Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 1 ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 6 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Στην άσκηση αυτή θα πρέπει να υλοποιήσετε ηλεκτροακουστική μοντελοποίηση και πρόβλεψη της κάλυψης του χώρου γενικής χρήσης που εξετάστηκε και στην Άσκηση 5, με την χρήση κατάλληλου λογισμικού (της δοκιμαστικής έκδοσης του Catt-acoustic), υποθέτοντας ότι στον χώρο αυτό θα τοποθετηθεί ηλεκτροακουστική εγκατάσταση αποτελούμενη από ένα ηχείο από τη λίστα που σας παρέχεται. Όπως είναι γνωστό και από τη διδασκαλία του μαθήματος, στην περίπτωση που χρησιμοποιείται κάποιο ηλεκτροακουστικό (Η/Α) σύστημα για την ηχητική κάλυψη ενός ακροατηρίου σε ένα κλειστό ή ανοιχτό χώρο, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί με ακρίβεια η στάθμη ηχητικής πίεσης (Σ.Η.Π) καθώς και η ομοιομορφία η οποία παράγεται στα διαφορετικά σημεία ακρόασης. Επιπλέον, για εφαρμογές αναπαραγωγής ομιλίας, είναι κρίσιμο να επιτυγχάνεται και αποδεκτή καταληπτότητα ομιλίας. Καθοριστική παράμετρος για αυτούς τους υπολογισμούς είναι η θέση τοποθέτησης και η κατευθυντικότητα των ηχείων. Με δεδομένο ότι οι υπολογισμοί αυτοί και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων της Η/Α εγκατάστασης είναι πολύπλοκοι ειδικά για κλειστούς χώρους όπου μαζί με το απευθείας διαδιδόμενο σήμα, συνυπάρχει και αντήχηση, η δυνατότητα αυτή παρέχεται μέσω της χρήσης λογισμικού υπολογιστικής προσομοίωσης. Για το σκοπό αυτό εταιρίες που κατασκευάζουν ηχεία για επαγγελματικές εφαρμογές προσφέρουν λογισμικό απλών υπολογισμών τέτοιου είδους (π.χ. d&b Arraycalc [1], EV LAPS [2], L-Acoustics Audiovision [3]). Για να υπάρχει δυνατότητα από τέτοιες εφαρμογές λογισμικού να κάνουν ακριβείς υπολογισμούς Σ.Η.Π. και κάλυψης για τους διαφορετικούς τύπους ηχείων, οι εταιρίες κατασκευής παρέχουν αρχεία με στοιχεία κατευθυντικότητας, στάθμης ευαισθησίας, κλπ. (όπως τα αρχεία τύπου CLF που θα χρησιμοποιήσετε στην άσκηση), τα οποία μπορούν να συμπεριληφθούν στις αντίστοιχες βιβλιοθήκες των λογισμικών ακουστικής προσομοίωσης. 2. ΘΕΩΡΙΑ 2.1. Ακουστική κάλυψη Ένας από τους βασικούς στόχους κατά το σχεδιασμό μιας ηχητικής εγκατάστασης είναι η ομοιόμορφη
Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 2 κάλυψη του ακροατηρίου (δες μάθημα Η/Α). Ο μηχανικός που θα σχεδιάσει μια τέτοια εγκατάσταση θα πρέπει να επιτύχει επαρκή και ομοιόμορφη κάλυψη της περιοχής του ακροατηρίου με την απαιτούμενη ηχητική πίεση για την εκάστοτε εφαρμογή. Ενδεικτικές τιμές με την απαιτούμενη ηχητική πίεση ανάλογα με το είδος της μουσικής που αναπαράγεται δίνεται στον Πίνακα 1. Εφαρμογή SPL(dB) Παραδοσιακή 75-90 Jazz 80-95 Ομιλία 85-90 Pop 90-95 κλασσική 100 Rock 95-110 Heavy metal 110 Πίνακας 1: Απαιτούμενη στάθμη ηχητικής πίεσης ανάλογα με την εφαρμογή [4]. Ενδεικτική περιοχή τιμών όπου μπορεί να διαφοροποιείται χωρικά η Σ.Η.Π. σε σχέση με την απαιτούμενη τιμή, είναι τα ± 3 db. Η κάλυψη της επιφάνειας όπως και η Σ.Η.