Творчество и современность

Применение информационных технологий при осуществлении акустического проектирования как в России, так и в европейских странах на сегодняшний день достаточно актуально. Это связано с тем, что информационное моделирование акустики помещений позволяет не только сократить временные затраты на проведение акустического анализа, но и учесть все особенности отдельно взятого объекта.

Компьютерное акустическое моделирование, как и обычное классическое, базируется на аналогичных принципах расчета. Однако его отличительной особенностью является возможность учета реальных условий акустики. Так, классический расчет, основанный на физической модели с равномерным распределением в диффузионном поле отражающих и поглощающих поверхностей, не всегда является корректным. Причиной этого выступает тот факт, что изучаемые реальные акустические объекты могут иметь как неравномерную акустическую отделку, так и различные соотношения геометрических размеров. Все это приводит к тому, что при использовании классического способа акустического проектирования результаты расчетов могут значительно отличаться от реального состояния объекта, что, свою очередь, приводит к необходимости выполнения дополнительной акустической «подгонки» конкретного помещения.

В отличие от классического, компьютерное акустическое моделирование позволяет проанализировать не только геометрические параметры помещения, но и спланировать размещение зрительских мест и специальных рассеивающих и поглощающих звук панелей относительно местонахождения источников звука. За счет автоматизации процесса обработки исходных данных в случае компьютерного моделирования значительно упрощается расчет основных акустических параметров, таких как: время реверберации, ясность звучания, энергия боковых отражений, разборчивость речи и др. В результате появляется возможность определить комплекс акустических параметров как для каждой конкретной точки в зрительской зоне, так и для всего помещения в целом. Помимо этого, на основе информационного построения сетки переотражений звуковых лучей становится возможным спрогнозировать характер и величину отраженных акустических сигналов.

Таким образом, современное акустическое моделирование представляет собой комплексный процесс построения модели конкретного помещения на основе расчета акустических критериев, что дает возможность определить наиболее рациональное объемно-планировочное решение с минимальными потерями качества акустики и времени на реализацию проекта.

Цель данной статьи заключалась в исследовании рынка программного обеспечения для проведения акустического моделирования и сравнительном анализе основных его компонентов. Для реализации данной цели была собрана и сопоставлена информация о наиболее распространенных программных продуктах, были определены критерии сравнения. Помимо этого, для проведения более детального анализа скорости и качества обработки информации было выполнено моделирование зала многоцелевого назначения при помощи демонстрационных версий программ.

Существующие на сегодняшний день компьютерные программы для реализации акустического моделирования представляют собой ИТ-решения, позволяющие создавать и редактировать трехмерную модель конкретного помещения и определять для него как структуру ранних звуковых отражений, так и значения основных качественных акустических критериев. В настоящее время наиболее популярными из подобных решений для проведения акустического моделирования являются следующие программные продукты:

• EASE;

• CATT-Acoustic;

• ODEON;

• AIST-3D.

Одной из общих особенностей данного сектора ИТ-решений является тот факт, что все перечисленные программы, согласно классификации программного обеспечения по доступности исходного кода, относятся к проприетарным программным продуктам. Это означает, что все права на их использование, а также базовые принципы реализации основных расчетов можно получить лишь после приобретения абсолютного права собственности. Тем не менее на официальных сайтах компаний-разработчиков и компаний-дилеров можно найти как базовую информацию, так и получить доступ для скачивания демонстрационной версии.

Практически все перечисленные программные продукты базируются на методике трассировки лучей и ориентированы на работу с трехмерной графикой. Однако только CATT-Acoustic и AIST-3D способны учитывать не только траекторию распространения звука, но и его амплитуду. Это позволяет составить более полную акустическую картину с использованием всех переотражений.

Из всех перечисленных, программа EASE считается наиболее продуманной и удобной с точки зрения представления данных. Однако красивая визуализация не подтверждается акустическими расчетами, которые проводятся упрощенно, без учета диффузии.

В продукте ODEON предусмотрены одновременно несколько способов для работы с 3D-моделью. Так, в программе используется гибридный или комбинированный метод отражений, представляющий собой сочетание трех основных акустических методов: трассировки лучей, мнимых источников и диффузных отражений. Каждый из данных алгоритмов применяется последовательно для определения как ранних, так и последующих отражений. Таким образом, данная комбинация позволяет спрогнозировать, какая часть лучей при трассировке будет диффузно рассеиваться, а какая – отражаться зеркально.

По сравнению с такими программами, как EASE и ODEON, акустический симулятор CATT-Acoustic имеет параметрическую модель обработки данных, в которой основные геометрические параметры помещения должны быть набраны вручную в geo-файле с использованием специального языка. Это позволяет, с одной стороны, упростить процесс возможной корректировки параметров в дальнейшем, но, с другой стороны, приводит к дополнительным затратам времени на этапе создания 3D-модели.

В качестве основных критериев сравнения были использованы следующие:

• точность расчетов (в зависимости от методов, лежащих в их основе);

• стоимость лицензий;

• количество упоминаний программного продукта в сети Интернет;

• возможности графического редактора.

Для оценки значимости каждого критерия были определены относительные статистические показатели – показатели наглядности. Полученные результаты приведены на ил. 1.

