Дизайн системы с помощью компьютера

Мой первый набег на дизайн звуковой системы был осуществлен в конце 1970-х годов. Я установил звуковую систему в восьмиугольном пространстве для богослужения, предназначенном для поддержки органа. Плохая речевая разборчивость моего дизайна была очевидна для всех, включая меня. Именно тогда я нашел первое издание этой книги «Инженерия звуковой системы» Дона и Каролин Дэвис в местном доме электроники. Знаменитая сегодня «желтая книга» с этого момента потребляла большую часть моего времени, ясно демонстрируя, что я делал серьезные ошибки в своих проектах системы. Каждый изученный принцип доказывал, что он вечен. За последние 40 лет мы получили возможность быстрее сверять цифры и отображать результаты прогнозирования с потрясающей графикой. Но основные принципы остались неизменными. Любой серьезный разработчик должен начинать с этого. Только потом следует рассмотреть возможность использования программных средств, для ускорения процесса. Перед использованием компьютера нужно научиться вычислять. Это действительно смущает, возможность внести свой вклад в четвертое издание книги, которая сформировала мою карьеру.

Я начну эту главу с удивительного утверждения: «Компьютеры не могут создавать звуковые системы». Хотя это может быть неверным в будущем, но сейчас - это правда. Многие потенциальные разработчики звуковых систем были встревожены после покупки сложной программы моделирования комнат, только чтобы узнать, что это в основном калькулятор, который выполняет алгоритмы, основанные на приближениях и предположениях относительно поведения звуковой волны. Они также с тревогой обнаруживают, что полезность программы ограничена собственным пониманием базовой акустики и электроакустики. Это не значит, что эти программы не сложны. Некоторые из них невероятно сложны, даже артистичны - смесь детерминированных вычислений и программных алгоритмов для моделирования акустического поведения на основе геометрических принципов. Но между акустическими предсказаниями и реальностью всегда будет разница.

Звуковые волны ведут себя как световые лучи? «Да», с одной стороны, но «нет» с другой. Несоблюдение этого приведет к неожиданностям.

Для превосходного обзора истории моделирования акустики комнаты см. «Ранняя история сканирования лучей в акустике комнаты» Питера Свенссона. Эта работа ясно показывает, что акустическое моделирование представляет собой игру с приближениями, предположениями и компромиссом. Это не просто вопрос «хрустящих». Большие скорости процессора, и захватывающая графика не устранили фундаментальные ограничения моделирования звука, геометрически базирующихся на основе оптических принципов, известных как геометрическая акустика или GA.

Тем не менее, я энергичный сторонник и сторонник компьютеризированного моделирования комнат в качестве инструмента для дизайнера звуковой системы. Я хотел бы сказать, что это единственный практический способ справиться с множеством переменных, которые влияют на производительность звуковой системы в замкнутом или полузакрытом пространстве. Знание ограничений инструмента позволяет полностью использовать его возможности. Эта глава посвящена тому, чтобы разработчик звуковой системы интегрировал компьютерное моделирование комнат в процесс проектирования.

Основные принципы электроакустического поведения были представлены в другом месте этого текста. Для дизайнера звуковой системы необходимо понять, как звук излучается от громкоговорителей и как он взаимодействует с акустической средой. Программное обеспечение акустического прогнозирования пытается смоделировать это взаимодействие и предоставляет ценный инструмент, который позволяет разработчику звуковой системы исследовать различные сценарии выбора и размещения громкоговорителей - суть дизайна звуковой системы. Выбор усилителей и обработки сигналов слишком тривиален, по сравнению с выбором и размещением громкоговорителей. Фактически последнее определяет первое.

Принципы, представленные в этой главе, являются универсальными в их применении к программам моделирования помещений. Это не значит, что все программы моделирования комнат созданы одинаково. Когда вы покупаете одну из этих программ, вы покупаете знания, навыки, опыт, предрассудки и допущения разработчика. Когда для продажи программы акустического моделирования используются термины типа «идеальный», «аккуратный» и «точный», вам следует убежать.

