Wrzesień 17, 2018

Możliwości obliczeniowe współczesnej akustyki

Bardzo często mam do czynienia z wypowiedziami pod tytułem „nie da się wszystkiego policzyć”, „przede wszystkim trzeba słuchać”, „ja to słyszę”. Niemal równie często spotykam się z wypowiedziami: „a zrobiłeś pomiary?”, „bez pomiaru to nie ma sensu”, „jak zmieniła się wartość xx po zastosowaniu yy”. Niestety, parając się z dziedziną audio w temacie akustyki wnętrz, jako inżynier z zawodu mam często problem wręcz moralny w jaki sposób porozumiewać się z klientami, tłumaczyć pewne zjawiska, uzasadniać spodziewane efekty itd. Co komu da, jak powiem, że zwiększymy pozorną szerokość źródła albo parametr LF (lateral energy fraction, stosunek energii odbić bocznych do energii całkowitej). Znacznie lepiej to brzmi, jak powiem że zwiększymy przestrzenność i szerokość sceny muzycznej i już dawno się z tym pogodziłem, starając dopasować własny język do oczekiwań klientów, niemniej jak czasem trafiam na skrajnego ortodoksa pytającego jak zmieniła się zawartość harmonicznych po zastosowaniu jakiegoś ustroju (oczywista bzdura, wystarczy wygooglować czym są harmoniczne żeby to ogarnąć… jak ustroje mogą dodawać lub zmniejszać ilość harmonicznych?) to zdarza się, że mnie krew zalewa i powiem to lub owo. Niemniej ten artykuł miał być nie o tym. Chciałbym odnieść się do tego, co potrafi współczesna akustyka i dlaczego czasem jednak mogę dokładnie przewidzieć co się stanie po wstawieniu tego czy innego do pokoju bez słuchania, w jaki sposób można posłużyć się świadomie danymi parametrami, a nie tylko wrzucać losowe obrazki i mądrze kiwać głową (wirtualnie, oczywiście).

Na początku chciałbym pokazać kilka przykładów, co potrafi dzisiaj akustyka i jak to wygląda jak wyciągam „ciężkie działa” do realizacji różnych projektów. Istnieją bardzo zaawansowane programy obliczeniowe, które pozwalają na symulację akustyki pomieszczenia z bardzo wieloma opcjami, uwzględniając praktycznie wszystko co się da. Oczywiście powstaje wtedy problem złożoności modelu, kiedyś od bardzo mądrego człowieka i doskonałego naukowca usłyszałem, że przygotowany model powinien być jak najprostszy przy uwzględnieniu wszystkich zjawisk które nas interesują (J. D. Polack). Czyli np. jeśli modelujemy tylko rozkład ciśnienia w małym pomieszczeniu, uwzględnijmy zjawiska falowe i tłumienie ścian w formie współczynników, ale nie próbujmy implementować zjawisk termoakustycznych albo lepkości. Inaczej można łatwo wpędzić się w błąd, ale o tym jeszcze za chwilę.

Miały być przykłady – niniejszym prezentuję. Tyle się mówi o kierunkowości dźwięku, myślę więc że pożyteczne będzie ją zwizualizować. Prosta (haha, no dobra, nie prosta, ale jednak dość podstawowa) symulacja głośnika w pomieszczeniu z twardą ścianą za nim, porównanie niskiej  i wysokiej częstotliwości.

Widać fajnie zjawisko znoszenia się odbić na skutek działalności odbijającej ściany lub powodowane przez nią wzmocnienie (niska częstotliwość, drugi obrazek). Niech będzie jeszcze przykład optymalizowania kształtu horn’a tak, aby uzyskać jak najszerszy kąt propagacji – dzieje się to kosztem amplitudy, ale zakładamy że optymalizowaliśmy akurat pod kątem szerokości wiązki 😊

Wróćmy do akustyki wnętrz. Jakiś czas temu opublikowaliśmy na naszej stronie bardzo prosty kalkulator akustyczny, dostałem potem wiele opcji z pytaniami – a czy można uwzględnić to, tamto, meble, pogłos, tłumienie… owszem, można, ale nie w aplikacji webowej. Nasz kalkulator pozwala np. na obliczenie tzw. częstotliwości rezonansowych (modów) pomieszczenia dla pokoju prostopadłościennego, które wyraża dość proste równanie. Co jednak, gdy pomieszczenie nie jest prostopadłościenne, ma meble itd.? Ano wtedy dalej możemy to policzyć, używając tzw Metody Elementów Skończonych (MES).

