INFOTEH-JAHORINA Vol. 12, March 2013.

- 975 -

Akustika merenja softverom EASERA Vladimir Ceri / Mirko Miloevi / Ognjen Tomi

SP Audio i video tehnologije Visoka kola elektrotehnike i raunarstva

Beograd, Srbija ceric@viser.edu.rs / mirko.milosevic@viser.edu.rs / gtomicognjen@gmail.com

SadrajU radu je objanjen proces akustikih merenja upotrebom softverskog paketa EASERA na primeru studije sluaja - multifunkcijske sale: konferencijskog i bibliotekog prostora. Koristei softver EASERA mogue je doi do rezultata akustikih merenja koji se tiu vremena reverberacije, topline, brilijantnosti, jasnoe, razumljivosti govora i intimnosti datog prostora. Ovi rezultati omoguavaju uvid u zvunu funkcionalnost prostora, kao i osnovni pokazatelj za njegovu dodatnu akustiku obradu s ciljem stvaranja optimalne zvune slike, u skladu sa standardima koji su propisani njegovom vienamenskom funkcionalnou.

Kljune rei-Softver EASERA; akustika merenja; razumljivost govora.

I. UVOD U poslednjih nekoliko decenija karakterizacija akustikih

svojstava i subjektivnog doivljaja odziva prostorija je bazirana pre svega na analizi rezultata merenja njihovog impulsnog odziva. Uopteno gledano, impulsni odziv bilo kog linearnog sistema je talasni oblik fizike veliine od interesa za pojavu koja se analizira. Analiza se vri na izlazu sistema, kada se na njegov ulaz dovede idealan impuls, tzv. Dirakova delta funkcija. Impulsni odziv prostorije (akustiki impulsni odziv), je definisan kao promena pritiska u vremenu na mestu prijemnika u prostoriji, koja nastaje pri impulsnoj pobudi prostorije. Ukoliko se prostorija tretira kao linearan i vremenski nepromenljiv akustiki sistem, ovakav odziv teoretski u potpunosti opisuje njeno ponaanje i osobine u akustikom smislu. Pri tome treba imati u vidu da karakteristike dobijene na taj nain zavise od pozicije izvora impulsa i prijemnika u prostoriji.

Analiza impulsnog odziva prostorije poinje od trenutka u kojem je izvrena pobuda Dirakovim impulsom. Taj trenutak se usvaja za poetni (t=0 na vremenskoj osi). Sa aspekta znaaja za subjektivni doivljaj zvunog polja, odziv prostorije se moe podeliti na tri segmenta: direktan zvuk (koji do prijemnika stie nakon vremena td); rane refleksije i reverberaciju (gustina impulsnog odziva postaje znantno vea i nije mogue razdvajanje refleksija kao posebnih dogaaja). Pri merenjima, sistemi se u praksi najee pobuuju sledeim tipovima pobudnih signala: impulsom; nizom prostih sinusnih tonova (engl. sweep ) koji kontinualno u vremenu prebrisavaju ceo opseg uestanosti od interesa; irokopojasnim umom.

Odziv sistema na neimpulsni tip se belei i na neki nain poredi sa originalnim pobudnim signalom, na osnovu ega se, uz primenu odgovarajuih dekonvolucionih algoritama, izraunava impulsni odziv. Naravno da se i pri ovakvoj vrsti

analize uvek podrazumeva postojanje odreenog nivoa uma koji utie na preciznost merenja. Treba imati u vidu i injenicu da u praksi prilikom merenja uvek treba raunati na postojanje odreene doze nelinearnosti i vremenske promenljivosti merenog sistema, to takoe utie na krajnji ishod merenja. Tipian merni sistem baziran na raunaru podrazumeva postojanje generatora takta koji ima za cilj da obezbedi potpunu sinhronizaciju izmeu emitovanog signala pobude i snimanog signala odziva. Dve metode, koje se danas koriste u veini sluajeva kada je potrebno odrediti akustiki impulsni odziv, su MLS [1] i SineSwept [2] tehnika.

