ODEON acoustic simulation kubuni kanuni ya programu

Abstract: Ubunifu wa ubora wa sauti unaosaidiwa na kompyuta, kama vile ODEON, unazidi kutumika katika muundo wa usanifu wa acoustic. Programu ya uigaji wa sauti inaweza kutabiri vigezo vya ndani vya acoustic na kutathmini na kurekebisha mipango ya sauti. Ubunifu wa ubora wa sauti unaosaidiwa na kompyuta utakuwa mwenendo wa baadaye. Kwa sababu ya ugumu wa matatizo ya acoustic wenyewe na mapungufu ya kompyuta, utafiti wa sasa juu ya programu ya kubuni ya usanifu wa usanifu wa msaidizi ni tu katika utoto wake na haiwezi kuchukua nafasi ya uchambuzi wa kinadharia na uzoefu wa vitendo. Kwa hiyo, ni muhimu sana kuwa na uelewa wa kina wa kanuni za muundo wa kompyuta, kusisitiza thamani yake ya kumbukumbu na mapungufu, na kuzingatia kuichanganya na uzoefu wa usanifu wa acoustic. Karatasi hii inahusu fasihi husika ya kigeni na inaelezea kanuni za msingi za muundo wa acoustic unaosaidiwa na kompyuta. Ni matumaini kwamba matokeo ya utafiti itakuwa na manufaa kwa wabunifu wa usanifu wa acoustic.

Maneno muhimu: njia ya kufuatilia ray ya sauti; njia ya chanzo cha sauti; njia ya kufuatilia boriti ya ray ya sauti; Njia ya elementi ya Finite

Kutabiri kwa usahihi ubora wa sauti ya chumba daima imekuwa bora ikifuatiwa na watafiti wa usanifu wa acoustic. Nani hataki kusikia athari yake ya sauti wakati wa kubuni mchoro wa ukumbi wa tamasha? Zaidi ya miaka 100 iliyopita, watu wamegundua hatua kwa hatua viashiria vya kimwili na kufunua uhusiano wao na ubora wa sauti ya chumba, ikiwa ni pamoja na wakati wa staha RT60, wakati wa kuoza mapema EDT, majibu ya sauti ya msukumo, index ya uwazi, nk. Utabiri wa vigezo vya ubora wa sauti ni ufunguo wa muundo wa ndani wa sauti. Kwa sasa, watu hutumia fomula za kawaida, mifano iliyopimwa, na simulation ya kompyuta kutabiri vigezo hivi.
Ugumu wa acoustics ndani inatokana na tete ya sauti, na hakuna njia simulation sasa unaweza kupata matokeo ya kweli kabisa. Kulingana na kumbukumbu na utafiti wa fasihi ya ubora wa sauti ya kompyuta ya kigeni, karatasi hii inakusanya na kufupisha njia kuu za simulation za acoustics za ndani ili kuelewa kwa undani kanuni za msingi, matumizi na mapungufu ya muundo wa acoustic wa kompyuta.

