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 diversos comportamientos acústicos de espacios cerrados o abiertos y espacios semicerrados. Puede simular con precisión el proceso físico de propagación del sonido, que incluye: reflexión especular, reflexión difusa, absorción de pared y aire, difracción y transmisión, y en última instancia puede recrear el efecto de escucha de la posición de recepción. El sistema puede ser ampliamente utilizado en el diseño de calidad de sonido 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 acústicos/elementos infinitos. La estructura en sí se expresa mediante un modelo estructural de elementos finitos, que se puede importar de todas las herramientas convencionales de generación de elementos finitos estructurales y mallas. Todos los módulos de análisis están totalmente integrados en el entorno central, soportando multimodelos y gráficos 3D.
SYSNOSISE cuenta con potentes funciones integradas de pre y postprocesamiento, con herramientas de comprobación y corrección de malla. El posprocesamiento 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 animación y reproducción de sonido.
Principios básicos del sistema RAYNOISE

El sistema RAYNOISE puede considerarse esencialmente como un sistema de auralización de calidad sonora (para más detalles sobre la "auralización", véase la referencia [1]). Se basa principalmente en la acústica geométrica. La acústica geométrica supone que las ondas sonoras en un entorno acústico se propagan en todas las direcciones en forma de líneas sonoras. Después de que las líneas de sonido choquen 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 del campo sonoro también es diferente. Si un entorno acústico se considera un sistema lineal, sólo es necesario 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 de todo el sistema. En el pasado, se utilizaban principalmente métodos de simulación, es decir, modelos a escala para obtener respuestas a impulsos. Desde finales de la década de 1980, con el rápido desarrollo de la tecnología informática, la tecnología digital se ha vuelto gradualmente dominante. El núcleo de la tecnología digital es el uso de computadoras multimedia para modelar y programar para calcular las respuestas a impulsos. Esta tecnología es simple, rápida y tiene una precisión continuamente mejorada, que no tiene comparación con la tecnología analógica. Existen dos métodos bien conocidos para calcular la respuesta al impulso: el Método de la 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 Viga 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 de sonido del auditorio de Laiwu

Aplicación del sistema RAYNOISE
RAYNOISE puede ser ampliamente utilizado en la predicción y el control del ruido industrial, la acústica ambiental, la 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 ordenador de la calidad del sonido de las salas. Para diseñar la calidad del sonido de una sala, el primer requisito es establecer de manera precisa y rápida un modelo tridimensional de la sala, ya que está directamente relacionado con la precisión de la simulación por computadora. El sistema RAYNOISE proporciona una interfaz interactiva amigable para el modelado por computadora. Los usuarios pueden introducir 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 del modelado incluyen:
(1) Inicie RAYNOISE;
(2) Seleccione el modelo;
(3) Introduzca las dimensiones geométricas;
(4) Definir los materiales y las propiedades de cada superficie (incluido el coeficiente de absorción acústica, etc.);
(5) Definir las características de la fuente sonora;
(6) Defina el campo de recepción;
(7) Otras instrucciones o definiciones, como el número de líneas sonoras consideradas, el número de niveles de reflexión, etc.
El usuario puede utilizar el ratón para ver las características del modelo definido y sus estructuras internas desde diferentes ángulos en la pantalla (distinguidos por color). A continuación, se puede iniciar el cálculo. Al procesar los resultados del cálculo, se pueden obtener parámetros acústicos como el nivel de presión sonora, el nivel de sonido A, el ecograma y la función de respuesta de pulso de frecuencia en un punto determinado en el campo receptor 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 de antemano, para que pueda escuchar el efecto de escucha de este punto a través de sus oídos.

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

Características de RAYNOISE

En comparación con otros software de simulación de campo sonoro que han aparecido en los últimos 10 años, como Hypersignal-Acoustic3.4 y EASE2.0 de Signalgic, 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 debe usarse junto con EARS (Simulación de sala de auralización electrónica) para lograr la auralización.

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

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 del 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 un espacio de baja frecuencia o pequeña escala es relativamente pobre, lo que inevitablemente reducirá en gran medida su alcance de aplicación. Por ejemplo, solo puede dar los resultados de simulación de fuentes de sonido simples (como fuentes puntuales) en un punto dado, pero es impotente para fuentes de sonido en movimiento, fuentes de sonido distribuidas, fuentes de sonido direccionales y situaciones más complejas

Diagrama de efecto de simulación por computadora del campo de sonido del teatro del centro de radio y televisión de Nanjing

SYSNOISE es el software de análisis de vibraciones acústicas más avanzado del mercado, pero no requiere que los usuarios sean expertos en acústica.
SYSNOISE es pionera en el diseño, diagnóstico de fallos y optimización del campo global de vibraciones acústicas, 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 de la industria, tales como: a los ingenieros de investigación y desarrollo les gusta la flexibilidad, los usuarios ocasionales necesitan una interfaz gráfica fácil de entender y los ingenieros de diseño confían en los "asistentes" en línea para ayudarlos a completar el análisis. La radiación sonora de las fuentes de vibración calcula el campo sonoro radiado en la superficie y en cualquier punto del objeto a partir de los resultados de la medición de la vibración o de los resultados del 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 formada alrededor de la estructura en el campo sonoro. Por ejemplo: detección de submarinos, el efecto de aislamiento acústico de las barreras acústicas de la carretera. La propagación de la trayectoria estructural calcula la respuesta de vibración forzada de la estructura causada por la excitación dinámica y el campo sonoro generado. Por ejemplo: el diseño del soporte del motor, la influencia del desequilibrio del rotor.
La pérdida de transmisión del 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 en ambos lados de la placa. Por ejemplo: vibración satelital causada por el ruido de transmisión, la propagación de ondas sonoras a través de paneles decorativos, ruido de lavavajillas