Simulácia akustických vlastností priestoru

Simulácia akustických vlastností priestoru Východiská – geometrická a štatistická akustika Výsledok: vypočítaná impulzová odozva priestoru, kontrola pohltivých a odrazivých vlastností priestoru, výskyt problémových miest Vizualizácia rozloženia zvukového poľa v priestore Emulácia zvukového vnemu v sále s použitím špeciálne pripraveného zvukového podkladu Predpoklady: vytvorenie verného geometrického 3D obrazu priestoru vo vhodnom prostredí (AutoCAD, Sketchup,...) Definovanie akustických parametrov všetkých objektov umiestených v priestore Definovanie aj parametrov rozptylu a difúznosti zvuku (ISO 17497, ISO 354):

Edopadajúca = Epohltená + Eodrazená (Schnell) + Erozptýlená

Činiteľ rozptylu s:

 p o s 1o

p je činiteľ pohltivosti, O je činiteľ zrkadlovej odrazivosti. Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Činiteľ rozptylu určuje množstvo rozptýlenej energie, nedefinuje priestorové rozloženie - to definuje činiteľ difúznosti Činiteľ difúznosti: závisí na vlnovej dĺžke, uhle dopadu zvuku, štruktúre povrchu, ... Štandardne sa nemeria ale odhaduje. Najbežnejšie používané simulačné metódy: Metóda zrkadlových zdrojov (Image Source Method, ISM) Lúčové metódy (Ray Tracing RTM, Beam Tracing, Cone Tracing) Metódy konečných prvkov (Finite Element Method, FEM), konečných objemov (Control Volume Method, CVM) Metóda okrajových elementov (Boundary Element method, BEM).

Metóda zrkadlových zdrojov (Image Source Method, ISM) Založená na zákone odrazu (Schnellov zákon, uhol odrazu = uhlu dopadu) Výpočet polohy virtuálnych zrkadlových zdrojov zvuku za odrazivou plochou Zdroj zvuku je vždy bodový, prijímač zvuku je bodový Dĺžka vektora zvukového lúča = oneskorenie signálu a fáza Odrazivosť/pohltivosť a smerové vlastnosti odrazivej plochy, určujú relatívne množstvo energie prichádzajúcej zo zdroja Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Výpočet prebieha pre všetky odrazy, pokiaľ hodnota energie odrazu neklesne pod prahovú hodnotu (napr. prah počutia) Pre všetky požadované miesta príjmu sa vytvára obraz odrazov – reflektogram Následne sa stanoví impulzová odozva priestoru a z nej štandardne požadované parametre. Nevýhoda – v priebehu simulácie exponenciálne narastá počet virtuálnych zdrojov, preto je vhodná len na malé priestory alebo sa kombinuje s inými metódami.

Lúčová metóda (Ray Tracing) Princíp šírenia svetelného lúča – len vyššie frekvencie (min. 500 Hz) V oblasti nižších frekvencií korekcia presnosti Generovanie množstva zvukových lúčov z bodového zdroja (náhodne, algoritmom) Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Rovnomerné rozdelenie lúčov okolo zdroja Prijímače – priestorové útvary (gule – najčastejšie, všesmerová štruktúra, kocky,...) do ktorých lúče prenikajú Priestor sa rozdelí na kocky, prijímač väčší ako kocka Vytvorenie akustickej mapy Počíta sa akustický tok, ktorý „prejde“ guľovým prijímačom Čiastkový výstup programu ODEON:

Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Beam Tracing Patrí do lúčových objemových metód – bodový zdroj vysiela priestorový zväzok lúčov, ktorý sa odráža od stien a dopadá na bodový prijímač Minimalizácia exp. nárastu zrkadlových zdrojov použitím bodového prijímača Najčastejšie používaná varianta – formovanie objemu lúčov do kužela pod rôznymi uhlami – (Cone Tracing) Nevýhody: kužele alebo nepokrývajú celý povrch zdroja, alebo sa prekrývajú – nutnosť korekcií Mnohé simulačné programy používajú kombináciu metódy zrkadlových zdrojov a lúčovej metódy (simulácia prvotných odrazov), neskoršie odrazy používajú modifikované lúčové metódy emulujúce sekundárne odrazy od povrchov – koeficientom sa dá meniť pomer týchto metód. Metóda konečných prvkov (Finite Element Metod) Veľmi často používaná metóda v mechanike, stavebnej mechanike V posudzovanom priestore sa vytvorí sieť bodov (okrem geometrického modelu miestnosti treba zostaviť aj sieť) Jednotlivé prvky (jedno, dvoj alebo troj rozmerné) sú zostavené z týchto bodov Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Body, ktoré vytvárajú základnú štruktúru (hranice) prvkov sú uzlové a múžu byť i na stenách alebo vnútri prvku Steny prvkov sú krivky (lineárne, kvadratické) pre uzlové body sa riešia funkčné hodnoty napr. sústavou diferenciálnych rovníc v akustike min. 6 prvkov na vlnovú dĺžku – len menšie priestory Metóda okrajových prvkov (Boundary Element Method) Plochy ohraničujúce skúmaný priestor sa rozdelia na čiastkové oblasti Každá oblasť sa považuje za zdroj zvuku, ktorý prispieva k celkovej impulzovej odozve Počíta sa príspevok od čiastkových drobných zvukových plôch v mieste posluchu Metódy BEM a FEM sú veľmi presné, ale vyžadujú extrémny výpočtový výkon, používajú veľké množstvo iterácií a numerických metód. Použitie: Ak nemôžeme použiť lúčové techniky (veľká vlnová dĺžka) Ak treba simuláciu s ohľadom na presné vlnové dĺžky Simulácie prenosovej funkcie hlavy (HRTF, Head Related Transfer Function), špeciálne tam, kde merania HRTF sú komplikované (deti)


Výsledkom simulačných metód sú hodnoty súvisiace s časovou distribúciou zvuku v jednotlivých miestach priestoru ako ekvivalent reálne nameraných hodnôt (časy dozvuku, parametre jasnosti, priestorovosti, zreteľnosti, ťažiska energie,....)

Virtuálna akustika – Auralizácia Posúdenie zvukového vnemu hudobnej produkcie v priebehu návrhu riešenia priestoru, neexistujúceho priestoru, virtuálneho priestoru Je to mix priestorovej akustiky, psychoakustiky, záznamových techník a digitálneho spracovania signálov Matematicky: konvolúcia impulzovej odozvy priestoru a anechoickej nahrávky Posúdenie akustickej kvality priestoru aj pre parametre štandardne nehodnotené/nemerané (trepotavá ozvena, vnímaná veľkosť priestoru, zdanlivá veľkosť zdroja,...) Vývoj akustických pomôcok Počiatky už v 30-tych rokoch, hlavný rozmach v rokoch 1960-1980 Riadenie simulácie čiastočne odlišné – cieľ nie je získať meratelné kritéria priestoru, ale čo najreálnejší subjektívny zvukový obraz priestoru Rozdelenie simulovanej impulzovej odozvy na dve časti: počiatočnú a následnú. Počiatočná časť: priamy zvuk a skoré odrazy – trvanie asi 100 ms – 150 ms ovplyvňuje vnímanie hlasitosti, jasnosti, priestorovosti závisí na polohe zdroj/prijímač v priestore Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

obsahuje silné odrazy od stien, difuzitu povrchov, stojaté vlny a koncentrácie energie Následná časť: Doznievanie zvuku, prevážne difúzne pole Celkový akustický obraz priestoru, neobsahuje informácie o smerovej štruktúre zvukového poľa Dominantná frekvenčná a hrubá časová štruktúra V akusticky jednoduchých priestoroch bude nízka závislosť odozvy na polohe prijímača Auralizácia vyžaduje zapracovanie mechanizmov binaurálneho vnímania zvuku človekom lokalizáciu polohy zdroja zvuku – komplexný jav založený na: nezanedbateľných rozmeroch ľudskej hlavy (ohyb vĺn závislý na uhle dopadu) Filtračných vlastnostiach ľudského ucha spolu s hlavou (tienenie vyšších vlnových dĺžok Časová / fázová analýza signálov (mozog) Horizontálna a vertikálna lokalizácia s rozdielnymi vlastnosťami Schopnosť odhadu vzdialenosti zdroja Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Lokalizácia zvuku v horizontálnej rovine: Rozdiel intenzít medzi ušami – rozdiel interaurálnej intenzity ILD (Interaural Level Difference) – tieniace účinky hlavy spôsobujú rozdiel intenzít medzi ušami pre vlnové dĺžky kratšie ako rozmery hlavy (prakticky viac ako 3-4 KHz) Vonkajšie ucho ako smerový a filtračný prvok Interaurálny časový rozdiel (Interaural Time Difference, ITD): vyhodnotenie diferencie okamžiku príchodu signálu medzi ušami optimálne funguje v oblasti 500 Hz – 800 Hz (veľká vlnová dĺžka – malé časové diferencie, malý fázový posun; vlnové dĺžky porovnateľné so vzdialenosťou medzi ušami – nejednoznačné stanovenie rozdielu, fázový rozdiel k.2  Lokalizácia zvuku vo vertikálnej rovine: Intenzitné ani časové rozdiely nefungujú – symetria hlavy Kombinácia audiovizuálnych vnemov Filtračné vlastnosti ucha Pohyby hlavy (aj podvedomé) na spresnenie lokalizácie Binaurálne maskovanie pozadia (v mixe viac hlasov ucho/mozog sa dokáže koncentrovať na jediný, mikrofón nie („Coctail Party“ efekt)