Ил. 1. Результаты сравнительного анализа программ для акустического моделирования

Как видно из ил. 1, по количеству упоминаний в сети Интернет и возможностям графического редактора лидирующие позиции занимает EASE. Отечественная разработка AIST-3D отличается низкой стоимостью, оригинальностью и высокой точностью выполняемых расчетов, однако значительно уступает программам-конкурентам по количеству упоминаний в сети Интернет и возможностям графического редактора. На ил. 2 приведены итоговые баллы для каждой программы акустического моделирования.

Ил. 2. Результаты комплексной оценки программ акустического моделирования

Согласно ил. 2, лидирующее положение среди исследованных программных продуктов занимает EASE, наименее популярным является AIST-3D. Оценка акустических симуляторов CATT-Acoustic и ODEON не так однозначна. Именно поэтому помимо рассмотренных критериев сравнения были учтены дополнительно базовые акустические характеристики данных программных продуктов. Для реализации задачи были использованы свободно распространяемые демонстрационные версии программ. В качестве объекта сравнения был выбран зал многоцелевого назначения, рассчитанный на 600 зрительских мест. В обоих акустических компьютерных симуляторах было выполнено построение зала с одинаковыми геометрическими параметрами. Далее были рассчитаны основные акустические характеристики.

В качестве первого акустического критерия было определено время раннего затухания в зависимости от количества лучей. При этом для каждой программы было выполнено по пять симуляций, количество лучей в которых изменялось от 1 000 до 40 000. Результаты приведены на ил. 3.

Ил. 3. Динамика изменения времени раннего затухания от числа лучей

Согласно данным ил. 3, оба программных продукта обеспечили быструю конвергенцию, при этом существенной разницы между результатами замечено не было. Одним из преимуществ метода трассировки лучей, применяемого в программе ODEON, является то, что возможно получить разумное количество отражений в приемнике (то есть, которое необходимо для получения надежных результатов) при небольшом количестве лучей, что сокращает время вычисления. Таким образом, основное различие между обеими программами заключается во времени вычисления. Одно и то же акустическое моделирование в программе ODEON осуществляется немного быстрее, чем в CATT-Acoustic.

Зависимость времени раннего затухания от количества отраженных лучей приведена на ил. 4. Были выполнены пять симуляций для каждой программы, количество отражений колебалось от 10 до 50. Максимальное количество отражений было зафиксировано на уровне 40. Результаты для программы CATT-Acoustic оказались постоянными. Это подтверждает, что алгоритмы трассировки лучей в данном программном продукте намного больше зависят от количества лучей, чем от числа отражений.

Ил. 4. Зависимость времени раннего затухания от количества отражений

В процессе акустического проектирования одним из важных критериев является площадь поверхностей. При этом геометрические акустические законы при расчете отраженной энергии рассматривают все поверхности как бесконечные по сравнению с длинами волн. Это ограничение учитывается по-разному в различных программах. Процесс моделирования включает значительные временные затраты, связанные как с созданием 3D-модели, так и с последующей ее компьютерной обработкой. Именно поэтому необходимо учитывать баланс между временем обработки и точностью полученных результатов.

В программе ODEON учитывается предельно большой размер поверхностей для моделирования объектов, то есть, рассматривается предельный размер поверхности, из которого программа выводит алгоритм, аппроксимирующий потери на дифракцию. В CATT-Acoustic, напротив, не рассматривается ни одного нижнего предела для размера поверхностей. Основным следствием данного различия между обеими программами является то, что, хотя время обработки в ODEON относительно постоянное, соответствующее время в CATT-Acoustic значительно увеличивается при увеличении точности моделирования. Результаты показаны в табл. 1.

Таблица 1. Сравнение времени реверберации в ODEON и CATT-Acoustic

Таким образом, сравнительный анализ программного обеспечения для акустического моделирования показал, что наиболее используемым решением является программа EASE, менее популярным считается программный модуль AIST-3D. Акустические симуляторы CATT-Acoustic и ODEON занимают промежуточную позицию и имеют сходные результаты при оценке структуры отражений, однако время обработки, требуемое CATT-Acoustic, значительно возрастает при увеличении сложности симуляции, в отличие от программы ODEON, где данный критерий можно считать постоянным.

Библиографический список

1. URL: http://ease.afmg.eu/index.php/software-new.html

2. URL: https://www.catt.se/

3. URL: http://www.odeon.dk/content/acoustics-simulation-software

4. URL: http://www.aist.aaanet.ru/indexrus.htm

COMPARATIVE ANALYSIS OF ROOM ACOUSTIC MODELING SOFTWARE

Istratova E.E., Candidate of Engineering Sciences

Cherniy J.S., Docent

Biryulya S.I., 3rd Year Student

Novosibirsk state university of architecture, design and art

Abstract. The article gives a comparative analysis of room acoustic modeling software. As the main comparison criteria were chosen: the accuracy of calculations, the cost of software licenses, the number of mentions of the software product on the Internet, the capabilities of software graphics editor, the ratio of quality and processing time of the object.

Keywords: acoustic modeling, acoustic modeling software, room acoustic simulators.