结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟方法
【专利摘要】本发明提出一种结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟方法，具体是：首先对室外空间进行三维空间剖分，并利用声束跟踪法模拟声音在室外的传播，当声束遇到门窗时，根据门窗的形状将该声束分割为若干子声束，并记录下即将进入室内的子声束，而其余子声束则在室外继续传播，不断重复上述过程，直到达到预先设定的声音传播阈值；然后利用所记录的子声束，通过几何运算可以获得每个声源点的若干个搜索夹角范围，对于每个声源点，只在其记录的各个搜索夹角范围内发射声线，则可以利用声线跟踪法来模拟声音在室内的传播。本发明应用于三维室内外空间的声场计算，可以有效提高区域声场的计算效率，并确保室内声场的计算精度。
【专利说明】
结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟方法
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑物室内、外的声传播，特别的涉及一种结合声线跟踪法与声束跟 踪法的室内外声音传播模拟方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的发展，噪声污染问题日益严重。其中，交通噪声、工业噪声、建筑噪 声等室外噪声是城市噪声的主要来源，这些噪声严重影响了人们休息、工作等生活活动的 正常进行。通过模拟噪声在建筑物室内外的传播，可以为噪声的防治与控制提供依据。
[0003] 声线跟踪法和声束跟踪法是两种常见的模拟声音传播的方法。
[0004] 声束跟踪法以声束为单位跟踪声音的传播，该方法具有计算效率高的优点。然而 该方法对数据结构以及空间剖分的要求很高，操作复杂，且很难实现声音散射、折射等现象 的模拟。
[0005] 声线跟踪法以一根根声线为单位，来跟踪声音的传播。该方法操作简单。并且，该 方法除了可以考虑声音的直射、反射外，还可以考虑散射、折射等现象，相较于声束跟踪法， 该方法适用性更强。在声线足够密的情况下，该方法的声音传播模拟结果更为准确。然而， 该方法计算效率比声束跟踪法低很多，模拟复杂情景中的声音传播时，为达到一定的模拟 精度，必须花费极大的时间成本。
[0006] 由于人们的休息、工作等生活活动主要都是在室内进行的，身处室内时人们的噪 声容忍程度要比在室外时要低，因此，相对于室外的噪声分布，人们往往更加关注噪声在室 内的分布。然而利用声线跟踪法模拟室外噪声源对于室内的影响时，大部分的时间却都被 室外的噪声分布计算所占用。通过结合声线跟踪法与声束跟踪法，利用声束跟踪法计算声 音在室外的传播，并利用声线跟踪法计算室外噪声源对室内的影响，虽然会牺牲室外的些 许计算精度，但却可以使得整体的计算效率大大提高，并保证室内区域的声场计算精度。
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于提供一种结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟 方法，是一种处理建筑物室内外声音传播模拟的方法，该方法结合了声线跟踪法与声束跟 踪法的优点，可以有效提高整个区域的声场分布计算效率，并确保了建筑物室内声场的计 算精度。
[0008] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
[0009] -种结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟方法，包含以下步骤：
[0010] 步骤1:根据建筑物外围边界及计算区域的边界，将室外空间剖分为若干个三棱柱 状的子空间，作为加速声束跟踪法模拟室外声音传播过程的基础；
[0011] 步骤2:若噪声源为线声源或面声源，则对噪声源进行离散化，形成一系列的点声 源;若噪声源为点声源，则无需离散化，直接进行下一步；
