Zrozumieć dźwięk - rozwój modelowania i przewidywania
Dźwięki są źródłem informacji o otaczającym świecie, ostrzegają przed niebezpieczeństwem i sposobem na rozrywkę. Wykorzystywane współcześnie sposoby opisywania zachowania dźwięku podczas jego przemieszczania się w przestrzeni i czasie opierają się na paradygmatach fal oraz geometrycznym. Choć to podejście oparte na falach jest uznawane za najdokładniejszą aproksymację, jego wykorzystanie prowadzi do powstawania niezwykle złożonych modeli. Podejście geometryczne opiera się na wizualizacji dźwięku jako promieni, nie zaś w postaci fal. Wadą stosowania tego rozwiązania jest brak możliwości opisania zjawisk takich jak dyfrakcja fal wokół narożników. Zespół wspieranego przez Unię Europejską i finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) projektu SONORA postawił pytanie o to, czy możliwe jest uproszczenie istniejącego podejścia dzięki połączeniu obu tych rozwiązań w ramach nowego paradygmatu. „Oba te podejścia i odpowiadające im modele akustyki pomieszczeń są zwykle traktowane rozłącznie. Nasz zespół wykazał, że tak nie powinno być”, wyjaśnia Toon van Waterschoot, główny badacz projektu i wykładowca technologii inżynieryjnych na Katolickim Uniwersytecie Lowańskim w Belgii. Badacz wyjaśnia, że koncepcja połączenia modelowania geometrycznego i opartego na falach pozwoli na wykorzystanie zalet obu tych podejść. „Rozwój takich hybrydowych modeli wymaga znalezienia punktów wspólnych obu podejść. To właśnie te prace stanowiły jeden z najważniejszych rezultatów projektu”.
Dokładniejsze obrazowanie dzięki połączeniu obu podejść
„Wypełnienie luki między dwoma podejściami było bez wątpienia najtrudniejszym orzechem do zgryzienia. Przez długi czas nie byliśmy w stanie znaleźć odpowiednich równań, które pozwoliłoby nam powiązać oba te rozwiązania”, zauważa van Waterschoot. Dzięki zebraniu ekspertów i próbom rozwiązania problemu z różnych punktów wyjścia zespołowi udało się opracować ramy matematyczne, które pozwoliły na wykazanie, że modelowanie oparte na falach i modelowanie geometryczne są równoważne w przypadku spełnienia pewnych warunków. „To prawdziwy przełom, który toruje drogę do dalszych badań. Odczuwałem niezwykłą satysfakcję obserwując, jak wszystkie osoby zaangażowane w badania nad tym problemem, nie tylko z mojego zespołu, ale także z zespołu Enzo De Seny działającego w ramach Uniwersytetu w Surrey w Zjednoczonym Królestwie, opracowywały kolejne elementy rozwiązania, które okazały się niezbędne do rozwikłania tej zagadki”.
Model równoważnych granic - uniwersalne rozwiązanie w każdej sytuacji
Oprócz sposobu modelowania dźwięku, badacze uwzględnili kwestię miejsca, w którym zachodzi zdarzenie dźwiękowe, a także wpływ kontekstu na wynik. Dźwięki rozchodzące się w pomieszczeniach i na zewnątrz podlegają innym oddziaływaniom. „Istnienie granic pomieszczenia sprawia, że dźwięk zachowuje się zupełnie inaczej niż na zewnątrz”, zauważa van Waterschoot. Jak zmienia się sytuacja w dużym bądź małym pomieszczeniu? Co zmieniają dywany, wykładziny lub drewniane podłogi? Jak wpływają duże okna, lustra i boazerie? Badacze projektu SONORA rozróżnili fizyczną granicę pomieszczenia, która składa się ze ścian, podłogi i sufitu pomieszczenia, oraz równoważną granicę, która nie istnieje fizycznie, jednak jest używana do modelowania rozpraszania akustycznego poza rzeczywistą granicą. „Powodem zastosowania tego rozwiązania jest fakt, że w wielu scenariuszach zastosowań przetwarzania sygnałów audio nie dysponujemy żadną wiedzą na temat fizycznych granic pomieszczenia, takich jak geometria ścian lub materiały, z których są zbudowane lub jakimi są pokryte”, wyjaśnia. Wynika to z faktu, że urządzenia audio są często przenośne i przeznaczone do użytku w wielu miejscach. Biorąc pod uwagę fakt, że granice są istotną częścią modelowania propagacji fal akustycznych wewnątrz pomieszczenia, kluczowe jest, aby modele akustyki pomieszczenia uwzględniały ich występowanie. „Ze względu na to, że możemy nie mieć dostępu do informacji na temat rzeczywistych granic, zastępujemy ją w naszym modelu tak zwaną granicą równoważoną, która może być umieszczona w innym miejscu i mieć inne właściwości względem rzeczywistego odpowiednika”, mówi van Waterschoot, dodając: „Opisując te zmienne pozycje i właściwości parametrami oraz szacując te parametry na podstawie pomiarów dźwięku za pomocą mikrofonów, możemy uzyskać model równoważnych granic, który dokładnie odzwierciedla wpływ rzeczywistej granicy na wynikowe pole fali akustycznej wewnątrz pomieszczenia”.
Lepsze zrozumienie dźwięku na potrzeby urządzeń nowej generacji
Van Waterschoot wierzy, że prace zrealizowane w ramach projektu pomogą w rozwoju nowych technologii rejestrowania i analizowania dźwięków, a także manipulacji oraz odtwarzania wrażeń słuchowych. To szczególnie istotne w przypadku urządzeń audio wykorzystywanych wewnątrz pomieszczeń, na przykład aparatów słuchowych używanych przez osoby niedosłyszące, inteligentne głośniki obsługiwane poleceniami głosowymi, słuchawek odtwarzających dźwięk przestrzenny na potrzeby rzeczywistości wirtualnej oraz sieci bezprzewodowych mikrofonów używanych do monitorowania pomieszczeń w ośrodkach pomocy i domach opieki. „Mam nadzieję, że rozwój wiedzy na temat modelowania i przewidywania zachowania dźwięku doprowadzi do opracowania urządzeń i technologii, które mogą mieć bardzo realny wpływ na życie ludzi”.
Słowa kluczowe
SONORA, akustyczna, fala, dźwięk, modelowanie geometryczne, model równoważnych granic, pole fali akustycznej
