Phần mềm mô phỏng trường âm thanh lớn RAYNOISE từ Bỉ

Giới thiệu về phần mềm âm thanh hình học raynois: RAYNOISE là một hệ thống phần mềm mô phỏng trường âm thanh quy mô lớn được phát triển bởi công ty thiết kế âm thanh LMS của Bỉ. Chức năng chính của nó là mô phỏng các hành vi âm thanh khác nhau của không gian kín, không gian 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.
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 dưới dạng tia âm thanh. Sau khi va chạm với môi trường hoặc giao diện (chẳng hạn như tường), một phần năng lượng của tia âm thanh sẽ bị mất. Bằng cách này, chế độ 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 hiệu ứng âm thanh ở bất kỳ vị trí nào trong môi trường âm thanh chỉ có thể thu được bằng cách biết phản ứng xung của hệ thống. Do đó, có được phản ứng xung là chìa khóa cho toàn bộ hệ thống. Trước đây, phương pháp tương tự chủ yếu được sử dụng, tức là phản ứng xung thu được bằng cách sử dụng mô hình tỷ lệ. 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 xây dựng các mô hình và lập trình để tính toán phản ứng xung. Công nghệ này đơn giản, nhanh chóng và có các đặc điểm 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 phản chiếu (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 đã được phát triển, 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 của trường âm thanh [2].

Ứng dụng của hệ thống RAYNOISE:

RAYNOISE có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dự đoán và kiểm soát tiếng ồn công nghiệp, âm học môi trường, âm học kiến trúc và thiết kế các hệ thống thực 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 hội trường, trước tiên cần 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 do AutoCAD hoặc HYPERMESH tạo ra, hoặc họ có thể chọn các mô hình trong 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, bạn có thể bắt đầu tính toán. Bằng cách xử lý kết quả tính toán, bạn có thể thu được các thông số âm thanh như mức áp suất âm thanh, mức âm thanh A, siêu âm và chức năng đáp ứng xung tần số của một điểm nhất định trong trường nhận quan tâm. Nếu bạn vẫn 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 tích hợp nó với tín hiệu khô được ghi lại trong buồng không dội âm trước, để bạn có thể nghe thấy hiệu ứng nghe của điểm này qua tai.

1. Nguồn gốc của công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ"

Hiện nay, ô nhiễm tiếng ồn phổ biến ở các khu công nghiệp mỏ dầu khí. Ở Trung Quốc, kiểm soát tiếng ồn có các điều kiện kỹ thuật và phương tiện để chuyển đổi từ bảo vệ thụ động sang bảo vệ chủ động, và có thể bắt đầu thực hiện xử lý tương ứng các vị trí có tiếng ồn cao một cách có mục tiêu. Trong những năm gần đây, các mỏ dầu của Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Trung Quốc đã bắt đầu tăng cường đầu tư vào xử lý nguy cơ tiếng ồn, và một số mỏ dầu khí đã thực hiện các dự án xử lý tiếng ồn quy mô lớn tại các cơ sở sản xuất.

Trong trường hợp đầu tư hạn chế vào xử lý tiếng ồn, công nghệ máy tính tiên tiến có thể được sử dụng để đạt được "giảm tiếng ồn cục bộ" ở các khu vực địa phương, điều này có thể đảm bảo rằng các tuyến đường tuần tra điểm cố định của công nhân đang làm việc dưới 85 dB (A). Đây là công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ" trong xử lý tiếng ồn trong ngành dầu khí.

2. Công nghệ "Giảm tiếng ồn cục bộ" và phần mềm mô phỏng trường âm thanh hệ thống RAYNOISE

Thông thường, để kiểm soát tiếng ồn trong các nhà máy mỏ dầu khí có tiếng ồn quá mức, hầu hết các công ty âm thanh thích phủ các bức tường và mái nhà bằng các thiết bị hấp thụ âm thanh của các cấu trúc và vật liệu khác nhau, sau đó thực hiện xử lý cách âm và giảm rung hợp lý trên các thiết bị phát ra tiếng ồn cao. Miễn là sử dụng cấu trúc và vật liệu phù hợp với trường âm thanh và đặc tính chất lượng âm thanh, đồng thời xem xét các yếu tố như thông gió, tản nhiệt, kiểm tra và bảo trì thiết bị, sơ đồ thiết kế trên nhìn chung sẽ đạt được hiệu quả giảm tiếng ồn tốt. Không nghi ngờ gì nữa, điều này đòi hỏi sự hỗ trợ đầu tư đầy đủ. Nếu đơn vị xây dựng đầu tư vào các dự án kiểm soát tiếng ồn bị hạn chế hoặc muốn sử dụng mức đầu tư hạn chế để kiểm soát thêm những nơi có tiếng ồn quá mức thì cần có công nghệ mới để hỗ trợ. Sự trưởng thành cuối cùng của công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ" nên được quy cho việc áp dụng "phần mềm mô phỏng trường âm thanh hệ thống RAYNOISE".