1 Scaled mfano simulation na simulation ya uwanja wa sauti ya kompyuta
Tangu enzi ya Sabine, mifano iliyopimwa imetumika katika acoustics za ndani, lakini mifano ni rahisi na matokeo ya kiasi hayawezi kupatikana. Katika miaka ya 1960, nadharia ya simulation na teknolojia ya kupima hatua kwa hatua iliendelezwa na kuboreshwa. Baada ya utafiti mwingi na mazoezi, mifano ya kiwango kimsingi imepata matumizi ya vitendo katika kipimo cha viashiria vya lengo. Sasa, vyanzo vya sauti, kipaza sauti, na vifaa vya sauti vilivyoiga vinaweza kufanana na vitu halisi, na bendi ya vyombo vya masafa pia imepanuliwa. Usahihi wa vitendo umepatikana katika kuiga viashiria vya kawaida kama vile wakati wa kuheshimika, usambazaji wa kiwango cha shinikizo la sauti, na majibu ya msukumo.
Kanuni ya mfano wa kiwango ni kanuni ya kufanana. Kulingana na derivation ya Kutluf, kwa mfano wa 1:10, baada ya kiwango cha chumba kupunguzwa kwa mara 10, ikiwa urefu wa wimbi pia umefupishwa na mara 10, yaani, wakati mzunguko unaongezeka kwa mara 10, ikiwa mgawo wa ngozi ya sauti kwenye kiolesura cha mfano ni sawa na ile halisi, basi kigezo cha kiwango cha shinikizo la sauti katika nafasi inayolingana bado haijabadilika, na parameta ya wakati imefupishwa kwa mara 10. Kwa mfano, wakati wa reverberation wa mara 10 mzunguko ni 1/10 ya wakati wa staha ya mzunguko halisi. Hata hivyo, ni vigumu kukidhi mahitaji ya kufanana kwa njia za kimwili. Usindikaji wa ngozi ya hewa na kufanana kwa ngozi ya uso ni ufunguo wa kuhakikisha usahihi wa kipimo cha simulation. Mfano wa kiwango ni njia pekee ya vitendo inayojulikana katika hatua hii ambayo inaweza kuiga vyema sifa za wimbi za mashamba ya sauti ya ndani. Hata hivyo, kwa sababu ya gharama kubwa ya uzalishaji wa mfano, haja ya kutumia kujaza nitrojeni au njia kavu ya hewa ili kupunguza ngozi ya hewa ya juu, na ugumu wa kudhibiti sifa za ngozi ya sauti ya vifaa vya simulated, njia hii ina mapungufu makubwa.
Pamoja na maendeleo ya teknolojia ya programu, matumizi ya kompyuta kuiga mashamba ya sauti imekuwa ukweli. Kutoka kwa mtazamo wa hisabati, uenezaji wa sauti unaelezewa na usawa wa wimbi, yaani, usawa wa Helmholtz. Kinadharia, majibu ya acoustic pulse kutoka chanzo cha sauti hadi hatua ya kupokea inaweza kupatikana kwa kutatua usawa wa wimbi. Hata hivyo, wakati muundo wa ndani wa kijiometri na mali ya acoustic ya interface ni ngumu sana, watu hawawezi kupata fomu halisi ya usawa na hali ya mipaka, wala hawawezi kupata suluhisho muhimu za uchambuzi. Ikiwa usawa umerahisishwa, matokeo ni sahihi sana na hayawezi kutumika kwa vitendo. Haiwezekani kutumia usawa wa wimbi kutatua uwanja wa sauti ya ndani kwa kompyuta. Kutoka kwa mtazamo wa vitendo, vigezo vya acoustic vya chumba na shahada fulani ya kumbukumbu inaweza kupatikana kupitia programu za kompyuta kwa kutumia njia ya kufuatilia sauti ya ray na njia ya chanzo cha sauti ya sauti ya acoustics ya geometric. Hata hivyo, kwa sababu ya kupuuza sifa za wimbi la sauti, athari ya usindikaji wa sauti ya juu ya mzunguko na sauti ya karibu-kutafakari ni bora, na simulation ya habari zote za uwanja wa sauti bado haitoshi sana. Katika miaka ya hivi karibuni, matumizi ya mbinu kulingana na nadharia ya kipengele cha mwisho kuiga sifa za wimbi la juu la sauti imefanya maendeleo katika simulation ya chini ya mzunguko.

