结构,其撞击声的理论值衰减量只有0、02~0、20dB/m。
5、注意孔洞与隙缝产生的透声
由于声波的衍射作用,围护结构的空洞和隙缝对隔声效果影响很大。有数据表明,孔洞面积占整片围护结构面积1%时,结构隔声量不会超过20dB。而且孔洞与隙缝的面积越大,透声频率越低。所以,施工中要特别注意观众厅分隔墙的孔洞与隙缝的封堵问题。
五、剧场建筑声学中应注意的问题
白瑞耐克教授认为:一个音乐厅的声学特性取决于音乐厅的室内容积、内部体形、室内表面材料的密度、座椅的类型和材料、地毯及观众席的面积。剧场的声学特性也是如此，为实现剧场的基本功能要求,下述几个问题必须注意:
剧场的内部平面形状或称体形,是剧场设计首先遇到的一个基本问题,也是决定音剧场声学效果的一个重大问题。体形选择得当,事半功倍。体形选择不当,剧场就有先天缺陷,很难弥补。音乐厅的内部平面形状,有长方形、扇形、六角形、圆形、椭圆形、多边形、梯田山谷形、马蹄形等。在这几种体形中,有些形状是不宜用于剧场的建设,如扇形。从现在已建成的音乐厅来看,至今没有发现扇形音乐厅的声学性能是令人满意的。此外如椭圆形、圆形,在音乐厅声学设计上,也忌讳采用这种形式。从声学性能上来说,体形最佳的是长方形。
根据混响时间的赛宾公式,混响时间与二个因素相关:室内容积和室内总吸声系数。据世界上8个最佳的音乐厅统计:平均座位数为1950个,平均室内容积为17,400立方米,平均满座混响时间为1.9秒。À照此计算,平均每座的室内容积为8.923立方米。因此,每座室内容积取8-10立方米是合适的。这个指标,目前修建的音乐厅,多数是可以达到的。
现在修建剧场中,最易发生问题的是室内墙面材料,天花板材料的使用,即白瑞耐克教授所说的室内表面材料的密度。为什么他用“密度”这个词呢?因为对室内表面材料来说,关键是它的吸声系数。通常,密度越小的材料越吸声,吸声系数越大；而密度越大的材料越不吸声,吸声系数较小。现在许多人认为剧场的内装修材料应该用木材,甚至认为,木材用得越多,声音越好。这种说法,至今没有找到充分的理论依据。与此相反的是,最好的剧场,维也纳金色大厅墙和天花板都是钢丝网泥灰,仅舞台四周是用中等厚木板；波士顿交响乐大厅则除舞台罩是2厘米厚的木板外,墙和天花板均为钢丝网泥灰；阿姆斯特丹音乐厅则全部墙和天花板均用钢丝网泥灰。bk现在的许多木质内装修,主要是用背后做龙骨,上面装木工装饰板的做法。这种背后有空隙的薄木板,是一种低频吸声器,是许多现代剧场混响时间偏短,特别是缺乏低频反射的重要原因。
六、结束语
总之，在剧场的建设中，建筑声学的应用使其效果达到了最佳的效果。在设计及其整体规划时，就应对其声学效果进行规划，保证其建成后的声学效果达到最佳。
参考文献：
[1]华天.剧场建设中的建筑声学问题.音乐艺术(上海音乐学院学报).2013年3月，第2期，16-18.
