室内楽ホールの音響音線追跡シミュレーションの検証

コンサート ホールの建設または改修プロジェクトに着手する前に, エンジニアはその音響条件を数値的に解析して, 部屋がどのように聞こえるかを予測できます. 通常, コンサート ホールは対象の波長に比べて寸法が大きいため, 音響音線追跡と呼ばれる数値解析に最適です. 有名なコンサート ホールをシミュレートし, その結果を in situ 測定値と比較することで, 音響音線追跡がコンサート ホールや音楽室の音響条件を予測する正確な方法であることを実証します.

ベルリンコンツェルトハウスの響き

COMSOL Multiphysics® のバージョン 6.0 で提供されている室内楽ホール音響チュートリアルモデルでは, ベルリンコンツェルトハウスの小ホールを音響音線追跡で解析しています. (注：このブログの最後には, このモデルのアプリケーションギャラリのエントリに移動するボタンがあります).

夜のベルリンコンツェルトハウス. Ansgar Koreng による画像; 自作. Wikimedia Commonsを介し, CC BY 3.0 (DE)の下でライセンスされています.

ベルリンコンツェルトハウスは, 1821年に劇場としてオープンしました. プロイセンの建築家 Karl Friedrich Schinkel 氏が設計したものです. 1945年, 第二次世界大戦の末期に, 残念ながら劇場は破壊されてしまいました.

その後, 1979年に劇場が建て替えられました. 現在は3つの独立したホールを誇っています:

1. グランドホール：1400席
2. 小ホール：400席近く
3. モダンなヴェルナーオットーホール：250席

このチュートリアルモデルでは, “小ホール”を検証します.

COMSOL Multiphysics®による音響音線追跡解析の実行

強化された音線音響機能, ユーザー定義の空間指向性関数に基づく強度・位相分布を持つ音線を放出する機能, あるいは外場計算などを特徴としています.
 
チュートリアルモデルは, Brinkmann, Aspöck 両氏による 2019 年および 2020 年の研究に基づいています. (Ref. 1–2) その形状は 2350 m³ の容積を持ち, 原案とは異なり, コンサートホールの座席は, 高さ 0.8 m の押出しボリュームとしてモデル化されています.

注: Brinkmann, Aspöck 両氏の研究のデータは, すべて以下のライセンスで提供されています. CC BY-SA 4.0.

室内楽ホールモデルの幾何学.

このスタディでは, 1/3オクターブバンドで10組のソースとレシーバーのポジションを想定しています. ステージ上には2つの無指向性音源位置があり, 中央の客席エリアには5つのレシーバー位置があります. 室内音響のパラメーターは, 計算されたインパルス応答から導き出されます.

モデリング結果

音響音線追跡解析により, ベルリンコンツェルトハウスの音響特性を把握することができます. このシミュレーションでは, 100 Hz から5000 Hz の周波数範囲において, 音源から放出される各光線が運ぶパワーの量を計算することができます.
 

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部屋のインパルス応答を生成するために, このモデルは, 空気減衰と鏡面反射と拡散反射の混合を考慮して, 各音線に沿った音響パワーを計算します. インパルス応答のエネルギー減衰は, 1つの音源とレシーバーのペアに対する部屋の音響パラメーターを計算するために使用されます. レベル減衰曲線は, 10組の音源-レシーバーペアすべてについて生成され, そのうちの10個の値が各部屋の音響パラメーターについて導出されます. そして, 10組の平均値を計算し, 室内ホールの全体平均値を求めます.

1つの音源とレシーバーのペアの異なる周波数におけるレベル減衰曲線.

音響音線追跡解析の結果は, in situ測定データと比較され, ちょうど顕著な差 (JND) の値の3倍を表す間隔を伴っています. 比較の結果, 部屋の残響感に密接に関係する早期減衰時間 (EDT), 透明度 (C80), 明瞭度 (D) のすべてがシミュレーションと測定でよく一致することがわかりました.

EDT (左), C80 (中), D (右) のシミュレーション結果と測定結果の比較

これら3つのパラメータについて, 測定値との良好な適合を見出したことは, この種の研究に対する音響音線追跡シミュレーションの精度にとって心強い兆候です.

ベルリンコンツェルトハウス小ホールの完全音響音線追跡シミュレーション.

試しましょう

室内楽ホールのモデルは, 高度な室内音響シナリオに対する COMSOL Multiphysics の潜在的な可能性を示しています. 下のボタンをクリックすると, アプリケーションギャラリのエントリに移動しますので, ぜひお試しください.

参考文献

1. F. Brinkmann, L. Aspöck, D. Ackermann, S. Lepa, M. Vorländer, and S. Weinzierl, “A round robin on room acoustical simulation and auralization,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 145, pp. 2746-2760, 2019, doi: 10.1121/1.5096178.
2. L. Aspöck, F. Brinkmann, D. Ackermann, S. Weinzierl, and M. Vorländer, “BRAS – Benchmark for Room Acoustical Simulation”, 2020, doi: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6726.3.