[0012] 步骤3:从点声源出发，利用声束跟踪法模拟其在室外三维空间的传播，当声束遇 到墙面，且与门窗有重叠部分，则根据门窗的形状将该声束分割为若干子声束，每个子声束 在墙面上的投影均为矩形，并记录下即将进入室内的子声束，而其余子声束则继续利用声 束跟踪法模拟其在室外的传播；
[0013] 步骤4:步骤3中产生的子声束，若在后续的室外传播过程当中又遇到门窗，则根据 门窗的形状将子声束进一步分割，不断重复步骤3的处理过程，直到达到预先设定的声音传 播阈值；
[0014] 步骤5:利用步骤3、步骤4中所记录的即将进入室内的子声束，通过几何运算获得 每个声源点的若干个搜索夹角范围，对于每个点声源，只在其记录的各个搜索夹角范围内 发射声线，并利用声线跟踪法来模拟该点声源在室内的声音传播。
[0015] 进一步地，所述噪声源位于室外。
[0016] 进一步地，所述建筑物的墙面为矩形平面，或可以被分割为若干个矩形平面。
[0017] 进一步地，所述建筑物的门窗为矩形平面，或可以被分割为若干个矩形平面。
[0018] 进一步地，在进行声音传播模拟之前，建立一个固定的三维直角坐标系，声源点、 门窗、墙面的位置均由其在该坐标系中的位置来描述。
[0019] 进一步地，在利用声线跟踪法模拟单个点声源的声音传播之前，都以该点声源为 坐标系原点，建立一个球坐标系，该坐标系的X轴、y轴、z轴分别与固定三维直角坐标系的X 轴、y轴、z轴平行且正向相同。
[0020] 进一步地，其中步骤5中，声音以声线的形式从室外进入室内之后，若其又返回到 室外，则仍使用声线跟踪法进行声音的传播模拟。
[0021] 与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：一是相比于单纯使用声束跟踪 法模拟三维空间室内外生成分布，本发明避免了在计算机模拟声场的过程中使用复杂的数 据结构，且降低对三维空间的剖分要求，并提高了建筑物室内声场计算的精度;二是相比于 单纯使用声线跟踪法模拟三维空间室内外生成分布，本发明通过提高建筑物室外声场计算 的效率，有效缩短整体的声场计算时间，将更多的计算资源集中在室内声场的计算上。
【附图说明】
[0022] 图1是建筑物室外空间剖分示意图；
[0023] 图2是声源点S的其中一个声束遇到建筑物门窗的示意图；
[0024] 图3是根据门窗形状进行分割后形成的子声束1的示意图；
[0025] 图4是根据门窗形状进行分割后形成的子声束2的示意图；
[0026] 图5是根据门窗形状进行分割后形成的子声束3的示意图；
[0027]图6是固定的三维直角坐标系及以声源点S为坐标原点的球坐标示意图；
[0028]图7是根据子声束3确定的声线跟踪法搜索夹角示意图。
【具体实施方式】
[0029] 附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例，附 图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0030] 对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解 的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0031 ] -种结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟方法，首先，根据建筑 物外围边界及计算区域的边界，将室外空间剖分为一个个三棱柱状子空间，如图1所示，空 间的剖分结果可以作为加速声束跟踪法模拟室外声音传播过程的基础。
[0032] 若噪声源为线声源或面声源，则对噪声源进行离散化，形成一系列的点声源;若噪 声源为点声源，则无需离散化，直接进行声音的传播模拟。在图2中，点S为一个声源点，从该 点声源S出发，利用声束跟踪法模拟其各个声束在室外三维空间的传播。如图2所示，从该点 声源S发射的其中一个声束遇到建筑物的墙面，并与该墙面上的门窗有重叠部分。
