ABSORBOIVIEN PINTOJEN OPTIMAALINEN SIJOITTELU 1 JOHDANTO 2 TAUSTAA. Kai Saksela 1, Jonathan Botts 1, Lauri Savioja 1



Samankaltaiset tiedostot
MAY1 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty Julkaiseminen sallittu vain koulun suljetussa verkossa.

KOLMIULOTTEISEN TILAN AKUSTIIKAN MALLINTAMINEN KAKSIULOTTEISIA AALTOJOHTOVERKKOJA KÄYTTÄEN

Demo 1: Simplex-menetelmä

HUONEAKUSTIIKAN MALLINNUS VIRTUAALISELLA AALTOKENT- TÄSYNTEESILLÄ 1 JOHDANTO 2 VIRTUAALISEN AALTOKENTTÄSYNTEESIN TEORIA

Osakesalkun optimointi. Anni Halkola Turun yliopisto 2016

ÄÄNENVAIMENTIMIEN MALLINNUSPOHJAINEN MONITAVOITTEINEN MUODONOPTIMOINTI 1 JOHDANTO. Tuomas Airaksinen 1, Erkki Heikkola 2

Harjoitus 3 ( )

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Harjoitus 3 ( )

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

Aki Taanila LINEAARINEN OPTIMOINTI

ẋ(t) = s x (t) + f x y(t) u x x(t) ẏ(t) = s y (t) + f y x(t) u y y(t),

Puhetilojen akustiikka. Henrik Möller Johtava akustiikkakonsultti DI, FISE AA

Osakesalkun optimointi

Lineaarinen yhtälöryhmä

Lineaariset kongruenssiyhtälöryhmät

ÄÄNTÄ VAHVISTAVAT OLOSUHDETEKIJÄT. Erkki Björk. Kuopion yliopisto PL 1627, Kuopion 1 JOHDANTO

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Harjoitus 6 ( )

TEHTÄVIEN RATKAISUT. Tehtäväsarja A. 2. a) a + b = = 1 b) (a + b) = ( 1) = 1 c) a + ( b) = 13 + ( 12) = = 1.

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Determinantti 1 / 30

ax + y + 2z = 0 2x + y + az = b 2. Kuvassa alla on esitetty nesteen virtaus eräässä putkistossa.

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Tapio Lokki, Sakari Tervo, Jukka Pätynen ja Antti Kuusinen Aalto-yliopisto, Mediatekniikan laitos PL 15500, AALTO

Malliratkaisut Demo 4

on pinnan absorptiokerroin eli absorptiosuhde

Kimppu-suodatus-menetelmä

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Teoreettisia perusteita II

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

4. Lasketaan transienttivirrat ja -jännitteet kuvan piiristä. Piirielimien arvot ovat C =

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

Malliratkaisut Demot

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

REUNAEHTOJEN TOTEUTUSTAPOJA AALTOJOHTOVERKOSSA

Ratkaisuehdotukset LH 7 / vko 47

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

5 Lineaariset yhtälöryhmät

1 Rajoittamaton optimointi

Harjoitus 6 ( )

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. 3. Luennon sisältö

Monitavoiteoptimointi

Tilastollinen vastepintamallinnus: kokeiden suunnittelu, regressiomallin analyysi, ja vasteen optimointi. Esimerkit laskettu JMP:llä

MAB3 - Harjoitustehtävien ratkaisut:

Matriisit ovat matlabin perustietotyyppejä. Yksinkertaisimmillaan voimme esitellä ja tallentaa 1x1 vektorin seuraavasti: >> a = 9.81 a = 9.

HUONEAKUSTIIKAN MALLINNUS TEOLLISUUSTILOISSA - NETTITYÖKALU

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Vektoreiden virittämä aliavaruus

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Insinöörimatematiikka D

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

Kohdeyleisö: toisen vuoden teekkari

MS-A0004/MS-A0006 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 6 / vko 42

AKUSTINEN KAMERA ILMAÄÄNENERISTÄVYYSONGELMIEN SEL- VITTÄMISESSÄ

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Malliratkaisut Demot

Integrointi ja sovellukset

Joonas Haapala Ohjaaja: DI Heikki Puustinen Valvoja: Prof. Kai Virtanen

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

A Lausekkeen 1,1 3 arvo on 1,13 3,3 1,331 B Tilavuus 0,5 m 3 on sama kuin 50 l 500 l l C Luvuista 2 3, 6 7

Malliratkaisut Demot

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

Ohjelmoinnin perusteet Y Python

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

Kuvalähdemenetelmä. Niko Lindgren HUT, Telecommunications Software and Multimedia Laboratory. Tiivistelmä

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

Lineaarinen optimointi. Harjoitus 6-7, Olkoon A R m n, x, c R ja b R m. Osoita, että LP-tehtävän. c T x = min!

