CATT-ACOUSTIC v6.1 DEMO

CATT-ACOUSTIC v6.1 DEMO
für WindowsTM, Copyright CATT 1997
Room acoustic prediction/auralization
Computer Aided Theatre Technique
Merigatan 16A, S-414 71 Gothenburg, Schweden
phone/ fax: +46-31-145 154
e-mail: [email protected]
Alleinvertrieb Deutschland:
WaveTech
Wave Acoustics - Technologie & Vertrieb GbR
Agricolastr. 26, D-10555 Berlin; Germany
Tel.: +49-30-39 10 03 21 / Fax: +49-30-39 10 03 25
e-mail: [email protected]
1. INSTALLATION .................................................................................................2
2. KURZEINFÜHRUNG .........................................................................................3
ANLEGEN EINES NEUEN PROJEKTS UND MODELLS ........................................................3
VORHERSAGE VON ECHOGRAMMEN UND NACHHALLZEITEN ........................................8
FARBIGE SCHALLKARTEN ..........................................................................................10
3. ÜBERBLICK ÜBER DIE SOFTWARE ...........................................................11
ANFORDERUNGEN AN DIE HARDWARE.......................................................................11
RAUMGEOMETRIE UND ABSORPTION .........................................................................11
KOORDINATENSYSTEM ..............................................................................................13
FREQUENZBEREICH ...................................................................................................14
ABSTRAHLCHARAKTERISTIK DER QUELLE ..................................................................14
DATENAUSGABE .......................................................................................................15
4. CATT UND CATT-ACOUSTIC ..........................................................................17
Copyright © CATT 1997
CATT-Acoustic demo version
CATT-Acoustic
Demoversion - Einleitung
Die Demoversion von CATT-Acoustic für Windows ist ein voll funktionsfähiges
Programm mit akustischer Wiedergabe, das keine weitere Hardware benötigt außer
einer Windows-kompatiblen Soundkarte. Die Demo-Einschränkungen liegen
hauptsächlich in der Qualität der Vorhersage (Einschränkungen in der
Reflexionsordnung und der Anzahl Strahlen) sowie in einer eingeschränkten
akustischen Wiedergabe (HRTFs werden über Kugelnäherungen erreicht). Eswird
nur ein einzelnes hallfreies WAV-File und eine einzelne Kopfhörer-Klangregelung
unterstützt. Mit der Demoversion ist das Kennenlernen von CATT-Acoustic möglich,
alle hier generierten Modelle können in der Vollversion weiter verwendet werden.
Anmerkung: In der Demoversion werden für die Abschätzung der Frühteile
des Echogramms maximal Spiegelreflexionen der 3. Ordnung unterstützt,
für die Verfolgung des späten Anteils 1000 Strahlen pro Oktave und für
die Schallkartographie 3000 Strahlen pro Oktave. Diese Einschränkungen
ermöglichen zwar keine verläßliche Vorhersage, dafür jedoch eine
ausreichende Vorführung der Möglichkeiten dieser Software.
Dieses Demo-Manual beinhaltet aufbereitete Teile der Online-Hilfestellung (HelpMenu), welche die ausführliche Online-Dokumentation unterstützen soll. Die
Vollversion wird von einem ausführlichen gedruckten Handbuch begleitet. Das
vorliegende Dokument enthält eine Installationsanleitung, eine Kurzeinführung,
einen Überblick über die Software und Hintergrundinfo über CATT und CATTAcoustic.
Konventionen für dieses Manual:
Filenamen, Verzeichnisnamen, einzugebender Text und Inhalte von Textfiles
werden in der Schriftart COURIER angegeben, wie C:\CATT
Menüauswahl ist fett gedruckt, wie File|Preferences
Dialog ist fett kursiv gedruckt, wie General settings.
Dialogpunkte sind kursiv gedruckt, wie General settings/Master-file
Dialoggruppen sind kursiv in Klammern, wie (Edit).
Programme und Programmteile werden mit einem Doppelpunkt geschrieben
wie Prediction: oder Program Manager:
Produkt- und Firmennamen sind kursiv gedruckt, wie CATT-Acoustic
Alle in diesem Manual erwähnten Produkte sind Handelsmarken der jeweiligen
Firmen.
1
CATT-Acoustic demo version
1. Installation
CATT-Acoustic wird unter Windows durch Einlegen der Installationsdiskette ins
Floppy-Laufwerk (z.B. A:\) und Anklicken von File|Run im Program-Manager (3.1x)
oder des Startknopfs und von Run (95) oder durch Eingeben von a:install
installiert.
Im WINDOWS-Verzeichnis werden keine Files angelegt, und es werden auch keine
Systemfiles verändert.
Alle CATT Programme sowie -Verzeichnisse und sonstigen Files werden in einem
einzigen Verzeichnis abgelegt (standardmäßig C:\CATT). Dieses Verzeichnis wird
nun als das CATT-Verzeichnis bezeichnet.
Zusätzlich zum CATT-Verzeichnis werden USER-Verzeichnisse mit Library-Files
angelegt. In diesem USER-Verzeichnis sind etwa die Library-Files für die
Oberflächencharakterisierung (ABSLIB.DAT) und Abstrahlcharakteristik (*.SD0)
abgelegt. Das Programm CATT.INI mit den unter File|Preferences getroffenen
Programmeinstellungen wird ebenfalls im USER-Verzeichnis abgelegt.