Phần mềm mô phỏng trường âm thanh hệ thống RAYNOISE, chức năng chính của nó là mô phỏng các hành vi âm thanh khác nhau của không gian kín, không gian mở và không gian bán kín, đồng thời nó có thể mô phỏng chính xác quá trình truyền âm thanh vật lý. Điều này bao gồm: phản xạ gương, phản xạ khuếch tán, hấp thụ thành và không khí, nhiễu xạ và truyền, và cuối cùng có thể tái tạo hiệu ứng nghe ở vị trí nhận. Hệ thống có thể được sử dụng rộng rãi trong mô phỏng tiếng ồn của nhà máy công nghiệp, dự đoán và phân tích tiếng ồn của cabin, tàu hỏa và cabin ô tô; Thiết kế hệ thống giọng nói ở những nơi công cộng như sân bay, tàu điện ngầm và nhà ga, dự đoán và phân tích tiếng ồn giao thông đường bộ, đường sắt và đường hầm. Ví dụ, Nhà hát Daqing sử dụng hệ thống RAYNOISE để thiết kế tối ưu hóa âm thanh và một số kết quả mô phỏng như sau.
Phương pháp mô phỏng thiết kế kỹ thuật giảm tiếng ồn là:
1. Đầu tiên, nhập cấu trúc tòa nhà vào mô hình máy tính theo tỷ lệ kích thước thực tế, sau đó nhập vị trí phân bố và giá trị tiếng ồn của nguồn tiếng ồn vào máy tính, và hệ thống RAYNOISE sẽ phản ánh môi trường âm thanh trong kết cấu tòa nhà (hiển thị bằng phổ màu).
2. Nhập các biện pháp âm thanh khác nhau và lượng giảm tiếng ồn của chúng vào mô hình máy tính và hệ thống RAYNOISE sẽ phản ánh những thay đổi trong môi trường âm thanh trong cấu trúc tòa nhà (được xác định bằng sự thay đổi màu sắc).
3. Theo khu vực bảo hộ lao động do Bên A chỉ định, điều chỉnh vị trí lắp đặt và số lượng các biện pháp âm thanh nhiều lần theo tính toán âm thanh và kinh nghiệm kỹ thuật, đồng thời chọn giải pháp tiết kiệm chi phí nhất có thể làm cho môi trường âm thanh của khu vực bảo vệ đáp ứng tiêu chuẩn từ một số kết quả mô phỏng.

Hệ thống RAYNOISE có thể mô phỏng phân bố trường âm thanh và các thông số chất lượng âm thanh rất chính xác theo giá trị đo tiếng ồn thực tế, mô phỏng các giải pháp khác nhau, dự đoán và kiểm tra hiệu quả giảm tiếng ồn, tìm ra các mắt xích yếu trong thiết kế và tối ưu hóa thiết kế. Trước đó, công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ" trong kiểm soát tiếng ồn không thể được thực hiện chỉ thông qua tính toán âm thanh và kinh nghiệm kỹ thuật. Bằng cách áp dụng hệ thống RAYNOISE, không chỉ khái niệm công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ" được thực hiện mà còn có thể hoàn thành chính xác các loại thiết kế âm thanh khác nhau.

