Progettazione acustica assistita da computer--Introduzione al software di acustica geometrica RAYNOISE

RAYNOISE è un sistema software di simulazione del campo sonoro su larga scala sviluppato da LMS, una società belga di progettazione acustica. La sua funzione principale è quella di simulare vari comportamenti acustici di spazi chiusi o aperti e spazi semichiusi. È in grado di simulare accuratamente il processo fisico di propagazione del suono, tra cui: riflessione speculare, riflessione diffusa, assorbimento di pareti e aria, diffrazione e trasmissione, e può infine ricreare l'effetto di ascolto della posizione ricevente. Il sistema può essere ampiamente utilizzato nella progettazione della qualità del suono delle sale, nella previsione e nel controllo del rumore industriale, nella progettazione di apparecchiature di registrazione, nella progettazione di sistemi vocali in luoghi pubblici come aeroporti, metropolitane e stazioni e nella stima del rumore in strade, ferrovie e stadi.

Per descrivere il mezzo acustico, SYSNOISE utilizza i metodi numerici più avanzati. Si basano su metodi degli elementi al contorno diretti e indiretti, o equazioni acustiche di elementi finiti/elementi infiniti acustici. La struttura stessa è espressa da un modello strutturale agli elementi finiti, che può essere importato da tutti i principali strumenti strutturali di generazione di elementi finiti e mesh. Tutti i moduli di analisi sono completamente integrati nell'ambiente principale, supportando multi-modelli e grafica 3D.
SYSNOSISE dispone di potenti funzioni integrate di pre e post-elaborazione, con strumenti di controllo e correzione delle mesh. La post-elaborazione può disegnare immagini a colori, campi vettoriali, strutture deformate, nonché grafici XY, grafici a barre e grafici di coordinate polari e include anche la visualizzazione dell'animazione e la riproduzione del suono.
Principi di base del sistema RAYNOISE

Il sistema RAYNOISE può essere considerato essenzialmente come un sistema di auralizzazione della qualità del suono (per i dettagli sulla "auralizzazione", vedere il riferimento [1]). Si basa principalmente sull'acustica geometrica. L'acustica geometrica presuppone che le onde sonore in un ambiente acustico si propaghino in tutte le direzioni sotto forma di linee sonore. Dopo che le linee sonore si scontrano con il mezzo o l'interfaccia (come il muro), parte dell'energia andrà persa. In questo modo, anche il metodo di accumulo di energia delle onde sonore in diverse posizioni del campo sonoro è diverso. Se un ambiente acustico è considerato come un sistema lineare, allora è necessario conoscere solo la risposta all'impulso del sistema per ottenere l'effetto acustico in qualsiasi posizione nell'ambiente acustico dalle caratteristiche della sorgente sonora. Pertanto, ottenere la risposta all'impulso è la chiave dell'intero sistema. In passato, venivano utilizzati principalmente metodi di simulazione, ovvero utilizzando modelli in scala per ottenere risposte all'impulso. Dalla fine degli anni '80, con il rapido sviluppo della tecnologia informatica, la tecnologia digitale è diventata gradualmente dominante. Il cuore della tecnologia digitale consiste nell'utilizzare computer multimediali per la modellazione e la programmazione per calcolare le risposte all'impulso. Questa tecnologia è semplice, veloce e ha una precisione continuamente migliorata, che non ha eguali nella tecnologia analogica. Esistono due metodi ben noti per calcolare la risposta all'impulso: il metodo della sorgente dell'immagine speculare (MISM) e il metodo del ray tracing (RTM). Entrambi i metodi hanno i loro vantaggi e svantaggi [1]. Successivamente, sono emersi alcuni metodi che li combinano, come il metodo del fascio conico (CBM) e il metodo del fascio triangolare (TBM) [1]. RAYNOISE utilizza questi due metodi in combinazione come tecnologia di base per il calcolo della risposta all'impulso del campo sonoro [2].

Diagramma dell'effetto di simulazione al computer del campo sonoro dell'auditorium di Laiwu

Applicazione del sistema RAYNOISE
RAYNOISE può essere ampiamente utilizzato nella previsione e nel controllo del rumore industriale, nell'acustica ambientale, nell'acustica architettonica e nella progettazione di sistemi reali simulati, ma l'intenzione originale del progettista era ancora l'acustica della stanza, cioè viene utilizzata principalmente per la simulazione al computer della qualità del suono della sala. Per progettare la qualità del suono di una sala, il primo requisito è quello di stabilire in modo accurato e rapido un modello tridimensionale della sala, perché è direttamente correlato all'accuratezza della simulazione al computer. Il sistema RAYNOISE fornisce un'interfaccia interattiva per la modellazione al computer. Gli utenti possono inserire direttamente i modelli tridimensionali generati da AutoCAD o HYPERMESH, oppure selezionare i modelli dalla libreria dei modelli di sistema e completare la definizione del modello. Le fasi principali della modellazione includono:
(1) Avviare RAYNOISE;
(2) Selezionare il modello;
(3) Inserire le dimensioni geometriche;
(4) Definire i materiali e le proprietà di ciascuna superficie (compreso il coefficiente di assorbimento acustico, ecc.);
(5) Definire le caratteristiche della sorgente sonora;
(6) Definire il campo di ricezione;
(7) Altre istruzioni o definizioni, come il numero di linee sonore considerate, il numero di livelli di riflessione, ecc.
L'utente può utilizzare il mouse per visualizzare le caratteristiche del modello definito e le sue strutture interne da diverse angolazioni sullo schermo (distinte per colore). Quindi il calcolo può essere avviato. Elaborando i risultati del calcolo, è possibile ottenere parametri acustici come il livello di pressione sonora, il livello sonoro A, l'ecogramma e la funzione di risposta all'impulso in frequenza in un determinato punto del campo ricevente di interesse. Se si desidera conoscere l'effetto di ascolto di questo punto, è possibile prima convertire la risposta all'impulso in una funzione di trasferimento binaurale e convolgerla con il segnale secco registrato in anticipo nella stanza anecoica, in modo da poter sentire l'effetto di ascolto di questo punto attraverso le orecchie.

