Thiết kế âm thanh có sự hỗ trợ của máy tính - Giới thiệu phần mềm âm thanh hình học RAYNOISE

RAYNOISE là một hệ thống phần mềm mô phỏng trường âm thanh quy mô lớn được phát triển bởi LMS, một công ty thiết kế âm thanh của Bỉ. Chức năng chính của nó là mô phỏng các hành vi âm thanh khác nhau của không gian kín hoặc mở và không gian bán kín. Nó có thể mô phỏng chính xác quá trình vật lý của sự lan truyền âm thanh, bao gồm: phản xạ gương, phản xạ khuếch tán, hấp thụ tường và không khí, nhiễu xạ và truyền, và cuối cùng có thể tạo lại hiệu ứng nghe của vị trí nhận. Hệ thống có thể được sử dụng rộng rãi trong thiết kế chất lượng âm thanh hội trường, dự đoán và kiểm soát tiếng ồn công nghiệp, thiết kế thiết bị ghi âm, thiết kế hệ thống giọng nói ở những nơi công cộng như sân bay, tàu điện ngầm và nhà ga, và ước tính tiếng ồn trong đường bộ, đường sắt và sân vận động.

Để mô tả môi trường âm thanh, SYSNOISE sử dụng các phương pháp số tiên tiến nhất. Chúng dựa trên các phương pháp phần tử ranh giới trực tiếp và gián tiếp, hoặc phương trình âm thanh của các phần tử hữu hạn âm thanh/phần tử vô hạn. Bản thân cấu trúc được thể hiện bằng một mô hình phần tử hữu hạn cấu trúc, có thể được nhập từ tất cả các công cụ tạo lưới và phần tử hữu hạn cấu trúc chính thống. Tất cả các mô-đun phân tích đều được tích hợp đầy đủ trong môi trường cốt lõi, hỗ trợ đa mô hình và đồ họa 3D.
SYSNOSISE có các chức năng xử lý trước và hậu kỳ tích hợp mạnh mẽ, với các công cụ kiểm tra và hiệu chỉnh lưới. Xử lý hậu kỳ có thể vẽ hình ảnh màu, trường vectơ, cấu trúc biến dạng, cũng như đồ thị XY, đồ thị thanh và đồ thị tọa độ cực, đồng thời bao gồm hiển thị hoạt hình và phát lại âm thanh.
Nguyên tắc cơ bản của hệ thống RAYNOISE

Hệ thống RAYNOISE về cơ bản có thể được coi là một hệ thống âm thanh hóa âm thanh (để biết chi tiết về "âm thanh", xem tài liệu tham khảo [1]). Nó chủ yếu dựa trên âm học hình học. Âm học hình học giả định rằng sóng âm thanh trong môi trường âm thanh lan truyền theo mọi hướng dưới dạng các đường âm thanh. Sau khi các đường âm thanh va chạm với môi trường hoặc giao diện (chẳng hạn như tường), một phần năng lượng sẽ bị mất. Bằng cách này, phương pháp tích lũy năng lượng của sóng âm thanh ở các vị trí khác nhau trong trường âm thanh cũng khác nhau. Nếu môi trường âm thanh được coi là một hệ thống tuyến tính, thì chỉ cần biết phản ứng xung của hệ thống để có được hiệu ứng âm thanh ở bất kỳ vị trí nào trong môi trường âm thanh từ các đặc tính của nguồn âm thanh. Do đó, có được phản ứng xung là chìa khóa cho toàn bộ hệ thống. Trước đây, các phương pháp mô phỏng chủ yếu được sử dụng, tức là sử dụng các mô hình theo tỷ lệ để thu được phản ứng xung. Từ cuối những năm 1980, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, công nghệ số đã dần trở nên thống trị. Cốt lõi của công nghệ kỹ thuật số là sử dụng máy tính đa phương tiện để mô hình hóa và lập trình để tính toán phản ứng xung. Công nghệ này đơn giản, nhanh chóng và liên tục cải thiện độ chính xác, không thể so sánh với công nghệ tương tự. Có hai phương pháp nổi tiếng để tính toán phản ứng xung: Phương pháp nguồn hình ảnh gương (MISM) và Phương pháp dò tia (RTM). Cả hai phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng [1]. Sau đó, một số phương pháp kết hợp chúng xuất hiện, chẳng hạn như Phương pháp chùm tia hình nón (CBM) và Phương pháp chùm tia tam giác (TBM) [1]. RAYNOISE sử dụng kết hợp hai phương pháp này làm công nghệ cốt lõi để tính toán phản ứng xung trường âm thanh [2].

