Diseño acústico asistido por computadora: introducción al software de acústica geométrica RAYNOISE

RAYNOISE es un sistema de software de simulación de campo sonoro a gran escala desarrollado por LMS, una empresa belga de diseño acústico. Su función principal es simular varios comportamientos acústicos de espacios cerrados o abiertos y espacios semi-cerrados. Puede simular con precisión el proceso físico de propagación del sonido, incluyendo: reflexión especular, reflexión difusa, absorción por paredes y aire, difracción y transmisión, y puede recrear en última instancia el efecto de escucha de la posición receptora. El sistema puede ser ampliamente utilizado en el diseño de calidad sonora de salas, predicción y control de ruido industrial, diseño de equipos de grabación, diseño de sistemas de voz en lugares públicos como aeropuertos, metros y estaciones, y estimación de ruido en carreteras, ferrocarriles y estadios.

Para describir el medio acústico, SYSNOISE utiliza los métodos numéricos más avanzados. Se basan en métodos de elementos de contorno directos e indirectos, o ecuaciones acústicas de elementos finitos/infinito acústicos. La estructura misma se expresa mediante un modelo de elementos finitos estructurales, que se puede importar desde todas las herramientas de elementos finitos estructurales y generación de mallas más utilizadas. Todos los módulos de análisis están completamente integrados en el entorno central, soportando múltiples modelos y gráficos en 3D.
SYSNOISE tiene potentes funciones integradas de pre y post-procesamiento, con herramientas de verificación y corrección de mallas. El post-procesamiento puede dibujar imágenes en color, campos vectoriales, estructuras deformadas, así como gráficos XY, gráficos de barras y gráficos de coordenadas polares, y también incluye visualización de animaciones y reproducción de sonido.
Principios básicos del sistema RAYNOISE

El sistema RAYNOISE puede considerarse esencialmente como un sistema de auralización de calidad de sonido (para detalles sobre "auralización", ver referencia [1]). Se basa principalmente en la acústica geométrica. La acústica geométrica asume que las ondas sonoras en un entorno acústico se propagan en todas las direcciones en forma de líneas sonoras. Después de que las líneas sonoras colisionan con el medio o la interfaz (como la pared), parte de la energía se perderá. De esta manera, el método de acumulación de energía de las ondas sonoras en diferentes posiciones en el campo sonoro también es diferente. Si un entorno acústico se considera como un sistema lineal, entonces solo se necesita conocer la respuesta al impulso del sistema para obtener el efecto acústico en cualquier posición del entorno acústico a partir de las características de la fuente sonora. Por lo tanto, obtener la respuesta al impulso es la clave para todo el sistema. En el pasado, se utilizaban principalmente métodos de simulación, es decir, utilizar modelos a escala para obtener respuestas al impulso. Desde finales de la década de 1980, con el rápido desarrollo de la tecnología informática, la tecnología digital ha ido ganando terreno gradualmente. El núcleo de la tecnología digital es utilizar computadoras multimedia para modelar y programar el cálculo de respuestas al impulso. Esta tecnología es simple, rápida y ha mejorado continuamente su precisión, lo que no puede igualar la tecnología analógica. Hay dos métodos bien conocidos para calcular la respuesta al impulso: el Método de Fuente de Imagen Espejo (MISM) y el Método de Trazado de Rayos (RTM). Ambos métodos tienen sus propias ventajas y desventajas [1]. Más tarde, surgieron algunos métodos que los combinan, como el Método de Haz Cónico (CBM) y el Método de Haz Triangular (TBM) [1]. RAYNOISE utiliza estos dos métodos en combinación como su tecnología central para calcular la respuesta al impulso del campo sonoro [2].

Diagrama de efecto de simulación por computadora del campo sonoro del Auditorio de Laiwu

Aplicación del sistema RAYNOISE
RAYNOISE se puede utilizar ampliamente en la predicción y control del ruido industrial, acústica ambiental, acústica arquitectónica y el diseño de sistemas reales simulados, pero la intención original del diseñador seguía siendo la acústica de salas, es decir, se utiliza principalmente para la simulación por computadora de la calidad sonora de un auditorio. Para diseñar la calidad sonora de un auditorio, el primer requisito es establecer de manera precisa y rápida un modelo tridimensional del auditorio, ya que está directamente relacionado con la precisión de la simulación por computadora. El sistema RAYNOISE proporciona una interfaz interactiva amigable para la modelación por computadora. Los usuarios pueden ingresar directamente modelos tridimensionales generados por AutoCAD o HYPERMESH, o seleccionar modelos de la biblioteca de modelos del sistema y completar la definición del modelo. Los pasos principales de modelado incluyen:
(1) Iniciar RAYNOISE;
(2) Seleccionar el modelo;
(3) Ingresar las dimensiones geométricas;
(4) Definir los materiales y propiedades de cada superficie (incluido el coeficiente de absorción sonora, etc.);
(5) Definir las características de la fuente de sonido;
(6) Definir el campo receptor;
(7) Otras instrucciones o definiciones, como el número de líneas de sonido consideradas, el número de niveles de reflexión, etc.
El usuario puede usar el mouse para ver las características del modelo definido y sus estructuras internas desde diferentes ángulos en la pantalla (distinguidos por color). Luego se puede iniciar el cálculo. Al procesar los resultados del cálculo, se pueden obtener parámetros acústicos como el nivel de presión sonora, el nivel sonoro A, el ecograma y la función de respuesta a pulso de frecuencia en un cierto punto del campo de recepción de interés. Si desea conocer el efecto de escucha de este punto, primero puede convertir la respuesta al impulso en una función de transferencia binaural y convolucionarla con la señal seca grabada en la sala anecoica con antelación, para que pueda escuchar el efecto de escucha de este punto a través de sus oídos.

