ERK'2022, Portorož, 321-325 321 3D lasersko skeniranje kot podporno orodje za akustiˇ cno sanacijo stare industrijske hale (3D laser scanning as an assisting tool for acoustic renovation of an old industrial hall) Urban Kavka 1 , Rok Prislan 1 1 InnoRenew CoE E-poˇ sta: urban.kavka@innorenew.eu Abstract Lately it is becoming common to consider acoustics within complete renovation of a building. When the place is meant to serve as a venue for variety of different events, designing room acoustics is a necessary step to check. The acoustic renovation of main hall has been studied considering different requirements of various social events at Creative quarter Barutana (org. Kreativna ˇ cetrt Barutana). The basic process was assisted from the start with 3D laser scanning to acquire accurate positions of microphones and sound sources, which speeded up the measurements as well as capturing the overall geometry of the room. Operating with point cloud came with difficulties but opened many possibilities for development of assisting tools and plug-ins that could specifically help in case of detecting microphones. 1 Uvod Industrijska obmoˇ cja, ki je so zgradila v 19. stoletju in zaˇ cetku 20., so se proti koncu prejˇ snjega tisoˇ cletja mnoˇ ziˇ cno opuˇ sˇ cala. Tako so nastala ˇ stevilna degradirana obmoˇ cja, ki so problematiˇ cne ne le zaradi neizkoriˇ sˇ cenosti stavbnega fonda ampak ravno tako predstavljajo ekoloˇ sko groˇ znjo. Z namenom revitalizacije to vrstnih obmoˇ cij je potrebno industrijske komplekse celostno prenoviti in vanje smiselno vnesti nove dejavnosti ter uporabnike. Primer revitalizacije degradiranega industrijskega kompleksa je tudi zapuˇ sˇ ceno kovinarstvo na obmoˇ cju nekdanje tovarna smodnika Kemijske industrije Kamnik. Stavba kovinarstva, poimenovana tudi ˇ slosarija Barutana se je v zadnjih letih razvijala v Kreativno ˇ cetrt Baturana, znotraj katere se bodo v prihodnosti odvijali raznoteri kulturni in druˇ zabni dogodki, od koncertov, gledaliˇ sˇ c in predavanj do sejmov in razstav. Zasnova Kreativne ˇ cetrti Barutana (v nadaljevanju K ˇ CB) je v svojem jedru prostor skupnega soustvarjanja, kjer lahko kdorkoli iz ˇ sirˇ se javnosti organizira razliˇ cne javne dogodke. Stavba ponuja manjˇ se nekdanje pisarne in veˇ cjo industrijsko avlo, ki bi se ob ustrezni prenovi lahko uporabljali kot pisarne, ateljeji oziroma prireditveno prizoriˇ sˇ ce. ˇ Sirok nabor dogodkov predstavlja izziv za akustiˇ cno sanacijo glavne industrijske hale. Sanacija je pogojena tudi s toˇ cnostjo meritev obstojeˇ cega stanja prostorske akustike kot tudi dimenzij prostora. S tem namenom smo preverili uporabo 3D laserskega skenerja za precizne meritve leg mikrofonov in zvoˇ cnih virov ter natanˇ cne geometrije prostora. 2 Teorija Akustiˇ cna sanacija je ustaljen proces, pri katerem se najprej izmeri trenutno stanje prostorske akustike obravnavanega prostora, nato pa z analitiˇ cnimi metodami ali simulacijami vpelje in preveri potencialne reˇ sitve. Konˇ cni korak akustiˇ cne sanacije je vgradnja akustiˇ cnih elementov ter opravljanje meritev v izboljˇ sanem stanju. Za osnovne meritve se je izbralo meritve hrupa ozadja, odmevnega ˇ casa in impulznega odziva. 