Nironen H. - Diffuse Reflections in Room Acoustics Modelling(1).pdf

(1418 KB) Pobierz
di.dvi
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Department of Electrical and Communications Engineering
Laboratory of Acoustics and Audio Signal Processing
Heli Nironen
Diffuse Reflections in Room Acoustics Modelling
Master’s Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Master of Science in Technology.
Espoo, October 12, 2004
Supervisor:
Professor Matti Karjalainen
Instructor:
D.Sc. (Tech.) Tapio Lokki
HELSINKI UNIVERSITY
ABSTRACT OF THE
OF TECHNOLOGY
MASTER’S THESIS
Author:
Heli Nironen
Name of the thesis:
Diffuse Reflections in Room Acoustics Modelling
Date:
October 12, 2004
Number of pages: 92
Department:
Electrical and Communications Engineering
Professorship:
S-89 Acoustics and Audio Signal Processing
Supervisor:
Prof. Matti Karjalainen
Instructor:
D.Sc. (Tech.) Tapio Lokki
This thesis is a study of diffuse reflection modelling in room acoustics. The aim of the work is to
get familiar with the most often applied physical principles and modelling methods. An objec-
tive is that the studied theory and techniques could be applied in future research work. Room
acoustics modelling methods are divided in this thesis into three categories: 1. Ray-based
methods, 2. Radiosity, and 3. Wave-based methods. When considering different modelling
methods, emphasis is on the ray- and radiosity-based approaches. Some wave-based methods
are also presented, but left out of more accurate examination. Although the approach in this
work is mainly physically-based, one totally perceptually-based method is also presented. A
simple implementation is carried out in order to get familiar with the studied principles and
methods in practice. An early response is predicted with a model which combines the image
source method and the radiosity-based approach. The implemented system is described in de-
tail, and the modelling results are analysed. Finally, methods most applicable for estimating
acoustical quality of a room, methods most suitable for auralisation purposes, and requirements
of real-time dynamic systems are discussed.
Keywords: diffuse reflection, scattering, room acoustics modelling, ray-based modelling
methods, radiosity, auralisation
i
139994052.019.png 139994052.020.png 139994052.021.png 139994052.022.png 139994052.001.png 139994052.002.png 139994052.003.png 139994052.004.png 139994052.005.png 139994052.006.png 139994052.007.png
TEKNILLINEN KORKEAKOULU
DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä:
Heli Nironen
Työn nimi:
Diffuusit heijastukset huoneakustiikan mallinnuksessa
Päivämäärä:
12.10.2004
Sivuja: 92
Osasto:
Sähkö- ja tietoliikennetekniikka
Professuuri:
S-89 Akustiikka ja äänenkäsittelytekniikka
Työn valvoja:
Professori Matti Karjalainen
Työn ohjaaja:
TkT Tapio Lokki
Tässä diplomityössä tarkastellaan diffuusien heijastusten mallinnusta huoneakustiikassa. Työs-
sä käydään läpi äänen etenemiseen liittyviä käsitteitä, periaatteita ja tunnetuimpia mallinnus-
menetelmiä. Tavoitteena on, että opiskeltua teoriapohjaa voitaisiin hyödyntää myöhemmin ai-
heeseen liittyvässä tutkimuksessa. Huoneakustiikan mallinnuksessa käytetyt menetelmät jao-
tellaan tässä työssä kolmeen ryhmään. Ensimmäisen ryhmän menetelmissä ääniaaltojen etene-
minen mallinnetaan äänisäteiden avulla. Toisen ryhmän muodostavat radiositeettimenetelmät,
joissa ääntä heijastellaan diffuusisti huoneen seiniin muodostetun verkon solmujen välillä. Kol-
mannen ryhmän menetelmät perustuvat aaltoyhtälön ratkaisuun. Työn painopiste on kahteen
ensimmäiseen ryhmään kuuluvissa menetelmissä. Vaikka mallinnusmenetelmiä tarkastellaan-
kin enimmäkseen fysikaalisiin periaatteisiin tukeutuen, esitellään myös yksi menetelmä, joka
mallintaa diffuuseja heijastuksia ihmisen havitsemiseen perustuen. Työssä myös toteutetaan
yksinkertainen malli huonevasteen alkuosalle. Tässä sovelletaan kuvalähde- ja radiositeetti-
menetelmää. Toteutettu malli esitellään yksityiskohtaisesti ja sillä saatuja tuloksia analysoi-
daan. Myös työssä käsiteltyjen menetelmien soveltuvuutta erilaisiin tarkoituksiin kartoitetaan.
Teoriapohjan perusteella analysoidaan, mitä menetelmistä voidaan käyttää huoneen akustisten
ominaisuuksien arviointiin, mitkä menetelmistä sopivat parhaiten auralisaatioon ja minkälaisia
kompromisseja vaativat dynaamiset reaaliaikasysteemit.
Avainsanat: diffuusi heijastus, äänen sironta, huoneakustiikan mallinnus, sädemenetelmät, ra-
diositeettimenetelmä, auralisaatio
ii
139994052.008.png 139994052.009.png 139994052.010.png 139994052.011.png 139994052.012.png 139994052.013.png 139994052.014.png 139994052.015.png 139994052.016.png 139994052.017.png 139994052.018.png
Acknowledgements
This Master’s thesis was carried out for the Uni-verse project at the Telecommunications
Software and Multimedia Laboratory, Helsinki University of Technology, during the year
2004.
The work was instructed by D.Sc. (Tech.) Tapio Lokki. I would like to thank Tapio for his
guidance. He has provided me with many valuable insights during the course of the work.
I also thank Tapio for his comments and suggestions on the structure and content of this
thesis. He has patiently given me feedback on various versions of the thesis.
I also want to thank my supervisor Prof. Matti Karjalainen for his helpful comments and
supportive discussions. Prof. Lauri Savioja I would like to thank for employing me in the
Uni-verse project and for providing me with an interesting topic for my thesis.
I would also like to give special thanks to Sami Kiminki, my co-worker in the Uni-verse
project, for numerous helpful discussions, valuable insights, and all the practical help that
he offered me during this work. Sampo Vesa and Iikka Olli, who have shared the office
with me, I would like to thank for good company and for a relaxed working environment.
Furthermore, I wish to thank my friends for all the fun I have experienced with them during
my studies. Sharaf Hameed I want to thank for bringing an Indian contribution to my circle
of friends.
Finally, I would like to express my gratitude to my family. I want to thank my parents for
their patience, encouragement, and all the support that I have got during my almost endless
studies. Also, I would like to thank my dear sisters Satu and Kati for their contribution.
My beloved Teemu I deeply thank for his understanding, support, and love. His positive
attitude towards life has encouraged me over the past few years.
Otaniemi, October 12, 2004,
Heli Nironen
iii
Contents
Symbols
ix
Abbreviations
x
1 Introduction
1
2 Background
4
2.1 Characteristics of Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.1.1 Velocity of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.1.2 Some Basic Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.1.3 Plane Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.1.4 Spherical Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.1.5 Energy and Energy Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1.6 Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2 Reflection of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2.1 Principal Laws of Sound Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Diffraction, Scattering, and Diffuse Reflection . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Diffuse Sound Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.4 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Expressing Surface Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Lambert’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Theoretically Calculated Scattering Functions . . . . . . . . . . . . 19
iv

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin