Avancerad Högtalarsimulering

Hur funkar tekniken bakom bra hifi?

Moderator: Redaktörer

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-09 18:31

Hej Faktiskt!

Jag har experimenterat med att göra en "komplett" simulering av en högtalare - från en CAD-modell av lådan, till utstrålningsmönster m.h.a. numeriska metoder (BEM), till rumments inverkan med mjukvara för akustiksimulering (Treble) och slutligen simulering av öronsignaler för lyssning på den virtuella högtalaren i det virtuella rummet.
Beskriver hela kedjan i ett blogginlägg här!
Simulerar en högtalare med cardioid-utstrålningsmönster som exempel.
Några tankar om den här typen av simuleringar, och dess användbarhet vid design av högtalare? :)

Användarvisningsbild
paa
Sökaren
 
Inlägg: 35588
Blev medlem: 2005-01-10

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav paa » 2024-07-09 20:44

The proof of the pudding is in the eating!
Frågan är om det är visat att simuleringen låter lika som verkligheten?
I så fall är det väl toppen?
Medlem på forumet för hifi; Faktiskt.se, numera Faktiskt.io sedan jan 10, 2005
Numera pensionär.
Vi har sålt Sonic Design till Winn Scandinavia, vilka driver bl.a Ljudfokus och BRL.

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-09 21:52

paa skrev:The proof of the pudding is in the eating!
Frågan är om det är visat att simuleringen låter lika som verkligheten?
I så fall är det väl toppen?


Tja, om det ska låta fullt naturligt så krävs det kännedom om lyssnarens individuella HRTFs, dvs den personliga överföringsfunktionen till öronen för olika riktningar och dessutom personlig hörlurskompensering. Det är görbart, men kräver en hel del mätningar.
Men jag skulle säga att man får ut rätt mycket av auraliseringen (hörlurssimuleringen) av rummet även om den inte låter helt perfekt baserad på generiska HRTFs, eftersom man ändå kan bedöma den relativa skillnaden mellan simuleringar med olika parametrar.

Det första steget med simulering av högtalarens utstrålningsmönster med BEM ger också massor av intressant information. Simulering av hela kedjan fram till öronsignaler är lite icing on the cake.

Maarten
 
Inlägg: 3898
Blev medlem: 2003-05-25
Ort: Göteborg

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav Maarten » 2024-07-10 09:09

Snyggt! Det är en naturlig utveckling som flera har efterlyst (bla JM här på Faktiskt) så kul att du gör jobbet.

Några synpunkter:

Har du med elementen (ser inte så ut vid snabb anblick). Dessa påverkar förstås också en hel. Modellering av spider, surround, kon, talspole och magnet vore fint men förstås mer jobb att få till. Kan man även få med vibrationer i låda och kanske distorsion (från element i huvudsak men också låda)?

Vad är indata? Vilka variabler tar simuleringarna hänsyn till? Det borde vara många materialparametrar och geometrier i rum, låda och element.

Auralisering ser jag som mer eller mindre bortkastat (en gimmick) om man inte tar med hela inspelningskedjan. Ignorans av "Circle of confusion" samt psykologi (primärt kognitionspsykologi, perception är lite enklare) är långtgående inom audiobranschen (och hos många audiofiler) men också några av de största påverkansfaktorerna. Enklare och mer rätt att då bara utgå från målvärden som man knappar in såsom rak frekvensgång, spridning enligt visst DI, samt noll distorsion. Du skulle med fördel kunna implementera "The Olive Score".

Modellen behöver valideras och onogrannheten behöver vara inom ca 2 dB för att ge ett tydligt mervärde som motsvarar merarbetet över de enklare verktyg som idag finns (Vcad, REW inkl room-sim etc).
sb17nbac till alla!

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-10 10:54

Maarten skrev:Snyggt! Det är en naturlig utveckling som flera har efterlyst (bla JM här på Faktiskt) så kul att du gör jobbet.

Några synpunkter:

Har du med elementen (ser inte så ut vid snabb anblick). Dessa påverkar förstås också en hel. Modellering av spider, surround, kon, talspole och magnet vore fint men förstås mer jobb att få till. Kan man även få med vibrationer i låda och kanske distorsion (från element i huvudsak men också låda)?

Vad är indata? Vilka variabler tar simuleringarna hänsyn till? Det borde vara många materialparametrar och geometrier i rum, låda och element.

Auralisering ser jag som mer eller mindre bortkastat (en gimmick) om man inte tar med hela inspelningskedjan. Ignorans av "Circle of confusion" samt psykologi (primärt kognitionspsykologi, perception är lite enklare) är långtgående inom audiobranschen (och hos många audiofiler) men också några av de största påverkansfaktorerna. Enklare och mer rätt att då bara utgå från målvärden som man knappar in såsom rak frekvensgång, spridning enligt visst DI, samt noll distorsion. Du skulle med fördel kunna implementera "The Olive Score".

Modellen behöver valideras och onogrannheten behöver vara inom ca 2 dB för att ge ett tydligt mervärde som motsvarar merarbetet över de enklare verktyg som idag finns (Vcad, REW inkl room-sim etc).


Intressanta synpunkter. Jag får försöka utveckla lite vad jag ser för nytta med simuleringarna som jag har gjort.
Verktygskedjan jag har presenterat ger inte en exakt modell av en högtalare. Jag skulle säga att det vore overkill att försöka simulera en högtalare in i minsta detalj. Man får anpassa simuleringens detaljeringsnivå till problemet som man vill optimera. Det är nödvändigt att verktygskedjan är rimligt enkel att sätta upp och att varje iteration av konstruktionen tar en rimlig arbetsinsats att modellera och beräkna, annars kan man lika gärna arbeta med fysiska prototyper.

BEM-simuleringen ger en bild av högtalarens utstrålningsmönster som man inte får med vanliga verktyg för högtalaroptimering som är baserade på ett fåtal mätpunkter. Även med en starkt förenklad modell av högtalarelementen och antagandet om en helt styv högtalarlåda så kan man dra slutsatser om lådans exakta form på utstrålningsmönster och diffraktionseffekter.
Man kan undersöka effekten av mer kreativa former på högtalaren och elementplaceringar, även vågledare/horn, eller arrayer av element.

