Registrazione della risposta Registrazione della risposta acustica delle sale da concerto acustica delle sale da concerto
per i posteri per i posteri
Angelo Farina – Andrea Avanzini
Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Parma, Via delle Scienze 181/A Parma, 43100 ITALIA – HTTP://pcfarina.eng.unipr.it - mail: [email protected]
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Meccanismi di propagazione del suono nelle sale Meccanismi di propagazione del suono nelle sale
sorgente puntiforme
ricevitore suono diretto
suoni riflessi
Suono Diretto
Suono Riflesso
Livello sonoro in funzione della Livello sonoro in funzione della
distanza dalla sorgente distanza dalla sorgente
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Distanza critica, alla quale il suono diretto e riflesso
sono uguali
La formula del campo La formula del campo
semiriverberante semiriverberante
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
( ) ⎥ ⎥
⎦
⎤
⎢ ⎢
⎣
⎡
⋅ + α
⋅ π
⋅ ⋅ +
= W 2 ∑ i i
p S
4 d
4 lg Q 10
L d
L
Suono diretto
Suono riflesso
∑ α ⋅
π ⋅
= ⋅ i i
cr S
16
d Q
La formula di Sabine La formula di Sabine
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
∑ α ⋅ ⋅
=
i i
60 S
V 16
. T 0
60 60
cr T
V 100
Q T
V 16
. 0 16
d Q ⋅
π
= ⋅
⋅ ⋅ π
= ⋅
z
Sostituendo nella formula della distanza critica:
Schema del processo di misura Schema del processo di misura
z
Si desidera misurare la risposta impulsiva lineare h(t). Essa puo’ essere ricavata dalla conoscenza del segnale di test x(t) e del segnale misurato y(t). L’influenza della parte non lineare K e del rumore n(t) deve essere minimizzata.
Not-linear, time variant
system K[x(t)]
Noise n(t)
input x(t)
+ output y(t) linear system
w(t)⊗h(t) distorted signal
w(t)
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Il metodo MLS Il metodo MLS
z
x(t) è un segnale periodico binario,
ottenuto mediante uno
“shift-register”, configurato per la
massima lunghezza del periodo di ripetizione
N stages
XOR k stages
x’(n)
1
2 N
L = −
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Deconvoluzione MLS Deconvoluzione MLS
z Il segnale misurato y(i) è cross-correlato con il segnale di test x(i) mediante una trasformata veloce di Hadamard. Se il sistema in prova è lineare e tempo-invariante, il risultato è la risposta impulsiva h(i)
y 1 M
L h 1
~
⋅ + ⋅
=
z In cui M è la matrice di Hadamard trasposta, ottenuta permutando la sequenza MLS originaria m(i)
( )
[ i j 2 mod L ] 1
m )
j , i (
M ~ = + − −
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Esempio di misura MLS Esempio di misura MLS
Portable PC with 4- channels sound board Original Room
SoundField Microphone
B-format 4- channels signal Measurement of B-format
Impulse Responses
MLS excitation signal
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MLS example MLS example
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Il metodo Log Sine Sweep Il metodo Log Sine Sweep
z
x(t) è un segnale sinusoidale a frequenza
variabile, con variazione esponenziale della frequenza nel tempo.
⎥ ⎥
⎥ ⎥
⎥
⎦
⎤
⎢ ⎢
⎢ ⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎟ ⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜ ⎜
⎝
⎛
−
⋅
⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ ω ω
⋅
= ω ⎟⎟ ⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ ω
⋅ ω
1 e
ln sin T
) t (
x
1ln
2T t
1 2 1
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Deconvoluzione del Log Sine Sweep Deconvoluzione del Log Sine Sweep
z
Viene usata la tecnica del “time reversal mirror”, cioè la convoluzione del segnale misurato con lo stesso segnale di test, temporalmente invertito. Se il
contenuto spettrale del segnale non è piatto, occorre una opportuna ri-equalizzazione del risultato.
