Simulationssoftware für Raumakustik

Simulationssoftware ermöglicht es, bei raumakustischen Problemen zeit- und ressourcenschonend verschiedene Varianten beziehungsweise Anpassungen eines Raums zu betrachten. Um die raumakustische Optimierung eines Raums zu prüfen, wird vor Einbau von akustischen Maßnahmen eine digitale Simulation durchgeführt. Für Simulationen in der Raumakustik gibt es verschiedene Software-Technologien und -produkte.

Eine präzise Simulation der Schallausbreitung ist in der Akustik essenziell. Dafür eignen sich vor allem der Spiegelschallquellenalgorithmus und das Ray Tracing.

- Spiegelschallquellen-Algorithmus: Diese Methode modelliert die Schallausbreitung in Räumen mit glatten Wänden und verwendet virtuelle Schallquellen, um die relevanten Schallpfade zwischen Quelle und Empfänger zu identifizieren. Die Berechnung berücksichtigt Verzögerung, Amplitude und Reflexionsfaktoren der Wände und liefert exakte Ergebnisse im frühen Teil der Impulsantwort. Aufgrund des hohen Rechenaufwands ist der Algorithmus jedoch nur für niedrige Reflexionsordnungen geeignet.

- Ray Tracing: Hier werden Schallstrahlen simuliert, die von Quellen ausgehen und sich durch den Raum bewegen. Es berechnet vor allem den späten Teil der Impulsantwort, gestreute und gebeugte Komponenten. Da das menschliche Gehör die Feinstruktur des Schalls nicht genau wahrnimmt, erfolgt eine Näherung über statistische Mittel, indem Strahlen über Zeitintervalle gemittelt werden.

- Hybridmodell: Um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren, entstand das Hybridmodell. Hierbei wird Ray Tracing zur Berechnung des späten Teils der Impulsantwort eingesetzt und ergänzt den Spiegelschallquellenalgorithmus für eine effizientere Berechnung hörbarer Reflexionen. Der kombinierte Ansatz ermöglicht eine detaillierte und rechenoptimierte Simulation akustischer Szenarien in komplexen Räumen, was in der Raumakustikforschung und -praxis vielfach Anwendung findet.

- Wellenbasierter Ansatz: Insbesondere für tiefe Frequenzen und kleine Räume stoßen die oben aufgeführten Algorithmen an ihre Grenzen. Das Schallfeld ist dann von Raummoden, wiki.audio / Akustik / Raummoden, geprägt und durch stehende Wellen ist die Schalldruckverteilung im Raum sehr ungleichmäßig. Hier gibt es Ansätze, die Wellenausbreitung und -verteilung im Raum zu berechnen und damit das Schallfeld im Tieftonbereich realistisch zu simulieren. Das Verfahren wird häufig mit dem Ray Tracing, welches die höheren Frequenzanteile berechnet, kombiniert.

- hier wären noch einige Grafiken / Abbildungen schön (die Bildrechte müssen geklärt sein) -  

Endergebnis einer Raumsimulation können Raumimpulsantworten (RIA), wiki.audio / Akustik / Raumimpulsantwort, sein, die nach raumakustischen Kriterien (z.B. nach ISO 3382) ausgewertet werden können. Werden die RIA "stereo", binaural, gerechnet, erschließt sich eine wertvolle Möglichkeit: Mithilfe einer -> Auralisation kann man "in den Raum hineinhören", auch wenn dieser in der Realität (noch) gar nicht existiert. So kann auch die subjektive Wirksamkeit raumakustischer Maßnahmen überprüft werden, indem verschiedene Varianten gerechnet werden.

Es gibt neben den grundlegenden Fragestellungen und Algorithmen noch viele "Feinheiten", die hier nur kurz angerissen werden können und in denen sich die kommerziellen Produkte unterscheiden:

Die Software EASE (Electroacoustic Simulator for Engineers) wird von ihrem Hersteller AFMG als globaler Standard für Raumakustik-Simulationen beschrieben. Seit der Veröffentlichung der ersten Version, EASE 1.0 für MS-DOS im Jahr 1990, wird die Software kontinuierlich weiterentwickelt. Die neueste Version, EASE 5 2nd Edition, erschien 2023 und bietet wissenschaftlich fundierte, äußerst präzise Simulationen sowie eine optimierte Benutzerfreundlichkeit. Mit EASE lassen sich umfassende 3D-Simulationen für Räume unterschiedlichster Art erstellen – von einfachen Klassenzimmern bis hin zu großen Konzertsälen und Arenen. Auch im Bereich der Elektroakustik ermöglicht die Software Simulationen für eine Vielzahl von Lautsprechersystemen verschiedener Hersteller.