3. Các trường hợp ứng dụng
Một phòng bơm ở Mỏ dầu Liêu Hà sử dụng hệ thống RAYNOISE để thiết kế giảm tiếng ồn.
Trong trường hợp bình thường, chỉ có một máy bơm bề mặt và một máy bơm nước sạch đang chạy, vì vậy chúng ta chỉ cần thực hiện thiết kế giảm tiếng ồn theo điều kiện hoạt động của một máy bơm duy nhất. Sau khi phát hiện và phân tích tại chỗ, chúng tôi đã sử dụng hệ thống RAYNOISE để phân tích phổ tiếng ồn và mô phỏng máy tính, chủ yếu áp dụng thiết kế giảm tiếng ồn kết hợp lắp đặt bộ hấp thụ âm thanh trong phòng bơm và lắp đặt các rào cản cách âm xung quanh thiết bị. Bốn sơ đồ sau đây được sử dụng để phân tích so sánh.
4. Triển vọng của công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ" "Nắm bắt sức khỏe khi nhân viên khỏe mạnh" là một khái niệm quản lý được các nhà quản lý an toàn và bảo vệ môi trường ngày nay công nhận. Với sự phát triển thông minh của kiểm soát và quản lý tiếng ồn, việc quản lý tiếng ồn của các khu công nghiệp dầu khí (chẳng hạn như phòng bơm, phòng nồi hơi hoặc phòng sưởi ấm, phòng quạt, phòng động cơ, phòng máy nén, phòng máy phát điện, xưởng ống dầu, địa điểm khoan và phòng làm việc hỗ trợ, v.v.) sẽ bước vào một giai đoạn phát triển mới dưới tác động của công nghệ "giảm tiếng ồn cục bộ".
Kiểm soát tiếng ồn công nghiệp
• Xác định mức áp suất âm thanh của tiếng ồn do máy móc thiết bị trong nhà máy tạo ra
• Tính toán tiếng ồn do máy móc thiết bị bức xạ đến các phòng liền kề hoặc bên ngoài nhà máy
• Đánh giá các giải pháp kiểm soát tiếng ồn khác nhau, chẳng hạn như miếng đệm hấp thụ âm thanh, bố trí máy móc thiết bị, thiết kế nhà máy, v.v., để giảm công suất âm thanh bức xạ
Ứng dụng âm thanh môi trường
• Đánh giá tác động tiếng ồn từ đường cao tốc, nhà máy,...
• Thiết kế các rào cản và chướng ngại vật cách âm tối ưu (vị trí, chiều dài, chiều cao, vật liệu, v.v.)
Ứng dụng âm thanh trong nhà
• Đánh giá thời gian âm vang
• Đánh giá và tối ưu hóa độ rõ giọng nói trong các tòa nhà công cộng (ga tàu điện ngầm, nhà ga sân bay, v.v.) Tòa nhà, trung tâm mua sắm lớn, v.v.)
• Chọn vị trí loa lý tưởng
• Vị trí hợp lý của hệ thống che tiếng ồn (chẳng hạn như thư viện)
• Giảm thiểu tiêu thụ vật liệu hấp thụ âm thanh đắt tiền để giảm chi phí
• Nghiên cứu rõ ràng và quyền riêng tư trong các khu vực mở (ngân hàng, phòng thiết kế không gian mở, v.v.)
• Thiết kế âm thanh phòng hòa nhạc (rõ ràng, khả năng tiếp cận, âm vang, v.v.)
• Thiết kế và vị trí màn hình khuếch tán
• So sánh các giải pháp âm thanh cho các cách bố trí phòng khác nhau
Sơ đồ khối cấu trúc của từng mô-đun thành phần
Mỗi mô-đun được giải thích từng cái một theo bốn khía cạnh sau:
Tổng quan về các chức năng chính
Giao diện người dùng đồ họa
• Giao diện đồ họa dựa trên OSF / Motif hoặc MS-Windows
• Menu thả xuống trực quan
• Thanh công cụ với phím tắt menu
• Thanh công cụ có thể tùy chỉnh
• Trợ giúp trực tuyến
Giao diện hình học
• Định dạng DXF, bao gồm thông tin lớp
• Hỗ trợ hầu hết các định dạng tệp hình học CAE
Dữ liệu đầu vào
• Đầu vào hình học hỗ trợ định nghĩa nhóm và đánh số thuộc tính
• Chọn điểm, chọn hộp, lựa chọn miễn phí
• Mô hình hình học đóng và / hoặc mở
• Hấp thụ không khí theo mô hình của Harris
• Tính chất vật liệu hỗ trợ 1/3 quãng tám hoặc bảng tần số
• Hỗ trợ hệ số hấp thụ, hệ số tán xạ, hệ số truyền
• Bao gồm cơ sở dữ liệu vật liệu
• Nguồn âm thanh, đường, bảng điều khiển (gắn vào các cạnh đa giác)
• Hỗ trợ đầu vào sơ đồ định hướng nguồn âm thanh, bảng tọa độ cực ngang và dọc
• Hỗ trợ các nguồn âm thanh mạch lạc / không mạch lạc
• Điểm trường: điểm, đường thẳng, bề mặt, hình tròn, hình trụ, hình cầu, lục diện
Phân tích, phân tích và giải pháp
