Diese Arbeit befasst sich mit der Programmierung einer 3D- Schallfeldsimulation in MathWorks MATLAB.
Die Simulation bildet die akustischen Übertragungseigenschaften eines Quaderraumes nach.
Das aus der geometrischen Raumakustik stammende Spiegelquellenverfahren (image source method) ist die Basis diese Simulation.
Mit beliebig vielen Mikrofonen und Schallquellen lassen sich diverse Szenarien einstellen und simulieren.
Desweiteren besteht die Möglichkeit den Schallquellen eine Richtcharakteristik oder auch eine Bewegung zuzuweisen, um z.B. die Bewegung einer sprechenden Person zu simulieren. Frequenzabhängige Absorptionseigenschaften der Wände ermöglichen die Nachbildung verschiedener Wandeigenschaften, z.B. Wände aus Beton oder Tapete. Ein abschließender Vergleich des simulierten Schallfeldes mit einem Schallfeld, welches in einem realen Raum gemessen wurde, stellt Übereinstimmungen bzw. Abweichungen dar.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 GRUNDLAGEN DER AKUSTIK
2.1 SCHALL
2.2 SCHALLINTENSITÄT
2.3 SCHALLFELD
2.4 STREUUNG UND REFLEXION
2.5 BEUGUNG
3 GRUNDBEGRIFFE DER RAUMAKUSTIK
3.1 RAUMIMPULSANTWORT
3.2 NACHHALL
3.3 DIREKTSCHALL
3.4 HALLRADIUS
3.5 SCHALLABSORPTION
3.6 RAUMAKUSTIK
3.6.1 GEOMETRISCHE RAUMAKUSTIK
4 COMPUTER-SCHALLFELDSIMULATION
4.1 SPIEGELQUELLENVERFAHREN
4.2 SCHALLTEILCHENVERFAHREN
4.3 VERGLEICH HINSICHTLICH DER SIMULATION IN MATLAB®
5 3D-SIMULATIONSMODELL
5.1 BERECHNUNG DER SPIEGELQUELLEN
5.2 GRUNDSÄTZLICHER PROGRAMMABLAUF
5.3 SICHTBARKEITSTEST
5.4 BERECHNUNG DES FREQUENZABHÄNGIGEN REFLEXIONSGRADES
5.5 SCHALLDRUCKABNAHME UND FALTUNG MIT WAND
5.6 RICHTCHARAKTER SPRACHQUELLE
5.7 MEHRERE SCHALLQUELLEN UND MEHRERE SENSOREN
5.8 BEWEGUNG DER QUELLE
5.9 BEWEGTE UND RUHENDE QUELLEN UND MEHRERE SENSOREN
5.10 SNR
5.11 REFLEXIONSORDNUNG
6 GUI (GRAPHICAL USER INTERFACES)
6.1 GUIDE CONTROL PANEL
6.2 ZUORDNUNG DER GRAPHISCHEN OBJEKTE IM PROGRAMM
7 VERGLEICH UND TEST MIT REALITÄT
7.1 EINFACHE BEISPIELE
7.1.1 LAUFZEIT
7.1.2 TEST DES RICHTCHARAKTERS
7.1.3 TEST DER BEWEGUNG
7.2 REALE MESSUNG IN EINEM RAUM
7.2.1 VERSUCHSBESCHREIBUNG
7.2.2 REALE MESSUNG 1
7.2.3 REALE MESSUNG 2
8 ZUSAMMENFASSUNG
9 LITERATUR
10 ANHANG
A1 PROZEDURBAUM
A2 LISTE MIT PROGRAMMVARIABLEN
A3 ABSORPTIONSTABELLEN
A4 BEDIENUNGSANLEITUNG
A5 SIMULATIONSPROGRAMM CD
Zielsetzung und Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Programmierung einer 3D-Schallfeldsimulation in MATLAB®, um akustische Übertragungseigenschaften in einem Quaderraum realitätsnah nachzubilden. Die zentrale Forschungsfrage befasst sich dabei mit der effizienten Modellierung von Schallreflexionen und der Richtcharakteristik von Schallquellen, um die Ortung in einem Mikrofon-Array zu ermöglichen.
- Entwicklung eines 3D-Simulationsmodells auf Basis des Spiegelquellenverfahrens.
- Implementierung frequenzabhängiger Absorptionseigenschaften für diverse Wandmaterialien.
- Modellierung gerichteter Schallquellen mittels Rotationsparaboloiden.
- Validierung der Simulation durch Vergleich mit realen Raumakustik-Messungen.
- Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) zur einfachen Szenariosteuerung.
Auszug aus dem Buch
Spiegelquellenverfahren
Das Spiegelquellenverfahren (cone tracing) basiert auf der in Abschnitt 3.6.1 beschriebenen Geometrischen Raumakustik. Mit dem Spiegelschallquellenverfahren entstehen virtuelle Schallquellen, indem man durch Spiegelung der Schallquelle an den Wänden alle möglichen Reflexionen nachempfindet.
Die Anzahl der Spiegelquellen NSSQ, die zur Berechnung der Raumimpulsantwort eines Raumes mit x Reflexionsflächen benötigt werden, berechnet sich folgendermaßen [7]:
Beispiel: Somit folgt für einfache Reflexion (n=1) und 6 Wände eine Anzahl von 6 Spiegelquellen. Bei n=2 folgt eine Anzahl von 36, bei n=6 folgt eine Anzahl von 23436 Spiegelquellen usw.
Es ist aus der Gl. (4.1) zu erkennen, dass die Anzahl der erzeugten Spiegelquellen mit großem n sehr stark steigt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in das Ziel der Arbeit, ein 3D-Schallfeld in einem Quaderraum mittels Spiegelquellenverfahren zu simulieren.
2 GRUNDLAGEN DER AKUSTIK: Erläuterung physikalischer Grundlagen von Schall, Wellenausbreitung, Schallintensität und Reflexionsphänomenen.
3 GRUNDBEGRIFFE DER RAUMAKUSTIK: Definition zentraler raumakustischer Parameter wie Raumimpulsantwort, Nachhall, Direktschall und Hallradius.
4 COMPUTER-SCHALLFELDSIMULATION: Gegenüberstellung des Spiegelquellenverfahrens und des Schallteilchenverfahrens sowie deren Eignung für die MATLAB-Umgebung.
5 3D-SIMULATIONSMODELL: Detaillierte Beschreibung der algorithmischen Umsetzung der Spiegelquellenberechnung, Sichtbarkeitstests und der Faltung mit Wandeigenschaften.
6 GUI (GRAPHICAL USER INTERFACES): Vorstellung der grafischen Bedienoberfläche zur Steuerung der Simulationsparameter und Interaktion mit dem Anwender.
7 VERGLEICH UND TEST MIT REALITÄT: Validierung des entwickelten Modells durch einfache Testbeispiele und reale Messungen in einem leeren Raum.
8 ZUSAMMENFASSUNG: Abschlussbetrachtung zur Leistungsfähigkeit und den Grenzen des gewählten Simulationsansatzes.
Schlüsselwörter
Schallfeldsimulation, Spiegelquellenverfahren, MATLAB, Raumakustik, Raumimpulsantwort, Nachhallzeit, Schallabsorption, Richtcharakteristik, Sensor-Array, Signal-Rausch-Verhältnis, SNR, Wellenausbreitung, 3D-Simulation
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Entwicklung einer computergestützten 3D-Schallfeldsimulation, die in der Programmierumgebung MATLAB implementiert wurde, um akustische Szenarien in quaderförmigen Räumen zu berechnen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Zentrum stehen die geometrische Raumakustik, die mathematische Modellierung von Schallreflexionen an Wänden sowie die akustische Charakterisierung von Sprachquellen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, eine reale 3D-Nachbildung des Schallfeldes in einem Quaderraum zu programmieren, um unter anderem die Richtungsbestimmung von Schallquellen mittels mehrerer Mikrofone zu simulieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit stützt sich primär auf das geometrische Spiegelquellenverfahren, ergänzt durch Vektorrechnung zur Positionierung der virtuellen Quellen und FIR-Filter zur Modellierung frequenzabhängiger Absorption.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil widmet sich dem modularen Aufbau des Simulationsmodells, einschließlich der Berechnung von Spiegelquellen, der Durchführung von Sichtbarkeitstests, der Berücksichtigung der Richtcharakteristik der menschlichen Stimme und der Integration mehrerer Sensoren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Schallfeldsimulation, Spiegelquellenverfahren, MATLAB, Raumakustik, Richtcharakteristik, SNR und Raumimpulsantwort.
Warum wurde das Spiegelquellenverfahren dem Schallteilchenverfahren vorgezogen?
Das Spiegelquellenverfahren wurde gewählt, da es sich besonders gut für quaderförmige Räume eignet und dort durch ein klares, einfaches Bildungsgesetz für die Spiegelquellen eine effiziente Programmierung ermöglicht.
Wie wird das Problem der 1/r-Dämpfung bei sehr kurzen Abständen gelöst?
Da der Schalldruck bei einem Abstand kleiner als 1 Meter mathematisch problematische Werte annimmt, wird im Simulationsprogramm eine lineare Funktion verwendet, um die 1/r-Charakteristik für diese kurzen Distanzen zu linearisieren.
Wie validiert der Autor die Simulationsergebnisse?
Die Validierung erfolgt durch den Vergleich der simulierten Impulsantworten mit realen Messungen, die in einem physischen Raum unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt wurden.
- Quote paper
- Gerson Berndt (Author), 2003, 3D-Simulation für die Übertragung von Schallsignalen auf Mikrofon-Arrays, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/21301