Diagrama de efecto de simulación de diseño acústico por computadora del Teatro Nacional

Características de RAYNOISE

En comparación con otro software de simulación de campo sonoro que ha aparecido en los últimos 10 años, como Hypersignal-Acoustic3.4 de Signalgic y EASE2.0, RAYNOISE es más maduro en términos de uso y función. Ha formado un sistema de auralización relativamente completo e independiente. Hypersignal-Acoustic3.4 solo puede servir como una interfaz de software y hardware para otro software de auralización [3], es decir, solo puede completar el trabajo de convolucionar la señal seca con la respuesta al impulso de otro software y simular el efecto de escucha; EASE2.0 también necesita usarse en conjunto con EARS (Simulación de Sala de Auralización Electrónica) para lograr la auralización.

Diagrama de efecto de simulación por computadora del campo sonoro del salón de conciertos de la banda militar

Las deficiencias de RAYNOISE

Sin embargo, aunque el sistema RAYNOISE Revision 3.0 ha realizado grandes mejoras sobre la base de versiones anteriores, y ha logrado avances tanto en el uso como en la precisión de cálculo, siempre se basa en la acústica geométrica, por lo que inevitablemente estará limitado por la acústica geométrica. Por ejemplo, su efecto de simulación en espacios de baja frecuencia o de pequeña escala es relativamente pobre, lo que inevitablemente reducirá en gran medida su ámbito de aplicación. Por otro lado, solo puede proporcionar los resultados de simulación de fuentes de sonido simples (como fuentes puntuales) en un punto dado, pero es impotente ante fuentes de sonido móviles, fuentes de sonido distribuidas, fuentes de sonido direccionales y situaciones más complejas.

Diagrama de efecto de simulación por computadora del campo sonoro del Teatro del Centro de Radio y Televisión de Nanjing

LMSSYSNOISE--Software de Análisis de Acoplamiento Acústico-Vibración SYSNOISE es el software de análisis acústico-vibración más avanzado en el mercado, pero no requiere que los usuarios sean expertos en acústica.
SYSNOISE es un pionero en el diseño, diagnóstico de fallos y optimización del campo acústico-vibratorio global, con potentes funciones. Desde la predicción del campo sonoro de la cavidad hasta el análisis del campo sonoro alrededor del objeto, incluso puede calcular la respuesta de la estructura bajo la acción del campo sonoro, ayudando así a los ingenieros de control de ruido a optimizar las características acústico-vibratorias del producto. Los excelentes usuarios de SYSNOISE son todo tipo de personal técnico en la industria, como: ingenieros de investigación y desarrollo que buscan flexibilidad, usuarios ocasionales que necesitan una interfaz gráfica fácil de entender, e ingenieros de diseño que dependen de "asistentes" en línea para ayudarles a completar el análisis. La radiación sonora de fuentes de vibración calcula el campo sonoro radiado en la superficie y en cualquier punto del objeto a partir de los resultados de medición de vibraciones o resultados de cálculo de elementos finitos. Por ejemplo: el ruido del motor y del compresor, la radiación sonora del altavoz. La distribución del campo sonoro predice el campo sonoro y la vibración estructural que se forma alrededor de la estructura en el campo sonoro. Por ejemplo: detección de submarinos, el efecto de aislamiento acústico de las barreras de ruido en las carreteras. La propagación del camino estructural calcula la respuesta de vibración forzada de la estructura causada por la excitación dinámica y el campo sonoro generado. Por ejemplo: diseño de soportes de motor, la influencia del desequilibrio del rotor.
La pérdida de transmisión por el camino del aire calcula las características de pérdida de transmisión de la placa delgada en el campo sonoro, el tamaño de la vibración excitada y el campo sonoro a ambos lados de la placa. Por ejemplo: la vibración del satélite causada por el ruido de transmisión, la propagación de ondas sonoras a través de paneles decorativos, el ruido del lavavajillas.