Das USER-Verzeichnis wird über eine Option in der Befehlszeile ausgewählt. Damit
werden durch Verwendung unterschiedlicher USER-Verzeichnisse mehrere
unterschiedliche Programmaufrufe für CATTMAIN.EXE in der CATT-Acoustic Gruppe
ermöglicht. Ebenso kann das Arbeitsverzeichnis für jedes Icon gesondert festgelegt
werden. Dadurch können mehrere Anwender an einem Rechner arbeiten, ohne daß
die Library- und INI-Files vermischt werden.
Erfolgt keine Option in der Befehlszeile, so sind USER- und CATT-Verzeichnis
identisch.
Die nach der Installation vorhandenen Files und Verzeichnisse sind im Abschnitt 1.1
des Helpfiles angeführt.
Anmerkung: Bei eingeschränkten Versionen sind nur HRTFs basierend auf
analytischen Kugelnäherungen verfügbar: SPH16.DAT und SPH22.DAT.
Andere HRTF-Libraries können nicht verwendet werden. Außerdem ist bei der
eingeschränkten Version nur ein Klangfilter für Kopfhörer vorgesehen:
"Generic”. Beachten Sie, daß die Verwendung des richtigen Filters äußerst
wichtig ist. Der "Generic"-Filter könnte mit manchen Kopfhörern ernsthafte
Probleme machen. Ein anderer Filter kann nicht verwendet werden. Bei der
eingeschränkten Version ist außerdem nur ein einziges, leicht verrauschtes
und mit 22050 Hz hallfrei aufgezeichnetes File verfügbar: DEMO22AN.WAV.
Andere Files können nicht verwendet werden. AutoCAD Filter sind in der
Demo-Version nicht enthalten, die Dokumentation kann jedoch im Abschnitt
10 des Helpfiles nachgelesen werden.
2
CATT-Acoustic demo version
2. Kurzeinführung
Nachfolgend werden die typischen Schritte bei der akustischen Vorhersage einer
schuhkarton-förmigen Halle mit einer Quelle und einem Empfänger beschrieben, um
zu illustrieren, worum es hier überhaupt geht. Dieses Beispiel dient als
„Kurzeinleitung“ und ist so einfach als möglich gehalten, wobei die meisten der im
Helpfile sowie in der Bedienungsanleitung (Abschnitt 11) beschriebenen
komplizierteren Optionen weggelassen werden.
Starten Sie CATT-Acoustic. Das Vorhersage-Modul (Prediction) wird geöffnet. Das
Modul zur graphischen Darstellung von Plotfiles ist offen und füllt einen großen Teil
des Rahmens aus.
Abb. 1 Einstellungen zur Vorhersage
Anmerkung: CATT-Acoustic ist eine MDI-Applikation (Multiple Document Interface),
weswegen sich die Menüpunkte beim Aufrufen unterschiedlicher Programmteile
ändern können. Eine Liste der verfügbaren und offenen Module ist im WindowsMenü abgelegt.
Anlegen eines neuen Projekts und Modells
Legen Sie ein neues Projekt durch Anklicken von Utilities|Create Project an. Sie
werden nun aufgefordert, ein Verzeichnis für das Modell auszuwählen (z.B.
C:\SCHUHKARTON). Mit der Schaltfläche Browse kann ebenfalls ein neues
Verzeichnis angelegt werden.
Abb. 2 Anlegen eines neuen Projekts
3
CATT-Acoustic demo version
Durch Drücken von OK werden alle nötigen Files automatisch angelegt und können
nun verwendet werden:
MASTER.GEO
REC.LOC
SRC.LOC
GEO.PRD
PROJECT.TXT
Masterfile für die Geometrie
Empfängerpositionen (eine generische Position eingefügt)
Quellpositionen und -daten (eine generische Position eingefügt)
Vorhersageeinstellungen für einen Geometriecheck
ein Textfile mit zusätzlichen Anmerkungen über das Projekt
Wählen Sie Edit/Geo-file und MASTER.GEO aus, worauf CATT-Edit mit dem File
geladen wird.
CATT-Edit ist eine eigene Anwendung, die mit dem Hauptprogramm kommuniziert.
Dadurch können die Files nur ein einziges mal im Editor verändert werden. Wurde
ein File verändert aber nicht gespeichert, so erfolgt eine Aufforderung um
Bestätigung.
Nun wird eine einfache schuhkarton-förmige Figur wie in Abb. 3 eingegeben.
12
13
2
11
01
3
1
14
A
4
Abb. 3 Einfaches schuhkarton-förmiges Modell für die Kurzeinführung
Geben Sie die Geometriedaten wie unten angeführt ein (die Files sind im CATTUnterverzeichnis SHOEBOX abgelegt). Die Daten im Geometriefile sind Konstanten,
Absorptionen und zahlreiche andere Deklarationen, Eckpunkt-IDs und Koordinaten
(x, y, z) sowie Definitionen der Ebenen. Kommentare werden mit einem Semikolon
";" begonnen, Leerzeilen sind erlaubt.