1 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Johdatus verkkoteoriaan 4. luento

Kustannusten minimointi, kustannusfunktiot

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I, HY Kurssikoe Ratkaisuehdotus. 1. (35 pistettä)

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

1 Rajoitettu optimointi I

Matematiikka B2 - TUDI

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Piiri K 1 K 2 K 3 K 4 R R

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

KKT: log p i v 1 + v 2 x i = 0, i = 1,...,n.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

6. Luennon sisältö. Lineaarisen optimoinnin duaaliteoriaa

Harjoitus 4: Matlab - Optimization Toolbox

2 Yhtälöitä ja epäyhtälöitä

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

Transkriptio:

Kai Saksela 1, Jonathan Botts 1, Lauri Savioja 1 1 Aalto-yliopiston tietotekniikan laitos PL 15500, 00076 AALTO etunimi.sukunimi@aalto.fi Tiivistelmä Tässä paperissa esitetään menetelmä, jonka avulla absorboivien materiaalien optimaalinen sijoittelu pyritään ratkaisemaan laskennallisesti. Menetelmällä tavoitellaan ratkaisua, joka on mahdollisimman lähellä käyttäjän määräämää kohdefunktiota, ottaen huomioon annetut reunaehdot. Kohdefunktiolla voidaan pyrkiä esimerkiksi puheenymmärrettävyyden maksimointiin, tai käänteisesti sen minimointiin. Reunaehtojen kautta voidaan esimerkiksi määrätä, ettei ratkaisussa sijoiteta absorptiota ikkunoiden tai lattian kohdalle. Laskennassa käytetään geometrista akustiikkaa. 1 JOHDANTO Impulssivasteen laskemista niin, että tietyille pinnoille on sijoitettu tiettyjä materiaaleja, on tutkittu kattavasti. Jos mietitään käänteistä ongelmaa, eli sitä, että materiaalit tulisi sijoittaa tilaan tietyn impulssivasteen saavuttamiseksi, ongelma muuttuu nopeasti hyvin hankalaksi. Tässä paperissa esitetään menetelmä, jolla ongelma voidaan ratkaista lineaarisena ongelmana. Kun ongelma määritetään lineaarisena ongelmana eikä absorptiomateriaaleille määritellä rajoitteita, on ongelma ratkaistavissa suoraan pienimmän neliösumman menetelmällä. Vaste optimoidaan geometrisella akustiikalla laskettujen heijastusten energian logaritmin suhteen. Huoneen pinnat diskretisoidaan sopivalla tavalla, jolloin laskenta määrittelee kullekin diskretisoidulle pinnalle optimaalisen absorptiokertoimen. Ongelmalle voidaan myös määritellä rajoitteita parempien tulosten saamiseksi. 2 TAUSTAA Huoneakustisessa optimoinnissa on usein pyritty ratkaisemaan epälineaarinen ongelma ([1], [2], [3], [4]). Tässä paperissa oletetaan, että vasteen aikaisimmat heijastukset ovat optimointiongelman kannalta tärkeimmät, jolloin peiliheijastusten rooli nousee tärkeäksi. Jos tilan geometria määritetään muuttumattomaksi, voidaan spekulaariset heijastukset laskea ns. beam tracing[5] -malliin perustuen. Oletetaan, että huoneen pinnat on jaettu valmiiksi sopivan kokoisiin alueisiin, jolloin absorptiokerroin on mahdollista määritellä kullekin jaotellulle alueelle.