2.1 Akustiˇ cni parametri Impulzni odziv (ang. impulse response) prostora nam omogoˇ ca doloˇ citev veˇ c akustiˇ cnih parametrov prostora. Najbolj poznan akustiˇ cni parameter, odmevni ˇ cas, tako doloˇ cimo s postopkom, ki ga je razvil nemˇ ski akustik Schr¨ oder kot alternativo metodi prekinjenega hrupa [1]. Za doloˇ citev odmevnega ˇ casa najprej razdelimo meritve na posamezne frekvenˇ cne pasove, nato pa se filtriran signal kvadrira in obratno integrira, da pridobimo krivuljo upadanja ravni zvoˇ cnega tlaka [2]. Preko meritev impulznega odziva se je poleg odmevnega ˇ casa izraˇ cunalo sledeˇ ca akustiˇ cna parametra: • Definicija, D 50 (ang. definition) = parameter, ki pove, kako ˇ cist je zvoˇ cni val, preko merjenja razmerja zaˇ cetnih in poznejˇ sih energij, ki prispejo do obˇ cinstva, v razkoraku 50 ms [2, 3]. • Toplina (ang. Warmth) = odmevnost v obmoˇ cju nizkih (basovskih) tonov, med 75 Hz in 350 Hz, oznaˇ ceno tudi kot BR (ang. Bass ratio) in se ga lahko izraˇ cuna po Beranek [4] kot BR = (T 125 + T 250 )/(T 500 +T 1000 ), ali po Adelman-Larsen et. al [5] kot BR = (T 125 +T 250 )/(T 500 +T 2000 ) [3, 4] 2.2 Odeon Auditorium Akustiˇ cno projektiranje je v preteklosti osnovalo na posnemanju primerov dobrih praks. V zadnjih desetletjih se je razvoj akustike pospeˇ sil tudi zaradi simulacijskih orodij, s katerimi se je proces projektiranja akustike in akustiˇ cnih sanacij bistveno pohitril. Med simulacijskimi orodji loˇ cimo na tiste, ki temeljijo na geometrijskih 322 metodah ˇ sirjenja zvoka, in tiste, ki uporabljajo valovne metode modeliranja. Za potrebe te ˇ studije sem uporabil programsko orodje Odeon Auditorium [6], ki sodi med geometrijske metode simuliranja prostorske akustike. Prednost geometrijskih metod je njihova ˇ casovna uˇ cinkovitost [2], slabost je, da predpostavijo ˇ sirjenje zvoka kot ˇ zarkov in zanemarijo nekatere aspekte valovne narave zvoka. Slednje se praviloma pokaˇ ze kot omejitev v obmoˇ cju nizkih frekvenc, kjer so tudi napake poslediˇ cno veˇ cje [7]. Frekvenˇ cna meja, nad katero je geometrijska metoda simuliranja primerna za obravnavo izbranega prostora, je Schr¨ oderjeva frekvenca: f s = 2000( m s ) 3/ 2 × r T V , (1) kjer je T izmerjeni odmevni ˇ cas in V volumen obravnavanega prostora [1, 2]. V primeru obravnavane glavne industrijske hale K ˇ CB je Schr¨ oderjeva frekvenca, f s = 70,7 Hz. Pri predpostavki, da je izraˇ cunano frekvenca znotraj terˇ cnega pasu s srednjo vrednostjo 63 Hz, sem predpostavil, da lahko s simulacijskim orodjem obravnavam oktavne pasove nad 125 Hz. Programsko orodje ODEON uporablja algoritme, ki izraˇ cuna pozne odboje z metodo sledenja ˇ zarku (ang. ray-tracing method) in zgodnje zvoˇ cne odboje s hibridno kombinacijo metode zrcalnih izvirov (ang. image source method) in metodo sledenja ˇ zarku za odboje, ki se pojavijo pred doloˇ cenim vrstnim redom odbojev. Zgodnji razprˇ seni odboji so simulirani z metodo zrcalnih izvirov vsakiˇ c, ko je prepoznan zrcalni izvir. V drugem delu simulacije, ko so pozni odboji raˇ cunani z metodo sledenja ˇ zarku, se simulira tudi sekundarne zvoˇ cne izvire, ki sevajo energijo lokalno od povrˇ sin, na podlagi frekvenˇ cno odvisne usmerjenosti. Pri ˇ cemer se lahko izbira med Lambertevo, poˇ sevno Lambertevo ali enotno usmerjenostjo v odvisnosti od izbranih odbojnih lastnost. Ravno to je prednost programskega orodja ODEON, saj omogoˇ ca prilagodljivost parametrov simulacije, med drugim tudi v ˇ casu trajanja zgodnjih in poznih odbojev [6, 8]. V svojih simulacijah sem uporabil impulzni odziv dolˇ zine 3000 ms in doloˇ cil ˇ stevilo zgodnjih odbojev na 2500 ter ˇ stevilo poznih odbojev na 5000. S tem sem izbral dolˇ zino trajanja simulacije, ki je zagotovila ponovljivost rezultatov. 3 Meritve Tekom ˇ studije se je obravnavala industrijska hala K ˇ CB, kjer so predvideni raznoteri dogodki, od koncertov sodobne glasbe, gledaliˇ sˇ ca do predavanj, sejmov in razstav. Tako raznolika uporaba zahteva veˇ cjo fleksibilnost akustiˇ cnih elementov kot je to v navadi za prizoriˇ sˇ ca sodobne glasbe ali gledaliˇ sˇ ca. Zaradi raznolikosti predvidenih rab prostora so se prvotne meritve obstojeˇ cega stanja prostorske akustike izvedle v nezasedenem stanju. S tem namenom se je najprej iz vseh prostorov umaknilo nepotrebno in nepritrjeno opremo, nato se je manjkajoˇ ci del stavbnega pohiˇ stva, razbita in manjkajoˇ ca okna ter vrata, prekrilo z gladkimi lesenimi ploˇ sˇ cami. Stanje v katerem se je izvedlo meritve je vidno na sliki 1. Slika 1: Fotografija v ˇ casu opravljanja meritev v spraznjeni industrijski hali K ˇ CB. Opravilo se je meritve odmevnega ˇ casa z metodo prekinjenega hrupa na 14 razliˇ cnih legah mikrofona in 2 razliˇ cnih legah izvora zvoka ter meritve impulznega odziva na 9 razliˇ cnih legah mikrofona pri 1 legi izvora. Lege se je pridobilo s pomoˇ cje 3D skeniranja, ki se je izvajalo soˇ casno z akustiˇ cnimi meritvami. 3.1 3D-SKENIRANJE 3D lasersko skeniranje se je izvedlo s strojne opreme: Trimble X7 in programske opreme: Trimble RealWorks. Na sliki 2 je prikaz uporabe 3D skenerja v ˇ casu meritev. Slika 2: Prikaz uporabe 3D skenerja v ˇ casu meritev. 3D skeniranje je omogoˇ cilo hitro in precizno 323 pridobivanje leg mikrofonov in izvora. Na osnovi primerjave obeh metod ocenjujem, da je odstopanje pri doloˇ canju lege mikrofona manj kot 1 cm. Pridobljene vrednosti so predstavljene v tabeli 1. Prvih nekaj meritev se je preverilo tudi z roˇ cnim merjenjem leg mikrofonov in izvorov z uporabo laserskim in traˇ cnim dolˇ zinskim merilom, vendar se je za nadaljnje meritve to opustilo zaradi zamudnosti. Posamezna meritev s 3D skenerjem je trajala do 2 minuti, vkljuˇ cno s premikom skenerja. Na drugi strani je pri krajˇ sih razdaljah od bliˇ znjih sten roˇ cno merjenje vzelo vsaj 2-kratnik ˇ casa. Rezultati so predstavljeni tudi