К ОПРЕДЕЛЕНИЮ АКУСТИЧЕСКИХ ПРАМЕТРОВ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.396

Т.А. Мигачёва, Н.А. Черкасова К ОПРЕДЕЛЕНИЮ АКУСТИЧЕСКИХ ПРАМЕТРОВ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ

В статье описан принцип работы разрабатываемой параллельно-вычислительной системы предназначенной для расчета акустических характеристик помещения. Выработали рекомендации для автоматизированного расчет и моделирования акустического поля при помощи параллельно-вычислительной системы.

Ключевые слова: программная среда, параллельно-вычислительные системы, акустическое поле, форманты, формантная разборчивость.

Стремительное развитие акустических систем, привело к тому, что потребовалось создавать программные комплексы для расчета акустических характеристик [1]. Цель работы заключается в создании системы компьютерного анализа акустического поля при помощи параллельно -вычислительных систем.

Задача делится на две части (рис. 1) предметная сторона и программная область.

Специалист в предметной области вырабатывает рекомендации для автоматизированного расчета и моделирования акустического поля при помощи параллельно -вычислительных систем. [2]

П О Л Ь З О В А Т Е Л Ь

4 *

Предметная сторона Программная область

Рис. 1. Схема решения задач на компьютерных системах.

Далее выбираем математическое обоснование последовательности действий, благодаря которым получим решение, и описываем алгоритм решения задачи (рис. 2).

Следует выделить несколько этапов работы программы.

Шаг 1 (А1). Задание геометрических параметров модели

Шаг 2 (А2). Заданные параметры блока А1 отображают модель в блоке А2, то есть в данном блоке идет построение помещения по его геометрическим параметрам. Результатом является план помещения, в котором отобразятся: балконы, выступы, подиумы, подъёмы, двери, окна, сиденья и т.д. Пример помещения представлен на рис.3.

© Мигачёва Т.А., Черкасова Н.А., 2015.

Рис. 2. Схематичное описание алгоритма.

Рис. 3. Изображение помещения.

Шаг 3 (А3). Присвоение физических свойств. Идет обращение к банку данных, который содержит информацию о материалах и их коэффициентах поглощения а.

Шаг 4 (А4). Физическое моделирование. В этом блоке проводятся все вычисления согласно статистической теории и выполняются функции моделирования акустического поля. Проводится акустический расчет помещения.

Здесь идет параллельное вычисление системы (независимо друг от друга). Это возможно сделать с такими параметрами как: оптимальное время реверберации, для помещения и студии; реверберацион-ный коэффициент помещения а'; средний коэффициент поглощения аср; общее требуемое поглощение ^4тр;основной фонд поглощения; требуемый дополнительный фонд поглощения. Расчет ведется на средних октавных частотах 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 Гц (рис. 4). [3]

Рис. 4. Схематичное изображение параллельного вычисления.

При вычислении уровней звуковых давлений так же применяется параллельно -вычислительная система. Помещение разбивается на координаты (п-е количество точек). Каждая точка имеет свою координату, что позволяет, не зависимо друг от друга, одновременно, произвести вычисления.

В качестве примера рассмотрели многоцелевой зал кампуса ДВФУ "Красный", вместимостью 700 мест, предназначенный для проведения различного рода концертов и речевых мероприятий. В данной работе представлена оценка формантной разборчивости речи в зале.

Под разборчивостью речи подразумевают отношение числа элементов речи артикуляционных таблиц, правильно принятых слушателями, к общему числу элементов, переданных по тракту. В качестве передаваемых элементов речи используют звуки, слоги, слова, цифры, фразы. В связи с этим определяют звуковую, слоговую, словесную, цифровую, или фразовую разборчивость речи, которые, однако, все связаны между собой и могут быть пересчитаны одна в другую.

Необходимость в оценке разборчивости речи возникает в таких случаях как определение качества акустики помещений, оценки качества устройств, определении качества трактов передачи речи, а так же, при защищенности речевой информации от несанкционированного прослушивания, когда требуется сделать речевой сигнал минимально разборчивым.

Существует значительное количество методов оценки разборчивости, которые могут быть разделены на две большие группы: субъективные методы (базирующиеся непосредственно на экспертных оценках), и объективные (основанные на получении определенной числовой величины в результате измерения). Объективные методы, в свою очередь, в зависимости от вида измеряемых параметров подразделяются на модуляционные, эмпирические и формантные. Из всех представленных методов наибольшей точностью оценок обладают методы, основанные на формантной теории речи. [5]

Теория разборчивости и методы расчета основаны на представлении речевого сигнала в виде совокупности формант. Формантная теория расчета принимает форманты за элементы звуков речи, несущие информацию и определяющие разборчивость. Форманты - усиленные области частот, воздействующие на ухо слушающего, формируя звучание того или иного звука. [3].