Att kunna placera högtalaren i ett virtuellt rum gör att man kan se effekter av högtalarens interaktion med näraliggande ytor eller rumsmoder, i mitt exempel undersökte jag hur två olika konstruktioner ger olika energiförhållande mellan direkt och reflekterat ljud.

En detaljerad modell av högtalarelementen och även vibrationer i lådan vore nog möjligt om man går över till att använda COMSOL, men då tar man ett skutt upp i verktygets komplexitet och pris. Om problemet man vill optimera är just högtalarelementets design är det ju vettigt, men i mitt fall är jag mer intresserad av konceptutveckling av en komplett högtalare och då ger det mest merarbete skulle jag säga.
När det gäller modellvalidering så vill man ha tillräcklig noggrannhet just för de parametrar man är intresserad av att simulera och optimera. För BEM-simuleringen gäller det t.ex. att välja en tillräckligt fin mesh (diskretisering av geometrin) för att simuleringen ska stämma för den högsta frekvensen man är intresserad av.

Användarvisningsbild
I-or
Herr Ekvalisator
 
Inlägg: 6557
Blev medlem: 2020-08-30

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav I-or » 2024-07-10 11:48

Detta var ett mycket ambitiöst simuleringsarbete som bör applåderas.

Problemen med auralisering är dock av många olika skäl så omfattande att man inte bör förvänta sig annat än resultat lämpade för grova jämförelser.

Jag skulle nog säga att strålgångssimuleringen inte ger speciellt mycket mer användbar information än man redan har från spridningssimuleringen och det är här som man bör lägga krutet via en mer verklighetsnära beskrivning av källegenskaperna. Om man beräknar frekvensgången på referensaxeln, DI och ERDI så har man nödvändiga egenskaper för att enligt Olive nästan fullständigt prediktera de ljudande resultaten i ett någorlunda normalt rum (även om undertecknad anser att distorsion/ljudtryckskapacitet också är av största vikt). Rummet har konstruktören ändå aldrig kontroll över (annat än i GDS-fallet), så att lägga gränssnittet mellan högtalare och rum är ganska naturligt. Rumsinverkan i lågfrekvensområdet måste i praktiken för bästa resultat alltid korrigeras via ekvalisering, så simuleringsresultaten är mest användbara som en generell beskrivning av rumsstödet.

När man simulerar system med en icke försumbar akustisk impedans relativt mekanisk impedans för elementen som för t.ex. hornkonstruktioner eller band-/planar-/elektrostatmembran, så måste den akustiska belastningen inkluderas.

Vad gäller Maartens frågor så kräver en mer omfattande modellering mycket riktigt helt andra verktyg. I dessa simuleringar gäller ideala punktkällor + BEM medan FEM (med oändliga element eller andra trick för fjärrfältet) alternativt FEM/BEM skulle vara nödvändigt i annat fall.

För övrigt finns det ingen anledning att utgå ifrån att en välbyggd lådas i sammanhanget försumbara olinjäriteter skulle leda till hörbar distorsion. Dessutom är även linjära bidrag från hyggliga högtalarlådor vanligen så låga att de inte är hörbara med musiksignaler, varför en stel struktur vid simuleringar inte utgör någon praktisk begränsning. Det är dock inga problem att även inkludera strukturen i simuleringen, men detta kostar egentligen bara beräkningstid. Däremot är det av stor vikt att inkludera de interna kaviteterna, då de direkt påverkar membranen.
Teknisk konsult inom akustik och audioteknik

JM
 
Inlägg: 4869
Blev medlem: 2011-08-13

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav JM » 2024-07-10 18:00

Hänger inte riktigt med här men beaktas även tidsdimensionen och inte bara frekvensdimensionen?
Om så upplevs inte alla tidsrelationer, ljudtrycksskillnader och frekvensskillander mellan direktljud och reflexer inte lika. Har hyfsat bra koll på vilka variabelkombinationer är suboptimala resp mer optimala neuropsykologiskt och neurofysiologiskt. Kan skicka länkar till några studier om intresse finns.

JM
Neuroscientist. Beauty is in the Brain of the Listener. "Kill your darlings" => scientific evolution.

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-10 18:10

I-or skrev:Detta var ett mycket ambitiöst simuleringsarbete som bör applåderas.


Tack tack!

I-or skrev:Problemen med auralisering är dock av många olika skäl så omfattande att man inte bör förvänta sig annat än resultat lämpade för grova jämförelser.

Jag skulle nog säga att strålgångssimuleringen inte ger speciellt mycket mer användbar information än man redan har från spridningssimuleringen och det är här som man bör lägga krutet via en mer verklighetsnära beskrivning av källegenskaperna. Om man beräknar frekvensgången på referensaxeln, DI och ERDI så har man nödvändiga egenskaper för att enligt Olive nästan fullständigt prediktera de ljudande resultaten i ett någorlunda normalt rum (även om undertecknad anser att distorsion/ljudtryckskapacitet också är av största vikt). Rummet har konstruktören ändå aldrig kontroll över (annat än i GDS-fallet), så att lägga gränssnittet mellan högtalare och rum är ganska naturligt. Rumsinverkan i lågfrekvensområdet måste i praktiken för bästa resultat alltid korrigeras via ekvalisering, så simuleringsresultaten är mest användbara som en generell beskrivning av rumsstödet.

När man simulerar system med en icke försumbar akustisk impedans relativt mekanisk impedans för elementen som för t.ex. hornkonstruktioner eller band-/planar-/elektrostatmembran, så måste den akustiska belastningen inkluderas.

Vad gäller Maartens frågor så kräver en mer omfattande modellering mycket riktigt helt andra verktyg. I dessa simuleringar gäller ideala punktkällor + BEM medan FEM (med oändliga element eller andra trick för fjärrfältet) alternativt FEM/BEM skulle vara nödvändigt i annat fall.