Das Odeon-Software-Programm dient der Simulation von Raumakustik und verwendet energie-basierte Berechnungsmethoden. Schallwellen werden als Strahlen (Rays) modelliert, die von einer Schallquelle zu einem Empfänger reflektieren und als sogenannte "Bildquellen" dargestellt werden. Da die Berechnungen im Energiebereich stattfinden und die Phaseninformationen des Schalls nicht berücksichtigt werden, ist die Simulation besonders effizient und eignet sich gut für größere Räume.

Die Simulationstechniken in Odeon sind für Frequenzen und Räume mit hohem Modenüberlapp geeignet, was bei größeren Räumen bereits bei moderaten Frequenzen auftritt. Die Berechnung basiert auf der Schroeder-Frequenz, die eine Mindestfrequenz festlegt, ab der Modenüberlappung für eine zuverlässige Schallfeldsimulation ausreichend ist. Typischerweise ist die Methode für Frequenzen ab etwa 125 Hz geeignet, auch wenn in großen Hallen Simulationen bereits bei etwas niedrigeren Frequenzen akzeptable Ergebnisse liefern können.

Odeon verwendet verschiedene Methoden, darunter die Image-Source-Methode (ISM), die Early-Scattering-Methode (ESM) sowie die Ray-Tracing- und Ray-Radiosity-Methode. Die ISM und ESM sind speziell für frühe Reflexionen verantwortlich, während das Ray-Radiosity-Verfahren die späten Reflexionen behandelt. Diese Aufteilung ermöglicht eine effiziente und präzise Simulation sowohl in der frühen als auch in der späten Reflexionsphase.

 
Video Tutorials - ODEON Room Acoustics Software

CATT-Acoustic ist eine Raumakustik-Software, die geometrische Akustikmodelle verwendet und Strahlenverfolgung (Ray-Tracing) für die Berechnung der Schallausbreitung, Nachhallzeit und Lautstärke in dreidimensionalen Räumen einsetzt. Die Software unterstützt auch den Import von CAD-Dateien und die Definition spezifischer Raumgeometrien und Materialeigenschaften, wie Absorptions- und Diffusionswerte, die in die Simulation einfließen.

Die Simulation nutzt die Image-Source-Methode (ISM) für frühe Reflexionen und detaillierte Diffusionsberechnungen für späte Reflexionen, um eine präzise Nachbildung komplexer akustischer Szenarien zu ermöglichen. Aufgrund der Annahme von Schallstrahlen ohne Wellenlänge können stehende Wellen und Eigenfrequenzen nicht direkt modelliert werden, was insbesondere bei kleinen Räumen zu Abweichungen führen kann.

CATT-Acoustic bietet eine frequenzabhängige Analyse, die Absorption und Diffusion ab etwa 125 Hz berücksichtigt und besonders für mittlere bis hohe Frequenzen in größeren Räumen geeignet ist. Die Software ist ideal für Anwendungen, die eine detaillierte Betrachtung der raumakustischen Eigenschaften erfordern, etwa bei der Planung von Auditorien oder Theatern.

Die Firma Treble benutzt für ihre raumakustische Simulation einen hybriden Ansatz. Für tiefe Frequenzen findet eine wellenbasierte Berechnung mittels FEM (finite element method) statt, während bei mittleren und hohen Frequenzen die "geometrische Akustik" eingesetzt wird (Ray Tracing). Die Frequenz des Übergangs zwischen den Verfahren kann dabei vom Nutzer eingestellt werden. Die Firma verwendet im Gegensatz zu den anderen Wettbewerbern eine cloudbasierte Berechnung auf ihren eigenen Servern, beim Anwender läuft nur eine Benutzungsoberfläche (GUI). Dadurch wird Rechenzeit in erheblichem Maße eingespart: Bei komplexen Räumen können die Berechnungen bei den "klassischen" Systemen schon einmal viele Stunden oder Tage dauern. Treble erhebt den Anspruch, bei typischen Aufgabenstellungen um den Faktor Hundert schneller zu sein als lokale Lösungen. Dies trägt natürlich zur Wirtschaftlichkeit bei und ermöglicht den Einsatz dieser Simulationssoftware auch für weniger budgetstarke Projekte.