Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel
Fürjes Andor Tamás BME Híradástechnikai Tanszék Kép- és Hangtechnikai Laborcsoport, Rezgésakusztika Laboratórium
1
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Tartalom
• A geometriai akusztika módszere – áttekintés • Számítógépes modellezés • Alkalmazás
2
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Geometriai akusztika - elmélet Hangsugár definíciója: a hullámfront egy síkhullámnak tekinthető darabkájának mozgása...
A hangsugár iránya megváltozik, ha a közeg egy jellemzője (pl. hőmérséklet) megváltozik a hangsugár útjában (refrakció).
A hangsugár visszaverődik, ha tökéletesen merev és sík, végtelen kiterjedésű felület (akadály) található a hangsugár útjában – a beesési és visszaverődési szögek azonosak.
A hangsugár energiát veszít
Ei(f)
- haladása közben (levegő nyelése – dB/m), - visszaverődéskor (felület elnyelése - α). Er(f) = Ei(f)·[1-α(f)]
3
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Geometriai akusztika - korlátok Az akadályok véges kiterjedésűek, így - a visszaverődés és a terjedés nem írható le tisztán geometriai módon - a geometriai módon adódó „árnyéktér” nem létezik - diffrakció
Az akadályok nem tökéletesen síkok és merevek, ezért - a visszaverődés nem csak geometriai – diffúz (szórt) visszaverődés, - a visszaverődési energiaelnyelés a beesési szögtől is függ.
Érvényességi feltétel A vizsgált frekvenciának megfelelő hullámhossz jóval nagyobb (×3... ×6), mint az akadályok lineáris mérete.
A leírás hibáira bevezetett közelítések: - Fresnel-számon alapuló diffrakciós közelítések (pl. Kurze-Anderson formula), - diffúztéri avagy „véletlen beeséshez tartozó” elnyelési tényező, diffúzitási tényező (δ). a
b
Ei(f)
Ei(f)·[1-α(f)]·δ(f)
Ei(f)
Ei(f)·[1-α(f)]·[1-δ(f)]
c
4
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Geometriai akusztika – források, vevők A hangsugarak a forrásból indulnak ki - pontforrás, - vonalforrás, - felületi forrás.
A források jellemzői - hangnyomás, intenzitás, illetve ezek - komplex (amplitúdó + fázis) irányfüggése, az iránykarakterisztika
Reciprocitás A források és a vevők felcserélhetők.
5
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Számítógépes modellezés a geometriai akusztika módszerével Alapvető feltételezések - geometriai akusztika feltételezései érvényesek – frekvenciakorlát, - időinvariancia, - linearitás (konvolúció), - impulzusjellegű gerjesztés (impulzusválasz, nem állandósult állapot).
Alapvető eljárások - tükörforrások módszere (pontos, de számításigényes), - sugárkövetés (egyszerű, de detektáló felület kell, így statisztikus eredmény), - nyalábkövetés (praktikus, véges kiterjedésű hullámfront-felület darabok követése)
6
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Számítógépes modellezés II. Nem-geometriai jelenségek közelítése - diffúz visszaverődések: véletlen visszaverődések külön követése, „radiant”-módszer, stb. - diffrakció: kijelölt élekre diffrakciós csillapítás, „éldiffúzió”, - refrakció: közeghatárok, mint „áteresztő” felületek
Detektálás - inkoherens: energia-jellegű vizsgálat, - koherens: interferencia-jellegű vizsgálat (csak tükörforrás és nyalábkövetés esetén).
A modellezés menete Modellezési paraméterek (elnyelési tényezők, iránykar., stb.)
Geometria (diffrakciós élek, stb.)
Modell futtatása
Források és Vevők
- sugarak/nyalábok száma, -modell típusa, - követés rendje, stb.
(pozíció, helyzet, stb.)
Eredmények számolása
Eredmények megjelenítése 7
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Számítógépes modellezés III. Eredmények Θvevő(φ,υ,f )
- hangutak feljegyzése α1(f), δ1(f)
α2(f), δ2(f) I0, forrás és Θforrás(φ,υ,f)
- echogram – a hangutak feljegyzései és a modellezési paraméterek alapján - akusztikai paraméterek – az echogram alapján, a vizsgálat célja szerint energia
Echogram - monokromatikus impulzusválasz, azaz - a detektált energia időbeli eloszlása idő
8
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Számítógépes modellezés IV. Eredmények ábrázolása - eloszlási ábrák, - táblázatok, - grafikonok...
9
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Alkalmazás Zárt terek modellezése - nagy visszaverődési rend, diffúz tér feltételezése - energialecsengés számítása, - szélessávú impulzusválasz számítása, - szemléltetés: konvolúció és auralizáció
Félig zárt és nyitott terek modellezése - kis visszaverődési rend, - diffrakció és refrakció jelentősége megnő, - inkább energia-jellegű paraméterek számítása
Elektroakusztikus rendszerek modellezése - zárt, félig nyitott és nyitott terekben egyaránt, - összetett hangsugárzó rendszerek viselkedésének vizsgálata 10
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Alkalmazás - problémák Modellezési paraméterek bizonytalansága: - a modellezési paraméterek mérése, - a modellezési paraméterek implementálása, - a modell beállításainak bizonytalansága.
Modellezett paraméterek bizonytalansága - milyen paramétert modellezzünk, - a kapott eredmény mennyire felel meg a szubjektív (érzeti) jellemzőnek.
A modellezés eredményeinek pontosságát befolyásoló tényezők - a modellezési módszer (frekvenciakorlát, térbeli felbontás, stb.), - a modellezési paraméterek (elnyelések, iránykarakterisztikák, stb.),
Fejlesztő
- a modell beállítása, - a modell bevitele (geometria pontossága).
Felhasználó 11
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Alkalmazás – problémák II. A modellezés gyakorlatának problémája
Modell bevitele
Modell futtatása
Eredmények
Modell állítása
Kiértékelés Követelmény
Inverz geometriai akusztika módszere
Modell bevitele
Modell futtatása
Modell beállítása
Követelmény 12
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Összefoglaló A geometriai módszer előnyei - praktikus, szemléletes, - könnyen implementálható, - könnyedén adaptálható a szabványokhoz.
A geometriai módszer hátrányai - az elv korlátjai – relatív közép- és nagyfrekvenciás tartományban érvényes közelítések - nem-geometriai jelenségek közelítése, - csak bizonyos szintig növelhető, nem tetszőleges pontosság, - impulzusjellegű gerjesztések, elsősorban energiajellegű eredmények
A modellezések általános hátrányai - modellezési paraméterek mérése/számítása/adaptációja, - a modellezés nem ad analitikus választ (de: inverz módszerek), - követelmények megfogalmazása.
13
Eredmények, újdonságok, követelmények a zajvédelemben – Miskolc, 2001. szeptember 19-21
Jövő.... Kapcsolat más modellező eljárásokhoz - csatolás szerkezetvizsgálati modellekhez (pl. SEA), - illesztés frekvenciatartományban végeselem modellekhez (pl. FEM, BEM, FDM).
Valódi tervezés - analízis - inverz módszereken és szubjektív vizsgálatokon alapuló „szakértői” rendszerek...
14