För övrigt finns det ingen anledning att utgå ifrån att en välbyggd lådas i sammanhanget försumbara olinjäriteter skulle leda till hörbar distorsion. Dessutom är även linjära bidrag från hyggliga högtalarlådor vanligen så låga att de inte är hörbara med musiksignaler, varför en stel struktur vid simuleringar inte utgör någon praktisk begränsning. Det är dock inga problem att även inkludera strukturen i simuleringen, men detta kostar egentligen bara beräkningstid. Däremot är det av stor vikt att inkludera de interna kaviteterna, då de direkt påverkar membranen.


Jag skriver i stort under på vad du säger. Arbetar du med numeriska akustiksimuleringar? Om man vill förbättra simuleringen skulle jag också börja med att modellera källan bättre och ta hänsyn till membranets direktivitet. Numerisk akustik är inte mitt huvudområde dock, och jag vet inte om det finns bättre lämpade verktyg tillgängliga. BEM-verktyget Mesh2HRTF som jag använt stödjer såvitt jag vet inte mer avancerade källmodeller, men jag tror att beräkningarna är snabba jämfört med andra alternativ.

När det gäller simulering av rummet så kan man tänka sig vissa tillämpningar där rummets simulering blir mycket viktig, t.ex. ljudsystem i bilar.

Auralisering är ett stort tema i min avhandling (länk) som jag ska försvara i September :) För tillämpningen vi pratar om här så håller jag med om att auralisering bäst används till ganska grova jämförelser såvida den inte är baserad på noggranna binaurala mätningar av individuella HRTFs och hörlursmätningar. Är det några ytterligare problem med auralisering du tänker på?

Användarvisningsbild
petersteindl
Der Eiermann
 
Inlägg: 40044
Blev medlem: 2007-04-17
Ort: Härnösand

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav petersteindl » 2024-07-10 18:40

luminous skrev:
I-or skrev:Detta var ett mycket ambitiöst simuleringsarbete som bör applåderas.


Tack tack!

I-or skrev:Problemen med auralisering är dock av många olika skäl så omfattande att man inte bör förvänta sig annat än resultat lämpade för grova jämförelser.

Jag skulle nog säga att strålgångssimuleringen inte ger speciellt mycket mer användbar information än man redan har från spridningssimuleringen och det är här som man bör lägga krutet via en mer verklighetsnära beskrivning av källegenskaperna. Om man beräknar frekvensgången på referensaxeln, DI och ERDI så har man nödvändiga egenskaper för att enligt Olive nästan fullständigt prediktera de ljudande resultaten i ett någorlunda normalt rum (även om undertecknad anser att distorsion/ljudtryckskapacitet också är av största vikt). Rummet har konstruktören ändå aldrig kontroll över (annat än i GDS-fallet), så att lägga gränssnittet mellan högtalare och rum är ganska naturligt. Rumsinverkan i lågfrekvensområdet måste i praktiken för bästa resultat alltid korrigeras via ekvalisering, så simuleringsresultaten är mest användbara som en generell beskrivning av rumsstödet.

När man simulerar system med en icke försumbar akustisk impedans relativt mekanisk impedans för elementen som för t.ex. hornkonstruktioner eller band-/planar-/elektrostatmembran, så måste den akustiska belastningen inkluderas.

Vad gäller Maartens frågor så kräver en mer omfattande modellering mycket riktigt helt andra verktyg. I dessa simuleringar gäller ideala punktkällor + BEM medan FEM (med oändliga element eller andra trick för fjärrfältet) alternativt FEM/BEM skulle vara nödvändigt i annat fall.

För övrigt finns det ingen anledning att utgå ifrån att en välbyggd lådas i sammanhanget försumbara olinjäriteter skulle leda till hörbar distorsion. Dessutom är även linjära bidrag från hyggliga högtalarlådor vanligen så låga att de inte är hörbara med musiksignaler, varför en stel struktur vid simuleringar inte utgör någon praktisk begränsning. Det är dock inga problem att även inkludera strukturen i simuleringen, men detta kostar egentligen bara beräkningstid. Däremot är det av stor vikt att inkludera de interna kaviteterna, då de direkt påverkar membranen.


Jag skriver i stort under på vad du säger. Arbetar du med numeriska akustiksimuleringar? Om man vill förbättra simuleringen skulle jag också börja med att modellera källan bättre och ta hänsyn till membranets direktivitet. Numerisk akustik är inte mitt huvudområde dock, och jag vet inte om det finns bättre lämpade verktyg tillgängliga. BEM-verktyget Mesh2HRTF som jag använt stödjer såvitt jag vet inte mer avancerade källmodeller, men jag tror att beräkningarna är snabba jämfört med andra alternativ.

När det gäller simulering av rummet så kan man tänka sig vissa tillämpningar där rummets simulering blir mycket viktig, t.ex. ljudsystem i bilar.

Auralisering är ett stort tema i min avhandling (länk) som jag ska försvara i September :) För tillämpningen vi pratar om här så håller jag med om att auralisering bäst används till ganska grova jämförelser såvida den inte är baserad på noggranna binaurala mätningar av individuella HRTFs och hörlursmätningar. Är det några ytterligare problem med auralisering du tänker på?


Stort tummen upp. Önskar dig lycka till på din disputation. Vad jag förstår gäller det PhD.

Mvh
Peter
VD Bremen Production AB + Ortho-Reality AB; Grundare av Ljudbutiken AB; Fd import av hifi; Konstruktör av LICENCE No1 D/A, Bremen No1 D/A, Forsell D/A, SMS FrameSound, Bremen 3D8 m.fl.

Maarten
 
Inlägg: 3898
Blev medlem: 2003-05-25
Ort: Göteborg

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav Maarten » 2024-07-10 20:50

luminous skrev:
Maarten skrev:Snyggt! Det är en naturlig utveckling som flera har efterlyst (bla JM här på Faktiskt) så kul att du gör jobbet.

