Acústica Virtual – Tecnologia e Aplicações A dilema do decibel Há

22.10.2014

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SOBRAC Campinas | 22.10.2014

Acústica Virtual – Tecnologia e Aplicações

Michael VorländerInstituto de Acústica TécnicaUniversidade RWTH Aachen


A dilema do decibel

HEAD acoustics 1999

Há ambigüidade!

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A dilema de L ou EDT ou DnT ou…

Soundplan

ODEON

BASTIAN


Acústica Virtual? O que devemos fazer com isso?

Esqueça o decibel! Esqueça as incertezas de medição!

Não olhe o som ouça o som!

Leve em conta a complexa situação e a capacidade da audição humana para avaliar o cenário, para separar os objetos de som e seu significado.

Reduza ambigüidades!

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Cenários virtuais grandes

Aachen casino

Fontes pequenas

complexo EurogressQuellenhof Hotel

Fonte

Entrada

Sala da música


Cenário virtual de ruído dos aviões

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Acústica Virtual

• Introdução• Ferramentas e ingredientes de AV• Aplicações (em salas, ambientes ao ar livre)• Gargalos, desafios• Resumo e perspectivas

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Acústica Virtual



Ingrediente 1 – modelos de simulação

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Progresso em simulação de acústica

Modelos de predição nas normas ( „single-number metrics“)- edificação: EN 12354- ambiente aberto: ISO 9613-2

Resultados exatos de acústica de ondas- Equação de Helmholtz + dados de superfícies- métodos numéricos- domínio da freqüência IFFT domínio de tempo- ou BE/FE (elementos de contorno / elementos finitos) ouFDTD (método da diferencia finita no domínio do tempo)

Acústica geométrica (aproximação)

- imagens das fontes- ray tracing- modelos hibridos


Progresso na simulação de acústica – o que há de novo?

- L. Savioja, Real-Time 3D Finite-Difference Time-Domain Simulation of Mid-Frequency Room Acoustics. DAFx 2010

- L. Savioja, V. Välimäki, J. O. Smith, Audio signal processing using graphicsprocessing units. JAES 2011

- J. Forssén, M. Hornikx, D. Botteldooren, W.Wei, T. Van Renterghem, M.Ögren, A Model of Sound Scattering by Atmospheric Turbulence for Use inNoise Mapping Calculations. Acta Acustica 2014

- M. Aretz, M. Vorländer, Combined wave and ray based room acoustic simulations of audio systems in car passenger compartments, Part I:Boundary and source data. Applied Acoustics 2014

- S. Pelzer, L. Aspöck, D. Schröder, M. Vorländer, Integrating Real-TimeRoom Acoustics Simulation into a CAD Modeling Software to Enhance theArchitectural Design Process. Buildings 2014

… e.. e.. e..

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Ingrediente 2 – características das fontes


Caraterísticas das fontes

Zotter

Rindel&Otondo

Lokki

Behler, Weinzierl

Leishman

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Arranjo esférico de microfones

distribuição uniforme dos microfones (32 tipo Sennheiser KE4-211-2)

matriz leve e transportável de microfones com 4.4 m de diâmetro

cadeira ajustável para alinhar a fonte de som para o centro


Medidas de directividade dos instrumentos musicais

Soprano

Violin

Violin (historic)

Viola

Classic Viola

Violoncello

Violoncello (historic)

Contrabass

Classic Contrabass

Concert Guitar

Pedal Harp

Alto Saxophone (Eb)

Tenor Saxophone (Bb)

Wood Flute (finger hole)

Wood Flute (key system)

Concert Flute

Oboe

Classic Oboe (historical)

Romantic Oboe (French, historical)

English Horn

Basset Horn (F)

Dulcian (historic)

Clarinet (Bb)

Classic Clarinet (Bb)

Bass Clarinet

Bassoon

Classical Bassoon

Baroque Bassoon

Contrabassoon

Classical Natural Horn (Invention Horn)

French Horn

Natural Trumpet (D)

Trumpet (C)

Tenor Trombone (Bb/F)

Classic Tenor Trombone

Classic early-romantic Trombone

Bass Trombone (Bb/F/G)

Classic Bass Trombone (F)

Tuba

Timpani (historical)

Timpani (plastic head)

instrumentos modernos e historicos, em total 41

Coincidência do centro do instrumento com o centro da esfera

Notas individuais da scala cromática (pianissimo & fortissimo)

J. Meyer 1970 , Behler et al. CFA/IoA 2012

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contrabaixo

Projeto conjunto com TU Berlin(Stefan Weinzierl)

Medidas de directividade dos instrumentos musicais


Visualização de directividade - OpenDAFF

Trumpet, fortissimoa (440Hz) original data

optimized re-alignment:dx = 35cm dy = -2cm dz = -7cm

Alinhamento para baixas ordens de HE usando dados de medição complexos

Ben-Hagai et al: “Acoustic centering of sources measured by surrounding spherical microphone arrays”, JASA 2011 e atualmente Shabtai et al. (to be published)

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Carateristica da fonte para audibilização

Fontes no exterior: Carros, motorcicletas, vans, trens, aviões, transformadores,

ventoinhas, compressores, moinhos de ventos, sons da natureza, ….???

problemas: campo proximo / campo distante

Fontes de vibro-acústica: Som de impacto, máquinas, instalações hidraulicas,

acoplamento das fontes estruturais nas estruturas leves ??

problemas: acoplamento de impedância, contatos demultiplos pontos, grau de liberdade

aurilização?auralização?


