محاسبه الکترو اکوستیک
محاسبه اکوستیک و الکترواکوستیک:
تصویری از هر آنچه در علم اکوستیک و الکترو اکوستیک میگنجد:
مقدمه:
حوزههای اکوستیک و الکترواکوستیک نقش مهمی در درک و کنترل پدیدههای صوتی در کاربردهای متنوع صوت دارند؛ محاسبات این موارد در معماری و طراحی فضای صوتی تا فناوریهای صوتی و سیستمهای ارتباطی تاثیر بسزایی دارد، مهندسی صدا، طراحی اکوستیک و کنترل انرژی صدا در ابتدا صرفا فقط برای رساندن صدای سخنران به تعداد زیاد شنوندگان بود اما با پیدایش موسیقی و رواج یافتن انواع مختلف نمایش و همایش از جمله کنسرت، تئاتر، سینما و… هدف محاسبات اکوستیک و الکترواکوستیک روز به روز پیچیدهتر شد به صورتی که امروزه محاسبات آن با نرم افزارهای پیشرفتهای مثل ایز و اودئون توسط متخصصین صورت میگیرد و حتی بعضی سالنهای موسیقی برای اجرای یک قطعه موسیقی طراحی و ساخته میشوند اما سالنهایی هم با اکوستیک و الکترواکوستیک وفقپذیر وجود دارند که میتوانند طیف گستردهتری از کاربریها را تا حد مطلوبی حمایت کنند. تیم فنی و تخصصی شرکت کتیبه ایساتیس برای خلق یک تجربه صوتی بینظیر به محاسبه دقیق اکوستیک و الکترواکوستیک میپردازند که در ادامه به توضیح آنچه در این بخش محاسبه میشود میپردازیم.
محاسبات اکوستیکی و الکترواکوستیکی شامل چه مواردی است؟
زمان بازگشت صدا :(Reverberation Time) اساسیترین پارامتر محاسبات اکوستیک است و بر تمام پارامترهای دیگر و تنطیم محدوده استاندارد اثر میگذارد، زمان بازآوایش یا همان واخنش مدت زمانی است که طول میکشد تا سطح صدا در یک اتاق پس از قطع منبع صدا به میزان ۶۰ دسی بل کاهش یابد، بعضا در عمل از زمان کاهش به میزان ۳۰ دسی بل استفاده میکنند که با استفاده از عواملی مثل هندسه، حجم اتاق، ضریب جذب کنندگی سطوح و… محاسبه میشود. برای محاسبه دقیق RT فضاهای بزرگ و با هندسه پیچیده از روشهای شبیه سازی استفاده میکنند و با محاسبات موجی سیالاتی و اصول مکانیک آماری در نهایت دیتاهای تئوری را تطبیق را داده و شبیه سازی میدانی میکنند تا با رسم منحنی انرژی فضا، مدت زمان واخنش صوت را به صورت دقیق محاسبه کنند که محدوده استاندارد آن در فضاهای مختلف متفاوت است مثلا در استودیوهای موسیقی معمولا زمان بازگشت صدا کوتاه است تا از تداخل امواج جلوگیری شود در حالی که در سالنهای کنسرت زمان بازگشت صدا طولانیتر است تا حس طنین و زنده بودن صدا حفظ شود.
تراز فشار صوت یا همان سطح سر و صدا (SPL): واحد آن دسی بل است و اندازهگیری آن با صداسنج از آن جهت اهمیت دارد که برای ارزیابی تاثیرات صدا بر سلامت انسان، محیط زیست، استانداردهای بهداشت حرفهای در محیط کار و کنترل آلودگی صوتی به کار گرفته میشود. صدا نتیجه نوسانات فشار هواست و در واقع امواج صوتی با ایجاد جبهههای کم فشار و پرفشار در فضا به گوش میرسند، این تلاطمهای فشاری در هوا نتیجه نوسانات صوتی هستند و برای محاسبه آن تغییرات فشار نسبت به فشار مرجع که همان فشار در سطح دریاست اندازهگیری میشود.