Några synpunkter:

Har du med elementen (ser inte så ut vid snabb anblick). Dessa påverkar förstås också en hel. Modellering av spider, surround, kon, talspole och magnet vore fint men förstås mer jobb att få till. Kan man även få med vibrationer i låda och kanske distorsion (från element i huvudsak men också låda)?

Vad är indata? Vilka variabler tar simuleringarna hänsyn till? Det borde vara många materialparametrar och geometrier i rum, låda och element.

Auralisering ser jag som mer eller mindre bortkastat (en gimmick) om man inte tar med hela inspelningskedjan. Ignorans av "Circle of confusion" samt psykologi (primärt 8) kognitionspsykologi, perception är lite enklare) är långtgående inom audiobranschen (och hos många audiofiler) men också några av de största påverkansfaktorerna. Enklare och mer rätt att då bara utgå från målvärden som man knappar in såsom rak frekvensgång, spridning enligt visst DI, samt noll distorsion. Du skulle med fördel kunna implementera "The Olive Score".

Modellen behöver valideras och onogrannheten behöver vara inom ca 2 dB för att ge ett tydligt mervärde som motsvarar merarbetet över de enklare verktyg som idag finns (Vcad, REW inkl room-sim etc).


Intressanta synpunkter. Jag får försöka utveckla lite vad jag ser för nytta med simuleringarna som jag har gjort.
Verktygskedjan jag har presenterat ger inte en exakt modell av en högtalare. Jag skulle säga att det vore overkill att försöka simulera en högtalare in i minsta detalj. Man får anpassa simuleringens detaljeringsnivå till problemet som man vill optimera. Det är nödvändigt att verktygskedjan är rimligt enkel att sätta upp och att varje iteration av konstruktionen tar en rimlig arbetsinsats att modellera och beräkna, annars kan man lika gärna arbeta med fysiska prototyper.

BEM-simuleringen ger en bild av högtalarens utstrålningsmönster som man inte får med vanliga verktyg för högtalaroptimering som är baserade på ett fåtal mätpunkter. Även med en starkt förenklad modell av högtalarelementen och antagandet om en helt styv högtalarlåda så kan man dra slutsatser om lådans exakta form på utstrålningsmönster och diffraktionseffekter.
Man kan undersöka effekten av mer kreativa former på högtalaren och elementplaceringar, även vågledare/horn, eller arrayer av element.

Att kunna placera högtalaren i ett virtuellt rum gör att man kan se effekter av högtalarens interaktion med näraliggande ytor eller rumsmoder, i mitt exempel undersökte jag hur två olika konstruktioner ger olika energiförhållande mellan direkt och reflekterat ljud.

En detaljerad modell av högtalarelementen och även vibrationer i lådan vore nog möjligt om man går över till att använda COMSOL, men då tar man ett skutt upp i verktygets komplexitet och pris. Om problemet man vill optimera är just högtalarelementets design är det ju vettigt, men i mitt fall är jag mer intresserad av konceptutveckling av en komplett högtalare och då ger det mest merarbete skulle jag säga.
När det gäller modellvalidering så vill man ha tillräcklig noggrannhet just för de parametrar man är intresserad av att simulera och optimera. För BEM-simuleringen gäller det t.ex. att välja en tillräckligt fin mesh (diskretisering av geometrin) för att simuleringen ska stämma för den högsta frekvensen man är intresserad av.

Aha, då förstår jag syfte och avgränsningar bättre!
Hoppas du kör ett antal principiella koncept och redovisar för och nackdelar. Det borde vara till nytta för många som rör sig i dessa domäner.
Ser att du redan konfirmerat kantrundningens lovsång! 8)
:).
sb17nbac till alla!

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-10 20:56

petersteindl skrev:
Stort tummen upp. Önskar dig lycka till på din disputation. Vad jag förstår gäller det PhD.

Mvh
Peter


Tack! Det stämmer.

Användarvisningsbild
I-or
Herr Ekvalisator
 
Inlägg: 6557
Blev medlem: 2020-08-30

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav I-or » 2024-07-11 12:22

Jo, nog har det blivit en och annan simulering genom åren med FEM, BEM, strålgångsberäkning, spegelkällor, SEA o.s.v. Till detta kommer ganska omfattande korrelationsstudier, där simuleringsresultaten helst (minst sagt) ska överensstämma med mätresultaten, vilket inte alltid är det enklaste.

Vad gäller noggrannheten i auraliseringsresultaten så ligger svårigheterna dels i simuleringen och dels i själva auraliseringen:

För simuleringen är man, som du är väl medveten om, utan tillgång till en superdator i praktiken tvungen att utnyttja någon form av strålgångsberäkning eller liknande för höga frekvenser. Dessa metoder har egenheten att inte inkludera fasinformation, varför tidiga reflektioner inte kommer att representeras på ett sätt som överensstämmer med de ljudande resultaten. För efterklangsfältet har dock fasinformationen i praktiken en närmast försumbar betydelse, vilket minimerar effekterna av denna svaghet. Dessutom medför den exponentiella tillväxten av diffrakterade strålar att man måste trunkera stråltillväxten av numeriska skäl, vilket minskar beräkningsnoggrannheten.

Till detta kommer förstås i ditt exempel ovan den begränsade källbeskrivningen, men detta är mer uppenbart. För en fullständig representation av källornas utstrålningsegenskaper krävs FEM eller FEM/BEM för modellering av membranegenskaperna (här är nog Comsol Multiphysics mest lättarbetat även om Ansys, Abaqus, Catia m.fl. mjukvaror också är tillgängliga). För frekvenser under den första membranböjresonansen kan membranen modelleras som stela och här klarar man sig med BEM och ett utbrett källområde, men högtalarelement har vanligen ett passband som inkluderar flera membranresonanser, vilket gör källegenskaperna komplexa med påtagliga strålningslober.