2 Njia ya Simulation ya Acoustic ya Geometric
Njia ya uigaji wa acoustic ya kijiometri huchota nadharia ya macho ya kijiometri, inadhani kuwa sauti inaenea katika mstari ulionyooka, na kupuuza sifa zake za wimbi. Sehemu ya sauti inaiga kwa kuhesabu mabadiliko ya nishati katika uenezi wa sauti na eneo ambalo tafakari inafikia. Kwa sababu ya usahihi wa chini wa simulation na kiasi kikubwa cha hesabu kwa tafakari ya juu na diffraction, katika hali nyingi, mbinu za kijiometri hutumiwa kuhesabu tafakari za mapema, wakati mifano ya takwimu hutumiwa kuhesabu reverberation ya marehemu.
2.1 Njia ya kufuatilia Ray
Njia ya kufuatilia ray ni kufuatilia njia za uenezi wa "chembe za sauti" zilizotolewa kutoka kwa chanzo cha sauti katika pande zote. Chembe za sauti zinaendelea kupoteza nishati kwa sababu ya kutafakari na ngozi, na kuamua mwelekeo mpya wa uenezi kulingana na pembe ya matukio sawa na pembe ya kutafakari.
Ili kuhesabu uwanja wa sauti wa sehemu ya kupokea, ni muhimu kufafanua eneo au eneo la kiasi karibu na sehemu ya kupokea ili kukamata chembe zinazopita. Haijalishi jinsi inavyochakatwa, miale ya sauti isiyo sahihi itakusanywa au chembe zingine ambazo zinapaswa kupotea. Ili kuhakikisha usahihi, lazima kuwe na miale ya sauti ya kutosha na eneo la kutosha la kupokea. Kwa ajili ya kueneza sauti kwa 600ms katika chumba na eneo la uso wa 10 m2, angalau miale ya sauti ya 100,000 inahitajika.

Umuhimu wa mapema wa njia ya kufuatilia ray ni kutoa eneo la tafakari ya sauti ya karibu, kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 1. Hivi karibuni, njia hii imetengenezwa zaidi ili kubadilisha miale ya sauti kuwa koni au koni za pembe tatu na kazi maalum za wiani. Walakini, kuna shida inayoingiliana na bado haiwezi kufikia usahihi wa vitendo. Faida kuu ya kufuatilia ray ni kwamba algorithm ni rahisi na inaweza kutekelezwa kwa urahisi na kompyuta. Ugumu wa algorithm ni idadi kubwa ya ndege za chumba. Kwa kuamua njia ya kutafakari kioo, njia ya kutafakari ya diffuse, njia ya refraction na diffraction ya ray ya sauti, inawezekana kuiga uwanja wa sauti usio wa moja kwa moja wa reverberation, na hata kuiga uwanja wa sauti ulio na nyuso zilizopinda. Hasara kuu ya ufuatiliaji wa ray ni kwamba ili kuepuka kupoteza njia muhimu za kutafakari, idadi kubwa ya miale ya sauti lazima itolewe, ambayo huleta kiasi kikubwa cha hesabu. Hasara nyingine ni kwamba kwa sababu matokeo ya hesabu ya ufuatiliaji wa ray yanategemea sana nafasi ya hatua ya kupokea, ikiwa usambazaji wa kiwango cha shinikizo la sauti umehesabiwa, idadi kubwa ya nafasi katika uwanja wa sauti lazima zichukuliwe. Matokeo sahihi zaidi yanahitajika, kiasi kikubwa cha hesabu kitakuwa. Kwa kuongezea, kwa sababu ya sifa za wimbi la sauti, urefu wa wimbi zaidi, uwezo wa kupitisha vikwazo. Katika bendi ya masafa ya chini, njia ya kufuatilia ray haiwezi kupata matokeo ya kuaminika.

2.2 Njia ya chanzo cha sauti ya kioo
Njia ya chanzo cha sauti halisi inategemea kanuni ya picha ya kutafakari kioo, na hutumia njia ya kijiometri kuchora anuwai ya uenezi wa sauti iliyoonyeshwa, kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 2. Faida ya njia ya chanzo cha sauti ni usahihi wa juu, na hasara ni kwamba mzigo wa kazi wa hesabu ni mkubwa sana. Ikiwa chumba sio mstatili wa kawaida na kina nyuso za n, kunaweza kuwa na vyanzo vya sauti vya kawaida na tafakari moja, na kila mmoja wao anaweza kuzalisha (n-1) vyanzo vya sauti vya kawaida na tafakari mbili. Kwa mfano, chumba cha 15,000m3 kina nyuso 30 na tafakari 13 katika 600ms. Idadi ya vyanzo vya sauti vinavyowezekana ni kuhusu 2913 ≈ 1019. Ugumu wa algorithm ni wa kupendeza, na vyanzo vya sauti vya hali ya juu vitalipuka. Hata hivyo, katika hatua maalum ya kupokea, vyanzo vingi vya sauti vya kawaida havizalishi sauti iliyoonyeshwa, na mahesabu mengi ni bure. Katika mfano hapo juu, vyanzo vya sauti vya 2500 tu kati ya 1019 vina maana kwa hatua fulani ya kupokea. Mfano wa chanzo cha sauti halisi unatumika tu kwa vyumba rahisi na ndege chache au mifumo ya umeme ambayo inazingatia tu sauti ya karibu.