Segnale di test x(t) Filtro Inverso z(t)
Segnale di test Log Sine Sweep
Segnale di test Log Sine Sweep
Segnale misurato y(t) Segnale misurato y(t)
La presenza di distorsione fa apparire numerose strisciate a frequenze multiple di quella di base
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Deconvoluzione della risposta all
Deconvoluzione della risposta all ’ ’ impulso impulso
La deconvoluzione viene ottenuta convolvendo il segnale misurato y(t) con un opportuno filtro inverso z(t)
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Si ottiene una serie di risposte all
Si ottiene una serie di risposte all ’ ’ impulso impulso
L’ultima è la risposta all’impulso lineare, quelle precedenti sono i prodotti di distorsione armonica
2° 1°
5° 3°
Analisi della risposta all
Analisi della risposta all ’ ’ impulso impulso
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Esperimento di comparazione Esperimento di comparazione
Test comparativo fra diverse tecniche di misurazione Organizzato dalla AES Italian Section
(Bergamo’s Workshop 1999, 27/28 aprile 1999)
Sperimentatore Sistema di misura - Metodo Altoparlante Microfono Angelo Farina Aurora (synchronous measurement
on PC+Layla) – MLS
Dodechaedron (Look Line D1)
Soundfield MKV + binaural (Ambassador) Angelo Farina Aurora (synchronous measurement
on PC+Layla) – log sweep
Dodechaedron (Look Line D1)
Soundfield MKV + binaural (Ambassador)
Angelo Farina MLSSA board – MLS Dodechaedron (Look Line D1)
Soundfield channel W A. Ricciardi MLSSA board – MLS Directional,
custom-made
Stage Accompany omnidirectional
Walter Conti Techron TEF 20 – MLS & TDS Directional, custom-made
B&K Omnidirectional Nicola Prodi Aurora (asynchronous playback &
record through a Tascam DA38 recorder) – log sweep
Dodechaedron (Look Line D- 300)
Soundfield ST250 + binaural (Neumann KU- 100)
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Apparecchi Apparecchi
Rack-mounted PC Pentium II-400 Mlssa sound board Layla sound board Power amplifier Ambassador pre-amp Soundfield pre-amp
Soundfield Microphone Ambassador Dummy Head
Dodechaedron Loudspeaker
Risultati
Risultati
Evoluzione recente Evoluzione recente
z Nuovo approccio di misura comprendente tutte le precedenti tecniche conosciute:
– Binaurale – B-format
– WFS
– ITU 5.1 surround ( Williams MMA, OCT e INA) – Binaural Room Scanning
– M. Poletti
z Il nuovo metodo è stato denominato “Waves 2003”, in quanto sviluppato in collaborazione con la nota società Waves, produttrice di software ed hardware per studi di registrazione.
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Metodo di misura ottimizzato Metodo di misura ottimizzato
“ “ Waves Waves ” ” (2003) (2003)
z
Il segnale di Test: lo SWEEP equalizzato
Frequenza iniziale 22 Hz
Frequenza finale 22 kHz
Durata della sweep 15 s Silenzio tra due sweep 10 s
Tipo di sweep LOG
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z
La deconvoluzione:
Apparecchiatura Apparecchiatura
z
La sorgente sonora equalizzata:
–
Il dodecaedro
–
Il subwoofer
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Radiated sound power level
40 50 60 70 80 90 100
25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000
Frequency (Hz)
Lw (dB)
Unequalized Equalized
Metodo di misura Metodo di misura
z
I microfoni:
– Testa artificiale binaurale (Neumann KU-100)
– Microfoni a cardioide ORTF (Neumann K-140)
– Microfono pressione-velocità B-Format 4 canali (Soundfield ST-250)
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Braccio rotante Testa artificiale binaurale
Cardioidi ORTF Microfono Soundfield
Apparecchiature Apparecchiature
z
Il piatto rotante :
– Outline ET-1
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
z
Il computer e la scheda audio:
– Signum Data Futureclient P-IV 1.8 GHz
– Aardvark Pro Q-10 96 kHz – 24 bits
Metodo di misura Metodo di misura
z
I dati acquisiti:
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I parametri acustici I parametri acustici
z
Tempo di riverbero T
30AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
z
Tempo baricentrico T
S:
( )
∫ ( )
∫
∞
∞
τ
⋅ τ
τ
⋅ τ
⋅ τ
=
0 2 0
2
s
d p
d p T
( ) ( ) ⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
⋅
⋅
⋅
=
∫
∫
∞ ms ms
dτ τ p
dτ τ p C
80 2 80
0 2
80 10 lg
z
Indice di chiarezza C
80:
( ) ( )
100 d p
d p D
0 2 ms 50
0 2
⋅ τ
⋅ τ
τ
⋅ τ
=
∫
∫
z
Indice di definizione D:
∞I parametri acustici I parametri acustici
z
Strenght:
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
dB 31
L SPL
G= − w+
( ) ( )
∫ ( )
∫
τ
⋅ τ
τ
⋅ τ
⋅ τ
= 80ms
ms 0
2 W ms 80
ms 5
W Y
d h
d h
h
z
LFC:
LFC( )
∫ ( )
∫
⋅
⋅
= ms
ms W ms
ms Y
d h
d h
LF 80
0 2 80
5 2
τ τ
τ
z
LF:
τ( )
( ) ( )
( ) ∫ ( )
∫
∫
∞
∞
−
∞
∞
−
∞
∞
−
τ
⋅ + τ
⋅ τ
⋅ τ
τ
⋅ + τ
⋅ τ
= τ ρ
d t h d h
d t h h
2 s 2
d
s d
z
IACC:
I plug
I plug - - ins di Aurora ins di Aurora
AES Italia – Workshop 2003 sulle tecniche di ripresa - Adria
