Акустический расчет с применением программы EASE 4.4

Акустический расчет с применением программы EASE 4.4

Акустический расчет, как правило, проводится для объектов со сложной акустикой или повышенным требованиям к качеству звука. Целью акустического расчета является получение представления о возможном качестве озвучивания объекта. При этом в программе акустического моделирования можно пробовать различные варианты построения звуковой системы, варианты различной отделки помещения для достижения необходимых характеристик естественной акустики помещения и т.п.

Первый шаг акустического расчета - разработка акустической модели помещения в программе моделирования EASE 4.4

Модель представляет собой набор плоскостей, имеющих заданные характеристики звукопоглощения. Используются либо заложенные в программу библиотеки материалов (например, стекло, мрамор, стандартные потолки типа Armstrong и другие), либо данные, предоставляемые производителями используемых материалов.
На основании введенных данных программа выдает расчетное время реверберации в помещении на разных частотах.

В акустической модели, и при необходимости вносится соответствующая коррекция.

Следующий этап – расстановка громкоговорителей на модели. В программе акустического моделирования EASE очень большая библиотека громкоговорителей. Данные для нее предоставляют сами производители. Надо отметить, что для большинства дорогих акустических систем данные в библиотеках программы совпадают с реальными измерениями. В наиболее сложных случаях может быть проведен комплексный расчет системы «материал-громкоговоритель».

Это актуально в тех случаях, когда громкоговоритель устанавливается за потолок (например, решетка) и необходимо оценить, как влияет материал на прохождение звука, что происходит с частотной характеристикой.

После того, как громкоговорители расставлены в модели и направлены в нужную сторону, программа позволяет определить базовые характеристики получившейся системы.

Самая простая и вместе с тем «говорящая» характеристика – уровень прямого звукового давления в различных точках системы. Она позволяет оценить, с каким уровнем будет приходить в данную точку прямой звук (без отражений). Чем меньше неравномерность прямого звука, тем выше качество звука в целом.

Вместе с тем, инструментально оценка уровня звукового давления в естественных условиях производится по общему звуку. Эта характеристика позволяет понять, какой максимальный уровень громкости (звукового давления) обеспечит система.

Используя данные о времени реверберации в помещении, уровне фонового шума и используемых акустических системах, программа рассчитывает также два взаимозависимых параметра: индекс разборчивости речи (RASTI) и индекс потери артикуляции произносимых согласных (ALCONS). Поскольку индекс – это всего лишь цифра, безразмерная величина, определяют, исходя из базовых подходов (например, считается, что при потере более 15% согласных, разборчивость будет плохой или при индексе RASTI выше 75 разборчивость будет идеальной), а также из реального опыта.

Существует справочная таблица для пересчета объективных параметров (расчетных) в субъективные.

Субъективные параметры определяются по ГОСТ 25902-83. Зрительные залы. Метод определения разборчивости: собирают несколько групп молодых людей и в течение нескольких часов дикторы зачитывают им слова из специальных артикуляционных таблиц по ГОСТ 7153-68. Слушатели записывают все в таблицы, которые позже анализируются. Учитывая, что проведение подобной субъективной оценки, - мероприятие не из дешевых, чаще пользуются именно расчетными методами.

Также для оценки качества звучания системы используют другие параметры и индексы. Среди них – отношение прямого звука к отраженному в слушательских зонах, индексы четкости, ясности и некоторые другие. 

Моделирование системы звукоусиления

Переход к этапу моделирования звукоусиления– это подтверждение взаимного доверия и уважения сторон. Во-первых, моделирование дает ответы на высказанные и невысказанные вопросы заказчику. Во-вторых, оно обеспечивает взаимопонимание на этапе сдачи работ. Конечно, для простых систем моделирование, как правило, не требуется. Однако если у заказчика или исполнителя работ есть сомнения в результате (и это не редкость), моделирование – единственное эффективное решение.