För auraliseringen uppstår naturligtvis förutom den begränsade simuleringsnoggrannheten de gamla vanliga svårigheterna med frekvensgången vid trumhinnorna, precis som du avgjort har god kännedom om. Både ytteröron och hörselgångar varierar så pass mycket på individuell basis att det för hörlurslyssning krävs mätningar av HRTF:er med probmikrofoner för god noggrannhet, speciellt om man även vill uppnå goda resultat även för reflektioner i vertikalplanet (där vindlingarna i ytteröronen utgör hörselns enda möjlighet att avgöra riktning). Med högtalarlyssning undviker man förstås dessa svårigheter, men antalet nödvändiga kanaler blir av naturliga skäl mycket stort.

Vad gäller ljudsystem i bilar så blir det givet den stora mängden tidiga reflektioner svårt att utnyttja strålgångsberäkningar för en noggrann representation av de ljudande resultaten. Trots att bilkupéer inte är särskilt stora så blir beräkningskapaciteten i någorlunda världsliga datorer begränsande för FEM/BEM (antagligen är en ren FEM-beskrivning effektivast här) om man vill simulera upp till 15-20 kHz. Möjligen skulle ett sätt att minska beräkningsbelastningen något kunna vara att man delar upp simuleringen så att man utnyttjar FEM-resultat för de första millisekunderna, d.v.s. de tidiga reflektionerna, och strålgångsresultat för längre tider, men detta leder säkerligen till en hel del krångel i praktiken.

Dessutom har vi klassiska simuleringsproblem för bilar som individberoende infästning av paneler, upphängning av dörrar o.s.v., vilket ger (förvisso relativt smalbandiga) frekvensgångsskillnader om sådär +/- 5 dB i lågfrekvensområdet. För övrigt innefattar bilkupéer ofta en hel del simuleringsmässigt knepiga material som behandlat läder, diverse fibrösa syntetiska material, sladdriga gummimattor, feta tyskar (OK, kanske en och annan dito svensk också) m.m.

Nog om alla svårigheter, vi vet alla att verkligheten sällan samarbetar som den borde. :mrgreen:

Lycka till med disputationen!
Teknisk konsult inom akustik och audioteknik

JM
 
Inlägg: 4869
Blev medlem: 2011-08-13

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav JM » 2024-07-13 18:45

Finns avhandlingen att ladda ner?

JM
Neuroscientist. Beauty is in the Brain of the Listener. "Kill your darlings" => scientific evolution.

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-13 21:50

JM skrev:Finns avhandlingen att ladda ner?

JM


Ja här finns den: https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-527750
Även länkar till artiklarna som ingår.

JM skrev:Hänger inte riktigt med här men beaktas även tidsdimensionen och inte bara frekvensdimensionen?
Om så upplevs inte alla tidsrelationer, ljudtrycksskillnader och frekvensskillander mellan direktljud och reflexer inte lika. Har hyfsat bra koll på vilka variabelkombinationer är suboptimala resp mer optimala neuropsykologiskt och neurofysiologiskt. Kan skicka länkar till några studier om intresse finns.

JM


Kort svar, ja tidsdimensionen beaktas.
Länka gärna till studierna du tänker på.

Användarvisningsbild
luminous
 
Inlägg: 375
Blev medlem: 2003-10-14
Ort: Uppsala

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav luminous » 2024-07-14 22:53

I-or skrev:Jo, nog har det blivit en och annan simulering genom åren med FEM, BEM, strålgångsberäkning, spegelkällor, SEA o.s.v. Till detta kommer ganska omfattande korrelationsstudier, där simuleringsresultaten helst (minst sagt) ska överensstämma med mätresultaten, vilket inte alltid är det enklaste.

Vad gäller noggrannheten i auraliseringsresultaten så ligger svårigheterna dels i simuleringen och dels i själva auraliseringen:

För simuleringen är man, som du är väl medveten om, utan tillgång till en superdator i praktiken tvungen att utnyttja någon form av strålgångsberäkning eller liknande för höga frekvenser. Dessa metoder har egenheten att inte inkludera fasinformation, varför tidiga reflektioner inte kommer att representeras på ett sätt som överensstämmer med de ljudande resultaten. För efterklangsfältet har dock fasinformationen i praktiken en närmast försumbar betydelse, vilket minimerar effekterna av denna svaghet. Dessutom medför den exponentiella tillväxten av diffrakterade strålar att man måste trunkera stråltillväxten av numeriska skäl, vilket minskar beräkningsnoggrannheten.

Till detta kommer förstås i ditt exempel ovan den begränsade källbeskrivningen, men detta är mer uppenbart. För en fullständig representation av källornas utstrålningsegenskaper krävs FEM eller FEM/BEM för modellering av membranegenskaperna (här är nog Comsol Multiphysics mest lättarbetat även om Ansys, Abaqus, Catia m.fl. mjukvaror också är tillgängliga). För frekvenser under den första membranböjresonansen kan membranen modelleras som stela och här klarar man sig med BEM och ett utbrett källområde, men högtalarelement har vanligen ett passband som inkluderar flera membranresonanser, vilket gör källegenskaperna komplexa med påtagliga strålningslober.

För auraliseringen uppstår naturligtvis förutom den begränsade simuleringsnoggrannheten de gamla vanliga svårigheterna med frekvensgången vid trumhinnorna, precis som du avgjort har god kännedom om. Både ytteröron och hörselgångar varierar så pass mycket på individuell basis att det för hörlurslyssning krävs mätningar av HRTF:er med probmikrofoner för god noggrannhet, speciellt om man även vill uppnå goda resultat även för reflektioner i vertikalplanet (där vindlingarna i ytteröronen utgör hörselns enda möjlighet att avgöra riktning). Med högtalarlyssning undviker man förstås dessa svårigheter, men antalet nödvändiga kanaler blir av naturliga skäl mycket stort.

Vad gäller ljudsystem i bilar så blir det givet den stora mängden tidiga reflektioner svårt att utnyttja strålgångsberäkningar för en noggrann representation av de ljudande resultaten. Trots att bilkupéer inte är särskilt stora så blir beräkningskapaciteten i någorlunda världsliga datorer begränsande för FEM/BEM (antagligen är en ren FEM-beskrivning effektivast här) om man vill simulera upp till 15-20 kHz. Möjligen skulle ett sätt att minska beräkningsbelastningen något kunna vara att man delar upp simuleringen så att man utnyttjar FEM-resultat för de första millisekunderna, d.v.s. de tidiga reflektionerna, och strålgångsresultat för längre tider, men detta leder säkerligen till en hel del krångel i praktiken.

