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Submitted on 1 Jan 1990
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MODÉLISATION DE L’INTELLIGIBILITÉ ET SONORISATION DU STADE OLYMPIQUE DE
MONTRÉAL
J.-G. Migneron, D. Leclerc
To cite this version:
J.-G. Migneron, D. Leclerc. MODÉLISATION DE L’INTELLIGIBILITÉ ET SONORISATION DU
STADE OLYMPIQUE DE MONTRÉAL. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-1093-
C2-1096. �10.1051/jphyscol:19902256�. �jpa-00230586�
COLLOQUE DE PHYSIQUE
Colloque C2, suppl6ment au n02, Tome 51, F6vrier 1990 ler Congrès Français d'Acoustique 1990
MODELISATION
DE L'INTELLIGIBILITÉ ET SONORISATION DU STADE OLYMPIQUE DE MONTRÉALJ.-G. MIGNERON et D. LECLERC
Laboratoire d'Acoustique de l'Université Laval, CRAD 1624 Pavillon Félix Antoine Savard, Cité Universitaire, Québec, Qué. GIK 7P4, Canada
ABSTRACT: In addition to mechanical background noise. whose Influence has been demonstrated by measurements of ihe RAS77 Index. and whlch b a function of the locaffon in ihe stands, the Inilid reverberation time EDT was meawred at different points h the stadlm. toklng hfo occount ihe relative positions of the source and recelver. Paroilel research.
canled out in a large room wRh homogèneous lnlffal reverberation time. showed that the decreasing of temporal rofe of decay of acousffcal pressure could be measured in the very flrst decibels (EDT-5 dB permlmng a befter correlation wlth the RASTl lndex than EDT- JO or -15); the RASTl lndex could then be modelled from the in-situ measurements of the EDT. for a MLne source of known dlrecffvity and location.
R ~ S U M ~ : Afln de diposer d'une procedure de mod6lisaffon convenable de I'lntelllglbllitd pour le nouveau système de sonon'safion du Stade Olympfque de Montr6a1, une recherche compldmentaire à 6th entreprise, pour mettre en Qvidence t'lnflue~e du temps de rQverb6ration iniffal EDT et de la directivif6 d e ta source, sur l'lndlce .@ISE mesurd, En tenant compte d e la situation acoustique conplexe de cette vaste enceinte. on est orrivd à bâtir un modèle infomoffque susceptible de reprodulre convenablement llntelllglblllte eexlstante ou projetde.
1. INTRODUCTlON
Conçu par l'architecte Roger Taillibert pour accueillir les Jeux olympiques de 1976, le Stade Olympique est i'un des plus beau monument de Montréal et certainement le chef-d'oeuvre technique le plus audacieux. La Régie des installations olympiques, maintenant en charge du complexe. doit en assurer l'avenir et développer une utillsation optimale du stade pour différentes activités sportives comme pour des spectacles à grand déploiement, tels récemment le groupe 'Pink Floyd' ou l'opéra 'Aïda". Pour cadrer les dimensions impres- SIonnanteS de I'owrage, ainsi que ses principales caractéristiques, on peut se reporter au tableau suivant (1):
TABLEAU
N V : Principales caractéristiques physiques et acoustiques d u StadeVolume ouvert: 1,954,587 m3
Volume avec doublure d'hiver (velum avec laine minérale): 2.1 15.Cû3 m3 Volume avec toile d'été (toiture en Kevlar seulement): 2275.043 m3
Nombre de place assises: 59,094 pers.
Surface occupée par les sièges: 27,440 m2
Volume par siège (avec toile d'été): 42.8 m 3 ~ ~ e r s .
Surface par siège (gradins seulement): 0.51 7 m21pers.
Longueur et largeur totales du terrain: 207.9 m et 140.8m Hauteurs minimale et maximale de l'anneau technique: 41.5 et 50.8 m
Point le plus haut de la toile: 70.7 m
Point le plus haut du mot: 168.4 m
Temps de réverbération moyen avec toile d'été (vide, 500 et 1000 Hz): 15.05 s Temps de réverbération moyen avec doublure d'hiver (vide, 500 et 1003 Hz): 10.02 s Plus long temps de réverbération mesuré avec une source ponctuelle : 23.89 s
L'analyse détaillée des réponses impulsionnelles et de la réverbération laisse apparaître deux modes, i'un. plutet longitudinal. est commandé par le comportement de la toile, I'autre. transversal o l'ensemble des gradins, est lié à i'existence du toit permanent. Les enregistrements de la réverbération au centre du stade démontre clairement le mécanisme d'echos flottants qui s'instaure entre-la toile de couverture et le terrain, phénomène d'ailleurs bien décrit pour des plafonds de différentes courbures (aller et retour d'environ 390 ms) (21.