Примеры в этой главе были выполнены с использованием CATT-AcousticTM.

Процесс акустического прогнозирования принимает измеренные данные громкоговорителя и вводит его в виртуальную среду. Мы хотим, чтобы виртуальная среда эмулировала акустическое поведение реального физического пространства. Учитывая сложность поведения звуковых волн в замкнутом пространстве, можно четко видеть вызов, а также полезность программы, которая может даже стать ближе.

20.1. Данные сферического громкоговорителя.

Я начну обсуждение моделирования комнаты, сосредоточившись на данных громкоговорителей. Мусор входит, мусор выходит. Данные, которые собираются ненадлежащим образом, будут давать ошибочные результаты, независимо от того, насколько сложна программа, которая ее использует.

Осевые и полярные измерения уже давно используются для характеристики производительности громкоговорителей. Для моделирования поведения громкоговорителя в помещении, в программах моделирования помещений используются данные сферического звукового излучения. Сферический набор данных измеряется по всей сфере разнесенных положений вокруг громкоговорителя и, следовательно, способен характеризовать направленность громкоговорителя, рис. 20-1.

Я построил сферическую систему измерения громкоговорителей с нуля, которая в настоящее время создает файлы данных громкоговорителей для многих производителей громкоговорителей и для использования в программах моделирования помещений. Многолетнее инвестирование времени и денег дало некоторое представление о том, что имеет значение, а что не касается данных громкоговорителей. Некоторые из моих утверждений могут вас удивить. «Больше» не обязательно «лучше».

Рисунок 20-1. Пример сетки позиций измерения вокруг громкоговорителя.

20.2. Близкое поле в сравнении с дальним полем.

Программа моделирования предполагает, что возникающий волновой фронт от источника является сферой и что он расширяется сферически, когда звук распространяется от источника, это подобно накачиванию воздушного шара. Это справедливо только в дальнем поле источника. Чтобы предположение о сферическом распространении было правильным, данные громкоговорителей должны измеряться в дальнем поле громкоговорителя.

Термин «точечный источник» имеет как теоретические, так и общие значения в аудиотехнике. Если буквально - точечный источник бесконечно мал. Поскольку направленность достигается за счет интерференции, а интерференция требует массы, буквальный точечный источник является всенаправленным по определению и излучает акустическую мощность, которая производит ту же самую интенсивность звука во всех направлениях. Сферические волны, имитируемые как лучи или частицы, выходящие из точки, спадают по закону закона обратного квадрата изменения уровня, когда они распространяются наружу от источника, рис. 20-2. Это означает, что когда радиус сферы удваивается, площадь, через которую проходит звук, увеличивается в четыре раза. Поскольку одна и та же звуковая энергия проходит через все более большую площадь, то уровень интенсивности звука (L_I) и результирующий уровень звукового давления (L_P), как ожидается, уменьшаются с увеличением расстояния.

Рисунок 20-2. Излучаемые лучи от источника звука в коробке.

Физически реализуемый громкоговоритель имеет размер и массу. Звук не может равномерно излучаться со всех его поверхностей, боков и краев, поэтому вблизи источника волновой фронт может быть не сферическим. Это верно определенно для многопоточных устройств, а также для линейных массивов. Несмотря на то, что волновые фронты этих устройств не являются сферическими, когда они формируются, звук движется с одинаковой скоростью во всех направлениях. Это означает, что волны становятся сферическими по мере увеличения расстояния от источника, так как расстояние распространения, равное для всех лучей, вытесняет любые различия в длине лучей вблизи источника. Расстояние от источника, на котором волны можно считать сферическими, - это начало дальнего поля. На этом расстоянии и далее действует закон обратного квадрата. Таким образом, все громкоговорители подчиняются закону обратного квадрата на отдаленных расстояниях, но это не обязательно близко к громкоговорителю. Обратите внимание, что «сферическая волна» не означает, что громкоговоритель является всенаправленным. В то время как форма шара является сферической в ​​дальнем поле, звук из полезного громкоговорителя, вероятно, более интенсивный в осевом направлении из-за использования рупоров, волноводов или перегородок, рис. 20-3.