声波是声音的传播形式。物体振动在空气中或在其他介质中的传播叫做声波。声波借助各种介质可以向四面八方传播。声波是一种纵波，它是弹性介质中传播着的压力振动。但是在固体中传播时，它也可以同时有纵波和横波。
声波可以理解为介质在偏离平衡态时的小扰动的传播。在这个传播过程中只有能量的传递，而不会发生质量的传递。如果扰动量比较小，那么声波的传递过程满足经典的波动方程，是线性波。如果扰动很大，那么声波的传递就不再满足线性的声波方程，会出现波的色散和激波。在本课题中，我们的研究对象是小扰动的传播，即满足经典波动方程的线性波。
2 声学传感器
声学传感器是一个可以接收声波并且能够把声信号转换成电测仪器能够识别的电信号的装置，从而使得不易被测量的声学量能够很容易被测出，也使得声波被人们更为广泛的研究和利用。
声学传感器的原理就是声电转换，即把不易测量的声音信号转换成为容易被电测仪器测出的电信号。目前应用最多的声学传感器主要有动圈式、压电陶瓷式和电容式三大类，其他类型的，如果细分的话，也都属于这三大类之中。下面一节中，会具体介绍这三种声学传感器的原理，在此不再赘述。
3 声学传感器的前置放大电路
声学传感器的前置放大电路，是一种专门为声学传感器的输出信号而设计的放大设备。通常，人们习惯将声学传感器的前置放大电路直接简称为“前置放大器”，专门用来处理电平较低、音质比较脆弱的声学传感器的输出信号。
由于声学传感器可以分为动圈式、压电陶瓷式、电容式等多种不同类型，且其输出的信号在电平和阻抗水平上也有很大的差别，因此，前置放大器在设计上也有很多种不同的造型和尺寸。我们在选择前置放大器时，除了要鉴别音质水平之外，还应该特别注意其在多种不同的应用条件下对信号一致性的保持能力。
市场上可以见到的前置放大器有很多，它们大致可以分为两类，一类是电子管前置放大器，另一类是晶体管前置放大器。由于数字音频信号是离散的信号，与连续的模拟音频信号相比，声音听起来有一些硬，电子管的特性就是可以呈现出温暖的音色，所以近年来选用电子管前置放大器的用户逐渐多起来，电子管前置放大器会使原来听起来比较生硬的数字声音变得温暖许多。当然，电子管前置放大器呈现的温暖音色特性不一定适合对所有声音的加工，要根据声音特点的不同或者个人的喜好来选择是否用电子管前置放大器。
4 三种声学传感器的原理
4.1 动圈式声学传感器的原理
电磁感应现象：闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，在电路中产生感应电流，我们把这种现象称为电磁感应现象，产生的电流就叫做感应电流。
动圈式声学传感器就是利用电磁感应现象制成的。如图1所示，当声波使最右边的膜片振动时，连接在膜片上面的线圈会随着膜片一起振动，而音圈的振动又是发生在永久磁铁的磁场里，其中就产生了感应电流，也就把声音信号转换成了电信号。其中产生的感应电流的大小和方向都在变化，变化的频率由声波振动的频率决定，变化的振幅由声波的振幅决定。
4.2 压电陶瓷式声学传感器的原理
压电效应是指一些电解质在受到某一个方向的外力作用发生形变时，由于内部电荷有极化现象，会在其表面产生出电荷的现象。
由于有压电效应，压电陶瓷能够直接将非电量转换为电量，同时，压电陶瓷的压电常数可以通过调整配方组成或者改变陶瓷片组合的方式而得到大幅度的提高，从而可有效的提高它的灵敏度。
压电陶瓷式声学传感器就是利用压电陶瓷片的压电效应，把应力转换为电压输出的装置，如图2所示。压电陶瓷片是其中关键的部件，从信号变换角度看，这里压电陶瓷片相当于一个电荷发生器。
压电陶瓷式声学传感器是由把外力传递给压电陶瓷的力学系统、压电陶瓷片以及将电荷传递给测量仪表的测量电路三个部分组成。其中，力学系统是用来安装和固定压电陶瓷的支架部分，由该部分直接和外界接触，当受到外力的作用时，支架和压电陶瓷一起发生形变。压电陶瓷由形变产生电荷输出，然后测量线路会把电荷变换为电压输出。
压电陶瓷式声学传感器的结构简单、体积小、质量轻、功耗小、寿命长，尤其是它具有很好的动态特性，因此非常适合有很宽频带的周期性作用力以及高速变化的冲击力。
4.3 电容式声学传感器的原理
电容式声学传感器是将被测的非电学量的变化转换为电容量变化的传感器。