;MASTER.GEO
;constant declarations
LOCAL h
= 8
;hall height
LOCAL w
= 10
;hall width
GLOBAL d = 24
;hall depth
;absorption and diffusion factors 125Hz to 4kHz [%]
ABS audience = <40 50 60 70 80 80> L <30 40 50 60 70 80>
ABS wood
= <15 13 10 9 8 7> L <30 30 30 30 30 30>
CORNERS
;floor corners
1
-w/2 0
2
-w/2 d
0
0
4
CATT-Acoustic demo version
3
w/2 d
4
w/2 0
;ceiling corners
11
-w/2 0
12
-w/2 d
13
w/2 d
14
w/2 0
0
0
h
h
h
h
PLANES
[1
[2
[3
[4
[5
[6
floor / 4 3 2 1 / audience ]
ceiling / 11 12 13 14 / wood ]
stage wall / 1 11 14 4 / wood ]
rear wall / 3 13 12 2 / wood ]
left wall / 2 12 11 1 / wood ]
right wall / 4 14 13 3 / wood ]
999 Ebenen können von 1 bis 999 durchnumeriert werden. Zusätzlich zu den hier
dargestellten Basis-Daten besteht die Möglichkeit von automatischer Spiegelung
symmetrischer Geometrien, von interaktiver Konstanteneingabe, von Gleichungen,
von genauen Tools zur Oberflächenbeschreibung, von Rotieren und Kopieren, etc.
Siehe dazu im Helpfile in Abschnitt 2.3.
Absorptionsdaten können direkt ins Geometriefile eingegeben werden (wie oben)
oder in einer Library vordefiniert werden, die vom Surface-Properties-Modul (Modul
zur Oberflächenbeschreibung) verwaltet wird. Siehe im Helpfile in Abschnitt 3.
Speichern von MASTER.GEO.
Wählen Sie (Edit)Receiver-file und REC.LOC und geben die Empfängerdaten ein.
Mögliche Daten sind Empfänger-IDs und die entsprechenden Positionen (x,y,z).
;REC.LOC
RECEIVERS
1
-3
d-4
1.3
Beachten Sie, daß die globalen Konstanten des GEO-Files, hier d, sowohl im Quellals im Empfängerfile verwendet werden können. 100 Empfänger können von 0 bis
99 durchnumeriert werden.
Speichern von REC.LOC.
Wählen Sie (Edit) Source-file und SRC.LOC und geben die Quelldaten ein. Mögliche
Daten sind die Quell-IDs, die Quellpositionen (x, y, z), die Abstrahlcharakteristik der
Quelle, Zielrichtung der Quellen (x, y, z), Schalldruckpegel für die sechs
Oktavbänder in 1 m Abstand von der Quelle in der Quellachse und eine optionale
elektrische Verzögerung in ms.
;SRC.LOC
LOCAL src_z = 1.7
SOURCES
A 1.0 1.7 src_z
OMNI 1.0
3.7
src_z
5
<70 73 76 79 82 95>
CATT-Acoustic demo version
26 Quellen können von A bis Z durchnumeriert werden. Die Richtcharakteristiken
können im Directivity-Modul definiert werden (siehe Helpfile Abschnitt 4). Dieses
einfache Beispiel verwendet die vordefinierte omnidirektionale Quelle OMNI.
Beachten Sie wie die lokale Konstante src_z eingesetzt wird, um die Quelle in die
horizontale Ebene zielen zu lassen (spielt hier keine Rolle, da die Quelle
omnidirektional ist).
Speichern von SRC.LOC.
Mit dem Anlegen eines neuen Projekts wurde auch das File GEO.PRD angelegt.
Wählen Sie General settings und springen durch die verschiedenen Menüpunkte.
Abb. 4 Vorhersage: General settings-Dialogbox
Klicken Sie auf OK und wählen Geometry view and check und springen durch die
verschiedenen Menüpunkte. Klicken Sie auf OK und überprüfen die Geometrie
durch Anklicken von Save and Run im Hauptdialog. Damit werden GeometriePlotfiles angelegt. Die momentanen Einstellungen werden in einem Settings-File
gespeichert und sind beim nächsten Programmaufruf wieder präsent. Settings-Files
können später zur automatischen Batch-Verarbeitung verwendet werden (siehe im
Helpfile Kapitel 8). Wurde eines der Files verändert und nicht gespeichert, so erfolgt
eine Aufforderung um Bestätigung.
Das Vorhersage-Modul liest Geometriefile, Quell- und Empfängerfiles im
Projektverzeichnis (i.e. das Input directory in General settings) und legt ein File im
Output directory an. Jeder Testversuch sollte in ein neues Output directory
gespeichert werden, das ein Unterverzeichnis des jeweiligen Input directory ist. Das
File PREDPLT.TXT beinhaltet alle Plotfile-Namen und stellt diese dem View-Modul
automatisch zur Verfügung (solche Plotfile-Listen können mit dem View-Modul auch
extra angefertigt werden, um die Ergebnisse in Präsentationen zu zeigen und die mit
den Plots verknüpften WAV-Files wiederzugeben.
6
CATT-Acoustic demo version
Das File VIEW4.PLT ist in Abb. 5 dargestellt. Das nächste/vorangehende File kann
im Plot-file control-Dialog oder mit den PgDn/PgUp-Tasten ausgewählt werden. Die
Bilder können ausgedruckt, in andere Applikationen kopiert oder in verschiedenen
Formaten exportiert werden. Bei 3D-Bildern kann mit der Maus das Modell oder die
Kamera gedreht werden. Das View-Modul ist in Abschnitt 5 des Helpfiles
beschrieben.
