Автоматизированный Акустический расчет помещений зрительных залов с использованием статистической теории

Використовуючи існуючі методики розрахунку акустичних властивостей приміщень, був розроблений програмний модуль на Visual Basic для MS Excel. Розроблений модуль дозволяє автоматизувати розрахунок на різних стадіях проектування акустичних властивостей приміщень

Ключові слова: акустичні властивості приміщень, статистична теорія, програмне забезпечення, час реверберації

-----------------------------------

Используя существующие методики расчета акустических свойств помещений, был разработан программный модуль на Visual Basic для MS Excel. Данный модуль позволяет автоматизировать расчет на разных стадиях проектирования акустических свойств помещений

Ключевые слова: акустические свойства помещений, статистическая теория, программное обеспечение, время реверберации

-----------------------------------

Using existing methods of calculating the acoustic properties of space, was developed a software module in Visual Basic for MS Excel. The developed module allows you to automate the calculation at different stages of designing the acoustic properties of rooms

Keywords: acoustic properties of space, statistical theory, software, the reverberation time ------------------- ---------------------

УДК 534.843.26

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОМЕЩЕНИЙ ЗРИТЕЛЬНЫХ ЗАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТАТИСТИЧЕСКОЙ

ТЕОРИИ

В. В. Усик

Кандидат технических наук, доцент Кафедра технологии и автоматизации производства радиоэлектронных и электронно-вычислительных

средств

Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина, 14, г. Харьков, Украина, 61166 Контактный тел.: (057) 702-14-86 Е-mail: sergeev_usik@ukr.net

И.Г. Мягкий

Главный инженер ООО «Мюзикленд» ул. Лермонтовская, 15, г. Харьков, Украина, 61024 Контактный тел.: (057) 719-26-70 Е-mail: office@musicland.kharkov.ua

1. Введение

Целью разработки является создание программного обеспечения, позволяющего автоматизировать акустический расчет времени реверберации на всех октавных частотах для помещения с использованием статистической теории.

2. Статистическая теория акустических процессов в помещении

В архитектурной акустике большее внимание уделяется не стационарному процессу (процессу установившихся колебаний), а переходному (нестационарному), который начинается после прекращения действия источника звука и заключается в постепенном спаде звучания вследствие потерь звуковой энергии и называется отзвуком, или реверберацией.

Согласно литературным источникам [1-10] принято разделять процесс отзвука (реверберации) на две

части: начальные, достаточно редкие запаздывающие импульсы, и более уплотняющаяся во времени последовательность импульсов. Первая часть отзвука оценивается с позиций геометрической (лучевой) теории, вторая - с позиций статистической теории.

Статистическая теория является мощным и действенным инструментом исследования и проектирования помещений [1-6], поскольку дает числовые значения параметров, характеризующих акустику помещений.

Одной из основных целей акустического анализа является установление значений объективных критериев акустического качества зала, которые с определенной степенью надежности связаны с субъективными оценками слухового восприятия звуковых программ.

В соответствии с [7] субъективные оценки качества музыкальных залов зависят от ряда факторов, основными из которых является:

- гулкость, определяемая частотной характеристикой времени реверберации;

- диффузность звукового поля (однородность и изотропность), достаточно надежно определяемая характеристиками передачи.

Для оценки этих критериев для дальнейших проектных разработок необходимы надежные данные о параметрах и акустических свойствах, диапазон неопределенности которых по справочным данным весьма широк. Например, коэффициент дополнительного звукопоглощения неучтенных элементов интерьера (вентиляционными решетками, осветительной арматурой, воздушными полостями, щелями, трещинами и т.п.) меняется в пределах до ± 30%. Этот и другие параметры должны уточняться по данным натурных измерений проектируемого зала.

