NUOVI METODI E STRUMENTI DI MISURA PER LO STUDIO DELL’ACUSTICA DEI TEATRI STORICI ITALIANI

NUOVI METODI E STRUMENTI DI MISURA PER LO STUDIO

DELL’ACUSTICA DEI TEATRI STORICI ITALIANI

A.Farina

Universita’ di Parma AIDA srl

“Teatri d’opera dell’Unità d’Italia”

Teatro La Fenice

Venezia, 23 Novembre 2011

Spinoff Company of The University of

Parma

• Gran parte delle misurazioni effettuate nei teatri sono tuttora basate sull’uso di un singolo microfono omnidirezionale.

• Esse risultano utili per il calcolo del tempo di riverberazione, e dei parametri acustici

“monofonici”

• Ma non forniscono indicazioni sulla direzione del suono

Introduzione

Il Gran Teatro La Fenice

• Il primo teatro La Fenice fu ultimato nel 1792, su progetto di Gian

Antonio Selva, dopo che Venezia aveva perduto causa incendio il preesistente Teatro San Benedetto

• Nel dicembre 1836 il teatro andò completamente distrutto in un

furioso incendio, ma fu ricostruito, in meno di un anno (!), su progetto di Giambattista e Tommaso

Meduna, e con decori di Tranquillo Orsi

• Il teatro fu chiuso per

ristrutturazione al termine della stagione 1995, ed avrebbe dovuto riaprire il 1 Febbraio 1996. Un

incendio doloso, causato da due elettricisti, lo distrusse quasi

completamente il 29 gennaio 1996

Misure acustiche (1)

• Le misure vennero effettuate in ottobre-

novembre 1995 dall’ing.

Tronchin, con tecnica impulsiva (colpo di

pistola) e registrazione binaurale digitale delle risposte all’impulso

Misure acustiche (2)

• Venne impiegata una

posizione della sorgente posta sul palcoscenico, al centro, sotto il sipario

tagliafuoco

• La risposta all’impulso venne misurata in 27

posizioni, poste in platea e sui palchi, nella metà destra della sala (sfruttando la

simmetria della stessa onde ridurre il numero di rilievi)

• Nel corso delle misure la sala era assolutamente intatta, mentre il

palcoscenico era in

condizioni poco realistiche (assenza di quinte e di

arredo scenico).

Misure acustiche (3)

• In ogni punto, si è registrata una

risposta all’impulso binaurale

(stereofonica)

• Essa è contenuta in un file WAV stereo (o due mono)

• Nel corso delle

misure la sala era assolutamente

intatta, mentre il palcoscenico era in condizioni poco

realistiche

(assenza di quinte e di arredo

scenico).

Punto n. 12

ISO 3382 parametri acustici

• Aurora plugin – Teatro La Fenice (1996)

ISO 3382 parametri acustici

• Tempo di Riverbero T20 – Teatro La Fenice (1995)

Scopo della ricerca: rappresentazione visuale e dinamica della propagazione del suono dentro un

ambiente (teatro, auditorium, sala per concerti, etc.).

La visione dinamica di queste mappe e’ utile per :

• Individuare la direzione di arrivo di echi e riflessioni

• Valutare lo spettro delle singole riflessioni

• Verificare che un sistema di ampificazione sonora sia correttamente posizionato e regolato

SI utilizzano microfoni ultradirettivi, onde ottenere una mappatura dinamica (nel tempo) dell’energia sonora che arriva dalle varie direzioni

Metodi

• Tre metodi sono stati utilizzati con successo per mappare la distribuzione spaziale del suono nei teatri:

1. Il buon, vecchio Ambisonics (B-format 1^o ordine)

2. Un microfono “shotgun” su tavola rotante 3. Un array microfonico sferico ultradirettivo

(Eigenmike™)

E possiamo usare l’ultimo metodo anche per la riproduzione sonora tridimensionale ad alta

risoluzione

Precedente esperienza

• All’UNIPR utilizziamo ormai da 15 anni sonde microfoniche Ambisonics (Soundfield, DPA-4, Tetramic, Brahma)

11

Microfoni “Soundfield”

• Il microfono Soundfield venne inventato da Gerzon e Craven nel 1973

Microfoni Soundfield

• Il microfono Soundfield produce 4 segnali:

1 omnidirezionale (pressione, W) e 3 figure-of-8 (velocita’, X, Y, Z)

Segnali B-format

Direttivita’ reale di un Soundfield

Soundfield ST-250 microphone

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

125 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

250 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

500 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

1000 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

2000 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

4000 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

8000 Hz

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0

30

60

90

120

150 180

210 240 270

300 330

16000 Hz

Uso corrente di Ambisonics

• Ambisonics del 1^o ordine e’ ancora molto usato, in quanto oggi e’ disponibile eccellente

strumentazione molto economica (Tetramic, Brahma)

• Si usano solitamente sorgenti impulsivi (pratiche ed economiche)

• L’uso di piccoli registratori digitali su scheda SD consentono di registrare numerose posizioni di misura in tempi molto brevi (NO CAVI!)