Achten Sie besonders auf das Plotfile PLINFO.PLT. Der nächste/vorangehende
Rahmen kann in der Plotfile-Steuerung (oder mit den links/rechts-Cursortasten bei
geschlossenem Dialog) ausgewählt werden, wobei alle Ebenen nacheinander
aktiviert werden und im Raum bewegt werden können müssen. Können sie nicht
bewegt werden, so muß die Eingabereihenfolge der Eckpunkte der Fläche
umgekehrt werden. Dies kann entweder durch Umkehren der Reihenfolge der
Eckpunkt-IDs oder durch Austauschen von / durch \ in der Ebenendefinition
erfolgen. Die Eckpunkte müssen im Uhrzeigersinn entweder von der Rückseite oder
von der Vorderseite aus gesehen eingegeben werden, jedoch im Modell immer
gleich. Standardmäßig wird im Uhrzeigersinn von der Rückseite aus gesehen (i.e.
die nicht reflektierende Seite der Fläche, die Außenseite) eingegeben. Wird die
umgekehrte Reihenfolge bevorzugt, so muß zu Beginn des GEO-Files FROMFRONT
(noch vor CORNERS) eingegeben werden. Das File PLAIN.PLT ist eine schattierte
3D-Darstellung des Modells, wobei die sichtbaren reflektierenden Flächen eingefärbt
werden. Dadurch können z.B. Löcher leicht entdeckt werden, was eine Ergänzung
zum Plotfile PLINFO.PLT darstellt.
Z
Z
Y
X
5m
01
Y
1
X
Abb. 5 Muster-Plotfile VIEW4.PLT
Muß die Geometrie verändert werden, so geschieht dies im Geometrie-Masterfile
MASTER.GEO durch (Edit) Geo-file wonach Save and Run wiederholt werden muß.
Wenn Sie ein wenig experimentieren wollen, dann ändern Sie die Zeile
LOCAL h
= 8
;hall height
in MASTER.GEO auf
GETLOCAL h
= 8
;hall height
7
CATT-Acoustic demo version
und Sie können die Höhe in einer Dialogaufforderung einstellen, wobei das File
nach Save and Run gelesen wird.
Nehmen wir an, daß die Geometrie jetzt stimmt und wir die Vorhersage beginnen
können. Zuerst wird die genaue Berechnung für einen Punktempfänger demonstriert
und dann die Schallkarte.
Vorhersage von Echogrammen und Nachhallzeiten
Überprüfen Sie die Einstellungen in Early part echogram (frühe Echogrammanteile)
und Late part and RT estimation (späte Anteile). Unter Early part echogram ist
Specular reflection order 3 zu wählen und Truncation time auf 100 ms zu stellen.
Wählen Sie ein Echogram Plotfile, ein History Plotfile, ein Image source space
Plotfile und One text-file/receiver. Stellen Sie unter Late part and RT estimation
1000 rays per octave ein und ray truncation time auf 1000 ms. Sind früher und
später Anteil eingeschaltet, so bietet Parameters and Post-processing mehr PlotfileOptionen für raumakustische Messungen und Datenexport z.B. in das binaurale
Wiedergabe-Modul. Legen Sie mit File|Save As ein neues File für die aktuellen
Einstellungen an (z.B. CALC.PRD). Drücken Sie dann Save and Run erneut.
Beachten Sie, daß nun 6000 Strahlen verfolgt werden - 1000 pro Oktave. Dies ist
notwendig, da Diffusion/Streuung frequenzabhängige Erscheinungen sind und in
einem Zufallsprozeß bearbeitet werden.
Im Vorhersage-Modul (Prediction) werden nun frühzeitige Echogrammanteile, späte
Strahlverläufe, die Plotfiles für die frühzeitigen Echogrammanteile (EA01_1K.PLT)
(Echogrammquelle A Empfänger 01 @ 1kHz), ein Strahlverfolgungs-Histogramm
(HA01_1K.PLT, siehe Abb. 6) und der Quellraum (SA01_1K.PLT, siehe Abb. 7)
berechnet.
dB
60
Receiver angles
HA01_1K
8
50
40
30
20
10
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ms
Ver
Ver
Hor
S-2-R
Source angles
Hor
Abb. 6 HA01_1K.PLT Strahlverfolgungs-Histogramm
8
CATT-Acoustic demo version
Y-Z
X-Z
Y-X
dN/dt
SA01_1K
70
60
50
40
30
20
10
0
0
25
50
75
100
125
ms
Abb. 7 SA01_1K.PLT der Quellraum
Bei jeder Strahlverfolgung werden Abklingkurven zum Abschätzen der Nachhallzeit
angefertigt (T15T30_A.PLT). Die Berechnungen können wenige Sekunden oder
auch mehrere Stunden in Anspruch nehmen, je nach Geometrie, Rechenparameter
und Computer. Auch hier wird das View-Modul (Ansicht der Plotfiles) automatisch
gestartet, es zeigt die erzeugten Plotfiles an.