Рекомендуемое оптимальное время реверберации зависит от назначения и объема зала. В соответствии с [8-10] расчет оптимума Т500 в секундах, для частоты 500 Гц апроксимируется формулами:

- залы для ораторий и органной музыки

Т500 = 0,60^ - 0.2;

- залы для симфонической музыки

Т500 = 0,50^ - 0.2;

- залы для камерной музыки, залы оперных театров

Т500 = 0,40^ - 0.05;

- залы многоцелевого назначения, залы музыкально - драматических театров, спортивные залы

Т500 = 0,37^ - 0.1;

- лекционные залы, залы заседаний, залы драматических театров, кинозалы, пассажирские залы

Т500 = 0,30^ - 0.03;

- многоцелевые залы, оборудованные системами звукоусиления

Т500 = 0,25^ - 0.15;

где V - эффективный воздушный объем зала, м3.

Основным критерием качества акустики зала является стандартное время реверберации Тс на всех октавных частотах, которое не должно отличаться от оптимального Топт более чем на ±10%.

Пределы допустимых отклонений от оптимума для среднегеометрических частот £ Гц, с учетом допуска ±10% рассчитываются по формулам:

Т(ш1п = 0,9 к^“ Т500 , Т(шах = 1,1 к(шах Т500,

где к^“ и к^ах - минимальное и максимальное значения рекомендуемого отношения Т/Т500 для частоты £ Гц.

Для расчета стандартного времени реверберации, которое ожидается после реконструкции рассчитывается по формуле Эринга. Для частот до 1000 Гц:

T =_ 0,163  V

c Sln

или

а p =

cp S

0,163  V S ф ,

где Тс - стандартное время реверберации, с;

V - эффективный воздушный объем зала, м3;

S - суммарная площадь ограждающих поверхностей зала, м2;

ф = - 1п (1- аСр) - функция, для упрощения расчета; аср - средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей зала.

Аобщ

X«, S, +Х A,  N, +адобS

S

где а; - коэффициент звукопоглощения поверхности;

Si - площадь поверхности, м2;

А; - эквивалентное звукопоглощение слушателей и кресел, м2;

N - количество слушателей в креслах и пустых кресел;

адоб - коэффициент добавочного звукопоглощения.

Для частот 2000 Гц и выше:

т 0,163  V

Т>2000 /с, ,тЧ,

где п - коэффициент, учитывающий поглощение звука в воздухе, зависящий от относительной влажности воздуха, температуры и частоты при определенном атмосферном давлении.

Статистическая теория имеет свои недостатки, поэтому ее применение осуществляется с осторожностью.

Она не объясняет акустических процессов на очень низких и очень высоких звуковых частотах, в небольших и очень больших помещениях, в помещениях с резким преобладанием какого-то линейного размера, с неравномерным распределением звукопоглощающих материалов [4-6].

3. Основная часть

Методика оценки акустических свойств помещений включает в себя ряд рутинных, однообразных вычислений, которые при проведении их вручную отличаются большой трудоемкостью и затрачиваемым на расчет временем. При проектировании залов очень часто необходимо провести подбор нескольких вариантов отделки помещения, а также изменение каких-либо отдельный позиций в таблице отделки помещений в связи с выбором звукопоглощающих материалов с более высокой (низкой) стоимостью. С целью автоматизации акустического расчета нами был разработан программный модуль на языке Visual Basic для MS Excel.

Для запуска модуля необходимо выбрать кнопку «Акустический расчет» на листе MS Excel файла «Акустика» (рис. 1).

Программный модуль позволяет провести следующий операции.

1. Расчет рекомендуемого времени реверберации (рис. 2).

На основе вводимых данных об объеме и назначении помещения проводится расчет рекомендуемого времени реверберации Т500. Полученные значения отражаются в диалоговом окне и, при необходимости, в табличном виде на Листе 3 MS Excel.

2. Расчет времени реверберации при существующей отделке помещения и определение дополнительного фонда звукопоглощения.