Sơ đồ hiệu ứng mô phỏng máy tính của trường âm thanh Thính phòng Laiwu

Ứng dụng của hệ thống RAYNOISE
RAYNOISE có thể được sử dụng rộng rãi trong dự đoán và kiểm soát tiếng ồn công nghiệp, âm học môi trường, âm thanh kiến trúc và thiết kế các hệ thống thực tế mô phỏng, nhưng ý định ban đầu của nhà thiết kế vẫn là âm thanh trong phòng, tức là nó chủ yếu được sử dụng để mô phỏng máy tính về chất lượng âm thanh hội trường. Để thiết kế chất lượng âm thanh của hội trường, yêu cầu đầu tiên là thiết lập chính xác và nhanh chóng mô hình ba chiều của hội trường, vì nó liên quan trực tiếp đến độ chính xác của mô phỏng máy tính. Hệ thống RAYNOISE cung cấp giao diện tương tác thân thiện để mô hình hóa máy tính. Người dùng có thể nhập trực tiếp các mô hình ba chiều được tạo bởi AutoCAD hoặc HYPERMESH hoặc chọn các mô hình từ thư viện mô hình hệ thống và hoàn thành định nghĩa của mô hình. Các bước chính của mô hình hóa bao gồm:
(1) Khởi động RAYNOISE;
(2) Chọn mô hình;
(3) Nhập các kích thước hình học;
(4) Xác định vật liệu và tính chất của từng bề mặt (bao gồm hệ số hấp thụ âm thanh, v.v.);
(5) Xác định đặc tính nguồn âm thanh;
(6) Xác định trường nhận;
(7) Các hướng dẫn hoặc định nghĩa khác, chẳng hạn như số lượng đường âm thanh được xem xét, số mức phản xạ, v.v.
Người dùng có thể sử dụng chuột để xem các đặc điểm của mô hình được xác định và cấu trúc bên trong của nó từ các góc độ khác nhau trên màn hình (được phân biệt bằng màu sắc). Sau đó, tính toán có thể được bắt đầu. Bằng cách xử lý kết quả tính toán, có thể thu được các thông số âm thanh như mức áp suất âm thanh, mức âm thanh, siêu âm và chức năng đáp ứng xung tần số tại một điểm nhất định trong trường nhận quan tâm. Nếu bạn muốn biết hiệu quả nghe của điểm này, trước tiên bạn có thể chuyển đổi phản ứng xung thành chức năng truyền hai tai và kết hợp nó với tín hiệu khô được ghi lại trong phòng không dội âm trước, để bạn có thể nghe thấy hiệu ứng nghe của điểm này qua tai.

Sơ đồ hiệu ứng mô phỏng thiết kế âm thanh máy tính của Nhà hát Quốc gia

Các tính năng của RAYNOISE

So với các phần mềm mô phỏng trường âm thanh khác đã xuất hiện trong 10 năm qua, chẳng hạn như Hypersignal-Acoustic3.4 và EASE2.0 của Signalgic, RAYNOISE hoàn thiện hơn về mặt sử dụng và chức năng. Nó đã hình thành một hệ thống âm thanh hóa tương đối hoàn chỉnh và độc lập. Hypersignal-Acoustic3.4 chỉ có thể đóng vai trò là giao diện phần mềm và phần cứng cho phần mềm phát âm khác [3], tức là nó chỉ có thể hoàn thành công việc tích hợp tín hiệu khô với phản hồi xung từ phần mềm khác và mô phỏng hiệu ứng nghe; EASE2.0 cũng cần được sử dụng kết hợp với EARS (Mô phỏng phòng tai điện tử) để đạt được âm thanh.