电容式传感器是把被测量的机械量，例如位移、压力等转化为电容量变化的传感器。它的敏感部分是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行的电极组成、极板间以空气为介质的电容器。若忽略电容器的边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中的ε是极间介质的介电常数，S是两个极板互相覆盖的有效面积，d是两个极板之间的距离。d、S、ε三个参数中任意一个发生变化都会引起电容量的变化。因此电容式传感器可以分为极距变化型、介质变化型和面积变化型三类。其中，极距变化型电容式传感器通常用于测量微小的线位移或者由于力、压力、振动等引起的极距变化。介质变化型一般用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测量。面积变化型电容式传感器常用于测定角位移或者比较大的线位移。
关键词： 管线探测； 参量阵浅剖仪； 信号预处理方法； 差频转换效率
中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）09?0047?04
Abstract： Nonlinear principle of acoustic wave propagation is applied to the nonlinear acoustic parametric array， and the high directivity low frequency sound wave is obtained by a small size transducer. Low frequency sound wave is great significance for shallow stratum information detection. A parametric array sub?bottom profiler is designed with Berktay nonlinear self?demodulation parametric array principle， and the signal preprocessing method is studied to improve the disadvantage of low parametric array difference frequency conversion efficiency. The Matlab simulation experiments prove that the performance of difference frequency conversion is improved by the signal preprocessing method.
Keywords： pipeline detection； parametric array sub?bottom profiler； signal preprocessing method； difference frequency conversion efficiency
0 引 言
伴随我国对海洋资源的日渐渴求，海洋工程建设与日俱增，用于资源输送的掩埋管线的架设与维护依赖于对海底浅地层信息的探测。基于线性声学原理的传统地质探测，声纳采用较低的工作频率，一方面减少海水对声波的吸收；另一方面使低频声波穿透海底沉积层，并达到一定的深度，进而实现对浅地层信息的探测。但是线性低频声纳的波束较宽，径向分辨率很低，非常容易受到海面回波的干扰，且因为宽波束造成的侧向回波与正向回波时延相差很大，使得界面混响大幅度降低了设备的轴向分辨率，而如果采用高指向性低频波束，换能器的尺寸会十分庞大，工程应用十分不便。
非线性声学参量阵利用声波传播的非线性原理，能在小换能器尺寸下得到高指向性的低频声波（即差频波），并且具有低旁瓣，相对带宽展宽的特点，非常适合于海底沉积层结构和浅地层掩埋管线的探测。鉴于非线性声学参量阵的优点，本文设计了一款用于海底浅地层掩埋管线探测的参量阵浅剖仪。虽然声学参量阵具有诸多优点，却是以牺牲发射功率为代价，以很低的差频转换效率得到高指向性低频声波，所以，本文通过研究发射信号的预处理方法来提高参量阵的差频转换效率。
1 非线性声学参量阵原理
1.1 非线性声学参量阵
在介质中，由换能器发射两个频率较为接近的共轴高频声波，分别为和（假定），称为原频（Primary Frequency）。在原频波共同覆盖的区域，由于声波之间的非线性作用，产生了差频为的低频声波（Difference Frequency），对于共轴的高频原频波，差频波如同一个沿原频波轴向连续分布的虚源线阵，其阵长决定于介质对原频波和差频波的吸收。
1.2 Berktay宽带自解调参量阵
Westervelt提出的线源参量阵理论是考虑两个单独的高频原频波产生的差频信号，Berktay在其基础上对宽带信号作为原频波的情况进行研究，提出宽带自解调参量阵，即使用幅度调制的原频波来产生差频信号。