уз

г А I В с D Е F G Н I J К L М N О

1 2 3 4 Акустический расчет

Определение эквивалентной площади зв V копоглощения

1 1

Таблица 1

5 6 7 № Поверхности, материалы Площадь, Эквивалентная площадь звукопоглощения, м2 на частотах:

125 Гц 250 Гц 500 Гц 1000 Гц 2000 Гц 4000 Гц

а ot*S а o*S а o*S а ot*S а a*S а o*S

S

9

10

И Таблица 2

12 13 14 № Зрители, кресла Число, п Значение А и эквивалентной площади звукопоглощения Ап, м2 на частотах:

125 Гц 250 Гц 500 Гц 1000 Гц 2000 Гц 4000 Гц

А Ап А Ап А An А Ап А Ап А Ап

15

16

17

18

19

20

Ia | 8/71 *103, и’

Toptl25=

Topt250=

Topt500=

Toptl000=

Topt2000=

Topt4000=

частотах (125-4DDD Гц) | 1,53 | c

ПРОЕКТНЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

Рис. 2. Вид окна для расчета времени рекомендуемого времени реверберации и таблицы результатов расчета

Рис. 1. Вид окна MS Excel для расчета акустических свойств помещения

Для проведения расчетов необходимо перейти на закладку «Эквивалентная площадь поглощения», которая будет активизирована только после расчета рекомендуемого времени реверберации.

Исходными данными для акустического расчета являются данные о звукопоглощающих поверхностях и отделочных материалах (табл.

1), а также аудиторного фонда (люди, кресла) - (табл. 2). Заполнение таблиц (рис. 3) проводится по следующему алгоритму:

- производится ввод названия звукопоглощающей поверхности, либо выбирается

из предложенного списка «Название поверхности»;

- осуществляется ввод площади поверхности (м2);

- выбирается отделочный материал для вводимой поверхности из списка «Список материалов», или вводится название материала и коэффициенты звукопоглощения его на всех октавных частотах;

- для занесения введенной информации в табл. 1 выбирается кнопка «Добавить в таблицу 1»;

- заполнение табл. 2 проводится аналогичным образом с использованием списка «Звукопоглощение зрителей и кресел», окна - «Количество (зрителей/ кресел)», кнопки «Добавить в таблицу 2»;

- для расчета дополнительного фонда звукопоглощения необходимо провести ввод данных в полях ввода «Возможная площадь звукопоглощения на стенах» и «... на потолке» (м2).

Акустический расчет по данным табл. 1 и 2 (рис. 4) будет проведен после нажатия кнопки «Расчет» и представлен в табличном виде (рис. 5). Отражения графиков частотной зависимости времени реверберации осуществляется после нажатия кнопки «График» или «График по Анерту», которые отличаются способом определения границ допустимых отклонений опиума реверберации.

Результаты расчета отражаются на Листе 1 MS Excel.

3. Расчет времени реверберации (проектные предложения).

Алгоритм проводимых расчетов аналогичен пред-ы д у щем у п у н к т у, за иск л ю-чением того, что не вводятся параметры возможных дополнительных площадей звукопоглощения на стенах и потолке (не активизированы), а также ввод информации в таблицы производится после выбора кнопки «Проектные предложения» на Листе 2 MS Excel.

Рис. 3. Вид окна для заполнения табл. 1 и табл. 2 и проведения расчетов

Программный модуль применялся для расчета акустических свойств различных существующих и проектируемых залов. На рис. 4-7 предложен вариант акустического расчета камерного зала Харьковской областной филармонии.

Рис. 4. Результаты заполнения таблиц на примере акустического расчета камерного зала Харьковской областной филармонии

Рис. 5. Результаты расчетов акустики помещения камерного зала Харьковской областной филармонии

Для проверки достоверности полученных результатов акустического расчета было проведено моделирование камерного зала Харьковской областной филармонии в программе Ease 4.2 при 75% заполнение зрительного зала (рис. 8-9).