Diagrammi polari di IACC ed (1
Diagrammi polari di IACC ed (1 - - LF) LF)
IACC Auditorium Parma - Sorgente a sx
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0
10 20
30 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270
280 290
300 310
320 330
340 350 Sorgente
IACC Auditorium Roma (Sala 1200) - Sorgente a sx
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0
10 20
30 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140 150 170 160 180 200 190
210 220 230 240 250 260 270
280 290
300 310
320 330
340 350 Sorgente
(1-LF) Auditorium Parma – Sorgente a sx
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0
10 20
30 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270
280 290
300 310
320 330
340 350 Sorgente
(1-LF) Auditorium Roma (Sala 1200) – Sorgente a sx
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0
10 20
30 40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140 150 170 160 180 200 190
210 220 230 240 250 260 270
280 290
300 310
320 330
340 350 Sorgente
Auditorium 1-LF IACC Parma 0.725 0.266 Roma 0.676 0.344
Auralizzazione Auralizzazione
z
Stereo ORTF su 2 altoparlanti standard
z
Binaural Room Scanning, con riproduzione in cuffia o mediante Stereo-Dipolo
z
Metodo B-format (Ambisonics 1° ordine)
z
Surround secondo standard ITU 5.1 canali
z
Tecnica 2D di Mark Poletti (Ambisoncs 3°
ordine orizzontale)
z
Wave Field Synthesis (array di altoparlanti)
z
Metodi ibridi (Ambiophonics)
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Auralizzazione Auralizzazione
z
In ogni caso, la base del metodo è la convoluzione di segnali “asciutti”
(anecoici) con risposte all’impulso preparate nel formato “surround”
prescelto (da 2 a 24 canali).
z
Tale operazione di convoluzione può oggi essere realizzata in tempo reale anche su un PC molto economico, purchè dotato in uscita di una scheda audio multicanale
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ORTF Stereo ORTF Stereo
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z
La riproduzione avviene su due altoparlanti posti a +/- 30°, ciascuno alimentato dal segnale del
corrispondente microfono
2 Microfoni
Binaural (Stereo Dipole) Binaural (Stereo Dipole)
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z
La riproduzione avviene su due altoparlanti posti a +/- 10°, alimentati attraverso un sistema digitale di cancellazione del “cross-talk”
…
2 3
1
Original 2-channels recording of the signals coming from N sources
d1l
xr
xl
Cross-talk canceller
d1r d2l d2r
dNl dNr N
20°
Metodo B
Metodo B - - format format (Ambisonics 3D 1
(Ambisonics 3D 1 ° ° ordine) ordine)
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z
La riproduzione avviene su un array di 8-24
altoparlanti, attraverso un “decoder” Ambisonics
Original Room
Sound Source
SoundField Microphone
B-format 4- channels signal
(WXYZ) Ambisonics decoder
Speaker array in the reproduction room
ITU 5.1 surround ITU 5.1 surround
z
Williams MMA
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Schema del sistema microfonico Williams MMA
C : Cardioide, 0°
L, R : Cardioide, ± 40°
LS, RS : Cardioide, ± 120°
z
INA-5
Schema del sistema microfonico INA-5
C : Cardioide, 0°
L, R : Cardioide, ± 90°
LS, RS : Cardioide, ± 150°
ITU 5.1 surround ITU 5.1 surround
z
OCT
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73 cm
Schema del sistema microfonico OCT
C : Cardioide, 0°
L, R : Super Cardioide, ± 90°
LS, RS : Cardioide, ± 180°
Microfoni virtuali di M. Poletti Microfoni virtuali di M. Poletti
z Si usa uno dei due microfoni ORTF, che campiona 36 posizioni poste su una circonferenza con raggio di 110mm.
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1 , 0 6 n
n 3
cos D
1 , 0 4 n
n 2
cos D
1 , 0 2 n
n cos
D
1 D
n , 3
n , 2
n , 1 0
⎟ =
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ ⋅ϑ+ ⋅ π
=
⎟ =
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ ⋅ϑ+ ⋅π
=
⎟ =
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ϑ+ ⋅ π
=
Elaborando tali 36 risposte =
all’impulso, è possibile ricavare 7 risposte all’impulso rappresentative di 7 microfoni virtuali di ordine 0,1,2,3:
Wave Field Synthesis ( WFS) Wave Field Synthesis ( WFS)
z
Schema del processo:
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microphones
loudspeakers
Original space Virtual space
WFS
Metodi ibridi (Ambiophonics) Metodi ibridi (Ambiophonics)
z
Sistema Ambiophonics 3D (10 altoparlanti):
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Conclusioni Conclusioni
z
Principali vantaggi della nuova procedura di misura “Waves 2003”:
-
ingloba tutte le precedenti tecniche conosciute in un approccio unico e coerente
-
consente di registrare le caratteristiche acustiche di teatri e sale da concerto, con particolare cura riguardo gli aspetti spaziali, preservandole per le generazioni future
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