Sơ đồ hiệu ứng mô phỏng máy tính của trường âm thanh của phòng hòa nhạc ban nhạc quân đội

Những thiếu sót của RAYNOISE

Tuy nhiên, mặc dù hệ thống RAYNOISE Revision 3.0 đã có những cải tiến lớn trên cơ sở các phiên bản trước, và đã có những bước đột phá cả về cách sử dụng và độ chính xác tính toán, nhưng nó luôn dựa trên âm học hình học, vì vậy chắc chắn sẽ bị giới hạn bởi âm học hình học. Ví dụ, hiệu quả mô phỏng của nó trong không gian tần số thấp hoặc quy mô nhỏ tương đối kém, điều này chắc chắn sẽ làm giảm đáng kể phạm vi ứng dụng của nó. Đối với một ví dụ khác, nó chỉ có thể đưa ra kết quả mô phỏng của các nguồn âm thanh đơn giản (chẳng hạn như nguồn điểm) tại một điểm nhất định, nhưng nó bất lực đối với các nguồn âm thanh chuyển động, nguồn âm thanh phân tán, nguồn âm thanh định hướng và các tình huống phức tạp hơn

Sơ đồ hiệu ứng mô phỏng máy tính của trường âm thanh của Nhà hát Trung tâm Phát thanh và Truyền hình Nam Kinh

LMSSYSNOISE - Phần mềm phân tích khớp nối âm thanh-rung SYSNOISE là phần mềm phân tích âm thanh-rung tiên tiến nhất trên thị trường, nhưng nó không yêu cầu người dùng phải là chuyên gia âm thanh.
SYSNOISE là công ty tiên phong trong việc thiết kế, chẩn đoán lỗi và tối ưu hóa trường âm thanh-rung toàn cầu, với các chức năng mạnh mẽ. Từ dự đoán trường âm thanh của khoang đến phân tích trường âm thanh xung quanh vật thể, nó thậm chí có thể tính toán phản ứng của cấu trúc dưới tác động của trường âm thanh, do đó giúp các kỹ sư kiểm soát tiếng ồn tối ưu hóa các đặc tính âm thanh-rung động của sản phẩm. Người dùng xuất sắc của SYSNOISE là tất cả các loại nhân viên kỹ thuật trong ngành, chẳng hạn như: kỹ sư nghiên cứu và phát triển thích tính linh hoạt, người dùng không thường xuyên cần giao diện đồ họa dễ hiểu và các kỹ sư thiết kế dựa vào "trình hướng dẫn" trực tuyến để giúp họ hoàn thành phân tích. Bức xạ âm thanh từ các nguồn rung tính toán trường âm thanh bức xạ trên bề mặt và bất kỳ điểm nào của vật thể từ kết quả đo rung động hoặc kết quả tính toán phần tử hữu hạn. Ví dụ: tiếng ồn của động cơ và máy nén, bức xạ âm thanh của loa. Phân bố trường âm thanh dự đoán trường âm thanh và rung động cấu trúc hình thành xung quanh cấu trúc trong trường âm thanh. Ví dụ: phát hiện tàu ngầm, tác dụng cách âm của hàng rào chống ồn đường bộ. Lan truyền đường dẫn cấu trúc tính toán phản ứng rung động cưỡng bức của cấu trúc gây ra bởi kích thích động và trường âm thanh được tạo ra. Ví dụ: thiết kế khung động cơ, ảnh hưởng của sự mất cân bằng cánh quạt.
Tổn thất truyền đường dẫn khí tính toán các đặc tính tổn thất truyền của tấm mỏng trong trường âm thanh, kích thước của rung động kích thích và trường âm thanh ở cả hai bên của tấm. Ví dụ: rung vệ tinh do tiếng ồn truyền, sự lan truyền sóng âm thanh qua các tấm trang trí, tiếng ồn của máy rửa bát