Dołączam rozkłady modów policzonych przeze mnie dla przykładowego pomieszczenia w programie COMSOL Multiphysic – jest to 1 i drugi mod dla tego pokoju. Jak widać, są one dość zbliżone do tych uzyskiwanych z naszego kalkulatora, dlatego jego wyniki są dalej aktualne, oczywiście wszystko zmienia się w momencie zastosowania innego kształtu, czerwone punkty to miejsca, gdzie powinny znaleźć się pułapki basowe najlepiej nastrojone na daną częstotliwość. Jak jednak wygląda to gdy zmienimy nieco kształt?

Bas wylądował nam za kanapą (pierwszy mod) albo rozlał się po pokoju (drugi mod). Tylko w punkcie odsłuchowym ciągle go brak. Podobne temu zjawiska można również usłyszeć, generując metodą prób i błędów odpowiednie częstotliwości i chodząc po pokoju. Ja jednak wolę je liczyć 😊. Więcej o modach pomieszczeń niestandardowych tutaj: Rozmieszczenie pułapek basowych w pomieszczeniu – rezonanse pokoju odsłuchowego

Kolejną z metod, które może zastosować akustyk, jest tzw. metoda promieniowa, wykorzystywana w zakresie średnich i wysokich częstotliwości zwłaszcza w wypadku dużych pomieszczeń typu sale koncertowe itd.

Sprowadza się to do prezentacji źródła w postaci równo rozłożonych promieni (np. 5 mln), a następnie śledzenia ich ruchu w pomieszczeniu obliczając przy okazji odpowiednie parametry. Tutaj możemy już zrobić praktycznie wszystko – pogłos, parametry przestrzenności, klarowności, wszystko.

Pozwolę sobie tutaj na małą dyskusję i nawiązanie do już poruszonego tematu, czyli wspólnego języka. Akustyka dostarcza nam mnóstwa parametrów, zarówno obiektywnych jak i subiektywnych, jest też wiele kryteriów oceny – mamy np. parametr C80, klarowność dźwięku, który w dobrej sali koncertowej (lub też pomieszczeniu) powinien mieć wartość -3 do 3 dB przy źródle stojącym blisko słuchacza (A. Kulowski). Ok, super, to wiem ja i tak mogę policzyć, niestety nijak jestem w stanie to przełożyć na język „normalny”… dlatego czasem mówimy po prostu że dźwięk będzie klarowny. Jaka dokładnie jest różnica między -3 a 3 dB – bardzo ciężko wyjaśnić i usłyszeć, wiemy i słyszymy tylko, że np. +8 dB jest zdecydowanie złe bo dźwięk jest bardzo ostry.

Wrócę się jeszcze do poruszonego tematu skomplikowania modelu. Często zarzuca się, że danego tematu nie da się sparametryzować, zawsze zostanie ucho. Dzisiejsza wiedza akustyczna dostarcza ogromną ilość parametrów i gwarantuję Wam, że prawie wszystko da się sparametryzować cyferkami aż do bólu bo naukowcy uwielbiają cyferki. Jestem przekonany, że z wykorzystaniem odpowiednich parametrów byłbym w stanie udowodnić że kable grają (czy to jest słyszalne, zdecydowanie odmawiam dyskusji), jednak bardzo często tego się po prostu nie robi – użycie dużej ilości skomplikowanych parametrów skutkuje dużym skomplikowaniem modelu, co naraża akustyka na błąd lub otrzymanie dużego, niezrozumiałego rozrzutu wyników. Zazwyczaj wchodzi się też na grząski grunt nauki, gdzie czasem trzeba policzyć jakąś całkę i coś zróżniczkować – to nie jest czas pogłosu który liczy co drugi kalkulator w Internecie. A otrzymywany efekt końcowy analizy bardzo zaawansowanej niekoniecznie jest lepszy od tej znacznie prostszej.

Mam nadzieję że ten krótki felietonowy artykuł pozwoli Wam zrozumieć, co naprawdę dobrze przygotowany akustyk potrafi policzyć i właśnie dlatego warto czasem zainwestować w porządny projekt akustyczny. Jeśli artykuł się spodobał lub istnieje potrzeba szerszych wyjaśnień – zapraszam do kontaktu i wyrażenia opinii.

Bartłomiej Chojnacki

bchojnacki@mega-acoustic.pl