Le plus long écho distinct est obtenu pour les gradins inférieurs situés dans l'axe du stade, avec une première réflexion selon cet axe sur le mur du met, soit une durée de 1,267 ms. Pour le mode de propagation régi par le toit permanent du stade. comme le montre un coup de feu tiré de l'anneau technique vers la toile de couverture. on n'enregistre pas de retour immédiat d'énergie avant 500 ms. Les premiers phénomènes de réflexion que l'on peut constater lors d'un tir vers les gradins (même cheminement que le son des haut-parleurs du système de sonorisation) témoignent d,un comportement acoustique initialement localisé entre le toit et les gradins. Par exemple, dans la section 131. on peut noter deux retours de réflexion assez diffus. Sun à 212 ms et l'autre à 287 ms.
ils correspondent respectivement à la double réflexion sur les gradins des niveaux 600 et 700 puis sur le toit, suivi peu après du retour de l'énergie réfléchie par le nkeau 1M) puis par partie de la toiture située immédiatement au- dessus.
En ce qui concerne plus particulièrement l'intelligibilité, les résultats cartographiques de l'indice RASTl suivant la localisation dans les gradins montrent que les premières réflexions diffuses du toit permanent se combinent avec le bruit de fond technique, lui aussi variable suivant la localisation (en pression et composition spectrale), pour moduler I'inteliigibilté dans les différentes sections de sièges. Le paramètre retenu pour
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902256
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caractériser l'influence des premières réflexions sur l'intelligibilité est le temps de réverbération initial (EDT), mesuré en fonction d'un point source donné. selon différentes portions de la décroissance (en pratique -5, -10 ou -15 dB). On peut se référé à la coupe de la Figure N V pour cerner la géométrie des propagations et la localisation du système de sonorisation. Les principaux objectifs retenus, pour la conception d'un nouveau système de sonorisation, sont le contrôle des premières réflexions par une directivité importante et précise. la réduction des distances de propagation et une disposition visant à éviter toute projection vers la toile de couverture (pour limiter le plus possible les échos flottants).
Enfin. il sera également fait référence à une expérience de mesure simultanée de I'indice RASTI et du temps de réverbération initial (EDT), dans un local vaste et homogène, en l'absence de tout bruit de masque susceptible d'affecter le rapport signal sur bruit. Les mesures du temps de réverbération initial ont été réalisée, tant pour cette expérience que pour les relevés dans le stade, à I'aide du nouvel analyseur en temps réel modele 2133 de "Brüel & Kjaer".
FIGURE NV: Coupe sur les gradins du Stade Olympique, montrant le système de sonorisation et les valeurs moyennes de EDT
-
5dB mesurées.2. RAPPEL CONCERNANT L'INDICE "RASTI"
La méthode RASTl ('Rapid Speech Transmission Index') est une méthode objective de mesure de la qualité de la transmission de la parole qui tient compte tout spécialement de I'intelligibilité; il s'agit d'une version condensée de la procédure mise au point par HOUTGAST et SEENEKEN en 1980 (3A). Le signal de test utilisé consiste en deux octaves de bruit rose, centrés sur les bandes de 500 Hz et 2 KHz; les niveaux, dans ces bandes d'octave, étant choisis pour Btre représentatifs du niveau moyen de la voix (la reproduction se fait cependant au niveau normal de la sonorisation). Les modulations de basses fréquences présentes dans la voix humaine sont simulées dans le signal RASTI par neuf fréquences discrètes de modulation. Les mesures RASTI consistent en une analyse du signal résultant a la position d'écoute, de façon à calculer le facteur de réduction du niveau de modulation pour chacune de ces neuf fréquences de modulation. Si le rapport signal sur bruit devient prédominant la fonction de transfert de modulation donne une réponse plate, c'est-à-dire que toutes les fréquences de modulations sont affectées de la meme manière; par contre si c'est le temps de réverbération qui domine. la fonction de transfert de modulation présente une pente négative parce que la réverbération affecte les fréquences de modulations les plus hautes. De façon précise, la fonction de transfert de modulation MTF sur laquelle se base l'indice RASTI est calculée. pour un temps de réverbération initiale connu T et un rapport signal sur bruit SIN, à I'aide de la relation:
m ( o = ( l / d l + ( 2 x f ~ / 13.81~) ( 1 /(1+ 10(-slN)llO)) (1) équation dans laquelle m(0 est la réduction du niveau de modulation pour l'une des fréquences de modulation f.
3. MODÉLISATION ET EXPÉRIENCE COMPLÉMENTAIRE SUR LA RELATION EDT 1 INTELLIGIBILITÉ
Une modélisation de la distribution sonore dans les gradins tant pour les principales sources de bruit de ventilation que pour le système de sonorisation a été élaborée. Le modèle permet de positionner les systèmes de haut-parleurs, de façon à obtenir le meilleur rapport signal sur bruit et le meilleur indice RASTl (5). 11 vise également à optimlser les travaux acoustiques entre la réduction de bruit, le contrôle de la réverbération et l'amélioration du systéme de sonorisation..