Vremenom je definisan vei broj parametara koji slue za potpuniju procenu njihovog akustikog kvaliteta, ali jo uvek nije uspostavljena nedvosmislena veza izmeu subjektivnih i objektivnih parametara prostorija. Neki od osnovnih subjektivnih, odnosno objektivnih parametara koji akustiki opisuju prostor i koji se mogu izvesti iz impulsnog odziva, a koji e biti predmet razmatranja i merenja ovog rada su prikazani u Tabeli I [3]:

TABELA I. AKUSTIKI PARAMETRI

Naziv parametra Jedinica parametra Reverberantnost EDT, T10, T20, T30 Boja T(f) Toplina BR (Bass ratio) Brilijantnost TR (Treble ratio) Jasnoa C50, C80 Razumljivost govora ALcons, STI, RaSTI Intimnost IDTG

II. STUDIJA SLUAJA Za potrebe merenja odabrana je mulitfunkcijska sala,

simetrinog oblika povrine 113,1 m2, odnosno zapremine 339,3 m3 ija je namena da bude sveana sala i biblioteka. U tom smislu se i sama sala koristi u vie svrha, kao uionica, itaonica i, kada potrebe nalau to, kao sala za predstave i manje koncerte. U prednjem delu sale se nalazi bina povrine 26 m2, koja na podu ima parket, na zidu sa desne strane prozor prekriven zavesom, sa leve strane pokretan zid od drveta, tzv. harmonika. Du cele leve strane zida se nalaze police od punog drveta, pune knjiga, koje svakako utiu na apsorpciju akustike energije najnieg frekvencijskog opsega, a preko puta na desnom zidu su prozori ukupne povrine 32 m2, koji su prekriveni tekim zavesama, koja utie na apsorpciju akustike energije vieg frekvencijskog opsega. Na podu prostorije se nalazi parket povrine 87,1 m2 koji je jako reflektujui u akustikom smislu. Na zadnjem zidu se takoe nalaze police sa

- 976 -

knjigama koje su prekrivene istim tekim zavesama koje se nalaze na prozorima. Prvi utisak koji ova sala ostavlja jeste da je jako priguena u akustikom smislu.

III. MERENJA POMOU SOFTVERA EASERA Kao to je u uvodu navedeno, pri merenju impulsnog

odziva akustikih sistema, prostorija, treba imati u vidu da dobijeni rezultati zavise od karakteristike prostorije i konkretne pozicije predajnika u okviru prostorije.

EASERA [4] je softver nemake kompanije SDA (Software Design Ahnert GmbH) [5] namenjen merenju, raunanju i analiziranju. Osnova ideja bila je koncipirana upravo na injenici da se iz impulsnog odziva prostorije mogu izraunati ostali bitni akustiki parametri koji opisuju prostor u akustikom smislu. Tako EASERA meri impulsni odziv prostorije nakon ega program sam, pomou svojih algoritama, izraunava ostale akustike parametre kao to su: reverberantnost, boja, toplina, itd. Program EASER-a se sastoji iz etiri modula:

Mernog modula (Measurement module)

Generatora signala (Signal generator)

Analizatora u realnom vremenu (Real time analyzer)

Modula za obradu rezultata (Post processing module)

Softver EASERA nudi brojne mogunosti, a grafiki interfejs je pregledan i funkcionalan. Kao to je prikazano na Sl. 1, mogue je odabrati postojei audio fajl nekog od ranijih merenja. Potom opciju Measurement za pokretanje novih merenja, opciju Load Measurment Setup za uitavanje ve postojeih podeavanja za merenja. Opciju Real Time Analysis koja podrazumeva analizu zvuka i merenja u realnom vremenu i opciju Open File for Waterfall za kreiranje tzv. Waterfall dijagrama iz ve postojeih audio fajlova.

Slika 1. Izgled grafikog interfejsa programa

Slika 2. Izgled prozora Measurement

Slika 3. Prozor za odabir vrste signala

Odabirom opcije Measuerement otvara se novi ekran za podeavanje narednog merenja, jer od adekvatnog i tanog podeavanja zavise rezultati merenja.

Ovde se vre ulazno-izlazna podeavanja samog programa. Dat je izbor zvune karte (u ovom sluaju je koriena Digigram VX pocket V2) kroz koju se obavlja AD/DA konverzija, tj. emitovanje pobudnih signala Output, i snimanje impuslnog odziva Input. U ovom prozoru za podeavanja vri se jo izbor tipa mernog mikrofona i pobuivaa tj. zvunika koji e emitovati taj pobudni signal. Pod opcijama Config vri se kalibracija kako mernog mikrofona, tako i pobudnog zvunika. Kalibracija je veoma vana, jer od nje najvie zavisi tanost merenja. Ova podeavanja mogu i da se sauvaju pod pretpostavkom da e se ista koristiti i za budua merenja.