Рис. 8. 3D — модель камерного зала Харьковской областной филармонии, построенная в Ease 4.2

Рис. 6. График частотной зависимости времени реверберации для камерного зала Харьковской областной филармонии

Рис. 7. График частотной зависимости времени реверберации для камерного зала Харьковской областной филармонии

Рис. 9. Расчетное время реверберации RT60, полученное в Ease 4.2 при 75% заполнении зала слушателями камерного зала Харьковской областной филармонии

Выводы

Разработанное программное обеспечение позволяет проводить оценку акустики помещения при существующей отделке поверхностей («предпроектное» состояние), дает возможность получить необходимые показателя для дополнительного звукопоглощения, провести подбор и соответствующие расчеты для проектных предложений по отделке зала, получить рекомендуемые значения времени реверберации для залов с различными назначениями. Процесс расчета акустических свойств зала проводится в интерактивном режиме за достаточно короткий промежуток времени.

Е

Литература

1. В.Анерт, Ф.Штеффен. «Техника звукоусиления.Теория и практика». - Москва: «ПКФ»Лерушаа»,2003.

2. Йордан В. Л. «Акустическое проектирование концертных залов и театров». - Москва: Стройиздат, 1985.

2. Йордан В. Л. «Акустическое проектирование концертных залов и театров». - Москва: Стройиздат, 1985.

3. Макриненко Л. И. «Акустика помещений общественных зданий». - Москва: Стройиздат, 1986.

4. Ковригин С. Д. «Архитектурно-строительная акустика». - Москва: «Высшая школа», 1980.

5. Акустика: Справочник / под ред. М.А. Сапожкова. - М.: Радио и связь, 1989.

6. Фурдуев В.В. Акустические основы вещания. - М.: Связьиздат, 1960.

7. ГОСТ 24146-89. Зрительные залы. Метод измерения времени реверберации. - М.: Госстрой СССР. - 8 с.

8. Руководство по акустическому проектированию залов многоцелевого назначения средней вместимости/ НИИСФ Госстроя

СССР. - М.: Стройиздат, 1981. - 47 с.

9. Справочник по акустике/ Под ред. М.А. Сапожкова - М.:Связь, 1979. - 312 с.

10. Ковригин С.Д., Крышов С.И. Архитектурно-строительная акустика. - М.: Высшая школа, 1986. - 256 с.

------------------- ----------------------

Представлено метод машинного синтезу дискретних коригуючих фільтрів мінімального порядку для складних багатозв’язкових динамічних систем з виучуваною внутрішньою моделлю мінімального порядку в контурі керування. Наведено приклад реалізації методу

Ключові слова: синтез, ДКФ - дискретний коригуючій фільтр, ВМ - внутрішня модель

------------------------------------

Представлен метод машинного синтеза дискретных корректирующих фильтров минимального порядка для сложных многосвязных динамических систем с обучаемой внутренней моделью минимального порядка в контуре управления. Приведен пример реализации метода

Ключевые слова: синтез, ДКФ - дискретный корректирующий фильтр, ВМ - внутренняя модель

------------------------------------

The method of machine synthesis of discrete approach-correcting filters of the minimum order for difficult multicoherent dynamic systems with trained internal model of the minimum order in a control loop is presented. The example of realisation of a method is resulted

Keyword: synthesi: DACF - discrete approach - correcting filter, IM - internal model ------------------- ----------------------

УДК 681.51.015

ЭТАПЫ МАШИННОГО

СИНТЕЗА

ДИСКРЕТНЫХ

КОРРЕКТИРУЮЩИХ

ФИЛЬТРОВ

В. Г. Зотов

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Контактный тел.: (057) 760-38-76

1. Введение

Традиционный подход к построению задачи синтеза корректирующих фильтров с внутренней моделью (ВМ) предполагает выбор ВМ точно отражающей основные свойства объекта управления (ОУ). В связи с этим, до недавнего времени, порядок ВМ выбирался равным порядку ОУ.

Задача в таком виде была чрезвычайно громоздка и формулировка целей проектирования усложнялась. В последнее время отмечено стремление исследователей к редуцированию дифференциальных уравнений, описывающих ВМ с сохранением качественных характеристик [1- 4]. При этом, естественно, ВМ все-таки вносит некоторые ошибки в систему за счет своей грубости.