Es wurden auch Textfiles mit den Ergebnissen generiert: EA01.TXT (Ergebnis
Empfänger 1), PARAM_A.TXT (Übersicht über die Ergebnisse aller Empfänger - wird
immer erzeugt) und PARAM_AX.TXT (eine Variante von PARAM_A.TXT, für den
Import in MS Excel oder andere Tabellenkalkulationsprogramme geeignet). Es
erscheint eine Listbox mit den Filenamen. Ein File kann durch Doppelklick oder
durch Drücken von Enter (bei selektiertem Filenamen) aufgerufen werden. Das File
wird in CATT-Edit (im view-only-Modus) zum Betrachten und Ausdrucken geladen.
Die Files beinhalten umfangreiche Rechenergebnisse.
Das Vorhersagemodul erzeugt auch ein Binärfile (IMAGES_A.DAT, enthält alle
berechneten Bilddaten für frühzeitige diffuse Reflexionen), das nun zum schnellen
Nachrechnen
verwendet
werden
kann.
Mehrere
Parameter
(z.B.
Oberflächenbeschaffenheit und Abstrahlcharakteristik der Quelle) können verändert
und eine neue Berechnung mit Use pre-calculated image-sources unter Early part
echogram und im Verzeichnis mit den Bildfiles (das File wird immer im OutputVerzeichnis angelegt, das hier mit dem Input-Verzeichnis identisch ist) erfolgen.
Diese Möglichkeit stellt eine der Stärksten Eigenschaften des Quellraum-Modells
dar. Die gesamte Rechendauer wird dann von der Verfolgung später Strahlen
bestimmt. Bei diesem einfachen Modell ist die Zeitersparnis kaum bemerkbar, jedoch
bei 5. oder 6. Ordnung in einem komplexen System schon.
Anmerkung: Soll von vorher berechneten Bildern ausgegangen werden, so
sollte nichts, was das aktuelle Bild beeinflussen könnte (Bildgeometrie,
Quell- und Empfängerstandorte) verändert werden. Um Fehler zu
vermeiden berechnet und speichert (unter IMAGES_A.DAT) das
Programm eine Checksumme für die Raumgeometrie und vergleicht diese
mit der aktuellen Geometrie beim nächsten Durchlauf.
9
CATT-Acoustic demo version
Zusätzliche Ausgaben (z.B. mehr Oktavbänder oder ein Ausdruck der mittleren
Strahlenverteilung, etc.) können durch entsprechende Einstellungen in den
Dialogboxen für den frühen und späten Echogrammanteil angefertigt werden. Wurde
sowohl der frühe als auch der späte Anteil berechnet, so stehen weitere Optionen
betreffend Parameter für Raumakustik und Export der Ergebnisse in das binaurale
Wiedergabe-Modul (Abschnitt 7) oder Modul zum Hinzufügen von Quellen (Abschnitt
6) zur Verfügung.
Die Raumgeometrie kann nur im Geometriefile verändert werden, worauf die
Geometrie wieder überprüft werden muß. Dies kann entweder durch erneutes Laden
von GEO.PRD oder durch Verändern von Early part echogram und Late part and RT
estimation bei gleichzeitigem Überprüfen von Geometry view and check erfolgen.
Dies ist eine Frage des persönlichen Geschmacks.
Farbige Schallkarten
Nun weiter zu den Schallkarten. Schalten Sie Early part echogram und Late part and
RT estimation ab und rufen Audience area mapping auf. Wählen Sie Audience
planes und definieren Ebene 1 (den Boden) durch Eingeben von 1 in beiden
Eingabeboxen und wählen Add und OK. Stellen Sie 3000 Strahlen, 800 ms Zeitlimit
und 1 m Kartenauflösung ein. Wählen Sie die für Sie interessanten Parameter aus
(diese werden auf jedem Ausdruck dargestellt). Verlassen Sie den Dialog und legen
mit File|Save As ein neues File für die aktuellen Einstellungen an (z.B. MAP.PRD).
Klicken Sie danach auf Save and Run. Ein typisches Ergebnis ist in Abb. 8
dargestellt. Es sind mindestens 10000 Strahlen empfohlen, das Demo ist aber nur
auf 3000 Strahlen begrenzt und liefert somit nur ein ungenaues Ergebnis. Wurde
auch Geometry view and check und das Plotfile VIEW4.PLT aktiviert, so werden die
ausgewählten Ebenen grau markiert.
Abb. 8 Muster-Plotfile PAR1_1K.PLT
Das waren die wichtigsten Handgriffe im betrieb von CATT-Acoustic in seiner
einfachsten Form. Das Helpfile-Beispiel in Abschnitt 2 und das Tutorial in Abschnitt
10
CATT-Acoustic demo version
11 liefern realistischere Beispiele. Im Tutorial werden alle Schritte von der
Vorhersage bis zur akustischen Wiedergabe mit zahlreichen Abbildungen der
generierten Plots sehr detailreich beschrieben.
Für das erste Projekt scheint es nicht wichtig zu sein, von den umfangreichen
Möglichkeiten der Gestaltung einer strukturierten Geometrie und von einer
Namensvergabe bei Konstanten, Eckkoordinaten etc. Gebrauch zu machen. Dies
trifft auch zu, falls die Geometrie niemals verändert werden muß. In der Praxis
müssen jedoch häufig nachträgliche feine Änderungen der Geometrie durchgeführt
werden. Oft können einige dieser Änderungen durch Namensvergabe bei
Konstanten (z.B. Reflektorhöhen oder Winkel) vorweggenommen werden. Die dafür
zusätzlich benötigte Zeit beim Erstdesign macht sich in späteren Projektstadien
bezahlt. Werden nur Zahlen verwendet, so ist das Verstehen der Modellkonstruktion
einige Wochen nach der Modellierung äußerst schwierig.
