Virtual acoustics in practice rooms

107 Pages·2007·3.07 MB·English

by  © Jukka Pätynen

HELSINKIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
DepartmentofElectricalandCommunicationsEngineering
LaboratoryofAcousticsandAudioSignalProcessing
JukkaPätynen
Virtual acoustics in practice rooms
Master’s Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of
MasterofScienceinTechnology.
Espoo,Oct15,2007
Supervisor: AdjunctprofessorTapioLokki,D.Sc. (Tech.)
Instructor: OlliSalmensaari,M.Sc.
HELSINKIUNIVERSITY ABSTRACTOFTHE
OFTECHNOLOGY MASTER’STHESIS
Author: JukkaPätynen
Nameofthethesis: Virtualacousticsinpracticerooms
Date: Oct15,2007 Numberofpages: 95
Department: ElectricalandCommunicationsEngineering
Professorship: S-89
Supervisor: AdjunctprofessorTapioLokki,D.Sc. (Tech.)
Instructor: OlliSalmensaari,M.Sc.
Due to their small size, the acoustical design of music practice rooms at music institutes
presents designers with challenges and requires compromises between absorption and rever-
beration. In practice, some reverberation is needed to provide support and more lively sound
for the musician. Playing in a room with plenty of absorption and very little reverberation is
often uninspiring and easily causes fatigue. On the other hand, increasing reverberation by
reducingtheabsorptionresultsinhighersoundpressurelevels. Asmusicteachersareexposed
totheseconditionsforlongperiodsoftime,inthelongtermthiscanleadtohearingproblems.
Similarproblemsareoftenalsofacedbyorchestraswhenrehearsalsareheldinfacilitieswith
pooracousticalconditions.
Thisworkinvestigatestheuseofanelectro-acousticsystemtoimprovetheacousticsinpractice
spaces. The electro-acoustic system uses an active method to create additional reverberation
withoutincreasingthesoundpressurelevels. Asecondobjectiveistoevaluatetheacceptance
ofvirtualacousticsbyusersinmusicpracticespaces.
For this purpose, a prototype of an electro-acoustic system was installed in three different
rooms,andthereverberationtimeandsoundpressureleveloftheroomsweremeasured. These
casestudiesconsistoftwosmallclassroomsandatheaterhallconvertedtoarehearsalhallfor
a symphony orchestra. For each case study, subjective opinions were collected. The results
for each room were then analyzed in terms of the feedback from the users. The case studies
show that with a careful tuning, and especially in larger spaces, a virtual acoustic system is a
potentialsolutionforimprovingtheroomacousticsofapracticeroom.
Keywords: electro-acoustics, practice room, rehearsal hall, reverberation enhancement, room
acoustics,timevariance,truncatedhall
i
TEKNILLINENKORKEAKOULU DIPLOMITYÖNTIIVISTELMÄ
Tekijä: JukkaPätynen
Työnnimi: Virtuaaliakustiikkamusiikinharjoitustiloissa
Päivämäärä: 15.10.2007 Sivuja: 95
Osasto: Sähkö-jatietoliikennetekniikka
Professuuri: S-89
Työnvalvoja: DosenttiTapioLokki
Työnohjaaja: DIOlliSalmensaari
Musiikin harjoitusluokkien pienestä koosta johtuen akustiikkasuunnittelussa joudutaan usein
tekemään kompromisseja jälkikaiunnan ja tarvittavan vaimennusmateriaalin määrän suhteen.
Harjoittelua ja instrumentin ääntä tukevaa sointia silmälläpitäen olisi suotavaa, ettei huone
olisikaiunnaltaantäysinkuiva.Kaiuttomassatilassasoittaminenkäynopeastiraskaaksijasaat-
taa vähentää aloittelevien soittajien harjoitteluintoa. Jälkikaiuntaa pieneen tilaan tavoiteltaes-
sa joudutaan perinteisin akustisin menetelmin vähentämään vaimennuksen määrää, mikä
puolestaan nostaa tilan äänitasoa. Varsinkin musiikin opettajien pidemmät altistusajat hyvin
kaiuntaisissa opetusluokissa saattavat johtaa kuuloon liittyviin ongelmiin. Orkesterien tilanne
on usein samankaltainen, kun harjoituksia joudutaan varsinaisen konserttisalin sijasta jär-
jestämäänakustisestisopimattomissatiloissa.
Tässä työssä tutkitaan sähköakustisen järjestelmän käyttöä harjoitustilojen akustiikan paran-
tamiseksi. Tarkoituksena on näin ollen lisätä jälkikaiuntaa nostamatta tilan äänitasoa. Tavoit-
teenaonmyöstutkiakäyttäjiensuhtautumistasähköakustiikankäyttöön.
Työssä esitettyjä tutkimuksia varten sähköakustista järjestelmää kokeiltiin yhteensä kolmes-
satilassa.Tutkituistatiloistakaksiensimmäistäolivattyypillisiämusiikkioppilaitoksenpieniä
harjoitus-jaopetusluokkia.Kolmastilaolimonikäyttösali,johonsähköakustiikanavullapyrit-
tiin luomaan konserttisalin lavaa muistuttava akustiikka sinfoniaorkesterin harjoitusta varten.
Tiloissa tehtiin huoneakustisia mittauksia sekä haastateltiin käyttäjiä kyselytutkimuksella.
Tutkimustentulostenperusteellaontodettavissa,ettäharjoitustilojenakustiikanparantaminen
sähköakustisellajärjestelmälläonmahdollista.
Avainsanat: sähköakustiikka, harjoitushuone, saliakustiikka, jälkikaiunta, huoneakustiikan
parantaminen,aikavarianssi,katkaistusali
ii
Acknowledgements
I want to thank Tapio Lokki for supervising this thesis, for the practical arrangements and
theguidanceandcorrectionsineverystageofthework.
MygratitudealsogoestoOlliSalmensaariandTimoPeltonenatAkukonOyforproviding
insightintotheroomacousticsinthecasestudiesandfortheinvaluableexpertiseinacous-
tical measurements and analysis. Without their help the results of this work would have
beenmuchmoremodest.
IwouldalsoliketothankthepersonnelofEspooMusicInstituteandEspooCulturalCentre
for the contribution to this project as well as Tapiola Sinfonietta for participating in the
rehearsalroomstudywithoutprejudice. Particularly,IwanttothankAcousticsLaboratory
of Helsinki University of Technology, Espoo Cultural Centre, City of Espoo (Tekninen
keskus)andEspooMusicInstituteforfundingthiswork.