Dessutom har vi klassiska simuleringsproblem för bilar som individberoende infästning av paneler, upphängning av dörrar o.s.v., vilket ger (förvisso relativt smalbandiga) frekvensgångsskillnader om sådär +/- 5 dB i lågfrekvensområdet. För övrigt innefattar bilkupéer ofta en hel del simuleringsmässigt knepiga material som behandlat läder, diverse fibrösa syntetiska material, sladdriga gummimattor, feta tyskar (OK, kanske en och annan dito svensk också) m.m.

Nog om alla svårigheter, vi vet alla att verkligheten sällan samarbetar som den borde. :mrgreen:

Lycka till med disputationen!


Tack för lyckönskningen! Intressant att höra om dina erfarenheter och kul att du är insatt i näraliggande ämnen till min avhandling. När det gäller korrekt återgivning av ljudtrycket vid trumhinnan så håller jag helt med om att det är en utmaning att få det rätt och min uppfattning är att forskarvärlden har ägnat för lite uppmärksamhet där. I vår forskning har vi tagit fram en mätmetod för mätningar längre ut i hörselkanalen som är enklare att utföra än probmätningar, och som möjliggör korrekt återgivning vid trumhinnan. I korthet så mäter man med en liten array av två MEMS-mikar som ges ett kardioid-upptagningsmönster, vilket gör mätningen relativt okänslig för variationer i mikrofonens placering. Länk till artikel: https://www.researchgate.net/publication/373440420_Robust_Binaural_Measurements_in_the_Ear_Canal_Using_a_Two-Microphone_Array

Användarvisningsbild
I-or
Herr Ekvalisator
 
Inlägg: 6557
Blev medlem: 2020-08-30

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav I-or » 2024-07-15 12:43

En fiffig mätmetod för att slippa hanteringen med problematiska probmikrofoner, dessutom presenterad i en välskriven rapport.
Teknisk konsult inom akustik och audioteknik

Användarvisningsbild
hifikg
Mr Clickbait
 
Inlägg: 26934
Blev medlem: 2011-09-17
Ort: Metropolen Hallstahammar

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav hifikg » 2024-07-15 17:53

Lycka till med doktorshatten, fredagen den 13:e, vad kan gå fel liksom!?
Sitter nöjd :)

Maarten
 
Inlägg: 3898
Blev medlem: 2003-05-25
Ort: Göteborg

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav Maarten » 2024-07-17 12:02

Förtydligande av mitt första inlägg: Att validera modellen inom +-2 dB i mitt inlägg ovan avsåg inte (BEM-) simuleringarna av baffeln, filtrer och rum utan högtalare i dess helhet inkl elementen.
Syftet med inlägget var att undvika suboptimering, vilket är lätt hänt (har jag erfarit). I efterhand har jag tänkt att det är kanske inte så dumt om man får till en exakt modell av effekter från baffel, filter och rum, då dessa ofta har större inverkan än elementen (inom passbanden). Det man förlorar i tid på att simulera tar man igen i att slippa såga och mäta.


Nedan är ett mycket generellt resonemang med en mycket grov skattning av effekter (ej statistiskt baserad, - kanske är standardavvikelsen ca hälften av siffrorna nedan eller något mindre?).
Värdena nedan är topp till topp, dvs ej +-x dB:

1: Rum, säg inom ca 15 dB men varierar förstås stort mellan rum och typ av väggar.

2: Baffel, inom ca 8-9 dB inkl baffelsteg

3: Element, inom ca 5 dB i passband och inom 15 dB utanför passband (där uppbrytningar och avstämning/resonans i nedre register kan ge mycket stora avvikelser).

4: Filter, kan teoretiskt ge de allra största avvikelserna men normalt ska de ju hantera endast baffel och element, dvs säg då inom ca 10-15 dB.

5: (HRTF, den har du uppenbarligen järnkoll på men såvitt jag förstått på I-or är det rätt stora individuella skillnader och det läser jag även mellan dina rader).

6: Avvikelser mellan inspelningsstudior, - både rum och högtalare har ju ofta rätt stora avvikelser, säg inom 5-10 db (I-or har länkat till studier, hänvisar till den för mer exakta estimat), vilket ger klangpåverkan på inspelningar. Detta påverkar givetvis lyssningsintrycken men glöms märkligt nog ofta bort, kanske för att det är svårt att göra något åt?

7: Circle of confusion (som beror på en del av de andra här nämnda faktorerna), ...

8: Psykologiska faktorer såsom habituering och (de-)sensitiering hos lyssnare, bias av olika slag, placebo, hjärnans fokus på mönsterigenkänning och dess förmåga att 'skarva', sinnesstämning, närvaro, receptivitet (kanske tom högre funktioner såsom socialpsykologi och identitet/identifikationer), leder till att recensenter såväl som lyssnare bevisligen framhåller nöjdhet eller tom översvallande omdömen med avvikelser om ca 8-10 dB. Detta trots att kontrollerade studier anger hörbarhet av bråkdelar av en dB, vilket också stämmer (den avgörande skillnaden kan förstås/begripas genom ordet 'kontrollerad').

9: Andra faktorer?

Alla ovan faktorer ska givetvis inte adderas, det finns samvariation/korrelationer dem emellan, men de tar normalt heller inte ut varandra (stora avvikelser syns ofta i mätningar av olika slag).
Men de behöver beaktas på något sätt. Lämpligen (?) utgår man från dr Flöjt och herr Olivs forskning kring frekvensgång och spridning, och att man (som I-or skrev) drar gränsen mellan högtalare och rum. Samt kanske även mellan högtalare och lyssnare? (Där kan du säkert göra goda avvägningar ). Lägg till vertikal spridning och distorsion, kanske en automatiserad regression mot målvärden, så tror jag att det kan finnas ett värde i avancerad modellering av högtalare. T ex skulle multipla diskanter kanske kunna simuleras för högre effekttålighet och mindre distorsion? Eller att det kommer ut smarta lösningar att hantera SBIR? (En Carlsson :) ).
Om man vill utgå från konventionella element tycker jag att man kommer långt med ett koncept med ett antal tumregler såsom kraftig kantrundning, avstånd mellan element om 1,2 * våglängden vid delningen, nyttja branta filter (3-4 ordn), samt bygga trevägare med bred baffel, samt ekvalisering 'a la I-or.

Så mitt svar på:
luminous skrev:...Några tankar om den här typen av simuleringar, och dess användbarhet vid design av högtalare? :)

.. är att modellen har hög potential och fångar kanske 40-50% (?) om man ser till hela kedjan men kanske uppemot 60-80% (?) om man fokuserar på att möta Toole's och Olive's forskning (där Olive score är ett mycket bra utvärderingsverktyg). Om även elementen modelleras blir den med avgränsningar och bortsett från distorsion nära nog hundraprocentig men en lämplig och enkel avvägning är att bara inkludera elementens frekvensrespons.

Det var alltså vikten av att ha koll på alla osäkerheter och göra lämpliga avvägningar som jag avsåg men inte orkade skriva ut i föregående inlägg. Det här inlägget skulle också kunna nyanseras och utvecklas mer men det får vara nu, jag tror och hoppas att andemeningen går fram.
sb17nbac till alla!

JM
 
Inlägg: 4869
Blev medlem: 2011-08-13

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav JM » 2024-07-17 23:38

Harryup skrev:
Jag skulle ju inte generalisera så, tror i princip ingen väljer en färgad återgivning eftersom det inte finns någon ofärgad återgivning.


Bra utgångspunkt Harryup!
Allt hörbart artificiellt reproducerat ljud är färgat dvs suboptimalt relativt verkliga icke artificiella ljudet.


Tool och Olive har med viss vetenskaplighet påvistat att amatörer och tränade lyssnare kan särskilja och föredrar ljudet från högtalare med rak tonkurva än från högtalare med icke rak tonkurva i Harmans relativt stora lyssningsrum.

Frekvensrakt ljud i ett ekofrittrum upplevs av amatörer som suboptimalt!

Hörbar fysikalisk distorsion ger mer suboptimalt ljud än samma ljud utan distorsion. Självklart men viktigt i denna kontext.

De flesta fysikaliska suboptimala ljud, utan var för sig hörbar distorsion, upplevs tillsammans som ytterligare klart suboptimala i de flesta situationer.

Inom vissa variabelintervall uppfattas flera odisorderade fysikaliska suboptimala ljud tillsammans som mindre suboptimala än varje ljud för sig! Detta är den normalhörande hjärnans aktiva optimering av vissa ljudkombinationer vid bla precedence effekten, lokalisering och

Neurofysiologin och neuropsykologin ger kontrollerbart hur flera suboptimala fysikaliska ljud kan ge ett upplevt mindre suboptimala totalljud!

Med några enkla fysikaliska ingrepp går det i de flesta lyssningsrum skapa en ljudupplevelse med klart mindre suboptimalt ljud än vid dagens fysikaliska akustiska tänkande.

Misstänker att utifrån luminous avhandling kommer det gå att extrapolera vissa av hans resultat från hörlursvärlden till våra lyssningsrum o vanlig stereolyssnng. Auralisering och spatial förbättring av vanliga stereoinspelningar kommer att komma inom snar framtid.
Det kommer att gå att teoretiskt räkna ut hur ett par högtalare kommer låta relativt inte absolut i ett givet rum utifrån vissa kritiska fysikaliska parametrar och några kritiska neurofysiologiska/psykologiska parametrar. Det krävs bara ny typ av högtalare i det mindre rummet, ny mjukvara och ny hårdvara. Då kommer vanliga stereoinspelningar att få en klart bättre spatial upplevelse - dvs ett mindre suboptimalt ljud än idag.
Då kommer det gå att matematiskt att skatta i de individuella fallet den relativa (ej absoluta) subopimerimgen av upplevda ljudet med en given uppsättning prylar i ett givet rum. Auralisering och ljudoptimering kan kollas innan köpet av prylar.

Kleiner et al. - defined auralization as the process of rendering audible the sound field of a source in a space, by physical or mathematical modeling, in such a way as to simulate the binaural listening experience at a given position in the modeled space.

Vår hjärna är tränad att känna igen det individuella "akustiska finger- avtrycket" som skapas av formen på våra huvuden och öron, och kan vi inte känna igen detta i det återgivna ljudet så blir resultatet en spektralt obalanserad (färgad) återgivning, fel uppfattad riktning på ljudet och ofta upplevs ljudet inuti huvudet istället för utanför det. Ett nyckelbegrepp i detta sammanhang är Head-Related Transfer-Function (HRTF), som beskriver det individuella akustiska avtrycket för ljud från olika riktningar med avseende på öronsignaler- nas spektrum i amplitud och fas.
https://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-527750

Det finns flera studier visandes att individ specifika frekvensskillnader mellan höger och vänster öra är oftast är viktigare än HRTF i den icke generella situationen.
Vid lokalisering av ljud i medellinjen i sagitalplanet i vertikalplanet finns ingen tidsskilland eller frekvensskillnad vid upptagning av med dumhuvuden. I verkligheten är våra ytteröron asymmetriska och ger små frekvensskillnader i både höger och vänster öra samt frekvensskillnader i varje separat öra beroende på ljudets lokalisktion. Dessa små frekvensskillnader har vi lärt oss att tolka som skillnader i höjd i vertikalplanet och i alla andra plan.
https://www.researchgate.net/publicatio ... ttal_Plane

Med intakt hörsel i bara ett öra kan vi hyfsat bra lokalisera ljud i horisontal- och vertikalplanet via inlärda frekvensvariaioner vid olika ljudlokaliseringar.