• Il nuovo metodo di elaborazione digitale dei segnali delle capusle consente di ottenere

diagrammi di direttivita’ molto piu’ accurati di quelli del vecchio Soundfield.

• Palloncini o petardi come sorgenti impulsive

Uso corrente di Ambisonics

Petardo Vs Dodecaedro

• Confronto effettuato nell’Odeion di Patrasso

Dodecaedro

Petardo

• Comparison in Patras’ Odeion

Dodecaedro Petardo

Petardo Vs Dodecaedro

Altre sorgenti impulsive

• Palloncini, pistola a salve con diffusore sferico

Palloncini

• Solo palloncini molto grossi producono adeguate basse frequenze

Pistola a salve

Il “Clappatore”

• Buona risposta in frequenza e direttivita’

• Verifica di ripetibilita’

Il “Clappatore”

Il “Clappatore”

Il “Clappatore”

• Un piccolo registratore digitale dotato di sonda microfonica tetraedrica: il BRAHMA

Uso corrente di Ambisonics

Conversione da A-format a B-format

• Matrice di filtraggio FIR 4x4 implementata in

tempo reale grazie al plugin gratuito “X-volver”

Analisi Spaziale da B-format (2011)

• Determinazione della direzione d’arrivo delle riflessioni

• Le componenti del vettore Intensita’ sono:

Ix = w· x Iy = w· y Iz = w· z

• La Densita’ di Energia sonora e’ data da:

D_e=√(w² + x² + y² + z²)

• Intensita e Densita’ sono mediate su intervalli di 1 ms

• Il rapporto r_E fra Intensita’ e Densita’ e’ dato da:

│I │ = √(I_x2 + I_y2 + I_z2) r_E = │ I │/ D_e

• E si trovano infine Azimut ed Elevation:

Az = atan2(Iy , Ix) El = asin(Iz / │ I │)

Immagine di “sfondo”

• Viene utilizzata la proiezione di Mercatore per trasformare un orizzonte sferico in una imagine rettangolare in formato 2:1

Image Composite Editor

• Genera un’ immagine panoramica che copre 360°in orizzontale e sino a 180°in verticale

Mappatura delle riflessioni

• Possiamo ora plottare un cerchio sopra l’immagine di sfondo, centrato alle coordinate Az, El trovate

• Il raggio del cerchio e’ proporzionale a Imod

• La trasparenza del cerchio e’ proporzionale a rE

• Quando r_E e’ piccolo, il vettore intensita’ non

localizza piu’ la reale direzione di provenienza del suono (campo diffuso)

• Quando r_E e’ grande (vicino ad 1), il campo sonoro e’ fortemente orientato nella direzione del vettore intensita’ e tale orientamento e’ facilmente

percepito

Localizzazione degli echi da segnale B-format

• Programma Visual Basic per visualizzazione dinamica riflessioni

Intensita’

Sonora

Densita’ di Energia

Sistema 2: shotgun rotante

2008 – misure in due teatri abbastanza simili:

Teatro Sociale di Como

Teatro Comunale di Modena

Strumentazione:

- Dodec. Lookline + sub

- Scheda audio Edirol FA-101 e laptop che registra i segnali Sine Sweep

- Microfono “shotgun” Sennheiser ME66 montato su tavola rotante Outline ET1

The Acoustics of Ancient Theatres Conference

- Azimuth: 18 steps (20°)

- Elevazione: 8 steps (22.5°)

- Risposte all’impulso ottenute da

segnali Sine Sweep mediante i plugins Aurora

Alcuni risultati

Teatro Comunale di Modena Source in fossa

Punto A

125 Hz

1000 Hz

4000 Hz

24 ms (direct

sound) Il suono diretto e’ ricco di basse frequenza, causa diffrazione sul bordo della fossaI

40 ms (first reflection)

Solo 16 ms dopo il suono diretto arriva la prima riflessione ricca di alte frequenze

The Acoustics of Ancient Theatres Conference

Teatro Sociale di Como

S1 R

Sorgente S1: la prima riflessione arriva dalla parete di fondo dopo 40 ms

S2

4000

Sorgente S2: il suono diretto e’ privo di alte frequenze, che arrivano Hz

solo con la prima riflessione dall’arco di proscenio, dopo 56 ms

4000 Hz

Diagramma polare dinamico nel piano orizzont. e verticale

The Acoustics of Ancient Theatres Conference

Teatro Sociale di Como –

4000 Hz Riflessione

dall’arco di proscenio

Metodo n. 3: array sferico

The Acoustics of Ancient Theatres Conference

Come ottenere simultanemante tanti microfoni ultradirettivi? Con un array di 32 capusle!

