SLIDE BÀI GIẢNG_MÔ PHỎNG ÂM TRONG LỚP HỌC

Buổi 10&11: Acoustic simulation
(pachyderm acoustic-rhinoceros-grasshopper_Arthur van der Harten)
- Acoustic modeling simulation using meters unit model
- This plugin doesn’t support Mac OS platforms

1. Pachyderm Rhinoceros
1.1.

Xây dựng mô hình phòng học (Bước 1&2)

Chuyển đổi đơn vị về Meters
Xây dựng một phòng học có kích thước 6.5x4.2x3.3m. Trần cách sàn 2.8m. có 16 bộ bàn ghế học tập. Tường và cửa
sổ bằng kính (xem hình 1.1). Phòng học này được mô phỏng theo kích thước thật của phòng thí nghiệm SENSELAB.
Học viên có thể Import mơ hình từ SketchUp với khối phịng học được xây dựng sẵn (xen hình 1.2)
Dùng lệnh Point để vẽ 1 điểm trong không gian cao 1.5m (Nguồn âm) và vẽ them 4 điểm cao 1.2m (vị trí cảm biến
âm) (hình 1.1)

Commented [NVTKKt1]:

Figure 1.1.1: Configuration of interior acoustic simulation


Figure 1.1.2: Import mơ hình từ SketchUp

1.2.

Gán ng̀n âm (Source)

Âm thanh được tạo ra bởi các nguồn, được tạo ra bởi sự lan truyền của nó trong khơng gian và sau đó được thu bởi
các máy thu (Receiver).
Trong trường hợp của lớp học này, chúng ta sẽ thiết lập nguồn âm là giọng nói của đàn ông ở trạng thái trò chuyện

(Conversation) (Xem hình 1.2.1)
Gọi lệnh Inset Speaking person và làm theo hình 1.2.1

Hình 1.2.1 Insert speaking person
Ngồi ra còn có 1 sớ định dạng về nguồn âm khác nhau được giải thích như sau:
Point Sources (Nguồn điểm)
Loại nguồn đơn giản nhất là nguồn điểm, trong đó âm thanh được giả định là được tạo ra tại một điểm lý tưởng trong
không gian. Nguồn điểm phát ra âm thanh như nhau ra mọi hướng được gọi là nguồn đa hướng. Nếu bức xạ khơng
bằng nhau (ví dụ mạnh hơn ở phía trước nguồn) thì cần có một mẫu định hướng để mơ tả nó. Nguồn điểm và hướng
của chúng có thể được sử dụng để đại diện cho phần lớn các nguồn trong cuộc sống thực, nhưng chỉ khi người nghe
ở cách xa nguồn ít nhất một khoảng cách tương đương với nguồn:
• Một người đang nói, nơi âm thanh chủ yếu phát ra từ miệng, có thể được coi là nguồn điểm nếu chúng ta
đứng cách xa vài cm.
• Loa cũng có thể được coi là nguồn điểm nếu chúng ta đang nghe cách xa ít nhất 1m.
• Nhạc cụ phức tạp hơn một chút vì chúng có thể phát ra âm thanh từ các bộ phận khác nhau (lỗ, thân, dây,
v.v.), nhưng một lần nữa chúng được coi là nguồn điểm cho hầu hết các ứng dụng âm thanh trong phòng
thực tế.
Line Sources
Nếu chúng ta mở rộng ý tưởng về nguồn điểm 'không chiều' sang chiều thứ nhất, chúng ta sẽ nhận được một nguồn
dòng. Đây chỉ đơn giản là một đường trong không gian phát ra âm thanh liên tục trong suốt chiều dài của nó. Loại
nguồn này có thể được sử dụng để mơ tả:
•
•
•

Tiếng ồn giao thơng từ một đường cao tốc lớn, trung bình theo thời gian và nhiều phương tiện qua lại.
Ống dẫn chất lỏng chảy ồn ào.
Mảng dòng PA

Surface Sources

Mở rộng nguồn dòng thành hai chiều, chúng ta nhận được một nguồn bề mặt. Trong trường hợp này, âm thanh
được phát ra từ tồn bộ bề mặt và loại nguồn này có thể được sử dụng để mơ tả:
•

Máy có bề mặt rung, khơng đủ nhỏ để có thể đơn giản hóa thành nguồn điểm.