Π. που θα επιτευχθεί εξαρτάται τόσο από την ακουστική συμπεριφορά της αίθουσας (όπως αυτή έχει μελετηθεί σε προηγούμενες ασκήσεις) όσο και από την κατευθυντικότητα, τη στάθμη ευαισθησίας και την μέγιστη ισχύ που μπορούν να διαχειριστούν τα ηχεία που χρησιμοποιούνται. Όλα αυτά τα στοιχεία είναι απαραίτητο να δοθούν στο λογισμικό για τους αντίστοιχους υπολογισμούς. Οι βιβλιοθήκες αυτές, συνήθως για περιορισμένο αριθμό ηχείων, προϋπάρχουν στα λογισμικά εξομοίωσης, αλλά ακολουθούν μία δομή ορισμένη και έτσι δεν είναι συμβατές με άλλο λογισμικό. Την ανάγκη για μία κοινή μορφή τέτοιων αρχείων έρχεται να καλύψει το CLF Group (http://www.clfgroup.org/) με τα αρχεία τύπου CLF (Common Loudspeaker Format). 2.1.1. Χαρακτηριστικά ηχείων σε αρχεία τύπου CLF Τα αρχεία τύπου CLF είναι ενιαίου τύπου και ελεύθερης πρόσβασης. Στην έκδοση 2 των αρχείων αυτών, περιέχονται πληροφορίες για το μοντέλο, τον κατασκευαστή, τη μέτρηση, ηλεκτροακουστικές παράμετροι όπως και ένα τρισδιάστατο γεωμετρικό μοντέλο του ηχείου (Σχήμα 1). Λεπτομέρειες για τα πεδία θα βρείτε στα αρχεία βοήθειας του προγράμματος απεικόνισης που είναι επίσης ελεύθερα διαθέσιμο (CLF viewer), Οι ηλεκτροακουστικές παράμετροι αφορούν τη στάθμη ευαισθησίας του ηχείου, την απόκριση συχνότητας, την εμπέδηση, την σφαιρική εκπομπή (3D Balloon data) και την αντοχή του σε ηλεκτρική ισχύ. Τα δεδομένα αυτά δίνονται για συχνοτικές ζώνες 1/3 οκτάβας. Στην έκδοση 3 προβλέπετε και επισύναψη αρχείων άλλης μορφής τα οποία θα μπορούν να περιλαμβάνουν ακόμα και την κρουστική απόκριση του ηχείου σε μορφή.wav.
Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 3 Οι πληροφορίες αυτές συλλέγονται από τον κατασκευαστή συντάσσονται με συγκεκριμένη δομή σε αρχείο κειμένου ASCII και μέσα από μια διαδικασία authoring κωδικοποιούνται σε αρχεία τύπου Binary με επέκταση.cfx ανάλογα με την έκδοση του αρχείου που παράγεται. Το λογισμικό CATT-Acoustic που θα χρησιμοποιήσετε για την εξομοίωση στην Άσκηση, χρησιμοποιεί αρχεία τύπου.sdx όπου ο χρήστης μπορεί να ορίσει την κατευθυντικότητα των πηγών (Source Directivity) με γραφικό τρόπο μέσα από το Directivity Module. Τα αρχεία από τα οποία αντλούνται οι πληροφορίες για τις ανάγκες της άσκησης είναι τύπου.cf2 δηλαδή αρχεία τύπου CLF δεύτερης έκδοσης, η οποία είναι η πλέον σύγχρονη μορφή του αρχείου με τις περισσότερες διαθέσιμες πληροφορίες για τα ηχεία της αγοράς. Σχήμα 1: Στο περιβάλλον του CLF Viewer εμφανίζονται όλες οι διαθέσιμες πληροφορίες που περιέχει ένα αρχείο τύπου CLF. 3. Μεθοδολογία 3.1. Ο υπό μελέτη χώρος Η προσομοίωση της κάλυψης του Η/Α συστήματος θα γίνει στο περιβάλλον του CATT- Acoustic για το μοντέλο του χώρου που ήδη χρησιμοποιήσατε στην Ασκηση 5. Για τις ανάγκες της άσκησης καλείστε να ορίσετε μία ή περισσότερες Η/Α πηγές μέσα στην αίθουσα ώστε να επιτευχθεί η απαιτούμενη Σ.Η.Π.(ως προς την απαιτούμενη τιμή και τη χωρική ομοιογένεια), καθώς και μία τουλάχιστο αποδεκτή τιμή για το δείκτη καταληπτότητας Ομιλίας (STI). Στη συγκεκριμένη περίπτωση εφαρμογής, θεωρήστε ότι η Η/Α εγκατάσταση θα χρησιμοποιηθεί για αναπαραγωγή μουσικής rock / jazz / pop ή και ομιλίας σε Σ.Η.Π. 92 ± 3 dddd.
Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 4 3.2. Ορισμός Η/Α πηγών Ο ορισμός των θέσεων των πηγών γίνεται στο αρχείο SRC.LOC μέσω της δήλωσης των συντεταγμένων και των πρόσθετων στοιχείων όπως αυτά αναλύονται παρακάτω. Εκτός όμως από τον ορισμό θέσεων συγκεκριμένων δεκτών, το CATT-Acoustic παρέχει τη δυνατότητα ορισμού "περιοχών" ακροατηρίου (audience planes), κάτι που επιτρέπει την γραφική απεικόνιση (χαρτογράφηση - mapping) συγκεκριμένων ακουστικών παραμέτρων σε "περιοχές" και όχι σε σημεία. Στην δοκιμαστική έκδοση του λογισμικού η «πυκνότητα» υπολογισμού για την χαρτογράφηση τέτοιων περιοχών είναι το 1 μέτρο. Για τον ορισμό Η/Α πηγής ακολουθούμε την παρακάτω σύνταξη στο αρχείο SRC.LOC. s_id s_x s_y s_z directivity[.sd0.sd1.sd2.cf1.cf2] aim(h,v) Lp1m_a = Lp1m_a_description Lp1m_ea = Lp1m_ea_description Delay_e = delay ή s_id s_x s_y s_z directivity[.sd0.sd1.sd2.cf1.cf2] aim(h,v) Lp1m_a = Lp1m_a_description Gain_a = < G125.. G4k [ : G8k G16k ] > Delay_e = delay Όπου αρχικά, στην πρώτη γραμμή, ορίζουμε το αναγνωριστικό όνομα (π.χ. directivity.sd0) και την θέση της πηγής με καρτεσιανές συντεταγμένες (s_id s_x s_y s_z) έπειτα καθορίζεται το όνομα του αρχείου που περιέχει τις πληροφορίες κατευθυντικότητας της πηγής και τον προσανατολισμό της πηγής (aim(h,v)) ορίζοντας δύο γωνίες σε μοίρες (οριζόντια Η και κάθετα V). Έπειτα, στη δεύτερη γραμμή, στην παράμετρο Lp1m_a παρέχουμε τις τιμές Σ.Η.Π. που παράγει η πηγή για ισχύ 1ww στο 1mm (ουσιαστικά τη στάθμη ευαισθησίας του ηχείου) ανά οκτάβα (125Hz 16kHz) σε db. Στη τρίτη γραμμή ορίζεται η Σ.Η.Π. που παράγει η Η/Α πηγή στο 1mm είτε σε απόλυτες τιμές (Lp1m_ea) είτε σε τιμές κέρδους (Gain_a) σε db. Συνεπώς, στη γραμμή αυτή καθορίζεται από το χρήστη το επιθυμητό ηλεκτρικό κέρδος που θα δοθεί από τον ενισχυτή που οδηγεί το συγκεκριμένο ηχείο. Τέλος ορίζεται η χρονική καθυστέρηση (Delay_e) σε ms, σε περίπτωση που ο χρήστης επιθυμεί να ορίσει τέτοιες διάφορες σειρές ηχείων ή και επιθυμεί να τα συγχρονίσει. 3.3. Ορισμός κατευθυντικότητας πηγής Στην έκδοση δοκιμής του CATT-Acoustic δεν είναι δυνατή η απευθείας εισαγωγή δεδομένων ηχείων μέσω των αρχείων CLF. Όμως, χρησιμοποιώντας το Directivity Module ορίζουμε τον τύπο (ακουστική ή Η/Α) όπως και την κατευθυντικότητα της πηγής (Σχήμα 2), ενώ για Η/Α πηγές πρέπει να ορίσουμε επιπλέον την ευαισθησία και τη μέγιστη ακουστική πίεση που μπορεί αυτή να παράγει. Όλες οι τιμές και τα διαγράμματα αυτά ορίζονται για τις μπάντες οκτάβας (125Hz-16kHz) και για τις ανάγκες της
Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 5 άσκησης θα προκύψουν από δεδομένα σε αρχεία CLF. Όταν τελειώσουμε τον ορισμό των παραμέτρων αυτών, αποθηκεύουμε τα στοιχεία της πηγής δίνοντάς της κάποιο αναγνωριστικό όνομα με το οποίο θα την καλέσουμε μέσα από τον ορισμό της στο αρχείο ορισμού των πηγών SRC.LOC. Σχήμα 2: Στο περιβάλλον του CATT-Acoustic με τη χρήση του Directivity module ορίζεται ο τύπος και η κατευθυντικότητα της πηγής. 3.4. Προσδιορισμός παραμέτρων χαρτογράφησης Στο παράθυρο Modeling του CATT-Acoustic ο χρήστης επιλέγει τις ρυθμίσεις για τους υπολογισμούς πρόβλεψης (TUCT) μέσα από το κάτω αριστερά το κουμπί Aud.area mapping (Σχήμα 3). Εκεί βρίσκονται δύο πεδία όπου ορίζεται το βήμα υπολογισμού ( Map Step ) και το ύψος υπολογισμού πάνω από το επίπεδο που έχει οριστεί ως το επίπεδο ακροατηρίου ( Map height above audience planes ). Σχήμα 3: Στο περιβάλλον του CATT-Acoustic ορίζεται το βήμα και το ύψος υπολογισμού της χαρτογράφησης των παραμέτρων. Αφού ο χρήστης ορίσει αυτές τις παραμέτρους όπως και το/τα επίπεδο/α ακροατηρίου, προχωράει στην εκτέλεση των υπολογισμών έχοντας στο παράθυρο του TUCT με τις κεντρικές επιλογές ενεργειών την επιλογή υπολογισμού της χαρτογράφησης της Σ.Η.Π. του απευθείας ήχου, της Σ.Η.Π. του συνολικού ήχου (που συμπεριλαμβάνει και την αντήχηση), της καταληπτότητας, ή των διάφορων άλλων ακουστικών παραμέτρων (Σχήμα 4).
Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 6 Σχήμα 4: Στο περιβάλλον του TUCT δίνονται οι επιλογές υπολογισμού της χαρτογράφησης της Σ.Η.Π. του απευθείας ήχου ή των διάφορων ακουστικών παραμέτρων. 4. Διαδικασία Για την υλοποίηση της άσκησης θα πρέπει να ακολουθήσετε την μεθοδολογία που περιγράφετε από τα παρακάτω βήματα: 1) Από τα διαθέσιμα αρχεία τύπου CLF, μέσω του CLF Viewer επιλέγεται ένα ηχείο το οποίο θεωρείται κατάλληλο για τις ανάγκες της εφαρμογής. 2) Στο περιβάλλον CATT-Acoustic και χρησιμοποιώντας το Directivity module ορίζονται προσεκτικά οι παράμετροι της πηγής και αποθηκεύεται ως νέα πηγή σε αρχείο τύπου SD. 3) Από το αρχείο ορισμού των πηγών SRC.LOC ορίζεται μία ή περισσότερες Η/Α πηγές, επιπλέον από την ήδη ορισμένη (ομιλητής). 4) Στις επιλογές για τα επίπεδα ακροατηρίου και την εκτέλεση του TUCT ορίζοντα τα επίπεδα και βήμα υπολογισμού (εδώ το 1m, μέγιστο για την δοκιμαστική έκδοση) όπως και το ύψος (εδώ στην τιμή 1.25m για καθήμενο ακροατήριο). 5) Εκτελούνται οι υπολογισμοί μέσω TUCT. 6) Από παράθυρο με τις κεντρικές επιλογές ενεργειών του TUCT επιλέγεται ο επιθυμητός υπολογισμός της χαρτογράφησης / απεικόνισης. 5. Αποτελέσματα - παραδοτέα Ζητούμενο είναι η Η/Α εγκατάσταση να επιτυγχάνει Σ.Η.Π. για το ακροατήριο τουλάχιστον 92 ±
Εργαστήριο Ηλεκτρoακουστικής Άσκηση 6 - Σελίδα 7 3 dddd με όσο το δυνατόν ομοιόμορφη κάλυψη. Επιπλέον, θα πρέπει να γίνει σύγκριση για την Σ.Η.Π. πριν και μετά την εφαρμογή του Η/Α συστήματος. Θα πρέπει να δοθούν τιμέςχαρτογραφήσεις τόσο της συνολικής Σ.Η.Π., όσο και αυτής που προκύπτει και από το απευθείας διαδιδόμενο ήχο, καθώς και αντίστοιχες χαρτογραφήσεις του λόγου στάθμης απευθείας προς ανακλώμενο ήχο (Direct / Reverberant). Θα πρέπει επίσης να εξεταστεί και να χαρτογραφηθεί και η παράμετρος του δείκτη μετάδοσης ομιλίας (STI). Παραδοτέα της άσκησης, είναι αναφορά που να περιλαμβάνει τις απεικονίσεις και τα αποτελέσματα της χαρτογράφησης. Βιβλιογραφία [1] http://www.dbaudio.com/en/support/downloads/category/detail/software/simulation.html [2] http://www.electrovoice.com/downloads.php?type=laps [3] http://www.l-acoustics.com/products-soundvision-download-138.html [4] http://www.crownaudio.com/how-much-amplifier-power [5] Σημειώσεις ΗΑ.- Ι.Μουρτζόπουλος [6] Sound System Engineering 4 th Edition D.Davis, E.Patronis, P.Brown. Focal Press