2009: primo prototipo (32 capsule)

Sfera realizzata in prototipazione rapida (schiuma di poliuretano)

32 capsule Knowles (protesi acustiche)

2010: EIGENMIKE 2010: EIGENMIKE

 Sfera con 32 capsule da ½”, eccellente risposta in frequenza sino a 20 kHz

 Preamplificatori e convertitori A/D dentro la sfera, con interfaccia ethernet

 Processamento dei segnali su PC (senza interfaccia grafica evoluta)

41

Cat5 cable

Sintesi dei microfoni virtuali

Spherical Harmonics (H.O.Ambisonics)

Il software calcola anzituto 16 segnali corrispondneti alle armoniche sferiche sino al 3°ordine. Essi sono poi ricombinati con opportuni guadagni, sintetizzando sino a 16 microfoni virtuali

Virtual microphones

Nuove metodica di elaborazione (NON Ambisonics!)

L’idea Sintetizzo direttamente 32 microfoni

utradirettivi, nelle stesse direzioni delle capsule, mediante una matrice di filtri FIR

M = 32 segnali dalle capsule

V = 32 segnali prodotti in uscita (microfoni virtuali)

Banco di MxV filtri FIR

y

(t) = x

(t)* h

(t)

m=1

å

v-esimo micr. virtuale

Segnale in ingr. dalla capsula m

Matrice di filtri

Progettazione tradizionale dei filtri

I filtri di processamento h_mv sono solitamente calcolati sulla base di complesse teorie matematche, basate sula soluzione delle equazioni d’onda (spesso con significative semplificazioni), e assumendo che le capusle siano identiche

I microfoni virtuali ottenuti sono massimamente vicini alle risposte polari

prescritte Questo metodo corregge

automaticamente le deviazioni dei singoli microfoni (risposta

individuale, diffrazioni, schermature, etc.)

Nessuna teoria! : I filtri h_mv sono ottnuti dall’inversione di una matrice C di risposte all’impulso misurate con sorgente in varie posizioni

Nuovo approccio:

Virtual microphones synthesized for this research:

4^th ORDER CARDIOIDS

Programma Matlab

• Inputs:

 Matrice di IR misurate di 2048 samples

 32 microfoni direttivi virtuali

 Diagramma polare cardioide 4o ordine

 Orientamento dei micr. virtuali

coincidente con quello delle capsule Inversione della

matrice di IR

Out: matrice di filtri FIR

✕ =

I microfoni virtuali

Attualmente la sonda produce microfoni virtuali non calibrati come livello assoluto in dB-SPL

MA

I guadagni relativi dei microfoni virtuali sono

perfettamente corrispondneti, producendo quindi diagrammi polari molto accurati

1 3 2

24

24 virtual microphones for horizontal polar

1

2 32 3

32 virtual microphones for 3D map

Spiegazione: SPS (Spatial PCM Sampling)

Mentre le armoniche sferiche corrispondono all’analisi di Fourier di una forma d’onda, il ns. approccio e’

equivalente alla rappresentazione di una forma d’onda con una sequenza di impulsi (PCM, pulse code

modulation)

1

2 32 3

32 microfoni virtuali ultra-direttivi

Spatial PCM Sampling

Confronto fra rappresentazione PCM di un forma d’onda e di un balloon spaziale

Spatial PCM Sampling

Espansione in armoniche

di una forma d’onda (Fourier) e di un balloon (Ambisonics)

Copertura spaziale dei 32 microfoni virtuali

32 microfoni virtuali sull’intero orizzonte sferico non sono poi

tanti: occorre una opportuna interpolazione per realizzare mappe a colori ben graduate

Elaborazione dei segnali 1^st step

Xvolver effettua la convoluzione della matrice di 32x32 filtri FIR

Prog. MATLAB Diagramma polare orizzontale

Mappa a colori 360°x180°

sovrapposta alla foto di sfondo

Mappe dinamiche

2^nd step

Un programma Matlab produce la mappatura dinamica

Primi esprimenti con la nuova tecnica SPS Due sale con caratteristiche molto diverse:

Sala dei Concerti

(Casa della Musica - Parma) Teatro “La Scala”

(Milano)

Strumentazione:

• Sonda Eigenmike^®

• Laptop che registra I 32 ch.

