http://www.paintpit.ru/kompyuternoe-modelirovanie-akustiki-pomeshchenii-auralizatsiya.html

Как уже было сказано выше, проектирование помещений (концертных и театральных залов, кинозалов, аудиторий и др.) с хорошей акустикой остается в значительной степени искусством на научной основе. Необходимо отметить, что на протяжении столетий это было прежде всего искусством, и только в последние годы в связи с развитием компьютерных технологий появилась серьезная научная база для этого процесса.

Для акустического проектирования в 60-е годы XX века был создан метод трехмерного масштабного моделирования [22], заключающийся в том, что создавалась уменьшенная модель помещения в масштабе 1 : т (например, 1 : 40) со всеми архитектурными деталями и размещением звукопоглощающих материалов на поверхности, при этом выбирался источник звука с увеличенной в соответствующее число раз (т) частотой. Обычно использовался импульсный источник с последующей фильтрацией в заданной частотной области. Для записи применялся миниатюрный микрофон. На таких уменьшенных моделях производились предварительные измерения времени реверберации, структуры отражений и пр. и выбиралось оптимальное расположение архитектурных элементов и звукопоглощающих материалов. Такой метод использовался, в частности, при проектировании Кремлевского дворца съездов в Москве, Большого концертного зала «Октябрьский» в Санкт-Петербурге и др. Метод чрезвычайно трудоемкий и недостаточно точный, поскольку возникают трудности при создании детальной модели помещения и, кроме того, анализ процессов в высокочастотной области трудно сделать адекватным процессу реверберации в полном частотном диапазоне.

Развитие техники компьютерной обработки звука и накопление информации по связи субъективных оценок качества звука и объективных параметров звукового поля в помещении привело к принципиально новому этапу — созданию техники компьютерного моделирования акустики помещений, которая получила название «аурализация».

Термин «аурализация» (auralization) появился несколько лет тому назад и еще не определился окончательно. Определение его дал М. Кляйнер (М. Kleiner) (по аналогии с термином «визуализация») на конгрессе AES в 1989 году: «Аурализация — процесс превращения (путем физического или математического моделирования) в «слышимый звук» звукового поля источника в помещении с учетом бинауральных свойств слуховой системы».

Этой проблеме уделяется в настоящее время очень большое внимание: опубликовано много научных статей и докладов; разработаны специальные пакеты программ для реализации этого метода; появились фирмы, которые специализируются на создании и внедрении таких программных продуктов, например фирма Odeon, которая предложила свое определение этой технологии: «Аурализация — искусство создания цифровых моделей бинауральных записей в помещениях, которые еще не построены».

Нужно сказать, что трехмерное визуальное пространство уже удалось создать раньше (что нашло широкое применение в компьютерных играх, видеоклипах, системах обнаружения и др.), моделирование трехмерного звукового пространства является следующим необходимым этапом для воссоздания «пространственного виртуального мира».

Задача заключается в том, чтобы музыкальный сигнал после его компьютерной обработки слушатель воспринимал так же, как если бы он слушал музыку в реальном концертном зале (находясь при этом в любом другом помещении). По существу, проблема состоит в формировании субъективного ощущения виртуального трехмерного звукового пространства.

Как уже было рассмотрено ранее, только два физических параметра сигнала воспринимаются слуховой системой — интенсивность (т. е. энергия или звуковое давление) и время — начало и конец сигнала и его повторяемость во времени (периодичность или частота). Все остальное, что человек воспринимает

Рис. Создание «слухового ощущения» трехмерного пространства (HRTF —передаточная функция головы)

(ощущает) в звуковом сигнале — громкость, высота, тембр, звуковое пространство, тонкие музыкальные нюансы и др., — это результат обработки его слуховым аппаратом и мозгом.

Наконец, голова и слуховые раковины производят свою обработку звукового сигнала. В результате, получив такую информацию от периферической слуховой системы, мозг определяет параметры помещения, свойства и место расположения источника (музыка, речь, шум) и др., что и создает ощущение трехмерного звукового пространства.

Таким образом, чтобы вызвать у слушателя такие же ощущения, как в естественном концертном зале, надо проделать следующие операции: записать оригинальный звуковой источник, изменить программно его импульсную характеристику (или спектр) так, как это делает заданное помещение (концертный зал, собор или аудитория), а затем произвести его фильтрацию аналогично тому, как это происходит на ушных раковинах и голове. После того как это сделано, можно воспроизвести эти сигналы через стереотелефоны и получить ощущение нахождения в реальном трехмерном акустическом пространстве вместе с источником звука (певцом, музыкантом, оркестром).