فرمول محاسبه آن به این صورت است: SPL = 20log P + 94
توان خروجی: در الکترواکوستیک توان خروجی یک مبدل صوتی که توان موثر در تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی صوتی است طبق فرمول زیر به صورت حاصل ضرب جریان در ولتاژ در ضریب توان که همان کسینوس زاویه اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان است محاسبه میشود. P = V * I * cosφ
منحنی تضعیف انرژی Energy Decay Curve)): میانگین زمانی که انرژی در یک فضا با نرخی مشخص کاهش پیدا میکند را با رسم منحنی تضعیف انرژی نمایش میدهند برای رسم منحنی در ابتدا پاسخ ضربه یا قطع نوفه برای فرکانسهای اکتاوی در چند نقطه از سالن مثل جایگاه تماشاچیان، سن و… استخراج میگردد سپس نموداری با محور افقی زمان بر حسب میلی ثانیه و عمودی انرژی بر حسب دسی بل رسم میشود سپس به دلیل افت و خیزهای شدید نمودار و به منظور تحلیل دقیق، از نمودار ابتدایی انتگرال گرفته و با بازهبندی صحیح پارامترهای اکوستیکی مانند: C50، D50، RT، ITDG و… را محاسبه کرد.
فاصله زمانی تاخیر اولیه (Initial Time Delay Gap): برای تعیین وضوح کلام، کیفیت صدا و تاثیر سطوح بر کیفیت صدا مقدار ITDG را با روش تئوری Ray Tracing یا به صورت تجربی از روی نمودار EDC محاسبه میکنند. در واقع این شاخص فاصله زمانی بین دریافت صدای مستقیم اصلی و اولین بازتاب آن از سطوح محیط مثل کف، سقف و دیوارها اشاره دارد و تاثیر زیادی در جلوگیری از ایجاد اکو در محیط دارد و برای کنترل این تاخیر میتوان از جاذبهای صوتی برای کاهش بازتابهای اولیه استفاده کرد. جهت بازتاب اولیه و نوع آن بر کیفیت صوت اثر گذار است و آن را میتوان با پارامترهای دیگری مانند: IACC (ارتباط بین دو گیرنده) و Diffusivity (پخشاگری میدان صوتی) محاسبه و بهینهسازی کرد. فاصله زمانی اگر خیلی کوتاه باشد صداها باهم ترکیب شده و باعث ایجاد صدای مبهم و ناواضح میشوند و اگر خیلی بلند باشد باعث ایجاد اکو میشود.
تمایز صوتی (Definition): این تمایز بر اساس ویژگیهای فیزیکی صدا مانند: فرکانس، دامنه، زمانبندی و الگوهای فضایی میباشد و در تحلیل و طراحی سیستمهای صوتی مثل میکروفون و سیستمهای شناسایی صوتی بسیار مهم است. تمایز صوتی به توانایی سیستم صوتی یا گوش انسان در تشخیص ویژگیها و تفاوتهای صوتهای مختلف اشاره دارد و میزان دقت سیستم در تمایز صداهای متفاوت مانند: تشخیص منبع صدا، نرخ تغییرات در سیگنال صوتی و ویژگیهای خاص مانند: فرکانس و شدت آنها را نشان میدهد. پردازش سیگنال، استخراج صوت، مدلسازی صوت، طبقهبندی و تمایز اصوات به سیستم محاسباتی این امکان را میدهد تا صداهای مختلف مثلا صدای انسان و ماشین را از یکدیگر تفکیک کند حتی اگر در یک محیط صوتی، صداهای خیلی مشابه با هم وجود داشته باشد باز هم امکان تفکیک آنها وجود دارد که این تفکیک از طریق فرمول زیر انجام میگیرد:
پژواک (Echo): اگر بازتابهای متعدد صوتی به اندازه کافی انرژی داشته و فاصله زمانی بین آنها توسط گوش انسان قابل تشخیص باشد پدیده پژواک صوتی رخ میدهد در واقع پژواک زمانی ایجاد میشود که فاصله بین منبع صدا و شنونده به گونهای باشد که صدای بازتاب شده بتواند در مدت زمان کافی پس از صدای اولیه شنیده شود به طوری که تفاوت زمانی بین آنها قابل تشخیص باشد. درکل هرچه مقدار آن در محیط کمتر باشد کیفیت اکوستیکی فضا بیشتر است.