Назначение зала предъявляет строгие требования к реверберационному режиму и накладывает ограничения на акустическое оформление зрительного зала.

Для данного зала многоцелевого назначения объёмом 7229 м3 оптимальное время реверберации = 1,4с на 500Гц.

Для каждой полосы равной разборчивости коэффициент разборчивости в общем случае будет разным.

По результатам расчета формантной разборчивости А=0,85, из специальных таблиц "Зависимость слоговой и словесной разборчивости от разборчивости формант" и "Разборчивость речи для различных градаций понятности" нашли значения слоговой S = 98% и словесной W = 99,7% разборчивостей, которые соответствуют оценке понятности "отлично". А значит, при проведении различного рода мероприятий речь будет восприниматься слушателями достаточно четко.

Таблица 1

Время реверберации

Наименование характеристики Значение характеристики на частотах

250 500 1000 2000 4000 6000

Оптимальное время реверберации 1,60 1,53 1,46 1,46 1,53 1,60

Расчетное время реверберации 1,89 1,36 1,07 0,95 0,97 0,81

По имеющимся значениям времени реверберации, спектральным уровням речи и акустических шумов будут рассчитаны остальные параметры, необходимые для расчета разборчивости.

Далее, переходя, непосредственно к расчету формантной разборчивости речи, весь частотный диапазон от 150 до 7000 Гц, в котором располагаются форманты, делят на 20 полос равной разборчивости. В каждой полосе равной разборчивости вероятность появления формант равна 0,05. При слушании речи в условии шумов и помех разборчивость получается меньшей, чем в их отсутствие. Коэффициент, определяющий это уменьшение, называют коэффициентом разборчивости. [6]

Для передачи сигнала использовались звуковые колонки 1БЬ ЕОШ10/230 и микрофон 8еппИе18еге 865. Спектральные уровни помех Вп, спектральные уровни речи у микрофона и слушателя Врм и Врс соответственно, индекс тракта Рмс, уровни ощущения формант Е, необходимые для расчета коэффициента разборчивости ю представлены в таблице 2.

Таблица 2

f "D врм Ba XAL Qh.O Врс Вп Вш Е ю

Гц дБ

250 55,9 27 -26,7 -7,6 48,3 0,6 29,0 19,3 0,8

500 51,9 28 -27,9 -5,2 46,7 -2,1 29,4 17,3 0,7

1000 43,4 17 -28,5 -3,2 40,3 -9,2 18,0 22,3 0,9

2000 35,9 6,5 -27,8 -4,3 31,6 -17,1 7,3 24,3 1,0

4000 25,5 1 -26,4 -7,8 21,1 -26,3 1,0 20,1 0,8

6000 21,6 -4 -25,2 -9,0 16,9 -29,3 -4,7 21,6 0,9

Шаг 5 (А5). Здесь осуществляется отображение помещения и распределения акустического поля, по которым можно провести анализ результатов расчета и сделать выводы о пригодности помещения для проведения различных программ.

Достоверность проделанных расчетов будет подтверждена после доработки параллельно-вычислительной системы, которая будет делать автоматизированный расчет, и моделировать акустическое поле, приводя к быстрым и точным результатам.

Список литературы

1. Воеводин Вл.В., Жуматий С.А. Вычислительное дело и кластерные системы. Советы и рекомендации по планированию, проектированию и использованию кластеров в вычислительной практике. Издательство Московского университета, 2007. - 150 с.

2. Чусов А.А., Стаценко Л.Г. Разработка адаптируемых распределённых систем параллельного моделирования, анализа и визуализации физических полей: монография [Электронный курс] / Инженерная школа ДВФУ. -Владивосток: Дальневост.федерал.ун-т, 2014.

3. Акустика студий звукового и телевизионного вещания. Системы озвучивания: учебно-методическое посо-бие/сост. Л.Г. Стаценко, Ю.В. Паскаль. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2006 - 96 с.

4. Радиовещание и электроакустика: Учебник-пособие / Под ред. Ю.А. Ковалгина. - М.: Радио и связь, 2002.

5. Козлачков С.Б. Методические аспекты оценки защищенности речевой информации // Спецтехника и связь. - 2011. - С. 44-47.

6. Справочник / А.П. Ефимов, А.В. Никонов, М.А. Сапожков, В.И. Шоров; Под редакцией М.А. Сапожкова. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989.

МИГАЧЁВА ТАТЬЯНА АНДРЕЕВНА - магистрант, Дальневосточный федеральный университет, Россия.

ЧЕРКАСОВА НИНА АЛЕКСАНДРОВНА - магистрант, Дальневосточный федеральный университет, Россия.