Projekt NCN

Głównym celem zrealizowanego projektu z zakresu badań podstawowych w dziedzinie akustyki fonicznej i inżynierii dźwięku (jeden z działów akustyki) było przeprowadzenie analizy zjawisk falowych zachodzących w rzeczywistym polu akustycznym w otoczeniu drgających struktur (źródeł dźwięku) oraz innych obiektów, na które oddziałuje strumień przepływającej energii akustycznej. Pierwszym wątkiem badawczym była analiza pola akustycznego w otoczeniu wybranych instrumentów muzycznych. W toku realizacji projektu przeprowadzono badania rozkładu pola akustycznego w otoczeniu dwóch typów piszczałek organowych (otwartych i zamkniętych) oraz różnych typów gitar akustycznych. Drugi wątek badawczy dotyczył badania oddziaływania strumienia energii akustycznej wytwarzanej przez różne źródła dźwięku (głośniki) na symulator ludzkiej głowy i torsu (manekin HATS) oraz dyfuzor akustyczny.

Badania przeprowadzono za pomocą specjalistycznej aparatury pomiarowej, wytworzonej w trakcie realizacji projektu. Wybrane, istotne elementy tej aparatury to między innymi robot kartezjański – urządzenie, które umożliwia precyzyjne i powtarzalne umieszczanie czujnika pomiarowego w wyznaczonych punktach pomiarowych oraz układ szybkich kamer umożliwiających rejestrację procesu drgań strun gitarowych. Wynikiem pomiarów były wartości wektora natężenia dźwięku przypisane do poszczególnych punktów w badanym fragmencie przestrzeni trójwymiarowej. W toku realizacji projektu opracowano liczne stanowiska badawcze, które mogą być wykorzystane przy prowadzeniu pomiarów rozchodzenia się dźwięku także dla innych instrumentów muzycznych oraz scenariuszy pomiarowych. Rozbudowa bazy laboratoryjnej przyczyniła się pośrednio do uzyskania akredytacji (nr AB 1576) przyznanej Laboratorium Akustyki Fonicznej  przez Polskie Centrum Akredytacji. Przygotowano autorskie oprogramowanie do obsługi zbudowanych stanowisk badawczych. Pomiary oraz symulacje prowadzone były w kolejnych, cyklicznie powtarzanych etapach (iteracjach). Punktem wyjścia był rzeczywisty pomiar rozkładu pola akustycznego w otoczeniu badanego obiektu za pomocą sygnału wielotonowego (zawierał on składowe sinusoidalne o częstotliwościach: 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 [Hz]). Obejmował on dwie fazy: pomiar rozkładu wektorowego pola akustycznego w obecności samego źródła (pole wektorowe odniesienia) oraz pomiar pola akustycznego w obecności źródła i badanego obiektu (pole wektorowe właściwe). Dzięki temu możliwe było wyznaczenie pola różnicowego, tj. różnicy pomiędzy polem właściwym a polem odniesienia. Następnie przygotowana została symulacja, odrębnie dla każdej częstotliwości występującej w wielotonie, uwzględniająca geometrię oraz właściwości akustyczne źródła energii akustycznej (wyznaczane również metodami optycznymi) oraz obiektu, na które oddziaływała fala akustyczna. Obliczano zarówno pole wektorowe odniesienia, jak i pole wektorowe właściwe. W kolejnym kroku badano zgodność wyników pozyskanych za pomocą wymienionych technik (pomiarowej i numerycznej). Dzięki temu, na podstawie analizy zgodności uzyskiwanych wyników, możliwe było przeprowadzenie procesu kontroli poprawności zarówno scenariuszy pomiarowych, jak i konfiguracji obliczeniowych. Podejście to zostało zastosowane podczas badań rozkładu pola wektorowego w otoczeniu symulatora głowy i torsu oraz dyfuzora akustycznego.