Sledei prozor, prikazan na Sl. 3, daje mogunost odabira MLS ili Pink Noise signala. Ovde, pored odabira pobudnih signala, imamo i podeavanja za uestanost odabiranja kao i duinu trajanja sekvence pobudnog signala. Po standardu programa, pri izboru pobudnog signala MLS podrazumeva se White Frequency Weighting, odnosno za Pink Noise - Pink Frequency Weighting. Razlog zato su birana dva razliita tipa pobudnog signala je da bi se dobila to vea tanost samih rezultata merenja. Nakon toga vri se izbor ulazno-izlaznih nivoa Adjust Levels, nakon ega je mogue otpoeti merenje.

- 977 -

Pod opcijom Measurement program pita gde e se merenja skladititi uz odreivanje broja ponavljanja, kako bi program mogao da izvede srednju rezultujuu vrednost. Za potrebe ovog merenja izvreno je tri ponavljanja.

A. Opis mernog sistema Merni mikrofon koji je upotrebljen za merenja je

omnidirekcioni Neutrik MiniSPL. Za reprodukovanje pobudnih signala korien je samo jedan dvosistemski zvunik dB Tehnology Opera Live 405. Za AD/DA konverziju je koriena Digigram VX pocket V2 zvuna karta.

Mereno je na vie mernih pozicija i korieno je vie vrsta pobudnih signala. Mikrofon je izmetan iz take u taku u datoj prostoriji, da bi se dobila homogenost u merenju. Pri zavretku merenja rezultati su sauvani na raunar, a potom su iitavani.

B. Vreme reverberacije Program automatski rauna vreme reverberacije iz

impulsnog odaziva prostorije, to je dato na Sl. 4. U Tabelema II i III prikazani su rezultati vremena reverberacije po oktavama. Uzimajui u obzir srednju rezultujuu vrednost vremena reverberacije T30 (0,65 s) kao najpribliniju vrednost vremenu T60, kao i zapreminu sale od 339,3 m3 iz tabela moe se zakljuiti da je izmereno vreme reverberacije pod postojeim okolnostima manje od preporuenog vremena reverberacije za sale takvih namena, a koje iznosi 0,7 - 0,9 s [6] tj. manje je za 0,05 s.

TABELA II. VREME REVERBERACIJE PO OKTAVAMA (1. DEO)

f,T 125 Hz 250 Hz 500 Hz 1 kHz 2 kHz

EDT 0,95 0,68 0,53 0,45 0,56

T10 1,02 0,51 0,48 0,47 0,67

T20 0,99 0,71 0,56 0,51 0,61

T30 0,93 0,71 0,58 0,56 0,65

TABELA III. VREME REVERBERACIJE PO OKTAVAMA (2. DEO)

f,T 4 kHz 8 kHz 0,25 2 kHz 0,5 4 kHz

EDT 0,46 0,52 0,56 0,50

T10 0,60 0,52 0,53 0,55

T20 0,60 0,47 0,60 0,57

T30 0,65 0,50 0,62 0,61

C. Toplina Bass Ratio (BR) Toplina se definie odnosom vremena reverberacije na

niskim prema vremenu reverberacije na srednjim frekvencijama. Mera topline BR je data relacijom:

BR = [T20(125) + T20(250)] / [T20(500) + T20(1k)]

Subjektivni doivljaj topline zvuka prostorije postie se poveanjem vremena reverberacije na niskim frekvencijama u odnosu na srednje frekvencije. Da bismo izraunali BR, potrebne su nam vrednosti za T20 na sledeim frekvencijama: 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz i 1000 Hz.

Slika 4. Impulsni odziv multifunkcijske sale

Nakon to smo oznaene vrednosti uvrstili u izraz dobili smo sledei rezultat: BR = 1,58.

Uzimajui u obzir dobijeni rezultat, i poredei ga sa preporuenim rezultatima koji za govor iznose BRopt 1,0 do 1,3, dok je za muziku BRopt 0,9 do 1,0. Ovaj prostor moemo uvrstiti u akustiki toplije prostorije.

D. Brilijantnost Treble Ratio (TR) Subjektivni doivljj brilijntnosti prostorije se postie

kontrolisnim pdom poetnog vremen reverbercije T10 n visokim frekvencijm. Mer brilijntnosti data je relacijom:

TR = [T10 (2k) + T10 (4k)]/ [T10 (0.5k) + T10 (1k)]

D bismo izrunli TR, potrebne su nm vrednosti z T10 n sledeim frekvencijm: 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz i 4 kHz.