وضوح کلام (Clarity): توانایی تشخیص کلمات در محیط صوتی به خصوص سالنهای سخنرانی و استودیوهای ضبط صوت که به میزان صدای گفتار که به وضوح قابل درک است و چه میزان از آن تحت تاثیر بازتابهای صوتی قرار گرفته و باعث ایجاد پژواک یا ابهام میشود مربوط است. و از فرمول زیر محاسبه میشود:
درکپذیری صوتی ((Intelligibility: درک پذیری صوتی در اکوستیک به توانایی یک فرد برای درک و فهم کلمات و عبارات گفتاری در یک محیط صوتی اشاره دارد که تاثیرپذیر از انعکاس صدا، جذب صدا، اعوجاج و تداخل در امواج صوتی است و در الکترواکوستیک درکپذیری صوتی به کیفیت سیستمهای صوتی برای انتقال و بازتولید واضح گفتار اشاره دارد همانند عملکردی که میکروفونها، بلندگوها و سیستمهای تقویت صدا دارند که تنظیمات سیستم و عواملی مثل پاسخ فرکانسی، نویز و تاخیر در سیستمهای الکترونیکی بر آن تاثیر دارند.
جذب صدا (Sound Distribution): برای محاسبه دقیق اکوستیک و الکترواکوستیک یکی از موارد اصلی که باید در نظر گرفت این است که یک ماده، ساختار یا جسم میتواند بخشی از انرژی صوتی را جذب کرده سپس انتقال داده و به صورت گرما آن را تلف کند و تضعیف صوتی به دلیل ویسکوزیته اجسام و سطوح صورت میگیرد به طوری که مواد نرم، انعطافپذیر و متخلل مانند پارچه، پشم و… به عنوان جاذب صدا بیشترین عملکرد را دارند در حالی که مواد متراکم، سخت و غیرقابل نفوذ مثل فلزات بیشتر صدا را منعکس میکنند. این نکته را باید بدانید که جذب صدا همیشه بد یا خوب نیست بلکه باید در موقعیتهای مختلف به طور دقیق محاسبه شود تا به خلق یک فضای صوتی ایدهآل کمک کند. در جدول زیر ضریب جذب اصلیترین جاذبهای صوتی معماری آمده است:
توزیع صدا Sound Distribution)): یک سیگنال صوتی میتواند از یک منبع به چندین مسیر، خروجی یا دستگاه منتقل شود تا به صورت همزمان در چندین مکان یا دستگاه قابل دسترسی باشد؛ در سالنهای بزرگ، استودیوها، خانهها و به خصوص رویدادهای زنده توزیع صحیح صدا برای بهبود تجربه شنیداری در موقعیتهای مختلف و امکان پخش همزمان صدا در مکانها و دستگاههای مختلف را فراهم میآورد. تصویر زیر مثالی از توزیع صوت را نشان میدهد:
عایق صوتی Sound Isolation)): عایقهای صوتی همانطور که از اسم آنها مشخص است از انتقال صدا جلوگیری میکنند یا آن را کاهش میدهند و نقش مهمی در تنظیم کیفیت صوتی یک محیط مثل مثل استودیو یا سینما دارند که محاسبات و انتخاب آن با توجه به میزان صدا، نوع محیط، بودجه و نیازهای هر فضا صورت میگیرد. محاسبه اکوستیک بیشتر در محیطهای فیزیکی برای کاهش میزان نفوذ صدا به داخل یا خارج فضا، کنترل انعکاس صدا و پایین آمدن سطح صدا برای ایجاد محیط صوتی مطلوب استفاده میشود و محاسبه الکترواکوستیک برای کاهش نویز و بهبود کیفیت صدا در سیستمهای صوتی الکترونیکی استفاده میشود، به عنوان مثال در طراحی میکروفونها و بلندگوها از عایقهای صوتی برای افزایش دقت و کیفیت صدا استفاده میشود. عایقهای صوتی از جنسهای مختلفی هستند که پشم سنگ، پشم شیشه، فوم پلی یورتان، عایقهای پلیمری و الاستومری مهمترین آنها میباشند.
حجم ویژه V/N: به میزان فضای موجود برای هر شخص در یک محیط صوتی مانند سالن تئاتر یا کنسرت اشاره دارد که V نشان دهنده حجم کل فضا و N تعداد افراد حاضر در آن است.