grafiˇ cno na sliki 3. Z rumeno barvo je oznaˇ ceno v spodnjem levem kotu koordinatno izhodiˇ sˇ ce in z modrim kvadratom predvideno obmoˇ cje odra. Z modrimi oznakami M1,i so oznaˇ cene lege mikrofonov za meritve odmevnega ˇ casa s prekinjenim hrupom in lego izvora Z1, z zelenimi oznakami M2,i lege mikrofonov za meritve odmevnega ˇ casa s prekinjenim hrupom in lego izvora Z2 ter z rdeˇ cimi oznakami IOi lege mikrofonov za meritve impulznega odziva. M2,1 M2,2 M2,3 M2,4 M2,5 M2,6 Z2 M2,1 M2,2 M2,3 M2,4 M2,5 M2,6 Z2 M1,1 M1,2 M1,3 M1,4 M1,5 M1,6 M1,7 M1,8 Z1 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO8 IO9 (0,0) Slika 3: Lege mikrofonov in izvorov zvoka v ˇ casu meritev Posamezne koordinate mikrofona se je doloˇ cilo v programskem orodju RealWorks z uporabo funkcije ’limit-box selection’ in doloˇ canje najviˇ sje leˇ zeˇ ce toˇ cke. Postopek je prikazan na sliki 4. Slika 4: Prikaz doloˇ citev koordinat zgornje toˇ cke mikrofona v programske orodju RealWorks. Poleg merjenja leg mikrofonov in izvorov zvoka se je 3D skener uporabilo za pridobitev oblaka toˇ ck celotnega prostora. V naslednjem koraku se je ustvarilo 3D model za potrebe simulacijskega orodja ODEON Auditorium, ampak smo pri pretvorbi oblaka toˇ ck v poenostavljen 3D model naleteli na oblico ovir. Najprej smo ugotovili, da je 3D skeniranje izjemno natanˇ cno. V oblaku toˇ ck smo poleg osnovne geometrije zajeli tudi vso manjˇ so neodstranjeno pohiˇ stvo. Slednje je oviralo potek laserskih ˇ zarkov, zato je bil v doloˇ cenih kotih oblak toˇ ck pomanjkljiv. Kot drugo smo ugotovili, da je oblak toˇ ck preveˇ c kompleksen v primerjavi s potrebnim 3D modelom, ki ga za svoje delovanje potrebuje ODEON Auditorium. Teˇ zavno je bilo poenostaviti mnoˇ zico toˇ ck v osnovne geometrijske oblike (trikotnike, ploˇ sˇ ce, kroˇ znice, oboke, itd.). Tu smo naleteli na dodatno teˇ zavo, saj je na spletu bilo pomanjkljivo ˇ stevilo vodiˇ cev in navodil. Vseeno se je orodje dalo izkoristiti za pridobitev koordinat kljuˇ cnih toˇ ck geometrije prostora, kot so vogalne toˇ cke, spodnje in zgornje toˇ cke oboka itd. Tabela 1: Lege mikrofonov in izvorov zvoka v ˇ casu meritev. Lega X (m) Y (m) Z(m) Izhodiˇ sˇ ce 0,00 0,00 0,00 Z1 3,66 4,81 1,61 Z2 31,57 4,34 1,59 M1,1 8,62 2,02 1,65 M1,2 10,17 4,02 1,03 M1,3 13,42 1,48 1,02 M1,4 16,23 3,63 1,72 M1,5 21,48 4,95 1,72 M1,6 24,15 1,98 1,22 M1,7 27,82 3,72 1,72 M1,8 31,32 2,86 1,73 M2,1 28,89 2,78 1,72 M2,2 25,33 4,99 1,36 M2,3 21,64 1,84 1,15 M2,4 17,55 3,85 1,16 M2,5 13,41 1,67 1,75 M2,6 7,10 4,34 1,78 IO1 5,83 3,48 1,50 IO2 8,7 3,14 1,51 IO3 11,59 3,12 1,43 IO4 14,02 3,03 1,51 IO5 17,12 2,86 1,51 IO6 20,04 2,97 1,51 IO7 22,78 2,82 1,50 IO8 24,78 2,87 1,51 IO9 27,71 2,99 1,50 Ko se je ustvarilo 3D model, je bilo temu potrebno doloˇ citi lastnosti notranjih povrˇ sin. Doloˇ cevanje akustiˇ cnih lastnosti je potekalo iterativno, dokler rezultati simulacij niso sovpadala z rezultati opravljenih meritev. Umerjanje 3D modela je potekalo v veˇ c korakih: • najprej se je doloˇ cilo notranje in zunanje povrˇ sine, • nato se je doloˇ cilo tip povrˇ sine; “fractional” za obokane povrˇ sine in “normal” za preostale, • sledilo je doloˇ cevanje koeficienta sipanja; za obokan strop 0,20 in za vse ostale 0,01, 324 • v konˇ cnem koraku smo predvideli tip materiala. Znotraj zadnjega koraka se je za vse steklene povrˇ sine izbralo ˇ ze vnaprej definiran material: 1-slojno steklo z absorpcijskimi lastnostmi navedenimi v tabeli 2. Za vse preostale materiale se je absorpcijske lastnosti znotraj posameznega oktavnega pasu doloˇ cevalo tako, da je simulacijski izraˇ cun odmevnega ˇ casa T 30 , D 50 in BR sovpadal, s tistimi izmerjenimi v dvorani. Konˇ cne definirane akustiˇ cne lastnosti obstojeˇ cih materialov so zbrane v tabeli 2. Tabela 2: Akustiˇ cne lastnosti obstojeˇ cih materialov znotraj K ˇ CB, pridobljeno z umeritvenim simulacijskim modelom. Material Enoslojno steklo Strop Simulacijsko umerjen material Umestitev Vsa okna Stropni oboki Preostale povrˇ sine Absorpcijski koeficient 63 0,1800 0,0940 0,0940 125 0,1800 0,0944 0,0944 250 0,0600 0,0985 0,0985 500 0,0400 0,1035 0,1035 1000 0,0300 0,1160 0,1160 2000 0,0200 0,1225 0,1225 4000 0,0200 0,1685 0,1685 8000 0,0200 0,2150 0,2150 Tip povrˇ sine Normal Fractional Normal koeficient sipanja 0,0100 0,2000 0,0100 4 Diskusija Umerjanje 3D simulacijskega modela je temeljilo na sovpadanju merilnih leg mikrofonov in “merilnih” leg v simulacijskem orodju. Tako se je za umeritev vneslo vseh 9 merilnih leg impulznega odziva in pozicijo izvora Z1. Po vsaki iteraciji se je preverilo izraˇ cunan povpreˇ cni odmevni ˇ cas za vse lege in se ga primerjalo z Tabela 3: Primerjava rezultatov meritev in simulacij v istih legah prostora. T(30) Iteracija\ Frekvenca (Hz) 125 250 500 1000 2000 4000 8000 IO1 - Odeon 1,71 1,78 1,7 1,51 1,37 0,88 0,53 IO1 - Meritev 1,74 1,79 1,74 1,53 1,41 0,97 0,6 Razlika 0,03 0,01 0,04 0,02 0,04 0,09 0,07 IO2 - Odeon 1,73 1,79 1,71 1,52 1,38 0,89 0,53 IO2 - Meritev 1,77 1,76 1,67 1,55 1,4 1,04 0,61 Razlika 0,04 0,03 0,04 0,03 0,02 0,15 0,08 IO3 - Odeon 1,77 1,83 1,74 1,54 1,4 0,9 0,54 IO3 - Meritev 1,52 1,87 1,69 1,51 1,41 1,02 0,62 Razlika 0,25 0,04 0,05 0,03 0,01 0,12 0,08 IO4 - Odeon 1,77 1,84 1,75 1,54 1,39 0,91 0,55 IO4 - Meritev 1,53 1,81 1,76 1,55 1,44 1,03 0,61 Razlika 0,24 0,03 0,01 0,01 0,05 0,12 0,06 IO5 - Odeon 1,8 1,86 1,77 1,56 1,42 0,94 0,57 IO5 - Meritev 1,9 1,82 1,8 1,53 1,38 Razlika 0,1 0,04 0,03 0,03 0,04 IO6 - Odeon 1,81 1,87 1,78 1,57 1,43 0,98 0,61 IO6 - Meritev 1,92 1,95 1,77 1,58 1,49 1,11 0,68 Razlika 0,11 0,08 0,01 0,01 0,06 0,13 0,07 IO7 - Odeon 1,8 1,85 1,77 1,58 1,44 1 0,64 IO7 - Meritev 1,9 1,9 1,76 1,6 1,45 1,13 0,69 Razlika 0,1 0,05 0,01 0,02 0,01 0,13 0,05 IO8 - Odeon 1,8 1,85 1,77 1,58 1,45 1,01 0,64 IO8 - Meritev 1,97 1,79 1,79 1,59 1,5 1,1 0,7 Razlika 0,17 0,06 0,02 0,01 0,05 0,09 0,06 IO9 - Odeon 1,79 1,83 1,75 1,56 1,44 1 0,64 IO9 - Meritev 1,86 1,83 1,76 1,62 1,52 1,1 0,71 Razlika 0,07 0,00 0,01 0,06 0,08 0,1 0,07 T30,povp - Odeon 1,77 1,83 1,75 