一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，属于广场型城市空间的噪声图绘制领域。本发明是为了解决现有声传播模型的建模方法在对建筑群进行建模时由于忽略了建筑群的边界面和地面的不规则性而导致的建模精度低的问题。首先在城市广场中布置点声源和接收点，然后对城市广场进行三维立体建模并对建模后的城市广场的每一个面进行划分，点声源发出声能并分配给每一个面元，获得1阶面元声源，再根据1阶面元声源及形状因子获得k阶面元声源及k阶面元声源的能量，接收点根据接收的k阶面元声源的能量的大小绘制辐射度模型。本发明适用于广场型城市空间声传播的计算。
1.一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，该方法包括下述步骤：步骤一、在城市广场中布置点声源S和接收点R；
步骤二、对城市广场进行三维立体建模，并对构成城市广场的每一个面划分面元；
步骤三、点声源S发出声能分配给步骤二中的面元，并获得1阶面元声源；
步骤四、根据1阶面元声源及形状因子获得k阶面元声源及k阶面元声源的能量；
步骤五、接收点R接收k阶面元声源的能量并获得接收点R的能量；
步骤六、接收点R根据接收的k阶面元声源的能量的大小绘制辐射度模型；
其特征在于，步骤三中所述的点声源S发出声能分配给步骤二中的面元，并获得1阶面元声源的方法如下：设点声源S的坐标为(Sx,Sy,Sz)；面元G1(t)l,m计算如下：
其中，t＝Sl,m/c，K是与声源功率有关的常数，αGl,m是面元Gl,m的与入射角无关的吸收系数，吸收系数为1，Sl,m是声源到面元的平均声束程长，近似地取为声源到面元中心的距离；
和βl,m是面元Gl,m对于声源的位置决定的角度，分别计算如下：
在式(b)中， 用于考虑声源位于两个面元Gl,m之间的情况，当dl-ddl/2≤Sx≤dl+ddl/2时， 否则， 同理，在式(c)中，当dl-ddl/2≤Sy≤dl+ddl/2时，kβ＝-1，否则，kβ＝1；
如果声源有指向性，则式(d)应加上表示声源在Gl,m方向的辐射强度；此时，面元被视为声源，即1阶面元声源。
2.根据权利要求1所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，其特征在于，步骤二中所述的对城市广场进行三维立体建模，并对构成城市广场的每一个面划分面元的方法如下：建立空间坐标系，分别为x轴，y轴和z轴，将长为L、宽为W、高为H的城市广场所在的面分别投射到x＝0、z＝0、y＝0的面；
沿长度方向划分为l个面元，l＝1...Nx，Nx为正整数，且Nx能被4整除；沿宽度方向划分为m个面元，m＝1...Ny，Ny为正整数；沿高度方向划分为n个面元，n＝1...Nz，Nz为正整数，且越靠近边缘处，划分的面元越小；
如果沿某个比如沿宽度方向的尺寸小于50m时，那么该方向的面元尺寸ddm的划分方法为：
式中qy(qy>1)是沿宽度方向的两个相邻面元之间的比值，Ny为偶数，km为：
如果沿某个比如沿长度方向的尺寸大于50m时，那么该方向的面元尺寸ddl的划分方法为：
式中qx(qx>1)是沿长度方向的两个相邻面元的比值，Nx是4的整倍数，kl为：
3.根据权利要求1所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，其特征在于，步骤四中所述的根据1阶面元声源及形状因子获得k阶面元声源的方法如下：步骤A、求形状因子：
对于正交的两个面元，形状因子采用Nusselt方法计算；Nusselt方法中形状因子等于，将接收面元投射到以辐射面元中心为圆心的单位半球上，将投射部分的面积正交投射到半球的单位圆上，得到的投影面积除以圆的面积；
对于平行的两个面元，形状因子采用Cohen和Greenberg的方法计算，形状因子的计算方法为将接收面元投射到辐射面元中心立方体的上半部分；
步骤B、每个1阶面元声源接收点声源S的声能，并将点声源S与1阶面元声源之间的形状因子再分配给其它面元，形成二阶面元声源，二阶面元声源将点声源S与二阶面元声源之间的形状因子再分配给其它面元，形成三阶面元声源，即将k-1阶面元声源的声能分配给其他面元，形成k阶面元声源，其中k＝1...∞。
4.根据权利要求1所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，其特征在于，步骤四中所述的k阶面元声源的能量的获得方法如下：k阶面元源等于所有k-1阶面元声源发出的能量之和，但与k阶面元声源在相同面上的那些k-1阶面元声源不在计算之内。