2.3 Njia ya kufuatilia boriti ya ray ya Acoustic
Njia ya kufuatilia boriti ya acoustic ray ni maendeleo ya ufuatiliaji wa ray ya acoustic. Kwa kufuatilia boriti ya ray ya acoustic ya pembe tatu, njia ya kutafakari ya interface kwa chanzo cha sauti hupatikana, kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 3. Kuweka tu, mfululizo wa mihimili ya sauti ambayo hujaza nafasi ya pande mbili inayotokana na chanzo cha sauti imeanzishwa. Kwa kila boriti ya sauti, ikiwa inaingiliana na uso wa kitu katika nafasi, sehemu ya boriti ya sauti ambayo inapenya uso wa kitu inaonyeshwa ili kupata boriti ya sauti iliyoakisiwa, na nafasi ya chanzo cha sauti halisi inayoonekana imerekodiwa kwa ufuatiliaji zaidi. Ikilinganishwa na njia ya chanzo cha sauti, faida kuu ya ufuatiliaji wa boriti ya sauti ni kwamba katika nafasi isiyo ya kawaida, vyanzo vichache vya sauti vinaweza kuzingatiwa kwa kijiometri.

Kwa mfano, kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 4, fikiria chanzo cha sauti halisi Sa iliyoonyeshwa kutoka kwa chanzo cha sauti kupitia ndege a, basi pointi zote ambapo Sa inaweza kuonekana ziko kwenye boriti ya sauti Ra. Vivyo hivyo, makutano ya boriti ya sauti Ra na ndege c na d ni uso wa kutafakari ambapo Sa inazalisha vyanzo vya sauti vya sekondari. Ndege nyingine hazitazalisha tafakari ya sekondari ya Sa. Kwa njia hii, njia ya kufuatilia boriti ya sauti inaweza kupunguza sana idadi ya vyanzo vya sauti. Kwa upande mwingine, njia ya chanzo cha sauti ya kioo inafaa zaidi kwa vyumba vya rectangular kwa sababu vyanzo vyote vya sauti vya kawaida vinaonekana karibu. Hasara ya njia ya kufuatilia boriti ni kwamba operesheni ya kijiometri ya nafasi ya pande tatu ni ngumu, na kila boriti inaweza kuakisiwa au kuzuiwa na nyuso tofauti; Kikwazo kingine ni kwamba kutafakari na refraction juu ya nyuso curved ni vigumu kuiga.