Система озвучивания

При озвучивании больших площадей достаточно попробовать систему на небольшом отрезке. Вместе с тем, при озвучивании серьезных залов наиболее эффективным является полноценное моделирование, позволяющее заказчику оценить результат в полном объеме. Если было проведено акустическое моделирование, то его результаты сложатся из безразмерных величин в однозначную оценку: хорошо или нужно искать другие решения.

О программе EASE 4.4

Пакет программного обеспечения EASE/EARS/AURA включает в себя архитектурно- и электроакустические программы моделирования, которые разрабатываются на фирме AFMG с конца 80-х гг.

Это программное обеспечение – важнейший инструмент верификации при проектировании архитектурно-акустических условий и установок звукофикации. Оно позволяет, как моделировать акустические процессы в помещениях, которые еще не существуют или которые намечается перестроить, а также проверить решения по акустическому проектированию (Sound Design), в частности тогда, когда используется множество громкоговорителей или колонок (arrays).

Для этого необходимо принципиально создать в компьютере 3-мерные акустические модели помещений, в которых рассчитываются самые различные параметры, например, время реверберации или импульсные характеристики, Осуществляется оценка распределения звукового давления установок звукофикации, разборчивости речи и много другого. Очень легко можно изменить компоновку и материалы стен, а также громкоговорители, чтобы оптимизировать результаты.

Тем самым в ходе архитектурно-акустических исследований компьютерная модель дает существенно более обширные результаты при значительно меньших затратах, чем использовавшаяся до сих пор измерительная техника моделей и почти полностью заменяет ее.

Осенью 1999 г. фирма ADA Acoustic Design Ahnert (AFMG) выпустила версию EASE 3.0 под оболочкой Windows. EASE 4.0 рассылается вместе с руководством пользователя и учебником с начала августа 2002 г. Осенью 2003 г. была подготовлена версия с обновлением EASE4.1.

EASE 4.1 – это 32-битовая программа, которая работает с операционной системой Windows 98/NT/2000/XP. ОС Windows 95 больше не рекомендуется, так как для нее требуются специальные настройки и определенные сервис-паки.

Характерные черты программы EASE 4.4

Усовершенствованные, удобные в работе окна меню и оболочки пользователя, прямой доступ для переключения к отдельным модулям программы и к соответствующим параметрам программы.

 По-прежнему широкий формат данных излучателей 5° и терцовая ширина полосы частот, увеличенное разрешение до 1° и 1/24 октавной ширины полосы частот могут храниться в библиотеках динамической компоновки (DLL) и привлекаться для проведения расчетов.

 Внедрение комплексных данных излучателей, включая модуль и фазу, прямое считывание замеренных импульсних характеристик во всех распространенных форматах статистических файлов (TEF20, MLSSA, WAVE, MF, EASERA).

Обеспечение библиотек DLL громкоговорителей для линейных колонок от 12 изготовителей в настоящее время.

Модули кластерного расчета для групп громкоговорителей, используемых для дальнего поля, библиотеки динамической компоновки (DLL) для расчетов ближнего и дальнего звуковых полей.

 Формат данных об используемых материалах расширен с включением коэффициента диффузности, предлагается ассистент для проведения оценок диффузности.

Усовершенствованный и упрощенный ввод помещения, нет ограничений для числа компонентов моделей, новая разработка: импорт в формате DXF из объемных моделей AutoCad 3D, ввод текстуры.

Упрощенное моделирование помещений за счет новых инструментов, например, расширенные возможности придания трехмерного вида и определение объектов для частичных моделей.

Визуализация помещений на базе техники визуализации высокого разрешения и с текстурой.

Новое дополнительное средство для сокрытия в виде трехмерной визуализации с использованием световых приборов.

Новый архитектурно-акустический вычислительный модуль AURA на базе CAESAR (RWTH, Аахен). 

Составление 2-х и 3-мерных графиков со всеми архитектурно-акустическими размерами по ISO 3382. При этом используется расширенный банк данных с параметрами стенных материалов (поглощение и диффузность).

Новые дополнительные средства для прослеживания лучей в модуле AURA, например, эхограмма или характеристики AURA.