3 PIENIMMÄN NELIÖSUMMAN MENETELMÄ ABSORPTION MÄÄRITTÄMISEKSI Geometrisessa akustiikassa yksittäisen saapuvan heijastuksen kokonaisvaimennus voidaan laskea yksittäisten pintojen heijastuskerrointen tulosta sekä äänen reitin pituudesta, mikäli ilman absorptio jätetään huomiotta. Energia vaimenee etäisyyden funktiona (ct) 2 mukaan, jossa c on äänen nopeus ja t on heijastusreitin kulkemiseen mennyt aika. Muu vaimennus määrittyy niiden pintojen heijastuskerrointen mukaan, joista ääni on heijastunut. Äänen energian heijastuskerroin jollekin pinnalle voidaan laskea kaavasta R j = 1 α j, jossa α j on absorptiokerroin, joka kuvaa äänienergian absorptiota. Oletetaan, että energiataso aluksi on E 0 (ct i ) 2 tietylle heijastukselle i, jolloin ainoastaan äänen vaimeneminen etäisyyden funktiona on otettu huomioon. Lopullinen kuuntelijapisteeseen saapuva energia Êi voidaan nyt määritellä Ê i = j (1 α j ) E 0 (ct i ) = R E 0 2 tot,i (ct i ), (1) 2 jossa α j on pinnan j absorptiokerroin ja R tot,i on kaikkien pintojen absorboima energia pinnalle i. Ottamalla funktion molemmilta puolilta logaritmi, yhtälöstä tulee lineaarinen summa ) log (Êi = j log(1 α j ) + c att,i = j r j + c att,i. (2) jossa c att,i = log(e 0 ) 2 log(ct i ). (3) Nyt heijastusten vaimenemista kuvaava yhtälö on lineaarinen muuttujien kombinaatio. Määritellään kohdefunktiota kuvaava vektori b, jossa b i = log(êi). Ê1, Ê2,...Êk kuvaavat yksittäisten heijastusten saapuvaa energiaa. Ratkaistavaksi jää nyt r, jossa r j = log(1 α j ), yksittäisten pintojen energian heijastuskertoimen logaritmi. Määritetään heijastuksiin kuuluvia pintoja kuvaava matriisi G, jolloin voidaan kirjoittaa Gr = b c d, (4) jossa c koostuu arvoista c att,i ja d on kohdefunktiota kuvaava vektori. G on M N- matriisi, jossa M on laskettujen heijastusten lukumäärä ja N on diskretisoitujen pintojen lukumäärä. Heijastuspintoja kuvaavan matriisin elementit G i,j ovat kokonaislukuja jotka kertovat montako kertaa heijastus i kulkee pinnan j kautta. Jos esimerkiksi heijastus i = 3 osuu pintaan j = 4 kerran ja pintaan j = 12 kaksi kertaa, matriisin rivin 3 kaikki elementit olisivat 0 sarakkeita 4 ja 12 lukuun ottamatta. Sarakkeen 4 arvo olisi tällöin 1 ja sarakkeen 12 arvo 2.

3.1 Muita rajoitteita ja ongelman ratkaiseminen Näin saatu jatkuva yhtälö voidaan sellaisenaan ratkaista pienimmän neliösumman menetelmään tarkoitetuilla ratkaisumenetelmillä. Malliin sijoitettavan absorption määrää voidaan rajoittaa esimerkiksi LASSO [6] -menetelmällä, jota myös tämän paperin esimerkissä on käytetty. On huomattava, että pinnat eivät voi lisätä energiaa eikä energiaa voi poistua enemmän kuin pintaan kohdistuu. Käytännössä tämä tarkoittaa, että äänienergian heijastuskertoimen täytyy olla välillä 0 ja 1. Heijastuskerroin on ongelman määritelmän mukaisesti positiivinen johtuen siitä, että ongelman ratkaisuna saadaan heijastuskertoimen logaritmin arvo reaalilukuna. Jotta äänienergian heijastuskerroin jäisi arvon 1 alapuolelle, täytyy sen logaritmin olla alle nolla, r j 0. Ongelma voidaan kirjoittaa uudestaan positiivisena pienimmän neliösumman ongelmana: ( G) ( r) G r = d, (5) ja r 0 (tai r 0 alkuperäisen ongelman mukaisesti), jolloin α j 0. Lopulliset absorptiokertoimet saadaan näin määritellyn ongelman ratkaisusta seuraavan kaavan mukaan: α j = 1 10 r j, (6) Pintojen absorptiokerroin voidaan myös määrittää kiinteäksi ennen ongelman ratkaisemista, r k = log(r k,fixed ). Tällöin G-matriisin sarake k kerrotaan vakioarvolla r k ja siirretään yhtälön 4 oikealle puolelle. Jokaiselle kiinteälle määritellyllä pinnalle k tehdään sama, eli sarake a k poistetaan matriisista G ja lisätään kohdefunktiota kuvaavaan vektoriin d fixed : d fixed = b + c + k r k a k. (7) 4 ESIMERKKI Esimerkkinä menetelmää sovelletaan kenkälaatikon muotoiseen luokkahuoneeseen. Kohdefunktio määritellään karkeasti siten, että puheenymmärrettävyyttä parantavat aikaiset heijastukset ([7], [8]) jäisivät vaimentamatta ja myöhäiset heijastukset vaimentuisivat mahdollisimman paljon. Esimerkissä heijastuksia on laskettu kuudenteen asteeseen asti. Yhdeksän äänilähdekuuntelija-kombinaatiota on määritelty, jolloin kaikki äänilähteiden ja kuuntelijoiden väliset heijastusreitit lisätään samaan optimointitehtävään. Kaikista äänilähteistä (neliöt kuvassa 1) lähtee impulssi hetkellä t 0 = 0s, jonka taso metrin etäisyydellä on 80 db. Yhteen summatut heijastukset ilman minkäälaista huoneabsorptiota esitetään kuvan 2