Nkon to smo oznene vrednosti uvrstili u izrz, dobili smo sledei rezultt: TR = 1,33. Iz ovog rezultt moemo d zakljuimo d je brilijntnost povien u odnosu n preporuene vrednosti TRopt 0,8 do 0,9.

E. Intimnost Intimnost predstvlj subjektivni osej veliine prostorije.

Mer ovog osej je knjenje prve refleksije ITDG ili ITD (initial time delay gap, initial time delay). Njegov optimln vrednost bi treblo d bude mnj od 20 ms.

Rzlik izmeu prvog impuls i prvih rnih refleksija iznosi 6,6 ms. Poredei ovj rezultt s optimlnim vremenom knjenj prve refleksije koje iznosi 20 ms [7] moemo d kemo d je ova sl kustiki intimn.

F. Jasnoa Jsno je prametr koji krkterie vremensko

rzlikovnje tonov pojedinih instrument (ili grupe instrument) koji zvue jednovremeno, bez obzir n prisutnu reverberciju prostorije. C50 i C80 su prmetri koji predstvljju odnos izmeu kustike energije koj do prijemnik stie u poetnom delu impulsnog odziv i energije koj stie posle definisnog vremenskog trenutk. Rzilik izmeu ov dv prmetr je smo u definisnju vremenske grnice koj deli rnu i ksnu refleksiju, koj kod C50 iznosi 50 ms (koristi se z procenu jsnoe govor), kod C80 iznosi 80 ms (koristi se z muziku). Objektivn mer jsnoe je indeks jsnoe C izren u dB. Iz rezultt vidimo (C50 = 8 dB i C80 = 11 dB), a poredei ih s donjom prihvtljivom grnicom C50 -2 dB, odnosno s optimlnom vrednou C80opt = 0 1.6dB, donosimo zkljuk d je jsno z govor odlin, dok je z muziku iznd optimlne.

- 978 -

G. Razumljivost govora Za ocenu razumljivosti govor postoji vie objektivnih

prmetr. Predmet ovog rd bie njee upotrebljvni objektivni prmetri koji krkteriu subjektivni osej rzumljivosti govor. Objektivni prmetri z rzumljivost govor su ALcons, STI i RASTI [8]. Ko kriterijum rzumljivosti govor Peutz je uveo procent nerzumljivih suglsnik ALcons (Articulation Loss of Consonants). ALcons zvisi od odnosa direktnog i reflektovanog zvuka, vremena reverberacije prostorije i odnosa signal/um u prostoriji. Isti autor (Peutz) je utvrdio da je razumljivost govora prihvatljiva ako je ALcons 15 %. Za razumljivost je merodvn ne psolutni nivo um u prostoriji, ve odnos signl/um (S/N). to je ovj odnos vei rzumljivost je bolj sve do vrednosti odnos signl/um od 25 dB. Iznd ovog iznos rzumljivost ne zvisi od odnos signl/um. S istog dijgrm se vidi d z prostorije kod kojih je T 1,6 s odnos S/N treb d bude njmnje 25 dB. Meutim, kod priguenijih prostorij (T < 1,6 s) z dobru rzumljivost odnos signl/um moe biti i zntno mnji od 25 dB. Tko, u protsoriji ije je vreme reverbercje 1 s, moemo imti ALcons = 15% pri S/N = 17 dB. Gubitk rzumljivosti suglsnik ALcons je vei to je slulc udljeniji od izvor odnosno, to je mnji odnos direktnog i reflektovnog zvuk. Ovo prvilo vi do rstojnj DL = 3,16 Dc, gde je Dc kritino rstojnje izvor zvuk. Preko rstojnj DL rzumljivost je konstntn i ne zvisi od odnos direktnog i reflektovnog zvuk ve smo od vremen reverbercije prostorije T. N osnovu prethodnog je jsno d je z prostorije u kojim je odnos signl/um vei od 25 dB i T 1,6s rzumljivost prihvtljiv n bilo kom rstojnju od izvor. Meutim, ko je T > 1,6 s, rzumljivost e biti prihvtljiv smo z rstojnj Dx < DL, bez obzir to je odnos S/N vei od 25 dB.