Громкоговоритель имеет ближнее поле, где возникающий волновой фронт не является сферическим. Он имеет свое дальнее поле. Существует частотно-зависимый переход между ближним полем и дальним полем. Осевая передаточная функция громкоговорителя зависит от расстояния в ближнем поле. Она не зависит от расстояния в дальнем поле, за исключением частотно-зависимых эффектов поглощения воздуха.

Для начала дальнего поля существуют как низкочастотные, так и высокочастотные критерии. Для того чтобы быть в дальнем поле, точка наблюдения должна быть удалена:

Рисунок 20-3. Сферическое излучение с неравномерной интенсивностью.

1. По меньшей мере, на одну длину волны от источника самой низкой частоты, представляющей интерес. Это удовлетворяет низкочастотным критериям.

2. Как минимум, на расстоянии 10-кратного наибольшего размера источника, нормально к оси прицеливания. Это удовлетворяет критериям высокой частоты. Предполагается, что высокочастотная звуковая энергия исходит со всей поверхности устройства. Часто это не так, и 10-кратные критерии расстояния могут быть ослаблены.

Используя эти критерии, полнодиапазонный громкоговоритель высотой 1 метр (м), излучающий высокочастотную энергию по всей его длине, будет иметь дальнее поле, которое начинается примерно на 10 м для частот выше 30 Гц (10 м - длина волны акустического излучения 30 Гц). Можно сразу увидеть задачу сбора точных сферических данных дальнего поля. В практических случаях это требуемое расстояние может быть ослаблено. Если это неясно, то это можно определить путем измерения с помощью протяженного теста, который сравнивает осевой отклик измерений, выполненных на разных расстояниях от источника. Если величина осевой частотной характеристики изменяется с увеличением расстояния (кроме потерь из-за поглощения воздуха), то положение измерения находится в ближнем поле.

Практическое расстояние для измерения сферических данных составляет приблизительно 8 м. Значительные проблемы возникают на меньших или больших расстояниях. 8 м позволяет измерять выше 43 Гц для устройства до 0,8 м (самый длинный размер устройства). Если используется более короткое расстояние, то данные могут быть неточными для более высоких октавных полос. Если используется большее расстояние, то серьезными проблемами становятся поглощение воздуха и градиенты температуры, особенно если измерять фазовые данные. Если устройство слишком велико для измерения на расстоянии 8 м, его иногда можно разбить на более мелкие элементы, которые независимо измеряются и повторно собираются в программном обеспечении. Линейные массивы дискретных источников этому пример, рис. 20-4.

Рисунок 20-4. Линейный массив дискретных источников (Nexo GEOTM). (Courtesy CATT-A.)

На практике устройства длиной до 2 м часто могут измеряться на расстоянии 8 м. Это связано с тем, что множество (большинство) громкоговорителей не излучают значительную высокочастотную энергию со всей своей фронтальной области. 10-кратные критерии расстояния могут быть ослаблены с приемлемой потерей высокочастотной точности. Для целей моделирования помещений данные нужны только в октавной полосе 8 кГц для прогнозирования разборчивости речи, на рисунке 20-5.

Рисунок 20-5. Октавные полосы, которые могут быть осмысленно смоделированы в программах моделирования помещений.

20.3. Процесс измерения.

Излучающие свойства громкоговорителя должны определяться измерениями, выполненными на ранее описанной поверхности дальнего поля. Громкоговоритель размещается в свободном поле - среде, свободной от звуковых отражений. Измерительный микрофон располагается на оси и в дальнем поле громкоговорителя. Измеряется и записывается осевая импульсная характеристика (временная область) или передаточная функция (частотная область). Затем громкоговоритель поворачивается горизонтально с помощью требуемого углового разрешения, обычно 5°, и измерение повторяется. Это продолжается до тех пор, пока микрофон не станет на 180° от оси, на рисунке 20-6. Серия из 37 измерений называется «дугой». Громкоговоритель возвращается в осевое положение, поворачивается на 5° вокруг своей оси прицеливания и собирается другая дуга. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет измерено достаточное количество дуг, чтобы полностью охарактеризовать сферическое излучение от громкоговорителя. Точное число дуг зависит от необходимого числа квадрантов, что в свою очередь зависит от акустической симметрии громкоговорителя, рис. 20-7.