5.根据权利要求1所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，其特征在于，步骤五中所述的接收点R接收k阶面元声源的能量并获得接收点R的能量的方法如下：若城市广场只有地面，则接收点R的能量的获得方法为：将接收点R定义为(Rx,Ry,Rz)；接收点的能量要考虑所有各阶面元声源；对于k阶面元声源，接收点R在时间t时接收的能量为：Ek(t)＝∑Ek(t)Q (5)
若城市广场为三面合围的广场，定义地面为G，另外两面分别为A和B，则接收点R在时间t时接收的能量为：Ek(t)＝Ek(t)G+Ek(t)A+Ek(t)B (6)式中，Ek(t)G是地面上的面元的能量贡献，Ek(t)A是A面上的能量贡献，Ek(t)B是B面上的能量贡献；
若城市广场为五面合围的广场，定义地面为G，另外四面分别为A、B、C和D，则接收点R在时间t时接收的能量为：Ek(t)＝Ek(t)G+Ek(t)A+Ek(t)B+Ek(t)C+Ek(t)D (7)式中，Ek(t)G是地面上的面元的能量贡献，Ek(t)A是A面上的能量贡献，Ek(t)B是B面上的能量贡献，Ek(t)C是C面上的能量贡献，Ek(t)D是D面上的能量贡献；
当面元处在地面G上的时候，面元能量Ek(t)G为：
式中，ξl,m是标准面元Gl,m的法线和接收点与面元之间连线所形成的交角；Rl,m是接收点R与面元Gl,m之间的平均射线长度；
一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法
技术领域
[0001] 本发明属于广场型城市空间的噪声图绘制领域。
背景技术
[0002] 目前噪声图的绘制是欧洲国家的法规要求，我国也正在积极推进城市噪声图的绘制，但目前噪声图的计算多数基于经验公式，通常的方法是声线法或虚声源法，这两种方法在对建筑进行建模计算时，通常忽略建筑边界面和地面的不规则性，也就是说这两种方法只适用于光滑的表面。但在实际情况下，城市广场、街道或建筑群的边界面和地面总是存在一些不规则性。在利用现有方法对建筑群进行建模时，由于忽略了建筑群的边界面和地面的不规则性，导致现有方法的建模精度很低，采用现有方法建立的声传播模型精度仅为8～10dB，因此研发新的建模方法提高建模精度是非常必要的。
发明内容
[0003] 本发明是为了解决现有声传播模型的建模方法在对建筑群进行建模时由于忽略了建筑群的边界面和地面的不规则性而导致的建模精度低的问题。现提供计算城市广场声传播的辐射度模型的建模方法。
[0004] 一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，该方法包括下述步骤：
[0005] 步骤一、在城市广场中布置点声源S和接收点R；
[0006] 步骤二、对城市广场进行三维立体建模，并对构成城市广场的每一个面划分面元；
[0007] 步骤三、点声源S发出声能分配给步骤二中的面元，并获得1阶面元声源；
[0008] 步骤四、根据1阶面元声源及形状因子获得k阶面元声源及k阶面元声源的能量；
[0009] 步骤五、接收点R接收k阶面元声源的能量并获得接收点R的能量；
[0010] 步骤六、接收点R根据接收的k阶面元声源的能量的大小绘制辐射度模型。
[0011] 本发明所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，在对城市广场的各个面进行面元划分的时候，将各个面划分成若干个面元，并且越靠近边缘或者城市广场某一面不规则时，面元划分的越小，然后再进行将声源的声能分配给面元、求形状因子、面元之间的能量交换及能量从面元到接收点的传递，得到的形状因子及能量分配精确到小数三位，从而提高了建模精度，相比现有的声传播模型的建模方法，精度提高了30％以上。本发明适用于广场型城市空间声传播的计算。
附图说明
[0012] 图1为三面围合的城市广场面元划分示意图；
[0013] 图2为五面围合的城市广场面元划分示意图；
[0014] 图3为具体实施方式三中从点源到达地面上一个面元的能量分布图；
[0015] 图4为具体实施方式四中从发射面元到垂直接收面元的形状因子的确定图；
[0016] 图5为具体实施方式七的实施例绘制出的城市广场的噪声图；
[0017] 其中，图1中A表示A面，B表示B面，G表示地面，H表示高，W表示宽，L表示长；图2中A表示A面，B表示B面，C表示C面，D表示D面，S表示点声源，R表示接收点；图4中“1”表示单位圆的半径是1；图5中“2”表示墙体，“3”表示绿地，“4”表示玻璃。
具体实施方式
[0018] 具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法，该方法包括下述步骤：
[0019] 步骤一、在城市广场中布置点声源S和接收点R；
[0020] 步骤二、对城市广场进行三维立体建模，并对构成城市广场的每一个面划分面元；
[0021] 步骤三、点声源S发出声能分配给步骤二中的面元，并获得1阶面元声源；