3. Überblick über die Software
CATT-Acoustic ist ein Vorhersageprogramm für Raumakustik, das auf einem Modell
des Quellraums (Image Source Model, ISM) zur Abschätzung der frühzeitigen
Echogrammanteile und Verläufe später Strahlen, zur Abschätzung der Nachhallzeit
und Schallkartographie basiert.
Das System besteht aus einem 16-Bit-Windows-3.1 bzw. -95-MDI-Hauptprogramm
(Multiple Document Interface), einem eigenen Texteditor, der mit dem
Hauptprogramm kommuniziert, und einem Satz AutoLISP-Files für die AutoCADSchnittstelle. Im Hauptprogramm CATTMAIN.EXE sind Vorhersage, binaurale
Wiedergabe, softwaremäßige Faltung, Hinzufügen mehrerer Quellen, Management
der Abstrahlcharakteristik, Absorptions/Diffusions-Library, Batch-Verarbeitung,
WAV-File-Wiedergabe, Fileumwandlung und Betrachten/Ausdrucken von Plotfiles
integriert.
Anforderungen an die Hardware
IBM-kompatibler PC mit mindestens einem 80386 SX mit Windows 3.1x (im
protected und enhanced 386-er Modus) oder mindestens einem 80386 DX mit
Windows 95. Ein mathematischer Koprozessor ist nicht erforderlich, da er von
Windows notfalls emuliert wird, ist aber dringend angeraten.
Raumgeometrie und Absorption
Die Raumgeometrie kann jedes Aussehen haben, solange ihre Form durch maximal
999 Flächen angenähert werden kann. Alle Daten werden dynamisch im Speicher
zugeteilt, jedoch kann durch Kenntnis der maximalen Flächenzahl der Speicher
effizienter genutzt werden. Immerhin kann die Modellgeometrie so beschrieben
werden, daß die Flächenzahl die Grenzen der Speicherkapazität erreicht, jedoch ist
11
CATT-Acoustic demo version
die benötigte Speicherkapazität für typische Räume mit 100 bis 300 Flächen viel
geringer.
Da die Geometrieeingaben in einem Texteditor erfolgen, können Leerzeilen und
Anmerkungen eingefügt werden, und die Daten müssen nicht in fest zugeordneten
Zeilen stehen.
Ungewöhnliche Features wie symbolische Konstanten, Variablen (sogar mit
Aufrufen mathematischer Funktionen), IF-Statements, Tracing-Statements,
Interaktive Eingabe und hierarchische Geometriefiles werden ebenfalls
unterstützt. Die Geometriefiles werden vom Hauptprogramm nicht gewöhnlich
gelesen sondern eher übersetzt.
Überblick über die geometrische Beschreibung:
· Anzahl der Ecken/Knoten
Speicherplatz begrenzt,
im Modell
praktisch
nur durch den freien
· hierarchische Organisation der Geometriefiles ermöglicht Strukturierung
· Hauptraum;
· Balkone;
· Reflektoren;
· zusätzliche Reflektoren;
· Zuhörerräume;
· Geometriefiles können in beliebige Richtung skaliert werden z.B. zum
Ausgleichen fehlerhafter Zeichnungen oder Umwandeln vom mm in m;
· Geometriefiles können als Objekte definiert und später verschoben und/oder
rotiert (typisch bei Reflektoren) bzw. gespiegelt werden, und es können
inhaltliche Duplikate mit neuen Verschiebungs-/Rotationswerten angefertigt
werden;
· symbolische
Konstanten
und
Ausdrücke
mit
Funktionsaufrufen zum Festlegen von Koordinaten,
Rotationen, etc.;
mathematischen
Verschiebungen,
· mit Spezialtools können Eckenmodelle erstellt werden, die automatisch an
Flächen gebunden bzw. in denen Ecken durch Kreuzungspunkte zwischen
einer Linie und einer Fläche festgelegt sind;
· Werkzeuge zum Verwalten eines strukturierten Modells wie z.B. das Festlegen
des x-Wertes einer Ecke als selber x-Wert einer anderen Ecke, oder die
Verwendung lokaler Ecken- und Flächennummern in jedem File;
· Flächen können in beliebiger Zahl in Subflächen unterteilt werden, jede mit
individuellen Absorptions/Diffusions-Charakteristiken. Die Berechnungsdauer für
ein Quellraum-Modell ist etwa proportional zur Anzahl der Flächen hoch der
12
CATT-Acoustic demo version
Reflexionsordnung. Durch Unterteilen einer Fläche in Subflächen mit
unterschiedlichem Absorptions/Diffusions-Verhalten anstelle der Definition
mehrerer Einzelflächen kann die Rechenzeit herabgesetzt werden. Außerdem
besteht die Möglichkeit, die Subfläche zu verändern, ohne ein neues QuellraumModell berechnen zu müssen;
· Flächen und Subflächen können konkav oder konvex ausgestaltet sein wobei die
Anzahl solcher Flächen praktisch nur durch den verfügbaren Speicher begrenzt
wird;
· Die Reihenfolge bei der Eingabe von Flächeneckpunkten kann im Uhrzeigersinn
von der Rückseite aus gesehen, oder von der Vorderseite (reflektierende Seite)
aus gesehen erfolgen, die Reihenfolge muß nur innerhalb des GEO-Files
beibehalten werden;
· Bibliothek
aus
mit
Namen
versehenen
Absorptions/DiffusionsCharakteristiken. Die Anzahl der Eingaben ist nur durch den verfügbaren
Speicher
begrenzt.