Рисунок 20-6. Дуга измерительных положений вокруг громкоговорителя.

Полярная симметрия - все дуги 37 одинаковых измерений.

Полная симметрия - все квадранты одинаковы ~ 900 измерений.

Половина симметрии. Два полушария - одни и те же ~ 1800 измерений.

Нет симметрии - Все дуги уникальные ~ 2600 измерений.

Рисунок 20-7. Симметрия громкоговорителя и необходимое количество измерений.

Конечный результат, используя разрешение 5°, представляет собой набор из примерно 2600 импульсных откликов (impulse responses, IR). IR могут быть преобразованы в частотную область с использованием преобразования Фурье для получения передаточной функции или амплитудного, фазового или частотного отклика для каждой позиции измерения. Затем этот набор данных обрабатывается в виде набора диаграмм громкоговорителей. Для каждого 1/n-октавного диапазона есть один график. Разрешение одной октавы обычно используется для акустической работы в помещении. Для картирования покрытия громкоговорителей и специальных исследований может использоваться треть октавы.

Данные аэростата предполагаются программой прогнозирования для представления направленного поведения устройства на любом расстоянии, даже если оно было измерено на расстоянии 8 м. Но, это будет неточным для ближнего поля громкоговорителя. Другими словами, хотя форма воздушного шара данных, измеренная на расстоянии 8 м, может быть неточна для более коротких расстояний в ближнем поле, она точна в дальнем поле. Если данные были фактически измерены на одном метре, и это расстояние находится в ближнем поле из-за размера громкоговорителя, то в данных будет ошибка компаундирования, поскольку звук распространяется наружу. Данные дальнего поля необходимы для того, чтобы воздушный шар был точно экстраполирован на удаленные позиции слушателя, которые обычно более многочисленны в больших комнатах, чем сидения вблизи громкоговорителя. Нам нужно торговать повышенной «близкой» точностью, чтобы получить «далекую» точность. Поскольку основной задачей процесса проектирования звуковой системы является достижение положительного отношения к звуковой энергии прямого к «реверберирующему», и поскольку это становится все труднее с увеличением расстояния, такой компромисс является оправданным.

1 метровая чувствительность громкоговорителя (также измеренная в дальнем поле и скорректированная до 1 м с использованием закона обратного квадрата) используется программным обеспечением прогнозирования для масштабирования относительных данных баллона до абсолютного уровня. Программа моделирования комнат экстраполирует воздушный шар до тех пор, пока он не пересечет плоскость аудитории, и правильно масштабирует его к осевой чувствительности. Результирующий уровень L_P представлен в виде карты покрытия аудитории, на Рис. 20-8. Файл данных громкоговорителя также включает максимальное среднеквадратичное напряжение, которое может быть применено к громкоговорителю. Я описываю, как это определяется в главе 19 «Оценки мощности для усилителей и громкоговорителей». Разность уровней между этим напряжением и напряжением, используемым для измерения чувствительности, используется для расчета максимального L_P, возможного для устройства.

Рисунок 20-8. Карта зоны покрытия аудитории прямого поля (CATT-A).

Громкоговоритель, который может быть точно измерен и представлен таким образом, обычно упоминается как точечный источник.

20.4. Массивы громкоговорителей.

Малые массивы громкоговорителей, такие как не управляемые линейные массивы длиной 1 м или менее, могут быть измерены и смоделированы как точечные источники. Более длинные массивы разбиваются на несколько точечных источников. Для этого требуется, чтобы один из источников был измерен, а затем воспроизведен в модели комнаты. Относительное время прибытия каждого источника может быть вычислено для любой позиции слушателя в модели. Это позволяет вычислить комплексное (амплитудное и фазовое) взаимодействие. Некоторые программы моделирования предлагают специальные модули для облегчения построения массива.