[0022] 步骤四、根据1阶面元声源及形状因子获得k阶面元声源及k阶面元声源的能量；
[0023] 步骤五、接收点R接收k阶面元声源的能量并获得接收点R的能量；
[0024] 步骤六、接收点R根据接收的k阶面元声源的能量的大小绘制辐射度模型。
[0025] 具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法的进一步说明，本实施方式中，步骤二中所述的对城市广场进行三维立体建模，并对构成城市广场的每一个面划分面元的方法如下：
[0026] 建立空间坐标系，分别为x轴，y轴和z轴，将长为L、宽为W、高为H的城市广场所在的面分别投射到x＝0、z＝0、y＝0的面；
[0027] 沿长度方向划分为l个面元，l＝1...Nx，Nx为正整数，且Nx能被4整除；沿宽度方向划分为m个面元，m＝1...Ny，Ny为正整数；沿高度方向划分为n个面元，n＝1...Nz，Nz为正整数，且越靠近边缘处，划分的面元越小；
[0028] 如果沿某个比如沿宽度方向的尺寸小于50m时，那么该方向的面元尺寸ddm的划分方法为：
[0029]
[0030] 式中qy(qy>1)是沿宽度方向的两个相邻面元之间的比值，Ny为偶数，km为：
[0031]
[0032] 如果沿某个比如沿长度方向的尺寸大于50m时，那么该方向的面元尺寸ddl的划分方法为：
[0033]
[0034] 式中qx(qx>1)是沿长度方向的两个相邻面元的比值，Nx是4的整倍数，kl为：
[0035]
[0036] 具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法的进一步说明，本实施方式中，步骤三中所述的点声源S发出声能分配给步骤二中的面元，并获得1阶面元声源的方法如下：设点声源S的坐标为(Sx,Sy,Sz)；面元G1(t)l,m计算如下：
[0037]
[0038] 其中，t＝Sl,m/c，K是与声源功率有关的常数，αGl,m是面元Gl,m的与入射角无关的吸收系数，吸收系数为1，Sl,m是声源到面元的平均声束程长，近似地取为声源到面元中心的距离； 和βl,m是面元Gl,m对于声源的位置决定的角度，分别计算如下：
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 在式(b)中， 用于考虑声源位于两个面元Gl,m之间的情况，当dl-ddl/2≤Sx≤dl+ddl/2时， 否则， 同理，在式(c)中，当dl-ddl/2≤Sy≤dl+ddl/2时，kβ＝-1，否则，kβ＝1；
[0043] 如果声源有指向性，则式(d)应加上表示声源在Gl,m方向的辐射强度；此时，面元被视为声源，即1阶面元声源。
[0044] 声源分配的基本原则是，每个面元的声能的百分比，等于该面元的立体角与点声源总的立体角的比值；将面元视为声源，即获得1阶面元声源。
[0045] 具体实施方式四：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法的进一步说明，本实施方式中，步骤四中所述的根据1阶面元声源及形状因子获得k阶面元声源的方法如下：
[0046] 步骤A、求形状因子：
[0047] 对于正交的两个面元，形状因子采用Nusselt方法计算；Nusselt方法中形状因子等于，将接收面元投射到以辐射面元中心为圆心的单位半球上，将投射部分的面积正交投射到半球的单位圆上，得到的投影面积除以圆的面积；
[0048] 对于平行的两个面元，形状因子采用Cohen和Greenberg的方法计算，形状因子的计算方法为，将接收面元投射到辐射面元中心立方体的上半部分；
[0049] 步骤B、每个1阶面元声源接收点声源S的声能，并将点声源S与1阶面元声源之间的形状因子再分配给其它面元，形成二阶面元声源，二阶面元声源将点声源S与二阶面元声源之间的形状因子再分配给其它面元，形成三阶面元声源，即将k-1阶面元声源的声能分配给其他面元，形成k阶面元声源，其中k＝1...∞。
[0050] 形状因子的获得方法：
[0051] 在图1所示的城市广场中，结合图4说明从辐射面元Al',n'(l'＝1,2,3,...,Nx)到接收面元Gl,m的计算图。
[0052] 考虑了面元Al',n'吸收点声源S发出的声能及空气吸收点声源S发出的声能后，从Al',n'辐射到Gl,m的能量AG(l',n'),(l,m)计算如下：
[0053]
[0054] 式中，d(l',n'),(l,m)是面元Al',n'到面元Gl,m的平均程长，用两个面元中心之间的距离近似。γ(l',n'),(l,m)、Δγ(l',n'),(l,m)和 是决定两个面元相对位置的三个角[0055]
[0056]
[0057]
[0058] 其中， 是考虑到两个面元在长度方向有相同的坐标而引入的，即当l＝l'时，否则，