A BSORBOIVIEN PINTOJEN OPTIMAALINEN SIJOITTELU ensimmäisessä kuvaajassa. Kuvan 2 toinen kuvaaja näyttää kohdefunktion määrittelevän vektorin, jossa kaikki ajanhetken t1 = 60ms jälkeen saapuvat heijastukset pyritään vaimentamaan kuvaajan mukaisesti. Lattia on määritelty kiinteäksi absorptiokertoimella 0. Pienimmän neliösumman ongelma on tässä ratkaistu Pythonilla [9] LASSO-tyyppisenä ongelmana, jolloin huoneeseen sijoitetun absorption määrää on rajoitettu. Pienimän neliösumman tulos näkyy kuvassa 2, ja pienimmän neliösumman mukaiset absorptiokertoimet näkyvät kuvassa 3. Musta vastaa absorptiokerrointa 1, ja valkoinen absorptiokerrointa 0. Ratkaisu on tässä tapauksessa symmetrinen. 10,0m S 0,8m 1,5m 3,5m 0,8m 2,7m 2,0m 7,0m 10,0m 1,2m 2,0m R 3,0m 1,5m 1,0m Kuva 1: Tilanteen pohjakuva ja leikkaus; neliöt esittävät äänilähteitä ja ympyrät kuuntelijoita Shuffled Target Optimized Kuva 2: Kaikki esimerkissä esiintyvät heijastukset yhdessä kuvaajassa. Vasemmanpuoleinen kuvaaja esittää vertauksen vuoksi tilannetta, jossa pintojen sijaintia on muutettu satunnaisesti seinien ja katon suhteen. Keskimmäinen kuvaaja esittää kohdefunktiota. Oikeanpuoleinen kuvaaja esittää pienimmän neliösumman tulosta. Kuvaajien alussa näkyvät paksut viivat esittävät suoraa ääntä. 5 T IIVISTELMÄ Tässä paperissa esitettiin menetelmä absorption optimaaliseksi määrittämiseksi tilassa, jossa pinnat ovat jaoteltu sopivan kokoisiksi alueiksi ja kohdefunktio on määriteltävissä yksittäisten heijastusten suhteen. Menetelmä eroaa edellisiin menetelmiin verrattuna siten, että ongelma on muotoiltu lineaarisena ongelmana, joka ratkaistaan pienimmän neliösumman menetelmällä. Esimerkkinä menetelmää sovelletaan luokkahuoneen puheenymmärrettävyyden parantamiseen. Tulevaisuudessa menetelmää kehitetään muun

Kuva 3: Pienimmän neliösumman tuloksena määritetyt absorptiokertoimet. Valkoinen vastaa absorptiokerrointa 0, musta absorptiokerrointa 1. Tulos on symmetrinen. muassa siten, että optimointi suoritetaan ennalta määritettyjen materiaalien suhteen. Menetelmä vaikuttaa lupaavalta jo nyt; laskentamenetelmän antamaa tietoa voi tapauksesta riippuen hyödyntää myös käytännön ongelmien ratkaisemiseen. VIITTEET [1] Michael Monks, Byong Mok Oh, & Julie Dorsey. Audioptimization: goal-based acoustic design. Computer Graphics and Applications, IEEE, 20(3):76 90, 2000. [2] Maria B Dühring, Jakob S Jensen, & Ole Sigmund. Acoustic design by topology optimization. Journal of sound and vibration, 317(3):557 575, 2008. [3] Luisa Gama Caldas & Leslie K Norford. A design optimization tool based on a genetic algorithm. Automation in construction, 11(2):173 184, 2002. [4] S Sato, K Otori, A Takizawa, H Sakai, Y Ando, & H Kawamura. Applying genetic algorithms to the optimum design of a concert hall. Journal of Sound and Vibration, 258(3):517 526, 2002. [5] Samuli Laine, Samuel Siltanen, Tapio Lokki, & Lauri Savioja. Accelerated beam tracing algorithm. Applied Acoustics, 70(1):172 181, 2009. [6] Robert Tibshirani. Regression shrinkage and selection via the lasso. Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological), s. 267 288, 1996. [7] JS Bradley, Hiroshi Sato, & M Picard. On the importance of early reflections for speech in rooms. The Journal of the Acoustical Society of America, 113(6):3233 3244, 2003. [8] François Santon. Numerical prediction of echograms and of the intelligibility of speech in rooms. The Journal of the Acoustical Society of America, 59(6):1399 1405, 1976. [9] Fabian Pedregosa, Gaël Varoquaux, Alexandre Gramfort, Vincent Michel, Bertrand Thirion, Olivier Grisel, Mathieu Blondel, Peter Prettenhofer, Ron Weiss, Vincent Dubourg, et al. Scikit-learn: Machine learning in python. The Journal of Machine Learning Research, 12:2825 2830, 2011.