Procent nerzumljivih suglsnik u funkciji rstojnj od neusmerenog izvor i vremen reverbercije prostorije, moe se proksimirti sledeim numerikim izrzim:

ALcons =200T2Dx

2

+ a %[ ], Dx D ALcons = 9T + a %[ ], Dx DL

gde je: T - vreme reverbercije prostorije (s), V - zpremin prostorije (m3), Dx - rstojnje od izvor do sluoc (m), a - korekcion konstnt koj izrv uticj subjektivnih osobin govornik i sluoc. Obino se u praksi uzima da je a = 0 i podrazumeva se da je odnos S/N 25 dB. Usvojena norma vrednosti ALcons za dobru tj. lou razumljivost izgleda ovako:

ALcons 3% ideln rzumljivost ALcons = 3 to 7% veom dobr rzumljivost ALcons = 7 to 15% dobr rzumljivost ALcons > 15 to 35 % lo rzumljivost ALcons > 35% veom lo (grnin vrednost 15%).

IV. ZAKLJUAK Zvuno polje u prostoriji je izuzetno kompleksn fizik

pojv koju je teko do krj egzktno mtemtiki modelovti. Rzlog z ovo je postojnje velikog broj nezvisnih prmetr koji utiu n njegovo formirnje. Zbog ovkve situcije kustik merenj u prostorijm imju izuzetn znj, kko z rzumevnje fizikih pojv, tko i z njihovo dijgnostikovnje i verifikciju rezultt relizovnih korekcij.

Akustik merenj se mogu klsifikovti u rzliite ktegorije, od kojih svk im odreeni znj zvisno od konkretne primene. Ipk, velik upotrebn vrednost i svkodnevn prks merenj impulsnog odziv postvljju ovj tip merenj u prvi pln. Ulog koju im impulsni odziv prostorije, proistie pre sveg iz injenice d on kompletno krkterie prostoriju ko linerni prenosni sistem, odnosno prenosni put izmeu predjnik i prijemnik. Zhvljui tome, njvei broj objektivnih kustikih prmetr koji se koriste z opisivnje krkteristik prostorij i korelciju s subjektivnim impresijm odreuje se n osnovu impulsnog odziv prostorije.

Istrivnj u kustici mlih prostorij u poslednje vreme sve vie dobijju n znju. Ko rezultt tih istrivnj jsno je ustnovljeno d objektivni kustiki prmetri izvedeni iz impulsnog odziv, koji se dns koriste, mhom imju veliku upotrebnu vrednost kd se rdi o proceni kvlitet kustikih svojstv po gbritu srednjih prostor. U ove spdju i vienmenski prostori kkvi se dns njee sreu. Tkv injenic nimlo ne udi, ukoliko se zn d su svi ti prmetri istorijski evoluirli iz nliz i merenj renih u prostorim zntno veih zpremin, u kojim ve pretpostvke n osnovu kojih se formir zvuno polje i n osnovu kojih se definiu merni postupci i procedure.

LITERATURA [1] BRADLEY, J.S., Optimizing the Decay range in Room Acoustics

Measurements using Maximum-Length-Sequence Techniques. J. Audio Engineering Soc., 44 (1996), pp. 266273

[2] J. Clerk Maxwell, A Treatise on Electricity and Magnetism, 3rd ed., vol. 2. Oxford: Clarendon, 1892, pp.6873. FARINA, A., Simultaneous measurement of impulse response and distortion with a swept-sine technique. AES 108 th Convention, Paris, 2000 February 19-22, Preprint 5093

[3] Drini, D. (2010) Akustiki dizajn prostorija i Ozvuavanje autorizovane skripte, Beograd: VIER

[4] Electronic and Acoustic System Evaluation and Response Analysis http://easera.afmg.eu

[5] S D A S of t wa r e D e s i gn A hn er t G mb H , B e r l i n , G e r ma n y http://www.sda-softwaredesign.de

[6] Kurtovi H. (2002) Akustika za arhitekte. Beograd, Akademska Misao [7] Miji, M. (2007) Akustika. Autorizvoana skripta, Beograd, ETF [8] Pravica P, Drini, D, (2006) Elektroaksutika, Beograd, VIER

- 979 -

ABSTRACT This paper explains the process of acoustic measurements

using the software package EASERA in the example case study - multifunction hall: a conference room and library. Using the software can be easer to get to the results of the acoustic measurements related to the reverberation time, warmth, brilliance, clarity, intelligibility of speech and the intimacy of a given space. These results provide insight into the functionality of the acoustic space, as well as the main

indicator for its additional acoustical treatment in order to create an optimal sound image, in accordance with the standards prescribed by purposeful functionality of this type of halls.

ACOUSTICAL MEASUREMENTS WITH EASERA SOFTWARE

Vladimir Ceri / Mirko Miloevi / Ognjen Tomi