[0059] 对于两个平行的面元，形状因子采用Cohen和Greenberg的方法计算。例如，从面元Al',n'辐射而到达面元Bl,n的能量AB(l',n'),(l,n)按如下计算
[0060]
[0061] 式中，d(l',n'),(l,n)是两个面元之间的平均程长，近似地取为它们中心之间的距离。
[0062] 具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法的进一步说明，本实施方式中，步骤四中所述的k阶面元声源的能量的获得方法如下：
[0063] k阶面元源等于所有k-1阶面元声源发出的能量之和，但与k阶面元声源在相同面上的那些k-1阶面元声源不在计算之内。
[0064] 注意：面元之间的能量交换仅与形状因子和前一阶面元声源有关，这与声线追踪类模型的过程有重要区别。k阶面元声源的能量，可将所有k-1阶面元声源的贡献求和而得，但那些与k阶面元声源在同一边界面上的除外。比如说，为计算地面上的k阶面元应将两个立面上的面元的贡献相加。
[0065] 具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于噪声图绘制的城市广场声传播的辐射度建模方法的进一步说明，本实施方式中，步骤五中所述的接收点R接收k阶面元声源的能量并获得接收点R的能量的方法如下：
[0066] 若城市广场只有地面，则接收点R的能量的获得方法为：
[0067] 将接收点R定义为(Rx,Ry,Rz)；接收点的能量要考虑所有各阶面元声源；对于k阶面元声源，接收点R在时间t时接收的能量为：
[0068] Ek(t)＝∑Ek(t)Q (5)
[0069] 其中，Q为城市广场的面；
[0070] 若城市广场为三面合围的广场，定义地面为G，另外两面分别为A和B，则接收点R在时间t时接收的能量为：
[0071] Ek(t)＝Ek(t)G+Ek(t)A+Ek(t)B (6)
[0072] 式中，Ek(t)G是地面上的面元的能量贡献，Ek(t)A是A面上的能量贡献，Ek(t)B是B面上的能量贡献；
[0073] 若城市广场为五面合围的广场，定义地面为G，另外四面分别为A、B、C和D，则接收点R在时间t时接收的能量为：
[0074] Ek(t)＝Ek(t)G+Ek(t)A+Ek(t)B+Ek(t)C+Ek(t)D (7)
[0075] 式中，Ek(t)G是地面上的面元的能量贡献，Ek(t)A是A面上的能量贡献，Ek(t)B是B面上的能量贡献，Ek(t)C是C面上的能量贡献，Ek(t)D是D面上的能量贡献；
[0076] 当面元处在地面G上的时候，面元能量Ek(t)G为：
[0077]
[0078] 式中，ξl,m是标准面元Gl,m的法线和接收点与面元之间连线所形成的交角；Rl,m是接收点R与面元Gl,m之间的平均射线长度；
[0079] 具体实施方式七：本实施方式是一个实施例。
[0080] 以一个街道布局设计，街道的长、宽和围蔽高分别为96m、8m和12m。点声源在(16m，4m，2m)。面元数Nx＝60，Ny＝Nz＝12。沿长度方向，面元大小l从1到15增大，l从16到45不变，l从46到60减小，而那些大小变化的面元，两个相邻面元的比例qx＝1.05。沿宽度和高度方向面元大小从边棱到中心以比例qy＝qz＝1.1增大。利用这些参数，模型计算得到的形状因子和能量分配精确到小数点三位。
[0081] 步骤一、点声源S坐标为(16m，4m，2m)，接收点R在城市广场的任意一个位置；
[0082] 步骤二、对城市广场建立空间直角坐标系，分别为x轴，y轴和z轴，将长为96m、宽为8m和高为12m的城市广场所在的面分别投射到x＝0、z＝0、y＝0的面；沿长度方向划分为96个面元，沿宽度方向划分为8个面元，沿长度方向划分为12个面元，
[0083] 由于长为96mm，因此在对长度方向进行面元划分时，采用尺寸大于50mm时的面元划分方法，由此可知，面元大小l从1到15增大，l从46到60减小，l从16到45不变；
[0084] 步骤三、点声源S的坐标为(16m，4m，2m)；点声源发出声能，城市广场中的面元G1(t)12,4接收所述点声源发出的声能，该面元G1(t)12,4称为1阶面元声源；
[0085] 步骤四、计算1阶面元声源G1(t)12,4与其他面元的形状因子，1阶面元声源G1(t)12,4将该形状因子给其他面元，接收到该形状因子的面元即为2阶面元声源；重复此步骤，得到3阶、4阶……k阶面元声源，根据k阶面元源等于所有k-1阶面元声源发出的能量之和，但与k阶面元声源在相同面上的那些k-1阶面元声源不在计算之内这一原则计算k阶面元声源的能量，即获得2阶、3阶……k阶面元声源的能量。
[0086] 步骤五、接收点R接收步骤四中所述的k阶面元声源的能量并获得接收点R的能量；
[0087] 步骤六、接收点R根据接收的k阶面元声源的能量的大小绘制辐射度模型。