Новые возможности визуализации при расчете импульсных характеристик.

Новый метод расчета предсказанного хвоста распределения для получения полной импульсной характеристики.

Расширенные параметры аурализации EARS в режиме офф-лайн и он-лайн (реальное время). 

Аурализация в режиме реального времени далее без дополнительного аппаратного обеспечения и в двухканальном режиме.

Больше нет ограничений объема памяти в пределах актуальной ситуации с аппаратным обеспечением (hardware).

EASE 4.4 для Windows может с обеспечением полной совместимости считывать все файлы EASE с данными громкоговорителей и проектов, созданные на базе версии EASE 3.0, и преобразовывать их в новый формат.

Все компоненты версии EASE 4.4 поставляются в виде единого пакета или частичных модулей. Далее, предоставляется лицензия через лицензионный ключ, который однако в отличие от версии 3.0 сгружается напрямую через Интернет.

Редактирование помещения в EASE

В качестве первой операции создается 3-мерная модель исследуемого помещения.

Для этого необходимо ввести координаты всех угловых точек поверхностей, ограничивающих помещение. Различные инструменты упрощают создание правильных и повторяющихся базовых форм.

Всем поверхностям могут присваиваться материалы из обширной базы данных и раскраски. Можно создавать различные виды – от модели на базе проволочной решетки, видов с цветными поверхностями вплоть до изображений с рендерингом с присутствием источников света, текстуры и падающих теней. 

Упрощенные возможности ввода обеспечиваются при помощи специальных инструментов, например, 2-мерных и 3-мерных силуэтов или же прототипов: амфитеатр, аудитория, церковь, стадион, готические дома, театр, концертныая площадка.

Акустическое моделирование

 

Здесь можно, как в резиновой модели, адаптировать высоту, ширину, длину отдельных размеров проволочной решетки.

Возможно, также указать сведения о помещении посредством импорта из программы AutoCAD.

Параметры для помещения и мощности в EASE

При помощи нового окна для оценки в программе EASE4.4 осуществляется презентация параметров помещения и мощности, которые возможно рассчитать. Они показываются в соответственно раскрывающемся выбранном окне:

Рис. 1.2 Определенные параметры в программе EASE4.4

Все определенные параметры выводятся на индикацию в зависимости от частоты.

расчет акустических параметроврасчет звуковых параметров

Оптимизация помещений на базе EASE

Статическое время реверберации по Сэбину и Эйрингу можно оптимизировать посредством специального модуля. При этом для специфически отобранных поверхностей отбираются специально подходящие материалы стен, чтобы добиться оптимальных характеристик времени реверберации:

Расчеты EASE

Чтобы проверить архитектурно- или электроакустический дизайн с помощью расчетов, необходимо сначала создать трехмерную модель помещения или свободной площади, включая источники звука (громкоговорители или естественные источники), положение площадей для слушателей или отдельных мест слушателей. При этом качество разрешения модели различается в зависимости от поставленной задачи. Для звукофикационного дизайна в большинстве случаев достаточно 300-800 площадей, однако с учетом времени вычислений предпочтительны меньшие значения. При проведении архитектурно-акустических исследований могут моделироваться до 1500 площадей (а в отдельных случаях и больше). Однако при этом необходимо учитывать, что не следует моделировать тонкие структуры поверхностей, так как это может привести в конечном итоге к погрешностям, обусловленным частотой. Здесь надлежит предпочитать гладкие поверхности, за которыми затем закрепляются соответствующие коэффициенты рассеяния. При этом в этой связи исходят из применения модуля AURA, так как только в модуле AURA используются коэффициенты рассеяния в EASE4.4.