[0033] 根据门窗的形状将该声束分割为若干子声束，每个子声束在墙面上的投影均为矩 形。如图2所示的声束被分割为如图3、图4、图5所示的三个子声束。其中，如图3、图4所示的 子声束1、子声束2则继续利用声束跟踪法模拟其在室外的传播，而如图5所示的子声束3为 即将进入室内的子声束，则被记录下来。如图3、图4所示的子声束1、子声束2若在后续的室 外传播过程当中又遇到门窗，则根据门窗的形状将子声束进一步分割，不断重复上述处理 过程，直到达到预先设定的声音传播阈值。
[0034] 利用所记录下的如图5所示的子声束3,可以通过下列方法获得声源点S通过如图5 所示矩形区域AB⑶进入到室内后的声音传播:如图6所示，坐标系Oxyz为一个固定的三维直 角坐标系，声源点、门窗、墙面的位置均由其在该坐标系中的位置来描述；以声源点S为坐标 系原点，建立一个球坐标系Sxyz，如图6所示，该球坐标系的X轴、y轴、z轴分别与上述固定三 维直角坐标系的X轴、y轴、z轴平行且正向相同；利用如图5所示矩形区域ABCD，可以获取声 源点S在该次传播的搜索夹角范围，如图7所示，在球坐标系Sxyz中，该次传播在水平方向上 的搜索夹角范围为[θι，θ 2]，在竖直方向上的搜索夹角范围为从声源点S出发，在上 述搜索夹角范围内发射多根声线，并利用声线跟踪法来模拟声线在室内的传播;声线从室 外进入室内之后，若其又返回到室外，则仍使用声线跟踪法进行声音的传播模拟。
[0035] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种结合声线跟踪法与声束跟踪法的室内外声音传播模拟方法，其特征在于，包含 以下步骤： 步骤1:根据建筑物外围边界及计算区域的边界，将室外空间剖分为若干个三棱柱状的 子空间，作为加速声束跟踪法模拟室外声音传播过程的基础； 步骤2:若噪声源为线声源或面声源，则对噪声源进行离散化，形成一系列的点声源;若 噪声源为点声源，则无需离散化，直接进行下一步； 步骤3:从点声源出发，利用声束跟踪法模拟其在室外三维空间的传播，当声束遇到墙 面，且与门窗有重叠部分，则根据门窗的形状将该声束分割为若干子声束，每个子声束在墙 面上的投影均为矩形，并记录下即将进入室内的子声束，而其余子声束则继续利用声束跟 踪法模拟其在室外的传播； 步骤4:步骤3中产生的子声束，若在后续的室外传播过程当中又遇到门窗，则根据门窗 的形状将子声束进一步分割，不断重复步骤3的处理过程，直到达到预先设定的声音传播阈 值； 步骤5:利用步骤3、步骤4中所记录的即将进入室内的子声束，通过几何运算获得每个 声源点的若干个搜索夹角范围，对于每个点声源，只在其记录的各个搜索夹角范围内发射 声线，并利用声线跟踪法来模拟该点声源在室内的声音传播。2. 根据权利要求1所述的室内外声音传播模拟方法，其特征在于:噪声源位于室外。3. 根据权利要求1所述的室内外声音传播模拟方法，其特征在于:建筑物的墙面为矩形 平面，或能够被分割为若干个矩形平面。4. 根据权利要求1所述的室内外声音传播模拟方法，其特征在于:建筑物的门窗为矩形 平面，或能够被分割为若干个矩形平面。5. 根据权利要求1所述的室内外声音传播模拟方法，其特征在于:在进行声音传播模拟 之前，建立一个固定的三维直角坐标系，点声源、门窗、墙面的位置均由其在该坐标系中的 位置来描述。6. 根据权利要求5所述的室内外声音传播模拟方法，其特征在于:在利用声线跟踪法模 拟单个点声源的声音传播之前，都以该点声源为坐标系原点，建立一个球坐标系，该坐标系 的X轴、y轴、z轴分别与固定三维直角坐标系的X轴、y轴、z轴平行且正向相同。7. 根据权利要求1所述的室内外声音传播模拟方法，其特征在于:其中步骤5中，声音以 声线的形式从室外进入室内之后，若其又返回到室外，则仍使用声线跟踪法进行声音的传 播模拟。
【文档编号】G06F19/00GK106096321SQ201610579030
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月20日 公开号201610579030.1, CN 106096321 A, CN 106096321A, CN 201610579030, CN-A-106096321, CN106096321 A, CN106096321A, CN201610579030, CN201610579030.1
【发明人】蔡铭, 高慧敏
【申请人】中山大学