En ce qui concerne la modélisation de l'intelligibilité le modèle tridimentionnel, tient compte de i'acoustique locale des espaces compris entre la toiture permanente du stade et les gradins. La définition des haut-parleurs utilisés comporte les éléments suivants (pour les bandes d'octave de 500 et 2000 Hz) (6):
-
niveau de pression de référence à 1 m et 1 W;-
puissance électrique prévue (réglage proposé dans la bande d'octave);-
indice de directié (DI0 = 10 log Q, en dB);-
angle de dispersion verticale (Lv. commercialement indiqué par la cowerture verticale à -6 dB);-
angle de disperjion horiiontale (Lh. commercialement indiqué par la couverture horizontale à -6 dB);-
coordonnées de la source, inclinaison de I'axe dans le plan vertical et gisement latéral (dans un plan perpendiculaire).Initialement, le niveau de bruit de fond technique devait être modélisé à la grandeur du stade; il S'est avéré cependant difficile de caractériser la directivité des très nombreuses sources. aussi c'est plut& Une interpolation suivant la position dans les gradins qui a été finalement considérée (pour le calcul du rapport signal/bruit). Le modèle tient compte également, pour l'atténuation par la distance. de l'absorption moléculaire aux hautes fréquences.
Pour la détermination du temps de réverbération initial. après des mesures précises à i'aide de l'0nOlYSeur en temps réel modèle 2133 de BrÜel et Kjaer. trois travées de référence ont été retenues; ce sont les valeurs moyennes correspondantes qui figurent dans le Tableau N". Ces mesures ont 6té obtenues à partir de COUPS de feu tirés de l'anneau technique (point de suspension pratique pour les grappes de haut-parleurs les PIUS importantes). II faut néanmoins tenir compte que le temps de réverbération initial est affecté par la localiSati0n de la source et par sa directivité.
TABLEAU Ne 2: Temris de réverbération initiaux (EDT) dans les bandes au 1/3 d'octave de 5a) et 2CW HZ,
Bas du niveau Lm) 3.28 3.68 3.04 2.m
1
asd du n F e a u a Bas du niveau 4001
J1
277 2.67- 1 :; 1 1
suivant la locolis&n dans les gradins.
Localisation Bas du niveau 1133
4. RÉSULTATS DE LA MODÉLISATION ET CONCLUSION
De façon pratique, pour la détermination de l'indice RASTI dans le Stade Olympique. nous avons utilisé les valeurs de EDT -5dB. de manière à coller les plus possible à la réponse acoustique initiale dans les gradins. Faute d'avoir une directivité similaire à celle des haut-parleurs. la source impulsionnelle de référence doit être localisée de préférence à la place exacte des futures enceintes. Ensuite, lorsque les grappes de haut-parleurs sont proches des gradins. c'est-à-dire lorsque la modélisation doit se faire à l'intérieur ou à la limite du rayon acoustique, il faut ajouter une correction à la relation (1). ceci suivant une équation de la forme:
Haut du n ~ e a u 400 Niveau 500 Bas du niveau ba3 Bas du niveau 7'OO Haut du niveau 7a3
Moyenne 500 Hz -5dB
1
-15dB 3.43 1 3.95Moyenne 2000
Hz
-5dB
1
-15dB 2.53I
2.72A l'exception des sections les plus perturbées par les bruits de ventilotion. comme les gradins des niveaux 100 et 200. dans les basses fréquences (avec les canons d'air de l'anneau technique) et les gradins du niveau 700 dans la bande de 2000 Hz (avec les conduites de distribution d'air en arrière des gradins). dans la plupart des localisations, le rapport signal sur bruit affecte très peu les valeurs de m(f), donc le RASTI (évidemment. avec un bon choix de haut parleur et sans les cris de la foule). On voit donc combien la connaissance précise du EDT prend d'importance dans la qualité de la prédiction.
Afin d'éclairer cette relation intelligibilité1EDT. une expérience complémentaire a été menée dans un local vide de plus de 50 m de long. avec une répartition homogène de l'absorption et de la diffusion.