• Dodecahedron“Lookline”

(sorgente omnidirezionale)

• Segnale di test: Sine sweep

Teatro “La Scala”: 4 kHz – root 2 – 8000 campioni (180 ms)

Analisi spaziale: il suono diretto

500 Hz

1000 Hz Radiazione

strutturale

Posizione della sorgente

La sorgente era a sinistra del microfono a

1.5m

Il suono diretto e’ cosi forte e cosi’ vicino che maschera la riflessione

sul pavimento

La prima rilflessione visbile arriva dalla parete laterale dietro la sorgnte. Dopo un notevol ritardo arriva la

seconda riflessione, proveniente dalla parete laterale della fossa opposta.

Analisi delle riflessioni:

4 ms

57 ms

Il suono rimbalza fra le

oareti laterali della fossa e dell’arco di proscenio

… e succesivamente arriva una riflessione dal soffitto

“Sala dei Concerti”: 4 kHz – root2 – 8000 campioni (180 ms)

500 Hz – A questa frequenza il suono “arriva prima” del vero picco del suono diretto, causa la radiazione per vai strutturale

dell’implacato 500

Hz

4000 Hz

Analisi spaziale: il suono diretto

21 ms

Forte riflessione laterale (90^o)

prodotta da una parete liscia

La parete opposta

invece non causa una similare rilfesione

perche’ coperta da un pesante tendaggio

Per un vasto intervallo seguente questa prima

riflessione secca, il campo rimane diffuso con assenza di echi.

97 ms

Forte riflessione (eco) dalla parete di fondo L’effetto di questo eco si sente anche sul

palcoscenico e affligge le prime 5 file di platea

Confronto SPS vs Soundfield

La Scala (2010)

Confronto SPS vs Soundfield

La Scala (2010)

16-loudspeakers playback system

Dai microfoni virtuali agli altoparlanti

   

 

) t ( f ) t ( y )

t (

s ³²

1 i

r , i i

r =

å

=

Eigenmike^TM

Matrix of 32x16 FIR filters

32 virtual microphone signals y

16 speaker feeds s

Misura risposte all’impulso degli altoparlanti

The Eigenmike^TM is placed in the center of the loudspeaker rig, and the transfer functions [k] are measured from each

loudspeaker to each of the 32 virtual microphones.

Then we impose that the resulting signals {y_out} are identical to the virtual

microphone signals recorded by the Eigenmike in the original room {y}:

And consequently we solve for the unknown filters [f]

k₁

k₂

k_R

   

 

 

   

Virtual microphone signals y_out

Dai microfoni virtuali agli altoparlanti

Sistemi di ascolto 3D ad alta risoluzione ISVR (Southampton, UK) – 40 altoparlanti

e Casa della Musica, (Parma, ITALY) 16 altoparlanti

Posizione degli altoparlanti

Horizontal Ambisonics octagon Ambisonics 3D cubeStandard Stereo

Frontal Stereo-Dipole Rear Stereo DipoleUpper Stereo Dipole

Dai microfoni virtuali agli altoparlanti

“Sala Bianca” WFS alla Casa del Suono, (Parma)

La sala e’ equippaggiata di un sistema Wave Field Synthesis dotato di 176 altoparanti, controllati

da 4 computers

Conclusioni

Sono state presentate 3 innovatove tecniche di analisi spaziale della propagazione del suono nei teatri. Esse permettono di visualizzare su una immagine di sfondo (360^ox180^o) utilizzando vari tipi di microfoni.

Aspetti positivi

Facile visualizzazione di echi non voluti

Immediata individuazione della loro origine

Diventa agevole correggere i problemi

Siamo solo al primo passo di una nuova tecnolgia di rappresentazione del suono nel tempo e nello spazio (SPS). Occorre sviluppare a breve:

• Calibrazione della sonda

• Creazione di un plugin (formato VST or Audacity)

• Telecamera IP con specchio parabolico per catturare istantamenamente l’immagine di sfondo

Sviluppi futuri

Telecamera con specchio parabolico

• Una webcam alta risoluzione (2Mp) e’ montata sotto uno

specchio parabolico

• Il segnale video della webcam viene “unwrappato” mediante un programma scritto da Adriano Farina in “Processing”, un

linguaggio di programazione realtime

• Il segnale video unwrappato viene registrato in un file MOV o AVI, in soncrono con la

registrazione audio a 32 ch.

The Acoustics of Ancient Theatres Conference 72

Video unwrapping

Immagine “Unwrapped”

Immagine originale

Grazie per l’attenzione!

angelo.farina@unipr.it Universita’ di Parma