Прогнозы массива - это только оценки по ряду причин. К ним относятся:

1. Интерференция соседних корпусов. В реальной жизни, если измеряются данные аэростата для одного ящика, а рядом с ним помещается второй блок (без сигнала), то мы по существу создаем новый громкоговоритель. Физическое присутствие второго блока изменяет диаграмму излучения первого блока, рис. 20-9. Эффект может быть тонким для пары сильно направленных рупоров. Это будет чрезвычайно важно для источников низкой направленности, которые, конечно, включают практически все громкоговорители по мере уменьшения частоты. В программе моделирования массива ни одно из полей не знает о наличии других ящиков.

2. Согласованность поведения элемента массива. Изготовитель обычно поставляет один громкоговоритель в измерительную лабораторию для производства файла данных, используемого в программах моделирования помещений. Этот громкоговоритель можно измерить до любого практического разрешения, и тенденция заключалась в том, чтобы использовать все более высокое угловое и частотное разрешение. Разрешение может быть как 10°/ 1/1 октавы, так и выше 1°/ 1/24-октавы. Заманчиво думать, что «больше - лучше», и легко продать на рынке использование более высокого разрешения как более точное. К сожалению, здесь существует обратная связь. Чем выше угловое и частотное разрешение, тем меньше будет «общих» данных. Нет двух громкоговорителей одинаковых, поэтому существует опасность разрешения образца на n-ю степень и создание файла данных, который является точным только для измеренного образца, на рисунке 20-10. Существует как минимум два возможных решения. Первое заключается в том, что производитель затягивает свои стандарты контроля качества для производства громкоговорителей, которые имеют меньшую вариативность от устройства к устройству. Если вы когда-либо оценивали пару согласованных микрофонов для стерео записи, то вы поймете нецелесообразность этого решения. Если производство должно начать отказывать драйверам в жестком допуске, то цена идет вверх. Рынок отвечает потребителями, покупающими более дешевые бренды, поэтому производитель, который пытается «сделать это правильно», вскоре выходит из бизнеса. Второй вариант - уменьшить угловое и частотное разрешение до того, что менее чувствительно к вариативности устройства. Практические разрешения - 10° / 1/1-октава и 5° / 1/3 октавы. Существуют случаи, когда данные 2.5 ° могут быть аргументированы для устройства с очень узкой шириной луча, такой как линейный массив. Но, учитывая другие переменные, которые невозможно контролировать, это, как правило, необоснованно.

Рисунок 20-9. Ошибки, вызванные взаимодействием корпусов.

20.4.1. Библиотека динамической ссылки - Dynamic Link Library, DLL.

Некоторые типы массивов требуют значительного ввода от пользователя. Например, линейный массив может состоять из восьми элементов. Каждый из них должен иметь желаемое относительное положение и угол поворота. Некоторым элементам может потребоваться задержка или пользовательские фильтры. Запись данных может быть значительно упрощена с помощью DLL. Концепция DLL была впервые представлена ​​в CATT-Acoustic v7.1 в 1998 году. Другое программное обеспечение также реализовало библиотеки DLL в различных формах. DLL может создавать сложные и составные конфигурации массивов с минимальным вводом данных. DLL обычно кодируется для производителя разработчиком программного обеспечения. На рисунке 20-11 показана настройка DLL для популярного линейного массива.

Рисунок 20-10. Варианты изменения амплитуды и фазы 10-дюймовых громкоговорителей "одинаковой" модели.

20.4.2. Амплитудные данные по сравнению с фазовыми данными.

Данные шара громкоговорителя могут состоять только из амплитуд или амплитуд плюс фазовые данные. Фазовые данные могут улучшить результаты прогнозирования для некоторых типов массивов, а именно тех, которые полагаются на сложные взаимодействия между отдельными элементами для формирования диаграммы направленности и слишком велики для измерения как единого элемента. Но фазовые данные трудно точно измерить на расстояниях, которые находятся в дальнем поле источника. Изменение температуры на несколько градусов в течение многочасового сеанса измерения может привести к значительным ошибкам. Если для ускорения времени измерения используется микрофонная решетка, микрофоны мешают друг другу таким же образом, как и мешают друг другу громкоговорители в массиве.