L'expérience à consisté à mesurer simultanément I'indice RASTl et le temps de réverbération initial EDT, à -5. -10 et -15 dB, pour les bandes d'octave de 500 et 2000
Hz,
la source impulsive utilisée ayant une directivité peu prononcée par rapport à celle du sytème de haut-parleurs employé pour le signal RASTI. Lorsqu'on considère les régressions logarithmiques des trois valeurs du temps de réverbération initial EDT. relevé à tous les mètres dans I'axe de propagation pour les deux bandes de fréquence considérées, on constate que EDT -5 dB est affecté par les modes de propagation. phénoméne qui s'estompe progressivement avec EDT -10 et -15 dB; la régression logarithmique obtenue avec la distance reste néanmoins très précise. Ensuite. lorsqu'on ajoute les temps de réverbération initiaux EDT susceptibles de redonner I'indice RASTI obtenu (calculés à partir des fonctions de transfert de modulation mesurées. il ne s'agit pas des valeurs affichées par I'analyseur RASTI). on peut également constater que la régression la plus proche de I'intelligibilité, dans les deux bandes de fréquence. est EDT -5 dB. II est donc nécessaire de mesurer la toute, première décroissance de l'énergie. pour pouvoir modéliser convenablement l'indice RASTI. A partir de 25 m de propagation, si on limite la régréssion en fonction de la distance aux seuls points situés dans le fond du local. on constate que EDT -5 dB devient pratiquement constant. aux modes de Propagation près. alors que EDT -15 dB continu à croître régulièrement, tout comme la valeur théorique nécessaire à l'établissement de l'indice RASTI. Enfin, cette expérience complémentaire. a permis de mettre en évidence l'influence de la directivité de Iq source sur les temps de réverbération initiaux: une grande directivité entraîne nécessairement une part de champs diffus plus importante pour les points qui ne sont pas dans le champ direct du système de haut-parleurs (7).Avec ces constatations. on a pu envisager de calculer l'intelligibilité à partir d'une connaissance spatialement limitée du EDT -5 dB, en interpolant les valeurs les plus proches d'une source donnée et en tenant compte de sa directivité.
1.a 1.85 2.46 3.25 1.78
2.68 2.56 2.79 2.97 2.78
1.93 1 .%
2.94 2.68 1.58
2.11 2.04 2.34 2.32 2.12
COLLOQUE DE PHYSIQUE
EDTccorrigé, ; 0.3 (log EDT'0'3) / log
0)
relation dans laquelle d est la distance et r le rayon acoustique local (pris en première approximation égale au cheminement acoustique maximum pour un point d'écoute entre deux groupes de haut-parleurs). Cette régression permet de mieux prendre en compte la directivité de la source et sa proximité. pour une vitesse initiale de décroissance de l'énergie acoustique donnée (puisque le EDT local ne peut être directement mesuré sans les futurs haut-parleurs).
La figure n" donne un bon aperçu des possibilités du modèle, elle met en évidence, en plus de la pression acoustique et de l'indice RASTI, la part prise par le bruit de fond dans la réduction du rapport signal sur bruit et l'influence de la réverbération initiale sur i'intelligibilité escomptée. Sur cet exemple, qui regroupe quatre grappes de haut-parleurs desservant les gradins des niveaux 100 à 300. on peut constater que le bruit des canons d'air de l'anneau technique affecte le bas des gradins du niveau 100 et que I'intelligibilité remonte d'environ 10%
entre le bas et le haut des gradins du niveau 300, du fait du confinement acoustique de plus en plus prononcé lorsqu'on s'avance sous le balcon du niveau 500. D'ailleurs, aux niveaux 400 et 500 qui sont déjà desservis par des haut-parleurs situés sous les balcons, la modélisation reproduit scrupuleusement les valeurs de RASTl mesurées (avec un maximum de 66 % directement sous les haut-parleurs. malgré la durée de la réverbération).
On peut se poser la question à savoir si d'autres indices tels que le Clarity Index' (Cao, de REICHARDT, 1981) auraient pu étre employés, avec la modélisation de i'intelligibilité de BRADLEY par exemple(8.9). Néanmois.
la valeur de la réverbération initiale EDT nous apparait plus facile à obtenir et à modéliser dans un contexte de réverbération très complexe comme celui du Stade Olympique, puisqu'elle ne s'attache pas à l'énergie tardive.
D'autre part. la cartographie de l'indice RASTI. obtenue avec le système de sonorisation actuel, suit minutieusement les nuances perceptives mentionnées lors des tests d'audition (et aussi les nombreux commentaires formulés après 12 années d'exploitation). II est avant tout important que le calcul puisse redonner fidélement la situation observée.
t...L%-...
1
NNEAU DE P I E S S I M IXI Hzf AXe*lacaadi NIVEAU DE PRESSION 2000 H Z
tA..&.d.
RASTI TOTAL EN %
I
FIGURE N U : Résultat de l a modélisation du nouveau svstème de sonorisation pour les secion l a ) .à 300. avec quatre grappes de
haut-parleurs.
NRUENCE w B F L ~ DE FONDM~ANIIXIE W W C E w EDT MESURC REFERENCES
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