1,55 1,41 0,94 0,58 T30,povp - Meritev 1,79 1,84 1,75 1,56 1,44 0,94 0,58 Razlika 0,02 0,01 0,00 0,01 0,03 0,00 0,00 Povpreˇ cen odklon 0,12 0,04 0,02 0,02 0,04 0,12 0,07 Procentualni povpreˇ cen odklon 7,7% 2,3% 1,6% 1,7% 3,1% 12,3% 11,6% izraˇ cunanim povpreˇ cnim odmevnim ˇ casom izmerjenim z impulznim odzivom. Pri tem se je gledalo vsak oktavni pas posamiˇ cno, saj se je absorpcijski koeficient vnaˇ salo v odvisnosti od frekvence. Ob ustreznem povpreˇ cnem odmevnem ˇ casu se je preverilo ˇ se ujemanje med isto-leˇ zeˇ cimi simulacijskimi in merilnimi legami. Rezultati so zbrani v tabeli 3. Kot je vidno v tabeli se absolutne vrednosti povpreˇ cnega odklona med izmerjeno in simulacijsko vrednostjo odmevnega ˇ casa znotraj posameznega oktavnega pasu gibljejo med 0,02 s in 0,12 s, oziroma procentualno glede na povpreˇ cno vrednost odmevnega ˇ casa znotraj posameznega oktavnega pasu med 1,6% in 12,3%. V kljuˇ cnih oktavnih pasovih, med 125 Hz in 2000 Hz, ujemanje simulacijskih in izmerjenih vrednosti ocenjujem kot ustrezno. Pri primerjavi povpreˇ cnih vrednosti dobljeni preko meritev in simulacije vidimo, da so absolutne razlike odmevnega ˇ casa znotraj oktavnih pasov do 0,03 s. 5 Zakljuˇ cek Uporaba 3D skeniranje kot pomoˇ zno orodje za izvajanje akustiˇ cnih meritev se je pokazalo ne le kot ustrezno, temveˇ c tudi kot opcija velikega potenciala. Skeniranje je pohitrilo postopek izmere dimenzij prostora in leg mikrofonov ter izvora. Prav tako je pohitrilo postopek umerjanje simulacijskega modela in mu dodalo k preciznosti. Orodje ima pomanjkljivosti, ko pride do pretvorbe oblaka toˇ ck v 3D model, saj za zaˇ cetnika programska oprema zahteva dodatno pozornost. Ob laˇ zji pretvorbi oblaka toˇ ck v geometrijski format, ki ga sprejemajo raˇ cunalniˇ ske simulacije, bi 3D skeniranje lahko odprlo nove moˇ znosti raziskovanja zvoka. 325 Literatura [1] H. Kuttruff, Room Acoustics. CRC Press, 10 2016. [2] R. Prislan, “Modeliranje akustike prostora z naprednimi ˇ zarkovnimi metodami,” 2018. [3] N. W. Adelman-Larsen, Rock and Pop Venues. Springer Berlin Heidelberg, 2014. [4] L. Beranek, “Concert hall acoustics,” Journal of Audio Engineering Society, vol. 56, pp. 532–544, 2008. [5] N. W. Adelman-Larsen, E. R. Thompson, and A. C. Gade, “Suitable reverberation times for halls for rock and pop music,” The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 127, pp. 247–255, 1 2010. [6] O. A/S, “Odeon room acoustics software user’s manual version 17,” 12 2021. [7] L. Savioja and U. P. Svensson, “Overview of geometrical room acoustic modeling techniques,” The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 138, pp. 708–730, 8 2015. [8] L. Shtrepi, A. Astolfi, S. Pelzer, R. Vitale, and M. Rycht´ arikov´ a, “Objective and perceptual assessment of the scattered sound field in a simulated concert hall,” The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 138, pp. 1485–1497, 9 2015. Govori z Rokom, ˇ ce bi dodal ˇ se kaj glede razprˇ senosti zvoˇ cnega signala v prostoru.