Diagramma degli effetti di simulazione della progettazione acustica al computer del Teatro Nazionale

Caratteristiche di RAYNOISE

Rispetto ad altri software di simulazione del campo sonoro apparsi negli ultimi 10 anni, come Hypersignal-Acoustic3.4 e EASE2.0 di Signalgic, RAYNOISE è più maturo in termini di utilizzo e funzionalità. Ha formato un sistema di auralizzazione relativamente completo e indipendente. Hypersignal-Acoustic3.4 può servire solo come interfaccia software e hardware per altri software di auralizzazione [3], cioè può solo completare il lavoro di convolgimento del segnale secco con la risposta all'impulso di altri software e simulare l'effetto di ascolto; EASE2.0 deve anche essere utilizzato in combinazione con EARS (Electronically Auralization Room Simulation) per ottenere l'auralizzazione.

Diagramma degli effetti di simulazione al computer del campo sonoro della sala da concerto della banda militare

Le carenze di RAYNOISE

Tuttavia, sebbene il sistema RAYNOISE Revision 3.0 abbia apportato grandi miglioramenti rispetto alle versioni precedenti e abbia fatto passi avanti sia nell'uso che nell'accuratezza del calcolo, si basa sempre sull'acustica geometrica, quindi sarà inevitabilmente limitato dall'acustica geometrica. Ad esempio, il suo effetto di simulazione in spazi a bassa frequenza o su piccola scala è relativamente scarso, il che inevitabilmente ridurrà notevolmente il suo campo di applicazione. Per un altro esempio, può fornire solo i risultati della simulazione di sorgenti sonore semplici (come le sorgenti puntiformi) in un dato punto, ma è impotente per sorgenti sonore in movimento, sorgenti sonore distribuite, sorgenti sonore direzionali e situazioni più complesse

Diagramma degli effetti di simulazione al computer del campo sonoro del Nanjing Radio and Television Center Theatre

LMSSYSNOISE--Software di analisi dell'accoppiamento acustico-vibrazionale SYSNOISE è il software di analisi acustico-vibrazionale più avanzato sul mercato, ma non richiede agli utenti di essere esperti acustici.
SYSNOISE è un pioniere nella progettazione, nella diagnosi dei guasti e nell'ottimizzazione del campo acustico-vibrazionale globale, con potenti funzioni. Dalla previsione del campo sonoro della cavità all'analisi del campo sonoro attorno all'oggetto, può anche calcolare la risposta della struttura sotto l'azione del campo sonoro, aiutando così gli ingegneri del controllo del rumore a ottimizzare le caratteristiche acustico-vibrazionali del prodotto. Gli utenti eccellenti di SYSNOISE sono tutti i tipi di personale tecnico del settore, come ad esempio: gli ingegneri di ricerca e sviluppo amano la flessibilità, gli utenti occasionali hanno bisogno di un'interfaccia grafica di facile comprensione e gli ingegneri progettisti si affidano a "procedure guidate" online per aiutarli a completare l'analisi. La radiazione sonora proveniente da fonti di vibrazione calcola il campo sonoro irradiato sulla superficie e in qualsiasi punto dell'oggetto in base ai risultati della misurazione delle vibrazioni o ai risultati del calcolo degli elementi finiti. Ad esempio: il rumore del motore e del compressore, la radiazione sonora dell'altoparlante. La distribuzione del campo sonoro prevede il campo sonoro e la vibrazione strutturale formata attorno alla struttura nel campo sonoro. Ad esempio: rilevamento sottomarino, effetto di isolamento acustico delle barriere antirumore stradali. La propagazione del percorso strutturale calcola la risposta forzata alla vibrazione della struttura causata dall'eccitazione dinamica e dal campo sonoro generato. Ad esempio: design della staffa del motore, influenza dello squilibrio del rotore.
La perdita di trasmissione del percorso dell'aria calcola le caratteristiche di perdita di trasmissione della lastra sottile nel campo sonoro, la dimensione della vibrazione eccitata e il campo sonoro su entrambi i lati della piastra. Ad esempio: vibrazioni satellitari causate dal rumore di trasmissione, propagazione di onde sonore attraverso pannelli decorativi, rumore della lavastoviglie