Absorptions/Diffusions-Charakteristiken
können
auf
verschiedene Arten definiert werden:
· als ein mit Namen versehener Bibliothekseintrag (häufige Materialien, die im
Modul für Oberflächenbeschaffenheit eingegeben werden);
· als ein mit Namen versehener Eintrag in ein Geometriefile (häufige Materialien
in einem Raum);
· direkt in % (seltene Materialien, die keine Namen benötigen);
· eine Fläche oder Subfläche kann einer automatischen frequenzabhängigen
Kantendiffusion zugewiesen werden um die diffudierenden Effekte der
Diffraktion zu emulieren;
· Festlegen einer frequenzabhängige Standard-Diffusion
Koordinatensystem
Prinzipiell kann jedes rechtsdrehende Koordinatensystem verwendet werden, aber
um zu gewährleisten, daß die Blickwinkel für perspektivische Darstellungen,
Zielwinkel von Quellen und Impulseinwirkungswinkel richtig verstanden werden
können, muß das Koordinatensystem folgendermaßen beschaffen sein (siehe Abb.
9):
13
CATT-Acoustic demo version
Z
stage
side view
Y
Y
X
top view
Fig. 8 Raumkoordinatensystem
Der Ursprung kann überall gesetzt werden, es empfiehlt sich aber, ihn entlang einer
der Raumsymmetrielinien zu setzen (um die Spiegelfunktion zu nutzen), an der
Bühnenwand, der Bühnenfront oder am Proszenium.
Es werden SI-Einheiten verwendet. Da jedoch die Koordinaten im Raummodell des
Eingabedatenfiles skaliert werden können, kann alles in jeder Dezimaleinheit
eingegeben werden. Die Ergebnisse werden jedoch immer in SI-Einheiten
angegeben. Mit der AutoCAD-Schnittstelle können auch zöllige Einheiten verwendet
werden. Zahlen, die in das CATT GEO-Fileformat übertragen werden, werden in SIEinheiten umgewandelt.
Frequenzbereich
Alle Berechnungen werden für sechs Oktavbänder angefertigt: 125 Hz bis 4 kHz.
Wo es notwendig ist werden Berechnungen auch für die energetische Summe dieser
sechs Oktavbänder angefertigt.
Anmerkung: Der theoretische Hintergrund ist geometrische Akustik, und in
den meisten Räumen lassen sich die untersten beiden Oktaven nicht gut
voraussagen. In kleineren Räumen lassen sich überhaupt nur die oberen
drei Oktaven (1, 2 und 4 kHz) gut voraussagen.
Abstrahlcharakteristik der Quelle
Die Abstrahlcharakteristik wird durch Eingabe horizontaler und vertikaler Polarwerte
in 15-Grad-Teilung im Directivity-Modul festgelegt. Die Anzahl der Directivity-Files
ist nur durch den freien Platz auf der Harddisk beschränkt. In der Vollversion wird
auch eine 10-Grad-Teilung unterstützt.
14
CATT-Acoustic demo version
Datenausgabe
Eine Datenausgabe kann für eine beliebige Kombination von bis zu 26 Quellen und
100 Empfänger in jeder Oktavband-Zusammenstellung inklusive Summenpegel (falls
relevant) erfolgen. Wurden die Bilddaten berechnet und gespeichert, können sie
vom Programm jederzeit wiederverwendet werden, um eine neue Kombination zu
generieren.
Plot-files:
· Echogramme (125 Hz bis 4 kHz + Summe):
· logarithmischer Maßstab, dB (diskrete Reflexionen, vorwärtsintegriertes
Echogramm, rückwärtsintegriertes Echogramm);
· linearer Maßstab, Pa (diskrete Impulse);
· linearer Maßstab, Sone (diskrete Impulse, exponentielle Integration zur
Siumlation des Gehörs);
· Histogramm des Absorptionsfaktors;
· Histogramm des freien Ausbreitungspfades;
· Histogramm der getroffenen Flächen;
· Überblick
über
raumakustische
Parameter
für
alle
berechneten
Empfängerpositionen;
· Trend der raumakustischen Parameter als Funktion der Empfängerzahl;
· RASTI (Überblick und Trend);
· Quellraum und Anzahl der Impulse/Sekunde;
· Histogramm der Reflexionen mit dem reflektierten Strahl, der Quelle und den
Empfängerwinkeln;
· färbige Schallkartographie
· frühzeitige Schallpegelabdeckung in vier frei wählbaren Zeitintervallen;
· frühzeitige energetische Schallbrechung in vier frei wählbaren Zeitintervallen;
· RASTI
· eine Kombination akustischer Parameter dargestellt als 2D- und/oder 3D-Karte;
· Polardarstellung der Abstrahlcharakteristik;
· 3D-Darstellung der Abstrahlcharakteristik („Ballon“)
· 3D-Projektion des Raumes (parallel, natürlich und Kamera):
· 3D eben und schattiert;
· mit Eckeninformation;
· mit
Flächeninformation
(Ecken,
Flächennormale,
Absorptions/Diffusionseigenschaften);
· eben zweiteilig mit paralleler 3D-Projektion des Raumes;
Raumakustische Parameter:
· Schalldruckpegel
· RASTI
· Deutlichkeitsmaß
· Klarheitsmaß
· Schwerpunktszeit
· energetische Schallbrechung
· Stärkegrad
· Early Decay Time
15
CATT-Acoustic demo version
· Nachhallzeit
Zeitfunktionen im ASCII-Format
· Echogramm (quadratischer Mittelwert von Druck oder SPL);
· Histogramm der Reflexionen (getroffene Flächen);
· horizontale und vertikale Einfallswinkel eintreffender Reflexionen;
Bilddaten und die Datenfiles diffuser Reflexion; Binärfiles zur Berechnung der
Situation bei geänderter Diffusions/Absorptions-Charakteristik mit denselben
Geometriedaten; Unterteilung von Ebenen, der Quellcharakteristik und der
Datenausgabe;
raumakustische Parameter können hinsichtlich des Erwartungswertes
entsprechend einer Theorie von Mike Barron [Barron-88] (siehe in der Theorie zum
Vorhersage-Modul) normalisiert dargestellt werden;
geometrische Debugfiles (Geometriecheck, Ebenen-Normale, welche Ebenen
grenzen an eine bestimmte Ecke, etc.);
Export in Tabellenkalkulationsprogramme;
Export der Geometriefiles über die AutoCAD-Schnittstelle vom CATT-Format direkt
in AutoCAD.