Prenosová funkcia hlavy (Head Related Transfer Function, HRTF) Definovaná v spektrálnej oblasti pomerom Fourierových transformácií signálu prijímanom na ušnom bubienku a signálu prijatého na tom istom mieste bez prítomnosti hlavy Závisí na smere prichádzajúcej zvukovej vlny (azimut



a výškový uhol

)

Meria sa v bezdozvukovej komore pre všetky azimuty a výškové uhly Anatómia zvukovodu je individuálna, každý človek má do istej miery špecifickú HRTF Uhly príchodu zvukových vĺn majú menší vplyv (možno spriemerovať) Simulačný softvér môže umožňovať vloženie individuálnej HRTF – auralizácia pre konkrétneho jedinca Binaurálna impulzová odozva priestoru (Binaural Room Impulse Response, BRIR) Auralizácia priestorového zvuku vyžaduje použiť binaurálnu impulzovú odozvu HRTF (frekvenčná oblasť) a impulzová odozva hlavy (časová oblasť) sú viazané Fourierovou transformáciou Impulzová odozva miestnosti je získaná simulačným programom Konvolúcia impulzovej odozvy miestnosti a impulzovej odozvy hlavy definuje BRIR Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

Nie je možné robiť pre všetky prijímacie body, všetky smery a azimuty – výpočet sa robí v diskrétnych krokoch odstupňovaných po niekoľko stupňov

Rámcový postup pri simulácií akustických vlastností priestoru 1.

Vytvorenie 3D modelu priestoru  V grafickom systéme (AutoCAD,....), výhoda použitia vrstiev (jedna vrstva – rovnaké akustické vlastnosti materiálu)  Zadávaní súradníc jednotlivých vrcholov priamo v simulačnom programe  Formálna správnosť návrhu („zvukotesnosť“)

2.

Definovanie vlastností jednotlivých povrchov činiteľmi pohltivosti (tabuľky) a odrazivosti (odhad)

3.

Definovanie parametrov zdroja zvuku 

Spektrálne vlastnosti

 Akustický výkon (ako hladina ak. tlaku generovaná vo vzdialenosti 1 m)  Vertikálna a horizontálna smerová charakteristika Priestorová akustika. Katedra telekomunikácií a multimédií, EF Žilinská univerzita, doc. Ing. Martin Vaculík, PhD.

 Pre reproduktory možnosť načítať výrobcom definované parametre (Common Loudspeaker Format, CLF) 4.

Definovanie virtuálnych mikrofónov/poslucháčov



Mikrofóny alebo umelá hlava – poloha, stanovenie posluchovej roviny (akustická mapa)



Auralizácia - poloha, HRTF (preddefinovaná, generovaná zadávateľom)



Prenosové vlastnosti slúchadiel/reproduktorov

Výstupy simulácie:  Binaurálna impulzová odozva miestnosti na definovanom mieste priestoru  Reflektogram prvotných odrazov pre definované miesto  Akustická mapa priestoru (rozloženie úrovní,...)  Číselné hodnoty dozvuku a ostatné akustické parametre priestoru  Viac mikrofónov – štatistické parametre nameraných hodnôt (priemery, odchýlky, rozptyl)


Simulácia akustických vlastností priestoru

Recommend Documents