Przeprowadzone badania umożliwiły obserwację zjawisk falowych, takich jak dyfrakcja, interferencja czy odbicie dźwięku w pobliżu przeszkód o skomplikowanej geometrii dla szerokiego zakresu częstotliwości. Trajektorie transportu energii akustycznej przyjmują skomplikowane kształty, są one tym bardziej złożone, im wyższa jest częstotliwość sygnału pobudzającego. W szczególności możliwe było dokładne zaobserwowanie rozkładów pola akustycznego w otoczeniu głowy człowieka oraz dokonanie analizy jednej z przyczyn powstawania  międzyusznej różnicy natężenia dźwięku (ang. Interaural Intensity Difference, IID). W odniesieniu do badania rozkładu energii akustycznej w otoczeniu wybranych instrumentów muzycznych skoncentrowano się na badaniu różnych rodzajów piszczałek organowych. W wyniku realizacji projektu dokonano zobrazowania w przestrzeni rozkładu natężenia dźwięku wokół piszczałek organowych. Zagadnienie to jest istotne m.in. z punktu widzenia realizacji nagrań, ale bardziej istotna jest możliwość zweryfikowania w sposób obiektywny wiedzy dotyczącej konstrukcji i budowy organów piszczałkowych, związanej ze sposobem promieniowania dźwięku przez pojedynczą piszczałkę.

Analiza sposobu rozchodzenia się dźwięku, wykonana w oparciu o linie przepływu energii akustycznej, ujawniła wyraźne różnice występujące dla piszczałek zamkniętych i otwartych. Dla tych pierwszych przepływ energii akustycznej odbywa się od źródła dźwięku (szczeliny) w górę, co oznacza, że do słuchacza trafia głównie dźwięk odbity. W przypadku piszczałki otwartej – strumienie ułożone są bardziej poziomo i zakrzywiają się w dół w pewnej odległości od piszczałki. Zagadnienia te mają szczególne znaczenie zarówno dla konstruktorów instrumentów muzycznych, ale również dla słuchaczy, którzy oceniają barwę dźwięku instrumentu. W ramach przeprowadzonych prac przebadano drgania struny gitarowej z użyciem innowacyjnych metod pomiarowych. W tym celu opracowano metody wizyjnej rejestracji drgań za pomocą szybkich kamer i analizy obrazu w celu pomiaru drgań struny. Zbudowano zestaw pomiarowy, w którego skład wchodziły dwie szybkie kamery, mikrofon referencyjny i karty do synchronicznej akwizycji danych oraz środowisko testowe do stabilnego umieszczenia instrumentu i odizolowania go od innych drgań. Przeprowadzone pomiary pozwoliły na zobrazowanie i interpretację zjawisk, które do tej pory były słabo poznane i opisane w literaturze.. W odniesieniu do kierunkowości promieniowania energii akustycznej przez piszczałki organowe udało się pokazać znaczące różnice w sposobie rozchodzenia się dźwięku dla piszczałek otwartych i zamkniętych. W przypadku badania rozkładu pola akustycznego w otoczeniu głowy przedstawiono rozkład pola akustycznego dla różnych wariantów położenia źródła dźwięku i częstotliwości sygnału. Zgromadzone dane rzucają nowe światło na zagadnienia związane ze słyszeniem przestrzennym dźwięku instrumentów muzycznych. Należy podkreślić, że częstą przeszkodę w prowadzeniu tego rodzaju badań stanowi wysoki koszt czujników pomiarowych. Z tego powodu rozszerzono zakres badawczy projektu o opracowanie i sprawdzenie w praktyce, ekonomicznej sondy do pomiaru przestrzennego rozkładu natężenia dźwięku. Istotną cechą opracowanego w ramach projektu rozwiązania są niskie koszty jednostkowe wykonania sensora akustycznego, którego funkcjonalność w przyjętym zakresie częstotliwości nie ustępuje rozwiązaniom znacznie bardziej kosztownym.