2.4 Njia ya pili ya chanzo cha sauti

Njia bora inachanganya acoustics za kijiometri na takwimu za wimbi, ambazo huitwa njia ya pili ya chanzo cha sauti. Njia ya pili ya chanzo cha sauti hugawanya hatua ya kutafakari katika tafakari ya mapema na kutafakari kwa kuchelewa, na kwa bandia huamua mipaka ya idadi ya tafakari kati ya tafakari ya mapema na kutafakari kwa marehemu, ambayo inaitwa "mpangilio wa kubadilisha". Tafakari juu kuliko utaratibu wa uongofu ni wa tafakari za marehemu, na mstari wa sauti utachukuliwa kama mstari wa nishati badala ya mstari wa kutafakari kioo. Wakati huu, baada ya mstari wa sauti kugonga uso, chanzo cha pili cha sauti kinazalishwa katika hatua ya athari. Nishati ya chanzo cha pili cha sauti ni bidhaa ya nishati ya awali ya mstari wa sauti ulioongezeka na mgawo wa kutafakari wa nyuso zote zilizopigwa wakati wa uenezi uliopita. Kama inavyoonyeshwa katika Kielelezo 5, mistari miwili ya sauti iliyo karibu ina tafakari 6, na utaratibu wa uongofu umewekwa kwa 2. Mistari ya sauti iliyo na zaidi ya tafakari 2 itaonyeshwa kwa mwelekeo wa nasibu kulingana na sheria ya Lambert. Tafakari mbili za kwanza ni tafakari za kioo, na vyanzo vya sauti halisi ni S1 na S12. Katika tafakari za juu za mpangilio wa zaidi ya mara 2, kila miale ya sauti hutoa chanzo cha pili cha sauti kwenye uso wa kutafakari. Kwa kuhesabu majibu ya chanzo cha sauti halisi na "chanzo cha sauti ya pili", wakati wa staha na vigezo vingine vya sauti vinaweza kuhesabiwa.
Katika njia ya pili ya chanzo cha sauti, ni muhimu sana kuamua utaratibu wa uongofu. Mpangilio wa juu wa utaratibu wa uongofu, matokeo bora ya hesabu sio lazima. Kadiri idadi ya tafakari inavyoongezeka, miale ya sauti inakuwa ndogo, na nafasi ya kupoteza chanzo cha sauti halisi huongezeka wakati wa kufuatilia nyuma, ambayo inahitaji miale ya sauti kuwa mnene wa kutosha. Kwa upande mmoja, miale ya sauti ni mnene sana, ambayo ni mdogo na wakati wa hesabu na kumbukumbu. Kwa upande mwingine, shida ni kwamba nyuso nyingi ndogo za kutafakari zinagunduliwa katika tafakari za hali ya juu. Kwa sababu ya sifa za wimbi, tafakari halisi ya nyuso hizi ndogo kwa ujumla ni dhaifu zaidi kuliko matokeo yaliyohesabiwa kulingana na sheria ya acoustic ya jiometri, kwa hivyo kupoteza chanzo cha sauti ya nyuso hizi ndogo za kutafakari zinaweza kuwa sawa na hali halisi kuliko kuzihesabu. Majaribio ya programu ya ODEON yanaonyesha kuwa kuongeza utaratibu wa uongofu na kuongeza wiani wa miale ya sauti inaweza kuleta matokeo mabaya zaidi. Kwa ujumla, matokeo yaliyotolewa na miale ya sauti ya 500 hadi 1000 tu katika ukaguzi ni muhimu, na utaratibu bora wa uongofu hupatikana kuwa 2 au 3. Hii inaonyesha kuwa mfano wa mseto unaweza kutoa matokeo sahihi zaidi kuliko njia mbili safi za kijiometri na kupunguza juhudi nyingi za hesabu. Hata hivyo, mfano wa mseto lazima uanzishe dhana ya kutawanya.

3 Kutawanywa
Kiasi cha sauti iliyotawanyika ni mgawo wa kutawanya, ambayo ni uwiano wa nishati isiyo ya kutafakari kwa nishati ya jumla ya kutafakari. Mgawo wa kutawanya ni kati ya 0 hadi 1, s = 0 inamaanisha tafakari zote za specular, s = 1 inamaanisha kila aina ya kutawanya bora. Scattering inaweza kuigawa katika mfano wa kompyuta kwa kutumia mbinu za takwimu. Kutumia nambari za nasibu, mwelekeo wa kutawanya huhesabiwa kulingana na sheria ya Lambert ya cosine, wakati mwelekeo wa kutafakari kwa specular unahesabiwa kulingana na sheria ya kutafakari ya specular. Mgawo wa kutawanya, ambao unachukua maadili kati ya 0 na 1, huamua uwiano kati ya vekta hizi mbili za mwelekeo. Kielelezo 6 kinaonyesha tafakari ya miale ya sauti chini ya hatua ya mgawo tofauti wa kutawanya. Kwa unyenyekevu, mfano unawasilishwa katika vipimo viwili, lakini kwa kweli kutawanyika ni pande tatu. Kwa kukosekana kwa kutawanya, ufuatiliaji wa ray ya sauti ni tafakari ya specular kabisa. Kwa kweli, mgawo wa kutawanya wa 0.2 unatosha kupata athari nzuri ya kutawanya.