•

Tiếng ồn từ đám đông trong một nhà hàng hoặc một bữa tiệc.

Array Sources
Loại nguồn cuối cùng được sử dụng trong âm thanh phịng là Ng̀n Array. Nguồn này bao gồm hai hoặc nhiều
nguồn điểm cạnh nhau, tạo thành một đa cực. Dạng định hướng tổng thể của nguồn mảng khác với định hướng của
từng nguồn điểm, do sự giao thoa pha giữa chúng.

1.3.

Reciever

Insert 4 vị trí khác nhau nơi sẽ đặt các bộ phẩn ảm biến âm gọi là máy thu (Receiver) bằng cách gõ vào thanh command
Insert Receiver và chọn vào vị trí muốn đặt các thiết bị cảm biến . Thiết lập cao độ cho cả 4 receiver là 1.2m như
hình 1.3.1

Hình 1.3.1 Insert Receiver

1.4.

Material

Acoustic has three material properties include absorption (hấp thụ âm), transparency (truyền âm) and scattering
(phân tán âm)
Để gán vật liệu cho vật thể chúng ta sẽ thực hện các bước sau
- Opening pachyderm acoustic→Pachyderm hybrib model→ Materials→ for Layer<layer>→(in Absorption
properties) Material Library<material> (Xem hình 1.4.1)
Lưu ý các vật liệu nào có cùng tính chất thì đưa về cùng 1layer để gán tính chất vật liệu.


Plaster -rough on lath (thạch cao- khu vực
trên bề mặt)
Large1/4 plate glass (tấm kính lớn ¼)
Unoccupied (khơng có người sử dụng)
Schroeder Diffusor
3/8 Plywood wall (Tường ván ép)

Trong hệ số hấp thụ của vật liệu (in
absorption coefficients of material) tần số
(frequency) sẽ tăng dần. Tại mỗi tần số
khác nhau sẽ có tỉ lệ phần tram năng lượng
hấp thụ (% energy absorbed) khác nhau

Hình 1.4.1 thiết lập vật lệu trong pachyderm
* each material has three properties is transmit reflect and absorb sound
Vật liệu của các layer được thiết lập theo các hệ số âm thanh như sau

Hình 1.4.2 bảng vật liệu cho phòng học thí nghiệm có tên SenseLab

1.5.

Thiết lập thông số mô phỏng

Để tính toán âm thanh trong phòng cần có những thiết lập cụ thể cho mô phỏng. Những thiết lập cho mô phỏng được
trình bày trong Hình 1.5.1. Các thiết lập được lí giải như sau:
•

Reciever: có 2 loại reviever là “1 m. Stationary Receiver” và “Expanding Receiver (Expanding)”. Hai khái
niệm này trình bày về 2 thiết bị cảm nhận âm.


•

•

•
•

Image Source Solution: Phương pháp nguồn hình ảnh sử dụng quy luật phản xạ bằng cách phản xạ nguồn
âm thanh thực với mỡi bề mặt, tạo ra mợt nguồn hình ảnh1. Reflection Order nói lên số lần phản xạ qua bề
mặt đến Reciever. BTM Edge Diffraction2 mô tả nhiễu xạ cạnh.
Raytracing Solution: thiết lập số lượng tia âm phát ra từ nguồn. Chọn Specific Ray Count để tùy ý điểm
chỉnh số tia trong Number of Rays. Chọn Minimum convergrence để tính toán kỹ và Detailed Convergence
để tính chi tiết (cách này sẽ tốn nhiều thời gian tính).
Environment Factor: không giữ nguyên theo thiết lập để bởi trong mô hình phòng học này, những thông
số môi trường không ảnh hưởng nhiều đến kết quả RT.
Calculation: để mắt đầu tính toán thời gian phân rã năng lượng âm.

Hình 1.5.1 Thông số thiết lập cho mô phỏng âm thanh trong phòng học.

1.6.