Следовательно, процесс формирования звуковых сигналов при аурализации проходит следующие последовательные стадии:

— моноауральная запись источника звука: обычно начальные записи делают в заглушенной камере, но это допустимо и в полу-заглушенных помещениях, если запись делается там, где отражения не являются определяющими. Расстояние при записи выбирается обычно 1 м на оси. Уровень записи должен соответствовать среднему уровню данного источника звука при естественном звучании: голос, отдельный инструмент, оркестр и т. д. Допускается использование синтезированных музыкальных записей, а также различных банков сэмплов. Это дает возможность прослушать, как в данном помещении (существующем или желаемом) будут звучать различные виды музыки;

— создание компьютерных моделей звукового поля в помещении: как было показано ранее, при прослушивании любого звукового источника в помещении к слушателю поступает прямой звук и его многочисленные отражения от стен, потолка, пола и др. Для расчета структуры этих отражений в помещениях различной формы и размеров, с различными поглощающими или отражающими материалами и конструкциями, мебелью, элементами декораций и др. используются пакеты программ, построенные как на приближенных методах геометрической акустики (лучевой метод или метод мнимых источников), так и на более точных методах волновой акустики (МКЭ, МГЭ и др.). Применение этих пакетов позволяет рассчитать импульсные характеристики помещения (т. е. реакцию помещения на воздействие короткого импульсного сигнала) в любой точке помещения или его спектральные характеристики, т. е. распределение различных форм (мод) колебаний в пространстве.Через преобразование Фурье они пересчитываются друг в друга.

Таким образом, для определения импульсных характеристик помещения можно произвести их измерения микрофоном в разных точках пространства, если производится исследование уже существующего зала; а можно, задав геометрические размеры помещения, поглощающие свойства его стен, потолков и др., рассчитать их для любой точки, в том числе для еще проектируемого помещения, т. е. построить его компьютерную модель (что и делается в программах САТТ, ODEON и др.);

— определение бинауральных импульсных характеристик помещения (BRIR): после того как звуковой сигнал, созданный источником звука, «обработан» помещением (т. е. к прямому сигналу добавлены его отражения), он обрабатывается двумя слуховыми приемниками (ушными раковинами). Затем он поступает на барабанную перепонку и проходит дальнейшие стадии обработки в периферической слуховой системе и в высших отделах мозга.

Импульсные характеристики, которые получаются на входе левого и правого слухового канала, называются бинауральными импульсными характеристиками помещения — BRIR (binaural room impulse response). Эти функции BRIR несут в себе всю необходимую информацию о положении и свойствах источника звука, свойствах помещения и свойствах приемника звука (т. е. о всех процессах обработки звука, которые происходят на голове, в ушных раковинах и др.).

Для того чтобы описать свойства приемника, т. е. головы и ушных раковин, используются или импульсные характеристики слуховой системы, или ее передаточные функции — HRTF (т. е. ампли-тудно- и фазочастотные характеристики — АЧХ и ФЧХ), которые связаны друг с другом через преобразование Фурье.

Для определения передаточных функций обычно используют библиотеки уже выполненных измерений АЧХ и ФЧХ внутри слухового канала на моделях «искусственной головы» в заглушенной камере при разном расположении источника вокруг нее. Вид передаточных функций существенно меняется (особенно в области частот от 5 до 16 кГц) в зависимости от положения источника в вертикальной, горизонтальной плоскости и от перемещения по глубине по отношению ко входу в левый и правый слуховой канал (т. е. ушные раковины, голова и торс действуют как частотно-зависимые дифракционные фильтры). Физические причины этого были рассмотрены ранее в разделе по бинауральному слуху.

В результате для воссоздания «пространственного

Рис. Вид передаточных функций слуховой системы при различном угле падения звукового сигнала.

звукового образа» необходимо ввести в компьютер следующую информацию:

— выбор источника сигнала — музыка, речь, пение или др. (записанные в полузаглушенном или заглушенном помещении или синтезированные);

— выбор помещения, в котором хотелось бы послушать этот источник звука; при этом могут быть заданы параметры известного помещения (концертного зала, собора, комнаты или др.) или помещения, которое еще предстоит построить;

— положение источника звука в нем (на сцене, на полу, в любой другой точке);

— положение слушателя в определенном месте помещения (в партере, на балконе и т. д.).

Для реализации «виртуального звукового образа» на компьютере созданы специальные пакеты программ (наиболее известны программы ODEON, САТТ и др.), которые последовательно выполняют следующие операции:

— вводят свойства источника звука (из библиотеки записанных или синтезированных звуков в моноварианте);

— производят расчет структуры звукового поля в заданном помещении и вычисляют его импульсную характеристику в заданных точках расположения правого и левого уха слушателя;

— используют значения передаточных функций головы (HRTF) из заранее составленной библиотеки, соответствующие данному положению источника и слушателя, из них получают импульсные характеристики (BRIR);

— производят последовательную «свертку» сигнала источника с импульсными характеристиками помещения и импульсными характеристиками головы.

