Моделирование звуковых волн. Математические модели реальных процессов в природе и обществе

Содержание

Слайд 2

Постановка проблемы: В помещении звук не везде слышен одинаково. Автор произвел

Постановка проблемы:

В помещении звук
не везде слышен одинаково.
Автор произвел моделирование распространения звука

в помещении с учетом многократных отражений от стен.
Слайд 3

Рассмотрим звук как волну Звук изображен пунктирной линией — перпендикуляром к

Рассмотрим звук как волну

Звук изображен пунктирной линией — перпендикуляром к

фронту волны.
Источник звука — красный круг.
При столкновении с препятствием звук отражается по принципу "угол падения равен углу отражения"
Слайд 4

В открытом пространстве многократные отражения отсутствуют К звуку от источника добавляются

В открытом пространстве многократные отражения отсутствуют

К звуку от источника добавляются отражения

от стены.
В зависимости от фазы колебаний отражения усиливают или гасят звук.
Слайд 5

В замкнутом помещении этот эффект гораздо сильнее Как видно на рисунке

В замкнутом помещении этот эффект гораздо сильнее

Как видно на рисунке —

звуковая волна "догоняет" сама себя. Если стены хорошо отражают звук ("гулкие") возникает реверберация, качество звучания падает.
Слайд 6

Борьба с реверберацией состоит в использовании звукопоглощающих элементов (окна, мягкие драпировки,

Борьба с реверберацией состоит в использовании звукопоглощающих элементов (окна, мягкие драпировки,

сами слушатели)

Однако излишнее звукопоглощение приводит к ухудшению слышимости.
Автор смоделировал распространение звука в помещениях с различной геометрией и различными коэффициентами поглощения

Слайд 7

Моделирование основные этапы компьютерного моделирования: разработка концептуальной модели, выявление основных элементов

Моделирование

основные этапы компьютерного моделирования:
разработка концептуальной модели,
выявление основных элементов системы
формализация,
создание

алгоритма и написание программы;
планирование и проведение компьютерных экспериментов;
анализ и интерпретация результатов.
Моделирование — циклический процесс
Слайд 8

Физические свойства модели Звук характеризуется: Частотой Амплитудой Скоростью распространения В рамках

Физические свойства модели

Звук характеризуется:
Частотой
Амплитудой
Скоростью распространения
В рамках нашей модели будем считать:
-

скорость распространения звука одинаковой во всех экспериментах
- частоту звука 440Гц — нота "ля"
- амплитуду источника звука примем за условную единицу.
Слайд 9

Рассмотрим помещение с одним источником звука Чтобы вычислить результат отражения звука

Рассмотрим помещение с одним источником звука

Чтобы вычислить результат отражения звука от левой

стены представим, что за стеной есть "мнимый" источник звука (построим его как отражение истинного). Назовем его отражением первого поколения. Амплитуда звука мнимого источника уменьшается пропорционально поглощающей способности стены.
Слайд 10

Теперь звук в каждой точке помещения состоит из суммы истинного источника

Теперь звук в каждой точке помещения состоит из суммы истинного источника

и мнимого

Строим мнимые источники (в том числе — отражений отражений), пока амплитуда звука в них выше порога слышимости (мы взяли 5% исходного)

Слайд 11

Для каждой точки помещения находим сумму "звуков" от всех источников: A

Для каждой точки помещения находим сумму "звуков" от всех источников:

A —

амплитуда звуковых колебаний
di — расстояние от точки до источника
λ — длина звуковой волны
ki — коэффициент отражения от стены

преобразуем к виду:

, где

Слайд 12

Пример описания помещения

Пример описания помещения

Слайд 13

Амплитуда звуковой волны показана оттенком серого — чем громче, тем ярче

Амплитуда звуковой волны показана оттенком серого — чем громче, тем ярче

Слайд 14

Еще пример

Еще пример

Слайд 15

Помещение с колонной

Помещение с колонной

Слайд 16

Выводы: Расчет, произведенный программой с использованием описанной модели соответствует жизненному опыту

Выводы:

Расчет, произведенный программой с использованием описанной модели соответствует жизненному опыту автора

(действительно в любом зале встречаются "мертвые" зоны, в которых звук со сцены не слышен, причем на минимальном расстоянии от "мертвой" зоны слышимость нормальная).
Однако расчет показывает быстрое угасание звука, что позволяет предположить, что модель нуждается в дальнейшем совершенствовании.