Đánh giá chất lượng âm trong phịng học

Có nhiều đại lượng để đánh giá chất lượng âm thanh tiêu biểu gồm những đại lượng để tính tốn chất lượng âm thanh
như SPL (Sound pressure Levels-Mức áp xuất âm), RT60(Reverbiration Time-Thời gian âm vang)
Để đánh giá chất lượng âm thông qua các đại lượng trên chúng ta cần tính toán được Energy-Time Curve (Đường
phân rã năng lượng âm theo thời gian).
Reverberation Times: Một khi sóng tiếp xúc với chướng ngại vật, hai điều sẽ xảy ra. Thứ nhất, mợt phần năng lượng
sóng bị hấp thụ bởi lớp chắn, thường dẫn đến trao đổi nhiệt. Thứ hai, phần cịn lại của sóng bị phản xạ từ chướng ngại
vật và bắt đầu truyền theo hướng ngược lại. Sau một thời gian, âm thanh bị phản xạ nhiều lần đến mức phần lớn năng
1
2

Geometry Reduction in Room Acoustics Modeling
Biot–Tolstoy–Medwin diffraction model


lượng bị hấp thụ. Khi điều này xảy ra, mức áp suất âm thanh (SPL) giảm. Khoảng thời gian từ lúc phát ra âm thanh
đến thời điểm SPL giảm xuống còn 60 dB được gọi là thời gian âm vang. Đối với đánh giá chất lượng của RT60
(Reverbriation Time) chúng ta tùy tḥc vào chức năng của phịng
•
•
•
•
•

RT60 <1 s: Tốt cho lớp học.
RT60 = 1 s: Tốt để nói: phát âm rõ ràng. Âm nhạc không đầy đủ, phong phú hoặc ấm áp ở mức này.
RT60 = 1,5 giây đến 2,5 giây: Một khảng tốt nếu phòng được sử dụng cho cả nói và nhạc.
RT60 = 3,5 giây: Tốt hơn cho âm nhạc, nhưng một số mất rõ ràng. Có thể sẽ khó hiểu bài phát biểu.
RT60 = 8 giây đến 11 giây: Các nhà thờ lớn thời Trung cổ sẽ có RT60 rất dài! Điều này là do thiết kế vì thời

gian âm vang dài rất phù hợp với nhạc organ hoặc giọng hát không có người đi kèm (ví dụ, các câu thánh ca
Gregorian). Các phép đo được thực hiện tại Nhà thờ St. Paul ở London, Anh chỉ ra rằng khi nhà thờ trống,
thời gian vang ở tần số 500 Hz là 11 s. Khi nhà thờ đã kín chỗ, thời gian vang là 7,8 giây. **

Theo yêu cầu từ các nước châu âu như Hà Lan (Bắc Âu) quy định về RT như sau:

Theo kế quả mô phỏng RT được truy xuất trong tab Analysis của Pachyderm (Xem hình 1.6.1) Chúng ta có thể thấy
phòng học đang gặp vấn đề về thời gian âm vang (RT) quá mức. Đồng thời kết quả mô phỏng gần trùng khớp với kết
quả thực nghiệm (Hình 1.6.2).

Hình 1.6.1 truy xuất kết quả về RT sau quá trình mô phỏng.


Hình 1.6.2: Kết quả RT từ đo đạc thực nghiệm (tô vàng)

2. Mô phỏng tia âm
Mô phỏng tia âm trong trong phòng không có tác dụng đánh giá cường độ âm thanh mà dùng để quan sát quỹ đạo của
các hạt âm thanh lan truyền theo tia âm được xác định.
Để mô phỏng tia âm cần mở ra tab Pachyderm Particle Animation (Hình 2.1)

chọn Option và
Pachyderm Particle Animation

gọi

Hình 2.1 mở bảng điều khiển paticle animation của Pachyderm
Chúng ta có những thiết lập để tiến hành mô phỏng tia âm được trình bày ở Hình 2.2. các thông số được giải thích
như sau:
•
•

•
•

Visualize type chọn smart partical wave: là định dạng những sóng lang truyền có dạng hạt.
Number of rays là số tia âm dạng hạt được phóng ra tại nguồn âm
Cut off time là thời lượng kết thúc quỹ đạo di chuyển của sóng hạt.
Color selection là quang phổ màu tính theo tần số âm thanh tại nguồn.