Поэтому, хотя представляется правдоподобным измерить все громкоговорители с угловым разрешением 1° и включить как данные о величине, так и фазе, но на практике предсказанный отклик массива по-прежнему остается лишь приблизительной оценкой. Если лица, пишущие программное обеспечение и Стандарты, не участвуют в тестировании громкоговорителей или сильно подвержены влиянию тех, кто есть, существует опасность разъединения. Баланс доводится до обсуждения, рассматривая в первую очередь причину измерения громкоговорителя - дизайн звуковой системы рисования. Независимо от того, насколько данные точны, данные громкоговорителей будут использоваться в программе моделирования помещений, которая может оценивать только акустическое поведение пространства.

Рисунок 20-11. DLL может обеспечить эффективную конфигурацию массива, а затем рассчитать акустическое поведение. (CATT-А).

20.5. Моделирование прямого поля.

Уровень L_P прямого поля и прогнозы покрытия могут быть выполнены без учета акустики помещения. Нет необходимости строить полную модель закрытой комнаты, если все, что вам нужно знать - это необходимая высота монтажа и угол поворота для громкоговорителя. Программы моделирования чрезвычайно полезны и точны при показе того, как шар сферических данных пересекает плоскость плоской аудитории. Это гарантирует, что соответствующий громкоговоритель (и) был помещен так, чтобы позволить ровный уровень L_P прямого поля в зоне аудитории.

Карта покрытия прямого поля рассматривает уровень L_P, излучаемый от каждой точки вокруг громкоговорителя и расстояние до области аудитории. Результирующий уровень L_P зависит от частоты, поэтому независимые карты создаются при желательном разрешении 1/n-октавы. Полосы 1/n-октавы можно суммировать и взвешивать для получения широкополосных карт уровней L_P.

Покрытие не является интуитивным, и неточность модели может привести к грубым ошибкам. Отображение покрытия прямого поля должно быть первым шагом любого процесса проектирования звуковой системы, независимо от того, выполняется ли измерение акустики комнаты, на рисунке 20-12.

Рисунок 20-12. Карта покрытия прямого поля для октавной полосы 2 кГц - только для аудитории.

20.6. Подробное описание модели комнаты.

Как только дизайнер удовлетворен тем, что покрытие прямого поля приемлемо, необходимо учитывать отраженную энергию из комнаты. Для этой цели строится виртуальная модель каркаса комнаты.

Объем детализации, требуемый в модели комнаты, является предметом текущих дебатов. Казалось бы, интуитивно понятно, что точная визуальная модель является точной акустической моделью. Это также позволило бы использовать существующую модель САПР, предоставленную архитектором. К сожалению, это, как правило, не так. Хорошая визуальная модель не обязательно хорошая акустическая модель.

Взаимодействие звука с комнатными объектами довольно сложно, являясь комбинацией отражения, резонанса и дифракции. Методы трассировки лучей или источника изображения могут только приближать поведение звука, поэтому их нельзя охарактеризовать как «точные», независимо от деталей, используемых в модели. Слишком много деталей может значительно увеличить время вычисления, не увеличивая точности прогнозов. Модель комнаты следует рассматривать как акустическую «альбомную панель» и представляет собой акустический эквивалент масштабной модели архитектора, сделанной из пенопласта и бумаги, рис. 20-13. Это высоко программируемый процессор реверберации, который может быть адаптирован к геометрии комнаты с учетом направленности источника.