مدلسازی و شبیهسازی صوتی:
از آنجایی که انعکاس، جذب و عبور صدا با دینامیک سیالات ارتباط تنگاتنگی دارد جهت محاسبه اکوستیک و الکترواکوستیک فضای صوتی و تجهیزات صوتی از مدل سازی و شبیه سازی صوتی با استفاده از محاسبات فیزیک و ریاضی استفاده میشود که برای توصیف و پیش بینی رفتار امواج صوت در محیطهای مختلف و درک و طراحی بهتر سیستمهای صوتی از جمله: پخش صدا، ضبط صدا، عایق صوتی و دیگر تجهیزات اکوستیک و الکترواکوستیک کاربرد دارد. بخشهای مختلفی که در محاسبات اکوستیک و الکترواکوستیک مدلسازی و شبیه سازی میشوند:
مدلسازی صوتی در اکوستیک:
مدلهای ریاضی: از معادلات دیفرانسیل مانند معادله موج و روشهای تحلیلی برای توصیف انتشار امواج صوتی در محیطهای مختلف استفاده میشود. این مدلها میتوانند بر اساس هندسه و خواص فیزیکی محیط، رفتار امواج صوتی را پیشبینی کنند.
مدلهای المان محدود (FEM): از تقسیمبندی محیط به المانهای کوچک و استفاده از معادلات دیفرانسیل برای هر المان جهت حل مسئله استفاده میکنند FEM برای مدلسازی پیچیدهتر محیطهای اکوستیکی مانند استودیوها و سالنها کاربرد دارد.
مدلهای المان مرزی BEM)): این روشها بر روی مرزهای محیط تمرکز دارند و برای حل مسائل اکوستیکی در محیطهای باز یا با هندسههای پیچیده مناسب هستند BEM به طور خاص برای شبیهسازی انتشار صدا در محیطهای بیرونی و محاسبه افت صدا در فضاها مفید است.
مدلهای پرتو صوتی :(Ray Tracing) این روشها از پرتوهای صوتی برای شبیهسازی انتشار صدا استفاده میکنندRay Tracing برای بررسی مسیرهای انعکاس صدا و تخمین زمان رسیدن صدا به نقاط مختلف در محیط مفید است.
مدلسازی و شبیهسازی الکترواکوستیک:
مدلهای الکتریکی: برای مدلسازی اجزای الکتریکی سیستمهای الکترواکوستیک (مانند میکروفونها، بلندگوها و تقویتکنندهها) از مدارهای الکتریکی و معادلات مربوط به آنها استفاده میشود. این مدلها برای تحلیل پاسخ فرکانسی و رفتار دینامیکی اجزا ضروری هستند.
مدلهای مکانیکی: برای توصیف رفتار مکانیکی اجزای سیستمهای الکترواکوستیک (مانند دیافراگم بلندگو) از مدلهای مکانیکی (مانند مدلهای جرم-فنر-دمپر) استفاده میشود.
مدلهای کوپلشده: این مدلها ترکیبی از مدلهای الکتریکی و مکانیکی هستند و برای شبیهسازی تعامل بین اجزای الکتریکی و مکانیکی در سیستمهای الکترواکوستیک استفاده میشوند. به عنوان مثال برای شبیهسازی عملکرد یک بلندگو، نیاز به مدل کوپلشدهای است که رفتار الکتریکی سیمپیچ و حرکت دیافراگم را به طور همزمان مدل کند.
نرمافزارهای شبیهسازی: برای مدلسازی و شبیهسازی پیچیدهتر در الکترواکوستیک از نرمافزارهای تخصصی استفاده میشود که امکان ترکیب مدلهای مختلف و تحلیل رفتار سیستمهای پیچیده را فراهم میکنند. این نرمافزارها میتوانند شامل ابزارهایی برای تحلیل میدان صوتی، پاسخ فرکانسی، و پایداری سیستم باشند. که نرمافزارهای ایز و اودئون از دقیقترین آنها هستند که متخصصین شرکت کتیبه از آنها در محاسبات خود استفاده میکنند.
برآورد شاخصهای اکوستیکی و الکترواکوستیکی:
برآورد شاخصهای اکوستیک و الکترواکوستیک یک فرآیند مهم در مهندسی صوت و فیزیک صوت است که به منظور تحلیل ویژگیهای صوتی فضاها و تجهیزات صوتی انجام میشود. این شاخصها نقش کلیدی در طراحی استودیوها، فضاهای عمومی، سیستمهای صوتی و… دارند. از جمله این شاخصهای میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
شاخصهای اکوستیک
شاخصهای اکوستیک شامل اندازهگیریهایی هستند که نشاندهنده کیفیت صوت در یک فضا هستند، مانند:
توزیع صوت :(Reverberation Time – RT60) مدت زمانی که طول میکشد تا شدت صدا پس از متوقف شدن منبع، به سطح مشخصی کاهش یابد.