Hình 2.2 thiết lập mô phỏng tia âm

3. Giải pháp xử lí âm thanh (Acoustic treatment)
Xử lý âm học là q trình cải thiện các đặc tính âm thanh của phòng để phục vụ cho quá trình thu âm3. Mục tiêu của
việc xử lý âm thanh là làm cho môi trường bên trong phòng trở nên trung hòa và dễ chịu hơn (neutral and sonically
pleasing). Xử lý âm thanh được thực hiện bằng cách gắn các thiết bị hấp thụ hoặc khuếch tán ở những khu vực xảy ra
phản xạ có vấn đề.
Có hai cách tiếp cận để xử lý âm thanh trong một căn phòng mà tại căn phòng dó có vấn đề về âm thanh đó là phản
xạ hay khuyến tán và hấp thụ âm (Diffusion & Absorbtion).
Vật liệu hấp thụ (acoustic absorbers) ngăn chăn hiện tượng năng lượng âm thanh phản xạ (bounching) qua các bức
tường (walls, ceiling, etc.). Các vật liệu này thường đặc và xốp (dense and porous).
Khuếch tán là giải pháp khác để xử lí vấn đề âm thanh. Sự kh́ch tán hoạt đợng bằng cách phân tán các phản xạ có
vấn đề (scattering problematic reflections) theo hướng khác nhau. Điều này làm giảm các tác động không tốt của một
3

/>

số dạng âm phản xạ. Bộ khuếch tán âm thanh được làm bằng vật liệu cứng được sắp xếp theo các mẫu có chiều cao,
kích thước hoặc hướng bề mặt khác nhau.
Trong hầu hết các trường hợp, sự kết hợp của cả hai cách tiếp cận (Diffusion & Absorbtion) là cần thiết để giải quyết
vấn đề âm thanh một cách hiệu quả.

Mỗi căn phòng có tính chất âm thanh khác nhau nên khơng thể có 1 giải pháp duy nhất cho tất cả các phịng. Vì vậy,
để giải qút vấn đề âm thanh cho 1 căn phòng có một số cách cụ thể như sau:
•

•

•

Bẫy âm trầm (bass trap)4: bẫy âm trầm để ngăn chặn âm có vấn đề ở tần số thấp thông qua các vật liệu hấp
thụ âm, cụ thể ở đây là giúp triệt tiêu âm bass dư thừa, loại bỏ các hiện tượng tiêu cực liên quan đến dải trầm
như ù rền, chồng lấn dải trung và cao, gây mất chi tiết etc. Bass trap thường được đặt ở góc cả các căn phịng.
Tấm hấp thụ âm (Acoustic panel) Tấm tiêu âm là thiết bị hấp thụ hoạt động cho dải tần số rộng của năng
lượng âm thanh. Các bẫy âm trầm xử lý các tần số thấp và các acoustic panels sẽ đảm nhận phần còn lại. Các
tấm này quan hệ mật thiết với điểm phản xạ đầu tiên (first reflection points). Mỗi phòng đều khác nhau,
nhưng điểm phản xạ đầu tiên thường nằm trên các bức tường ở ngay bên trái và bên phải của vị trí nghe
(Receiver).
Thiết bị kh́ch tán âm (Diffusers): Bợ kh́ch tán âm thanh là mợt hình thức xử lý âm thanh để phân tán các
phản xạ thay vì hấp thụ chúng. Chúng là một phần quan trọng của quá trình xử lý âm thanh tồn diện. Nếu
bạn chỉ sử dụng sự hấp thụ, bạn sẽ kết thúc với một khơng gian nghe có vẻ khơng tự nhiên (1 dạng âm thanh
chết). Có nhiều kiểu khuếch tán khác nhau mà mỗi kiểu sử dụng một chiến lược khác nhau để giảm tác động
tiêu cực của phản xạ âm thanh. Sự khuếch tán hoạt động tốt nhất để giải quyết các phản xạ trễ ở các điểm
cách xa vị trí nghe chính hơn, nhưng nó vẫn là một phần quan trọng của chiến lược xử lý âm thanh hoàn
chỉnh.

a)

4

Bass trap.

/>

b) Acoustic Panel

c) Diffusors
Trong bài học này chúng ta sẽ sử dụng những tấm trần khác nhau sử dụng vật liệu hút âm để giảm thiểu thời gian âm
vang (RT-60/T-30).
3.1 Xây dựng các tấm trần