实际的参量阵声纳制作不会采用Westervelt线源双频参量阵发射两个双频信号，本文利用Berktay宽带自解调参量阵理论，设计一款参量阵浅剖仪。从式（6）结论可知，合适的包络信号对获得的差频声压大小有显著影响。
2 参量阵浅剖仪的设计
本文设计的参量阵浅剖仪由干端和湿端两部分组成。湿端由嵌入式信号处理机（DSP）、原频发射机、原频接收机、差频接收机及收发合置换能器组成。干端由显示控制计算机和48 V直流稳压电源组成。干端、湿端通过以太网通信，由水密电缆相连。
系统初始化后，由计算机控制嵌入式信号处理机产生调制原频波信号，经过驱动后直接驱动功率放大器，再由输出变压器输出至匹配电路，为保证差频信号有足够的带宽，匹配电路具有宽带特性及在带宽内平坦响应，通过收发合置换能器辐射原频波。
原频通道既具有测深功能，又是差频通道TVG补偿的一个重要起始时间点，通道最大增益为80 dB；具有TVG控制。差频接收通道采取无源低通滤波，对原频的衰减需大于80 dB。差频通道的无源滤波是为了充分滤除原频信号，避免原频信号在接收机中由于电路的非线性而产生差频信号而引起的干扰；通道最大增益为110 dB，具有TVG控制。
信号处理机以TMS320F28335为核心，负责发射信号形成、原频信号处理及差频信号处理，将处理结果通过以太网发送至干端的显示控制计算机，原频信号采用带通采样，差频信号通过直接采样的方法，采样频率为100 kHz。一路原频A/D输入，只需要检波处理；一路差频A/D输入，进行脉冲压缩处理；两路D/A输出，分别给原频和差频TVG控制，差频的TVG控制由原频检测信号控制。
湿端电源由干端直流供电，直流电源的电压为48 V，供电电流最大为2 A。湿端所需的各种电压采用DC/DC变换产生，发射机直接由48 V供电。发射机发射时的瞬时能量由储能电容供给。
利用单边带调幅调制原频波自解调到的差频波比双边带调制节约了带宽，显著节省了功率，不存在谐波失真，提高了转换效率，与平方根法相比工程容易实现。
4 信号预处理仿真实验
通过分析三种方法自解调产生的差频声压可知：
（1） 平方根法以最低的调制信号强度产生了与其他两种方法同数量级的差频声压强度，但是平方根法工程物理实现困难。
（2） 从图4与图6的对比，可知同数量级的调制信号强度，双边带调制法产生的差频声压是单边带调制法的100倍，但从式（9）可以看出，双边带调制法得到的差频声压与包含在差频中的二次谐波声压存在1500的关系，所以单边带调制法产生的差频波强度约为双边带 调制法的5倍。
综上所述，可以通过单边带调制法提高参量阵浅剖仪的差频转换效率，节约功率和带宽。
5 结 语
非线性声学参量阵利用声波传播的非线性原理，能在小换能器尺寸下得到高指向性的低频声波，本文利用Berktay宽带自解调参量阵原理设计了一款参量阵浅地层剖面仪，针对参量阵浅剖仪差频转换效率较低的缺点，提出了通过信号预处理方法提高差频转换效率，节约功率和带宽，对改善浅剖仪性能具有指导意义，参量阵浅剖仪轻便实用，具有重要的工程意义。
参考文献
李颂文.参量阵及其在水声工程中的应用进展.声学技术，2011，30（1）：13?14.
LOUBET G， VIAL F， ESSEBBAR A， et al. Parametric transmission of wide?band signals // Conference Proceedings on OCEANS′ 96 MTS/ IEEE： Prospects for the 21st Century. Fort Lauderdale： IEEE， 1996， 2： 839?844.
刘圣军.声学参量阵技术研究.长沙：国防科技大学，2008.
WESTERVELT P J. Parametric acoustic array . The Journal of the Acoustical Society of America， 1963， 35（4）： 536?540.
栾桂冬.压电换能器和换能器阵.北京：北京大学出版社，1990.
钱祖文.非线性声学.北京：科学出版社，1992.
BERKTAY H O. Farfield performance of parametric transmitters . The Journal of the Acoustical Society of America， 1974， 55（3）： 540?545.
樊昌信，曹丽娜.通信原理.北京：国防工业出版社，2012.