Полученные стереосигналы подают на телефоны, что дает возможность слушателю почувствовать, что он находится внутри зала на определенном месте и звук окружает его со всех сторон. При смене положения слушателя или источника происходит пересчет передаточных функций.

Как уже было показано ранее, посвященном бинауральному слуху, для слуховой системы существует несколько наиболее важных признаков, по которым она определяет пространственное положение источника. Для локализации в горизонтальной плоскости основное значение имеет разница по времени прибытия сигнала на правое и левое ухо) и разница по интенсивности за счет дифракции на голове; для определения глубины — разница в уровнях звукового давления (изменение громкости), изменение отношения энергии прямых и отраженных сигналов в помещении и др.; для локализации в вертикальной плоскости — различия в форме АЧХ и ФЧХ из-за дифракции на ушной раковине. Измеренные значения передаточных функций несут в себе всю необходимую для слуховой системы информацию о локализации источника. Разумеется, эти значения передаточных функций выбираются для некоторых усредненных параметров головы и ушных раковин, что вносит определенную погрешность, т. к. каждый человек имеет некоторые индивидуальные особенности, но, во-первых, экспертиза показала, что погрешности не слишком велики, а во-вторых, уже созданы компьютерные модели ушной раковины, в которых можно учесть индивидуальные параметры слушателя.

Таким образом, алгоритм обработки звука должен включать последовательный ряд следующих операций: моноауральная запись, расчет структуры ревербераци-онного процесса (в том числе структуры ранних отражений), расчет локализации в вертикальной плоскости (с учетом дифракции на ушной раковине), расчет локализации по глубине (за счет изменения громкости и уровня реверберации), расчет азимутальной локализации (временной и интенсивностной), выход на левый и правый каналы стереотелефонов.

Техника аурализации стремительно развивается: уже созданы программы, учитывающие движения головы (система BRS), которые позволяют при поворотах или подъеме головы пересчитать соответствующие параметры и дают возможность услышать в наушниках, как соответственно перемещается источник звука в пространстве. Для этого нужен постоянный мониторинг (система обратной связи), который отслеживает движение головы и пересчитывает соответствующие бинауральные импульсные характеристики. Существуют разные системы обратной связи, с помощью которых это можно делать, — от простейших инфракрасных датчиков, с использованием которых уже давно выпускаются стереотелефоны, до сложных и дорогостоящих систем обратного контроля.

Рис. Этапы последовательной обработки сигнала в системах аурализации

Для перехода от прослушивания через стереотелефоны к прослушиванию через акустические системы необходимо решить еще несколько дополнительных проблем: во-первых, вторичное помещение накладывает свое реверберационное поле, что в данном случае является помехой, т. к. вся необходимая информация о помещении уже закодирована в сигнале; во-вторых, сигналы от левого канала попадают не только на левое ухо, но и на правое, т. е. возникают перекрестные связи, которые разрушают звуковой образ. В настоящее время активно развивается техника бинауральной стереофонии, в которой необходимо решение таких же проблем. За последние годы разработаны различные методы проектирования бифонических процессоров, которые реализуют подавление перекрестных связей, и адаптивных процессоров, которые могут подавлять отражения во вторичном помещении. Проблема расширения зоны прослушивания остается пока нерешенной, удается получить пространственный эффект только для ограниченной позиции слушателей. Прогресс в решении этой проблемы позволит обеспечить в будущем возможность прослушивания бинауральных сигналов через акустические системы. При этом достаточно будет двух акустических систем на левый и правый канал для воссоздания трехмерного пространственного звукового образа.

Новую технологию компьютерного моделирования пространственных звуковых полей — аурализацию — несомненно ожидает много применений:

— в архитектурной акустике — для оценки акустических свойств различных существующих залов и моделирования еще не построенных помещений; для оценки влияния различных звукопоглощающих конструкций на качество звучания, в том числе и в студиях звукозаписи; для проектирования систем звукоусиления и др.;

— в технике звукозаписи — в создании новых пространственных эффектов, совершенствовании систем пространственной зву-копередачи и др.;

— в системах мультимедиа — для создания аудио-, видео-, виртуальных пространств;

— в практике обучения исполнителей (музыкантов, певцов и др.), в том числе для получения возможности предварительного прослушивания различных видов исполнения в залах с разной акустикой;

— в постановке научных экспериментов, в частности в психоакустике, в системах обнаружения и распознавания различных источников сигнала в пространстве. По мере развития аурализации, несомненно, появятся ее новые применения.