Точность акустических предсказаний имеет тенденцию следовать природе звука от источника. Прямое поле, излучаемое громкоговорителем, может быть измерено с очень высокой точностью, а его поведение в дальнем свободном поле может быть точно оценено с использованием закона обратного квадрата. Это означает, что измерения прямого поля, такие как LP и покрытие, могут быть предсказаны с высокой точностью. После отражения звука термин «точность» больше не применяется. Теперь мы имеем дело с приближениями, поскольку каждый луч, который сталкивается с границей комнаты, создает новый акустический источник, столь же сложный, как и исходный источник. Поведение звука становится все более сложным с каждым порядком отражения, и в конечном итоге становится все более «диффузным» и депрессивным детерминированным предсказанием. К счастью, потребности дизайнера звуковой системы, как правило, эту точность отслеживают. Я могу иметь высокую уверенность в предсказаниях прямого поля и, возможно, нескольких порядков отражения, если поверхности большие и гладкие. Но ошибки, возникающие по мере распространения звука, и отражения более высокого порядка и поведение реверберирующего поля - это только оценки.

Рисунок 20-13. Простая 3D-модель поверхности фан-зоны комнаты, показывающая предлагаемые позиции громкоговорителей.

Программы моделирования обычно предоставляют специализированные модули для создания 3D-модели поверхности. В качестве альтернативы модель может быть создана в сторонней программе САПР и импортирована. Каждой границе комнаты (или плоскости) присваивается коэффициент поглощения, который определяет, насколько уменьшается L_P отражения, когда луч сталкивается с поверхностью комнаты. Плоскости также может быть задан коэффициент рассеяния, который рандомизирует некоторую отраженную энергию. Коэффициенты рассеяния неоценимы для оценки поведения сложных поверхностей помещений. Оба коэффициента поглощения и рассеяния являются оценками, и их определение является одной из основных проблем в процессе моделирования, рис. 20-14.

Рисунок 20-14. Коэффициенты поглощения и рассеяния при разрешении 1/1 октавы.

20.6.1. Прогнозирование отражений в комнате.

Программы моделирования помещений в основном используют два метода для прогнозирования отражения помещений. Метод источника изображения является детерминированным и может быть визуализирован, рассматривая поверхности помещений как зеркала. Если вы сидите в позиции слушателя, изображение громкоговорителя будет видно на каждой границе, что создает зеркальное отражение для вашего сиденья. Точно так же в реальной комнате, если бы источник был заменен лазерной направленностью, а изображения заменялись зеркалами, лазерная указка оказалась бы на вас. Таким образом, используя оптические принципы и геометрию, поверхности, создающие зеркальные отражения, можно идентифицировать, рис. 20-15.

Рисунок 20-15. Источники изображения первого порядка для одного источника в одном месте слушателя. Уровень и время прибытия для каждого источника показаны на эхограмме (CATT-A).

Интенсивность вычислений этого метода возрастает по мере увеличения порядка отражения, а точность уменьшается с каждым последующим отражением. Это говорит о том, что для моделирования позднего спада комнаты необходим другой подход. Алгоритм трассировки лучей и его варианты (например, трассировка конуса) излучают тысячи виртуальных лучей из источника, «отслеживают» их до заданного пользователем порядка отражения, а затем подсчитывает числа, которые поступают в положение слушателя. Слушатель в модели фактически является «счетным шаром» - целевой сферой фиксированного или переменного радиуса. Точный метод прогнозирования отраженного поля различается между программами моделирования, как и результаты. Используемый метод может быть уникальным для программы моделирования и зависит от знаний, навыков, интуиции и предрассудков программиста, на рисунке 20-16.

Рисунок 20-16. Полная эхограмма для одной позиции слушателя (октавный диапазон 2 кГц) (CATT-A).

20.6.2. Цель моделирования помещений.

Для любой комбинации источник/слушатель в замкнутом или полузамкнутом пространстве существует множество переменных, которые определяют импульсную характеристику комнаты (room impulse response, RIR). RIR, в свою очередь, является лучшим резюме, которое мы имеем относительно того, как это место звучит. В физической комнате сбор RIR является самой важной задачей для исследователя, поскольку в ней определяются физические причины для качества звука в этой позиции слушателя.