• Công cụ tìm kiếm nguồn ảo hiệu quả (phương pháp chùm hình nón và chùm tia tam giác)
• Phản xạ khuếch tán đa bậc dựa trên phương pháp theo dõi tia âm thanh
• Hiệu chỉnh đuôi liên tục
• Nguồn âm thanh và nhiễu xạ nguồn ảo
• Phân tích dải hẹp của nguồn âm thanh mạch lạc
• Phương pháp nguồn âm thanh bảng điều khiển để mô phỏng đường truyền
• Các thông số tính toán có thể điều chỉnh, chẳng hạn như số lượng tia âm thanh, số lần phản xạ, cửa sổ thời gian, v.v.
• Tính toán thống kê nhanh thời gian âm vang bằng cách sử dụng đường dẫn tự do trung bình
• Tính toán đồng thời sơ đồ tiêu chuẩn, chức năng đáp ứng tần số, máy siêu âm, v.v.
• Loạt kết quả âm thanh phong phú: SPL (mức áp suất âm thanh), STI (độ rõ giọng nói), RT60 (thời gian âm vang 60ms), v.v.
Bộ xử lý sau
• Biểu diễn trực quan của vật liệu mô hình và kết quả âm thanh
• Kết quả đồ họa: bản đồ mây, đường viền, trường biến dạng, v.v.
• Kết quả chức năng đáp ứng tần số: Sơ đồ đường cong XY với nhiều tùy chọn khác nhau (dB có trọng số, biến đổi FFT, v.v.)
• Kết quả siêu âm, có thể vẽ sơ đồ đường dẫn tia âm thanh trên các mô hình hình học
Thính giác hóa
• Phản ứng xung hai tai
• Đầu ra tích chập pha của tín hiệu khô được ghi trong buồng không dội âm: WAV, AU, AIFF và các định dạng khác
Các lưu ý khác về phần mềm này:
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 đóng, mở và bán kín. Nó có thể mô phỏng chính xác quá trình truyền âm thanh vật lý, 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 ở 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.
Nguyên lý cơ bản của hệ thống RAYNOISE
Hệ thống RAYNOISE thực sự 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 dưới dạng tia âm thanh. Sau khi va chạm với môi trường hoặc giao diện (chẳng hạn như tường), một phần năng lượng của tia âm thanh sẽ bị mất. Bằng cách này, chế độ 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 hiệu ứng âm thanh ở bất kỳ vị trí nào trong môi trường âm thanh chỉ có thể thu được bằng cách biết phản ứng xung của hệ thống. Do đó, có được phản ứng xung là chìa khóa cho toàn bộ hệ thống. Trước đây, phương pháp tương tự chủ yếu được sử dụng, tức là phản ứng xung thu được bằng cách sử dụng mô hình tỷ lệ. 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 xây dựng các mô hình và lập trình để tính toán phản ứng xung. Công nghệ này đơn giản, nhanh chóng và có các đặc điểm 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 phản chiếu (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 đã được phát triển, chẳng hạn như Phương pháp chùm tia hình nón (CBM) và Phương pháp chùm tia tam giác (TBM). RAYNOISE sử dụng kết hợp hai phương pháp này làm công nghệ cốt lõi để tính toán phản ứng xung của trường âm thanh.
Ứng dụng của hệ thống RAYNOISE
RAYNOISE có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dự đoán và kiểm soát tiếng ồn công nghiệp, âm học môi trường, âm học kiến trúc và thiết kế các hệ thống thực 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 hội trường, trước tiên cần 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 do AutoCAD hoặc HYPERMESH tạo ra, hoặc họ có thể chọn các mô hình trong 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, bạn có thể bắt đầu tính toán. Bằng cách xử lý kết quả tính toán, bạn có thể thu được các thông số âm thanh như mức áp suất âm thanh, mức âm thanh A, siêu âm và chức năng đáp ứng xung tần số của một điểm nhất định trong trường nhận quan tâm. Nếu bạn vẫn 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 tích hợp nó với tín hiệu khô được ghi lại trong buồng không dội âm trước, để bạn có thể nghe thấy hiệu ứng nghe của điểm này qua tai.