شاخصهای درخشندگی :(Clarity – C80, C50) نسبت شدت صدا در دورههای زمانی خاص، که نشاندهنده وضوح و شفافیت صوت است.
شاخصهای پایداری :(Early Decay Time – EDT) مدت زمان کاهش شدت صوت در دورههای زمانی اولیه
شاخصهای تفرق :(Speech Transmission Index – STI) شدت و کیفیت انتقال گفتار در فضا
شاخصهای الکترواکوستیک
این شاخصها مربوط به تجهیزات صوتی و سیستمهای میکروفن و بلندگو میشوند، مانند:
افکتهای فیدبک :(Feedback) میزان حساسیت سیستم در ایجاد فیدبک و بلندشدن ناخواسته صدا
ضریب بهرهوری سیستم :(System Gain) میزان توان خروجی سیستم نسبت به ورودی
پاسخ فرکانسی: نحوه واکنش سیستم در برابر فرکانسهای مختلف
شاخصهای نسبت سیگنال به نویز :(SNR)نسبت سیگنال مؤثر به نویز زمینه که کیفیت صدا را نشان میدهد
انتخاب مواد و سطوح جاذب و منعکس کننده:
انتخاب مواد و سطحهای جاذب و منعکسکننده در طراحی سیستمهای اکوستیکی و الکترواکوستیکی از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا این انتخابها تاثیر مستقیم بر کیفیت صدا، کاهش نویز و کارایی سیستم دارد. در ادامه روشها و فرآِیند محاسبه و انتخاب این مواد و سطوح را توضیح میدهیم:
هدفگذاری و تعریف نیازها
– تعیین هدف سیستم (کاهش نویز، بهبود کیفیت صدا، هدایت امواج و…)
– مشخص کردن محیط و ویژگیهای آن (سالن کنفرانس، همایش، تئاتر، بلک باکس، سینما، استودیو صوت و تصویر، فضای باز و تجهیزات موجود)
شناخت خصوصیات مواد و سطوح
سطوح جاذب: موادی که انرژی صوت را جذب میکنند مانند فومهای اکوستیک، پارچههای مخصوص، پنلهای جاذب و…
سطوح منعکسکننده: موادی که امواج صوت را بازتاب میدهند مانند دیوارهای سیمانی، چوب، فلزات و…
سطوح منتقل کننده: موادی که امواج صوت را از خود عبور میدهند که تقریبا هر مادهای میتواند باشد.
محاسبه و انتخاب بر اساس پارامترهای کلیدی
ضریب جذب صوت :(α) نشاندهنده مقدارانرژی صوتی که توسط سطح جذب میشود است که این مقدار معمولاً بین ۰ (کاملاً بازتابکننده) تا ۱ (کاملاً جذبکننده) است.
ضریب بازتاب :(R) معمولاً رابطه آن با ضریب جذب به صورت R = 1 – α است، البته بسته به نوع سطح و امواج صوتی متفاوت است.
محاسبات بر اساس استانداردها و اثباتهای تجربی
-استفاده از جداول و نمودارهای استاندارد برای مواد مختلف جهت برآورد ضریب جذب و بازتاب.
-محاسبه میزان کاهش شدت صوت در فضا بر اساس توزیع سطوح و مواد استفاده شده، مثلاً با نرمافزارهای شبیهسازی اکوستیک مانند EASE :یا ODEON.
طراحی و نمونهسازی
بر اساس نتایج محاسبات، مواد مناسب را انتخاب و در نمونه آزمایشی نصب میکنند و از آزمایشهای عملی برای کنترل صحت و اثربخشی و اصلاح طرح در صورت نیاز استفاده میکنند.
طراحی فضاهای داخلی:
طراحی فضاهای داخلی برای رعایت اصول اکوستیک و الکترواکوستیک به دو بخش اصلی تقسیم میشود: اکوستیک ساختمانی و اکوستیک معماری. در اکوستیک ساختمانی، به استفاده از مواد جاذب صدا و طراحی بر اساس اصول صوتی توجه میشود. در اکوستیک معماری، تعادل بین جذب و بازگشت صدا برای ایجاد محیطی با کیفیت صوتی مطلوب در فضاهایی مانند تئاتر، سالن کنسرت، همایش، سینما، استودیو صوت و تصویر و… اهمیت دارد. هدف نهایی ایجاد فضایی است که صدا به درستی منتقل و شنیده شود.