Целью процесса проектирования является синтез аппроксимации RIR. Существует множество сходств и параллелей между синтезированным откликом RIR, при моделировании, отклик можно назвать эхограммой и фактическим измеренным RIR для того же места в физической комнате. Для того чтобы быть хорошим модельером, сначала нужно быть хорошим измерителем. Благодаря пониманию чувствительности измеренных данных можно понять сложность предсказания RIR. Только тогда мы можем избежать траты времени на тонкие детали и тонкости, которые, как многие считают, учтены математикой, используемой программным обеспечением для моделирования.

Измеренный отклик RIR предоставляет ссылку для создания виртуальной среды, поведение которой имитирует реальную комнату до степени, необходимой для выбора и размещения громкоговорителей. Измерение и моделирование идут рука об руку, и то, что узнано об одном, может помочь в понимании другого.

Следующие разделы относятся к измеренным и смоделированным акустическим данным.

20.7. Акустика комнаты - обзор.

Скорость возмущений звука, распространяющихся по воздуху, очень медленная по сравнению со скоростью света. Это приводит к обнаруживаемому человеком смещению по времени между прямым звуком от громкоговорителя, поступающего к слушателю, и отражениями, возникающими из поверхностей помещения в пространстве. Искусство и наука акустики комнаты имеют дело с этими отражениями.

Комната пассивна и не производит никакого звука. Когда звук создается в комнате из источника, отражения производятся различными поверхностями помещений. Первоначально комнаты анализируются во временной области, так как приход отражений является функцией времени. Для любой позиции слушателя существует соотношение между прямым звуком и отраженным «звуком комнаты». Этот коэффициент влияет на то, насколько хорошо информация от звуковой системы передается аудитории. Давайте посмотрим, как оценивается отклик комнаты.

Хотя «частотный отклик» является гораздо более популярным способом описания звука из системы, частотный отклик определяется временным откликом - сложным взаимодействием прямого поля и множественными отражениями, которые являются уникальными для каждой позиции слушателя. Большинство устройств обработки сигналов (например, эквалайзеры) являются «слепыми по времени» и, следовательно, не учитывают реальные причины низкого качества звука. Поскольку эквалайзер воздействует на все звуковые поля, слышимые в позиции слушателя, он не может изменить соотношение между ними, которое является корнем ясности звука и большинства проблем разборчивости речи.

20.7.1. Импульсный отклик комнаты - RIR.

Хлопок ладонями в пространстве произведет серию отражений в позиции слушателя, рис. 20-17. Каждое отражение - это модифицированное факсимиле оригинального события. Эта последовательность может быть разбита на несколько различных звуковых полей. Хлопок ладонями приводит к сырому отклику RIR. В формальных исследованиях хлопок ладонями заменяется методами, которые откалиброваны и согласованы. Важно понимать, что независимо от метода, используемого для его сбора, RIR является самым фундаментальным акустическим тестом. Это основное средство анализа акустического поведения комнаты, и его синтез является конечной целью процесса проектирования. Комната будет иметь такое же влияние на любой звук, исходящий от громкоговорителя, которое она имеет на импульс, который был отправлен. 3D-модель поверхности комнаты предоставляет виртуальную среду для моделирования синтезированного RIR.

Рисунок 20-17. Хлопок ладонями и результирующие отражения.

Звуковые поля, которые генерирует импульс, включают:

1. Поле прямого звука.

2. Раннее отраженное звуковое поле.

3. Позднее отраженное звуковое поле.

4. Звуковое поле реверберации.

Для работы с чистой акустикой импульсом может быть хлопок воздушного шара или выстрел стартового пистолета. Для работы звуковой системы стимулом может быть псевдослучайный розовый шум или синусоидальная развертка, которая воспроизводится через громкоговоритель, записывается и обрабатывается математически, чтобы получить импульсную характеристику с помощью анализатора. Этот метод позволяет собирать импульсный отклик, не излучая фактического импульса с его сопутствующими недостатками. К ним относятся требование для очень тихой комнаты, а также возможное повреждение громкоговорителя, если уровень слишком высок.

Точно так же, как источн