I wish to thank my parents for giving their support in my studies of technology and music
duringalltheseyears.
Special thanks go also to Ronja, our dog, for providing repeatable excitations for demon-
stratingreal-worldexamplesofsoundpropagationanddecayonvariousoccasions.
Finally,IwouldliketothankMarikafromallmyheartforinspiringmeineveryimaginable
way.
Espoo,October15,2007
JukkaPätynen
iii
Contents
Abbreviations viii
ListofFigures x
ListofTables xi
1 Introduction 1
1.1 Researchproblemstatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Roomacoustics 3
2.1 Soundpropagationinspaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Diffusesoundfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Roomresponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Reverberationtime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Measurementofreverberationtime . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Concerthallacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Stageacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Electro-acoustics 19
3.1 Systemclassification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Regenerativesystemsandsignalprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Reductionoffeedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
iv
3.3 Microphones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 Existingsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.6 Psychoacousticsandhearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Conceptmodel 33
4.1 Truncatedhallconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Symphonyorchestrarehearsalroom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 Dampedsmallpracticeroom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.4 Challenges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.5 Reverberationalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Casestudies 43
5.1 Cage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Ives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3 Louhihall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.4 Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6 Results 52
6.1 Measurementarrangements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.2 Casestudy: Cage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.3 Casestudy: Ives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.4 Casestudy: Louhihall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7 Discussion 72
7.1 Casestudy: Cage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.2 Casestudy: Ives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.3 Casestudy: Louhihall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.4 Futureimprovements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8 ConclusionsandFutureWork 80
v
A Userevaluationquestionnaires 88
B Additionalreverberationfigures 92
vi
Symbols
α Absorptioncoefficient
A Absorptionarea
c Speedofsoundinair
β Maximumphasedeviation
B Bandwidth
f Schroederfrequency
g
G Gainmatrix
ML
h(t) Acousticalimpulseresponse
H Transferfunction
I Unitymatrix
k Wavenumber
λ Wavelength
m Airabsorptioncoefficient
m(t) Modulationfunction
n Numberofloudspeakers
l
n Numberofmicrophones
m
ϕ Incidentsoundangle
p Pressure
R(ω) Receivedsignalinfrequencydomain
θ(t) Phaseangle
V Roomvolume
S Surfacearea
S(ω) Sourcesignalinfrequencydomain
x(t) Inputsignal
vii
Abbreviations
ACS AcousticControlSystem
AD/DA Analog-to-digital/digital-to-analogconversion
AR AssistedResonance
DM Delaymodulation
DSP Digitalsignalprocessing
EDT Earlydecaytime
EDTF Earlydecaytimefrequencyratio
EDTP Earlydecaytimeonplatform
FIR Finiteimpulseresponse
FM Frequencymodulation
FS Frequencyshift
GBI Gainbeforeinstability
IIR Infiniteimpulseresponse
LTI Linear,time-invariant
LTV Linear,time-variant
MIDI Musicalinstrumentdigitalinterface
MLG Meanloopgain
MLS Maximumlengthsequence
PM Phasemodulation
RT Reverberationtime
60
SNR Signal-to-noiseratio
viii
List of Figures
2.1 Abasicmodelforimpulseresponseinclosedspaces. . . . . . . . . . . . . 11
3.1 Asimplifieddiagramforanactiveelectro-acousticsystem. . . . . . . . . . 22
4.1 Adiagramofthetime-variantreverberationalgorithm. . . . . . . . . . . . 41
4.2 Asectionofthemagnituderesponseofthetime-variantalgorithm. . . . . . 42
5.1 Cage,planandpositionsofequipmentandabsorptionmaterials. . . . . . . 44
5.2 PracticeroomCagewiththesysteminstalled. . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3 Ives,planandpositionsofequipmentandabsorptionmaterials. . . . . . . . 47
5.4 PracticeroomIveswiththesysteminstalled. . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.5 Plan(a)andsection(b)ofLouhihallwithequipmentpositions. . . . . . . . 49
6.1 Cage, sound decay, without absorption (curve plain) and with absorption
(curveoff),octavebands250Hzand2000Hz. . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.2 Cage, sound decay, without (plain) and with absorption (off), octave band
125Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3 Cage,sounddecay,settingsoff,on2andon4,octavebands250Hzand1000
Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4 Cage,sounddecay,settingsoff,on3andon4,octaveband1000Hz.. . . . . 58
6.5 Cage,sounddecay,settingsoff,on1andon2,octaveband1000Hz.. . . . . 59
6.6 Cage, sounddecay, originalroom(plain)andsettingson2andon4, octave
band500Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.7 Ives, sound decay, without absorption (plain) and with additional absorp-
tion(off),octavebands250Hzand2000Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . 62
ix