Затем в обработанном посредством рендеринга изображении еще раз проверяется правильность присвоения соответствующих коэффициентов поглощения отдельным поверхностям стен. Этот режим стандартного рендеринга (или же здесь режим архитектурного рендеринга с высоким разрешением) также позволяет верифицировать структуру модели особенно тогда, когда после этого приступают к расчету

 акустическая модель ease4.4объемная модель помещения акустического расчетавизуализация модели для расчета акустикпи

После этого можно приступать к расчетам. Если не намечается осуществлять постпроцессную обработку, то результаты отображаются большей частью в так называемой картографической форме. При этом рассчитываемые параметры выводятся на индикацию либо предпочтительным образом на выбранных площадях для слушателей, либо непосредственно на стенных поверхностях или же на выбранных сидениях, причем зависимо от частоты, т.е. на 21 избранной полосе частот.

Расчет звукового давленияРасчет разборчивости речи STI

Аурализация EASE

После завершения моделирования хочется прослушать, как запланированная систему звукофикации передает звук или как в помещении будет звучать оригинальный источник звука, напр., группа музыкальных инструментов или даже весь оркестр. Наверняка нетрудно понять, что такая аурализация, т.е. озвучивание звуковых событий в виртуальных пространствах, стала возможной только с внедрением современной компьютерной технологии.

   Соответствующее моделирование на базе EASE4.4 приводит к импульсной характеристике, которая наряду с информацией о частоте и уровне содержит также информацию о падении соответствующей звуковой волны.

Теперь эта имеющаяся все еще в монауральном виде рефлектограмма свертывается при помощи замеренных передаточных функций наружного уха для того, чтобы получить бинауральные импульсные характеристики. Использованные передаточные функции наружного уха предоставляются в распоряжение для модуля EARS Институтом технической акустики, Рурский университет.

Теперь осуществляется собственно аурализация в режиме реального времени с использованием специального программного модуля, разработанного совместно фирмами ADA и Lake DSP, Австралия.

При помощи этого модуля теперь возможно осуществить свертывание в режиме реального времени и исключительно без какого-либо дополнительного аппаратного обеспечения. Для АЦ- и ЦА-преобразования требуется только звуковая карта, предпочтительно предназначенная для дуплексного режима эксплуатации.

Еще одна особенность заключается в наличии 3-мерного модуля воспроизведения, который обеспечивает пространственное прослушивание, даже если человек сидит непосредственно перед двумя воспроизводящими мониторами.

Задачи аурализации:

  • Сопоставление имеющихся акустических условий в состоянии до и после принятия акустических мер.
  • Сопоставление результатов измерения с результатами моделирования.
  • Убедить заказчика или архитектора в пользе мер, но также и в том, что оправданы затраты на их осуществление.
  • Более наглядная презентация акустических эффектов.
  • Озвучивание действия установки звукофикации или естественного источника звука.
  • Сравнение уже установленной старой установки с новой проектируемой установкой.
  • Оценка качества передачи звука.
  • Озвучивание звуковых событий в помещениях, которые больше не существуют или еще не существуют.
  • Озвучивание в научно-исследовательских целях.
  • Создание стандартов качества

Верификация моделировании с помощью AURA

В рамках кольцевого испытания датской фирмы DELTA было проведено сопоставление акустических измерений и моделирования для двух помещений. Наряду с другими программами моделирования в нем принимала участие также EASE 4.4 с ее архитектурно-акустическим инструментарием AURA.

Чтобы дать представление о надежности моделирования при помощи AURA в EASE 4.4, здесь приводятся результаты измерений и моделирования одного помещения.

Помещение объемом прибл. 1100 м³ имело замеренное время реверберации около 2 секунд при средних частотах. Так как смонтированные на стенах объекты были известны, то можно было адаптировать абсорбционные характеристики материалов стен с учетом естественных особенностей. Дополнительно материалам был присвоено коэффициент, показавшийся целесообразным.

В качестве источников звука служили два шаровых излучателя в зоне подиума (помеченные синими символами).Измерения и моделирование модулем AURA-Mapping проводились в пяти местах приема, которые видны на изображении помещения как красные стулья. Результаты измерений и моделирования были усреднены на всех пяти местах приема для каждого из источников звука. Сопоставляются результаты начального времени реверберации EDT, время реверберации RT30, время тяжости Ts, мера четкости D и мера ясности C80.