Observera att jag fokuserar på de individuella fallet. Inte som du på det generella. Individ variationerna när det gäller hörlurar och fysikaliskt uppmätt o upplevd rak frekvens är mycket stor - upp till 20 dB (30 dB enl Ior)

JM
Neuroscientist. Beauty is in the Brain of the Listener. "Kill your darlings" => scientific evolution.

Användarvisningsbild
petersteindl
Der Eiermann
 
Inlägg: 40044
Blev medlem: 2007-04-17
Ort: Härnösand

Re: Avancerad Högtalarsimulering

Inläggav petersteindl » 2024-07-18 18:03

luminous skrev:
I-or skrev:Jo, nog har det blivit en och annan simulering genom åren med FEM, BEM, strålgångsberäkning, spegelkällor, SEA o.s.v. Till detta kommer ganska omfattande korrelationsstudier, där simuleringsresultaten helst (minst sagt) ska överensstämma med mätresultaten, vilket inte alltid är det enklaste.

Vad gäller noggrannheten i auraliseringsresultaten så ligger svårigheterna dels i simuleringen och dels i själva auraliseringen:

För simuleringen är man, som du är väl medveten om, utan tillgång till en superdator i praktiken tvungen att utnyttja någon form av strålgångsberäkning eller liknande för höga frekvenser. Dessa metoder har egenheten att inte inkludera fasinformation, varför tidiga reflektioner inte kommer att representeras på ett sätt som överensstämmer med de ljudande resultaten. För efterklangsfältet har dock fasinformationen i praktiken en närmast försumbar betydelse, vilket minimerar effekterna av denna svaghet. Dessutom medför den exponentiella tillväxten av diffrakterade strålar att man måste trunkera stråltillväxten av numeriska skäl, vilket minskar beräkningsnoggrannheten.

Till detta kommer förstås i ditt exempel ovan den begränsade källbeskrivningen, men detta är mer uppenbart. För en fullständig representation av källornas utstrålningsegenskaper krävs FEM eller FEM/BEM för modellering av membranegenskaperna (här är nog Comsol Multiphysics mest lättarbetat även om Ansys, Abaqus, Catia m.fl. mjukvaror också är tillgängliga). För frekvenser under den första membranböjresonansen kan membranen modelleras som stela och här klarar man sig med BEM och ett utbrett källområde, men högtalarelement har vanligen ett passband som inkluderar flera membranresonanser, vilket gör källegenskaperna komplexa med påtagliga strålningslober.

För auraliseringen uppstår naturligtvis förutom den begränsade simuleringsnoggrannheten de gamla vanliga svårigheterna med frekvensgången vid trumhinnorna, precis som du avgjort har god kännedom om. Både ytteröron och hörselgångar varierar så pass mycket på individuell basis att det för hörlurslyssning krävs mätningar av HRTF:er med probmikrofoner för god noggrannhet, speciellt om man även vill uppnå goda resultat även för reflektioner i vertikalplanet (där vindlingarna i ytteröronen utgör hörselns enda möjlighet att avgöra riktning). Med högtalarlyssning undviker man förstås dessa svårigheter, men antalet nödvändiga kanaler blir av naturliga skäl mycket stort.

Vad gäller ljudsystem i bilar så blir det givet den stora mängden tidiga reflektioner svårt att utnyttja strålgångsberäkningar för en noggrann representation av de ljudande resultaten. Trots att bilkupéer inte är särskilt stora så blir beräkningskapaciteten i någorlunda världsliga datorer begränsande för FEM/BEM (antagligen är en ren FEM-beskrivning effektivast här) om man vill simulera upp till 15-20 kHz. Möjligen skulle ett sätt att minska beräkningsbelastningen något kunna vara att man delar upp simuleringen så att man utnyttjar FEM-resultat för de första millisekunderna, d.v.s. de tidiga reflektionerna, och strålgångsresultat för längre tider, men detta leder säkerligen till en hel del krångel i praktiken.

Dessutom har vi klassiska simuleringsproblem för bilar som individberoende infästning av paneler, upphängning av dörrar o.s.v., vilket ger (förvisso relativt smalbandiga) frekvensgångsskillnader om sådär +/- 5 dB i lågfrekvensområdet. För övrigt innefattar bilkupéer ofta en hel del simuleringsmässigt knepiga material som behandlat läder, diverse fibrösa syntetiska material, sladdriga gummimattor, feta tyskar (OK, kanske en och annan dito svensk också) m.m.

Nog om alla svårigheter, vi vet alla att verkligheten sällan samarbetar som den borde. :mrgreen:

Lycka till med disputationen!


Tack för lyckönskningen! Intressant att höra om dina erfarenheter och kul att du är insatt i näraliggande ämnen till min avhandling. När det gäller korrekt återgivning av ljudtrycket vid trumhinnan så håller jag helt med om att det är en utmaning att få det rätt och min uppfattning är att forskarvärlden har ägnat för lite uppmärksamhet där. I vår forskning har vi tagit fram en mätmetod för mätningar längre ut i hörselkanalen som är enklare att utföra än probmätningar, och som möjliggör korrekt återgivning vid trumhinnan. I korthet så mäter man med en liten array av två MEMS-mikar som ges ett kardioid-upptagningsmönster, vilket gör mätningen relativt okänslig för variationer i mikrofonens placering. Länk till artikel: https://www.researchgate.net/publication/373440420_Robust_Binaural_Measurements_in_the_Ear_Canal_Using_a_Two-Microphone_Array


Kan tänka mig att mitt senaste inlägg i steindl?-tråden möjligtvis kan vara av visst intresse.

https://www.faktiskt.io/phpBB3/viewtopic.php?p=2317136#p2317136

MvH
Peter
VD Bremen Production AB + Ortho-Reality AB; Grundare av Ljudbutiken AB; Fd import av hifi; Konstruktör av LICENCE No1 D/A, Bremen No1 D/A, Forsell D/A, SMS FrameSound, Bremen 3D8 m.fl.


Återgå till Teknikforum


Vilka är online

Användare som besöker denna kategori: Inga registrerade användare och 2 gäster