Kwa kulinganisha simuleringar kompyuta na vipimo halisi, ni kupatikana kwamba mgawo kutawanya inahitaji kuwa artificially kuweka kwa kuhusu 0.1 juu ya nyuso kubwa na gorofa, na kwa 0.7 juu ya nyuso kawaida sana. Maadili uliokithiri ya 0 au 1 lazima kuepukwa katika simuleringar kompyuta, kwanza kwa sababu ni impractical, na pili kwa sababu hesabu inaweza kusababisha kuzorota. Mchanganyiko wa kutawanya pia ni tofauti kwa masafa tofauti. Kutawanyika kunakosababishwa na ukubwa wa uso kwa ujumla hutokea kwa masafa ya chini, wakati kutawanyika kunakosababishwa na kushuka kwa uso kwa ujumla hutokea kwa masafa ya juu. Ugumu wa kuamua mgawo wa kutawanya ni moja ya vikwazo vinavyoathiri usahihi wa simulation wa njia za kijiometri.

4 Njia ya kipengele cha Finite na njia ya kipengele cha mipaka
Njia ya acoustics ya kijiometri hupuuza sifa za wimbi la sauti, kwa hivyo haiwezekani kuiga sifa za wimbi la mawimbi ya sauti, kama vile diffraction na refraction ya mawimbi ya sauti. Katika bendi ya masafa ya chini, wimbi la mawimbi ya sauti ni ndefu na linaweza kupita vizuizi ambavyo mawimbi ya sauti ya juu hayawezi kupita. Kwa hivyo, mfano wa acoustic wa kijiometri hauwezi kupata matokeo sahihi ya hesabu ya chini ya mzunguko. Ili kutatua tatizo hili, kipengele cha mwisho na mbinu za kipengele cha mipaka zinapendekezwa.

Mlingano wa wimbi la acoustic unaweza kupata matokeo sahihi, lakini kwa sasa vyumba vya mstatili tu na kuta ngumu zinaweza kutatuliwa kwa uchambuzi. Hii inamaanisha kuwa usawa wa wimbi la chumba cha jumla hauwezi kutatuliwa kwa uchambuzi. Kwa kweli, uwanja wowote wa sauti ya chumba una usawa wake wa wimbi na kutii sheria ya wimbi, kwa hivyo njia za dijiti zinaweza kutumika kuiga na kukadiria suluhisho la usawa wa wimbi la chumba. Njia maalum ni kugawanya nafasi (na wakati) katika vipengele (chembe), na kisha usawa wa wimbi unaonyeshwa kama mfululizo wa milinganyo ya mstari wa vitu hivi, na suluhisho la nambari linahesabiwa kwa usahihi. Katika njia ya kipengele cha mwisho, vipengele katika nafasi ni discrete (Kielelezo 7, Kielelezo 8), wakati katika njia ya kipengele cha mpaka, mipaka katika nafasi ni discrete. Hii inamaanisha kuwa tumbo linalozalishwa na njia ya kipengele cha mwisho ni kubwa na ndogo, wakati tumbo linalozalishwa na njia ya kipengele cha mpaka ni ndogo na nene. Kwa kuwa computational na uhifadhi juu inakuwa unbearable na ongezeko la frequency, njia ya "element" ni tu yanafaa kwa vyumba vidogo kufungwa na bendi za chini za masafa.
Faida ya kipengele cha mwisho na mbinu za kipengele cha mipaka ni kwamba wanaweza kuzalisha gridi zenye mnene pale inapohitajika, kama vile pembe, ambazo zina athari kubwa kwa uenezi wa sauti ya chumba. Faida nyingine ni kwamba nafasi za pamoja zinaweza kushughulikiwa. Hasara ni kwamba hali ya mipaka ni ngumu kuamua. Kwa ujumla, vikwazo ngumu vinahitajika, lakini ni vigumu kupata data husika katika fasihi iliyopo. Sifa za njia hizi mbili ni kwamba matokeo ya mzunguko mmoja ni sahihi sana, lakini wakati kuna bandwidth ya octaves, matokeo mara nyingi huwa tofauti sana. Katika matumizi ya vitendo, bado hawajafikia athari sawa ya vitendo kama acoustics ya kijiometri, na utafiti zaidi unahitajika.

Marejeo:
Mwongozo wa ODEON