Ingrediente 3 – reprodução do som

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Ingrediente 3

Tecnologia biauricular ou sistema de som espacial?

832 canais de audio, >2000 alto-falantes

Auditorium H104 TU Berlin

VA @ ITA RWTH

2 canais de audio,12 alto-falantes e 9 subwoofers


2 canais de audio,12 alto-falentes plus 9 subwoofers

Ingrediente 3

Tecnologia biauricular ou sistema de som espacial?

832 canais de audio, >2000 alto-falantes

Auditorium H104 TU Berlin

VA @ ITA RWTH

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Ingrediente 3

ou Ambisonics?

ou híbrido?

Direct and early sound

Late reverberation

A. Farina, P. Martignon, A. Capra, S. Fontana,Measuring impulse responses containingcomplete spatial information. AES UK 2007

S. Pelzer, B. Masiero, M. Vorländer, 3D Reproduction of Room Auralizations by Combining IntensityPanning, Crosstalk Cancellation and Ambisonics. Proc. EAAJoint Symposium on Auralization and Ambisonics, Berlin, 2014


Ingrediente 4 – processamento de sinais

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Ingrediente 4

Streaming de audio = processamento em blocos de amostras

Fluxo contínuo de entrada x(n) (bloco de comprimento B)

Resposta impulsiva de filtro h(n) (filtro com N coeficientes)

Baixa latência de entrada-saída

- W. G. Gardner, Efficient convolution without input-output delay. JAES 1995- L. Savioja, J. Huopaniemi, T. Lokki, and R. Väänänen. Creating Interactive VirtualAcoustic Environments. JAES, 1999

- F. Wefers, M. Vorländer, Optimal filter partitions for real-time FIR filtering usingpartitioned FFT-based convolution in the frequency domain. DAFx 2011


fontessimulação acústicaprocessamento sinaisaudio espacial

Acústica Virtual

Realidade Virtual Acústica- RVA -

Integre todos dos componentes e execute muito rapido!

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aixCAVE environment @ RWTH Aachen University


RV Hardware

aixCAVE sistema de visualização

5 telas para exposição imersiva (sem teto)

dimensões: 5.25 m x 5.25 m x 3.2 m

24 Full HD+ projetores ativos estéreo(Barco NW12, three-chip DLP, 1920x1200)

Câmeras de monitoramento infravermelho

estereoscopia ativa (shutter glasses)

aixCAVE sistema de audio

12 alto-falantes de campo próximo (KH120A)

9 sub woofers (ProDipe 10S)

fone de ouvido sem cabo

Rede de 21 microfones tipo eletreto (no teto)

aixCAVE immersive display

Infrared tracking cameras & glasses

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Visão geral de sistema | Rendering de audio


Audibilização em tempo real de espacos complexos

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Desempenho

Exemplo: Eurogress Aachen:

Som direto e primeiras reflexões(atualização em “ms”)

+ parte difusa (atualização em “s”)

Source

Directivity

Rotation

Translation

Receiver

Directivity

Rotation

Translation

RoomGeometry

Material

Direct sound Early refl. Late decay

0.7 ms

0.7 ms

0.8 ms

0.7 ms

0.7 ms

0.8 ms

3‐10 ms

0 ms

2‐3 ms

2‐3 ms

2‐10 ms

2‐3 ms

2‐3 ms

2‐10 ms

5‐15 ms

2‐10 ms

3‐10 s

3‐10 s

3‐10 s

50‐100 ms

50‐100 ms

3‐10 s

3‐15 s

3‐10 s

Action

Simulation update times for a typical range of rooms, with volumes 400‐20000 m³, reverberation times of 0.5‐2 s, image source order 2, 30000 rays per octaveEarly part: ~ 100 reflectionsLate decay: ~ 100,000 reflections

frequency: 1 kHzrays: 10,000

paredesabsorption 0.1scattering 0.0

chão/tetoabsorption 0.1scattering 1.0

frequency: 1 kHzrays: 10,000

paredesabsorption 0.1scattering 0.0

chão/tetoabsorption 0.1scattering 0.0

Avaliação (espaço com teto baixo, 100m x 100m x 4m)

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Acústica Virtual



Canto „Mozarabico“ na igreja do seculo 11

Pedrero et al. 2013

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SketchUp plug-in para audibilização

auralization toolbarsound source objectreceiver objectauralization settingssurface material selectionreplace surface materialmaterial viewer

geometry modification

receiver/source movementSelect receiver / source characteristics

Pelzer, Aspöck et al. 2014


• Câmara reverberante com parede absorvente, dados perfeitos

• Ouvido esquerdo da cabeça artificial

frequência de Schroeder

Espaços pequenos Aretz, Pelzer FA 2011

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gravação ou simulação?

Aretz, Pelzer FA 2011Espaços pequenos


Estação de Metro

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Parque e Centro de Conferência

Goal: immersive, multimodal, interactive environment


Acústica Virtual


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Desafios

Gargalos computacionais (quantas fontes, quantos caminhos de som, exatidão dos resultados)?

Condições de contorno incertos

Fontes desconhecidas

Interfaces não apropriadas?

Avaliação


Desafios

Gargalos computacionais (quantos fontes, quantos caminhos de som, exatidão dos resultados)?

Condições de contorno incertos

Fontes desconhecidas

Interfaces não apropriadas?

Avaliação

muito trabalho!!

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Acústica Virtual



A parede

AV está muito distante das aplicações

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Muito obrigado para:Lukas Aspöck, Bruno Masiero, Sönke Pelzer, Dirk Schröder, Jonas Stienen, Frank Wefers

e

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