16
CATT-Acoustic demo version
4. CATT und CATT-Acoustic
Eine kurze Vorstellung von mir - Bengt-Inge Dalenbäck, dem Softwareentwickler und der Firma CATT. Im Jahre 1980 erwarb ich den M.Sc in Elektrotechnik mit einer
These in der Halbleitertechnik mit einem gasempfindlichen Feldefekttransistor. Seit
1981 bin ich mit Akustik beschäftigt, bis zum Jahr 1989/90 hauptsächlich als TeilzeitLehrer beim Dept. of Applied Acoustics at Chalmers University of Technology in
Gothenburg in Schweden (siehe [Chalmers] im Helpfile, Abschnitt 11).
Im Jahre 1986 gründete ich die Firma CATT (Computer Aided Theatre Technique),
ursprünglich mit der Entwicklung von CAD-Software für Beleuchtung und
Dekordesign beschäftigt, wobei ich die halbe Zeit als Lehrer tätig war und die
restliche Zeit in der Firma.
1990 trat ich der Chalmers Room Acoustics Group als Ph.D.-Halbtagsstudent bei.
Im Dezember 1995 erlangte ich meinen Ph.D. in der Vorhersage und akustischen
Präsentation von Raumakustik bei Chalmers. Danach konzentrierte ich mich auf
CATT und die Softwareentwicklung, bleibe aber so weit wie möglich mit der
Forschung in Kontakt.
Nachfolgend ist eine Aufstellung über meine wichtigsten Softwareprojekte bei CATT:
· 1987: CATT-Lighting:
Theaterbühnen.
3D
CAD-Programm
für
Beleuchtungsdesign
auf
· 1987: CATT-Decor: 3D CAD-Programm für Dekordesign auf Theaterbühnen zur
Unterstützung von CATT-Lighting.
· 1988: CATT-Acoustic:
Quellraums.
Raumakustische
Simulation
mit
Modellierung
des
Die ersten drei Projekte wurden auf einem Commodore Amiga realisiert.
· 1989: CATT-Acoustic MS-DOS: Die Beleuchtungs- und Dekordesign-Programme
wurden fallengelassen, die Arbeit konzentrierte sich auf Raumakustik und PCSoftware.
· 1990: Nachverarbeitung der Ergebnisse von CATT-Acoustic durch Erzeugen von
binauralen Impulsantworten für akustische Wiedergaben. Für Faltungen wurde
ein Lake FDP-1 Convolution-Prozessor eingesetzt.
- 1990-94: Zahlreiche Softwareerweiterungen.
17
CATT-Acoustic demo version
· 1994: Softwaremäßige Faltung für die akustische Wiedergabe unter alleiniger
Verwendung einer PC-Soundkarte. Spezielle Lake DSP-Hardware ist nun
optional.
· Februar 1996: erste Betaversion von CATT-Acoustic für Windows.
· Juni 1996: CATT-Acoustic v6.0 for Windows. Mit Lake DSP-Hardware ist
zusätzlich eine dynamische akustische Wiedergabe möglich.
· November 1996: CATT-VRoom für Studio- und VR-Nachhall in Verbindung mit
Lake DSP-Hardware.
· März 1997: CATT-Acoustic v6.1. Die wichtigsten Neuerungen sind eine gesamte
Verbesserung der Rechenleistung, schattierte 3D-Modelle, farbige Schallkarten
und ein neuer und schnellerer Hallalgorighmus für die akustische Wiedergabe.
Sie können CATT erreichen:
CATT
Mariagatan 16A
S-41471 Gothenburg
SWEDEN
Telefon/FAX: +46 31 145154
e-mail:
[email protected]
www:
http://www.netg.se/~catt
Die neueste Aufstellung der CATT-Acoustic-Händler können Sie der CATT wwwHomepage entnehmen, oder Sie kontaktieren CATT direkt.
18