HAL Id: jpa-00230585
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Submitted on 1 Jan 1990
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SYNTHÈSE DE LA RÉPONSE IMPULSIONNELLE BINAURALE EN ACOUSTIQUE DES SALLES
J. Martin
To cite this version:
J. Martin. SYNTHÈSE DE LA RÉPONSE IMPULSIONNELLE BINAURALE EN ACOUS- TIQUE DES SALLES. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-1089-C2-1092.
�10.1051/jphyscol:19902255�. �jpa-00230585�
COLLOQUE DE PHYSIQUE
Colloque C2, supplement au n02, Tome 51, FBvrier 1990 ler Congrès Français d'Acoustique 1990
J. MARTIN
Division Acoustique des Salles, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, 24 Rüe Joseph Fourier, F-38400 Saint Martin d'Hères- France
Résumé
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Une méthode géom6trique de propagation de cônes associée à des techniques de traitement du signal est utilisée pour calculer la réponse impulsionnelle binaurale d'une salle de spectacle c'est-à-dire les deux réponses impulsionnelles entre la source et le conduit auditif de chacune des oreilles d'un auditeur situé dans la salle. Ce travail est une extension du programme EPIDAURE développé au CSTB permettant d'obtenir une réponse monaurale. Des tests d'écoute de salles non encore construites peuvent être réalisés en convoluant les réponses impulsionnelles avec des enregistrements musicaux anéchoïques.Abstract
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A geometrical beam tracing method associated to signal processing techniques are used to calculate the binaural impulseresponses a t t h e two ear Canals o f a s u b j e c t s e a t e d i n a concert h a l l .
This work is an extension of the EPIDAURE programme which have been developped at the CSTB in order to predict the monaural response.
Listening tests of halls, even not yet existing, can be carried out by convolving the binaural impulse responses with dry musics.
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INTRODUCTIONCes dernières années de nombreux travaux ont vu le jour sur la génération de signaux binauraux ou sur l'impression spatiale d'une salle Cl], [ 2 ] , [ 3 ] .
L'impression d'espace est la perception des dimensions et du volume que l'auditeur attribue à une salle lorsqu'il y est exposé à un champ sonore. Cet effet est très important dans l'appréciation des qualités acoustiques d'une salle dédiée à la parole ou à la musique. Physiquement l'impression d'espace provient de la capacité de nos deux oreilles à localiser la direction d'une source sonore en utilisant les différences d'intensités et de phases des deux signaux issus de la source et frappant nos deux oreilles. Nous proposons ici une nouvelle méthode permettant de synthétiser numériquement les réponses impulsionnelles entre la source et l'entrée du conduit auditif d'un auditeur.
Cette méthode utilise les fonctionnalités du programme EPIDAURE permettant d'estimer la réponse monaurale et qui s'est avéré sur de nombreuses études, telles que le nouvel opéra de la Bastille à Paris [8], très performant dans la prédiction des critères acoustiques. La méthode présentée ici conduit naturellement à la restitution de l'écoute avec l'effet spatial de la salle.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902255
C2-1090 COLLOQUE DE PHYSIQUE 2
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DESCRIPTION DE LA METHODEPour construire la réponse binaurale d'une salle il faut rendre compte des phénomènes physiques contribuant h l'effet d'espace entre la source et l'auditeur. Les signaux sonores qui vont parvenir à l'auditeur, outre le trajet direct, sont constitués par l'ensemble des reflexions sur les différentes surfaces ou parois de la salle. Il faut donc connaître :
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la géométrie de la salle ainsi que les caractéristiques de réflexion et d'absorption des matériaux constituant les surfaces-
les trajets de tous les rayons sonores parvenant aux oreilles de l'auditeur avec leur histoire : leurs angles de départ de la source, les surfaces qu'ils frappent pendant leur parcours, leurs angles dlarriv&e sur l'auditeur.-
les paramètres de la propagation (humidité, température...
)-
les réponses impulsionnelles des oreilles droite et gauche de l'auditeur en fonction des angles d'arrivée d'un rayon.La méthode utilisée ici consiste h déterminer des filtres linéaires élgmentaires correspondant h chacun des éléments physiques décrits ci-dessus puis à déterminer un processus de filtrage global du signal émis par la mise en série de ces filtres élémentaires. La Figure 1 donne le schéma gknkral de l'algorithme proposé.
>LOGICIEL EPIDAURE
>PROGRAMME EBINAüR
> RESTITUTION
DE L'ECOUTE
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Fig. 1-
Schéma général de l'algorithme de synthgse.
La figure 1 fait apparaitre 3 parties :
1. Le logiciel EPIDAURE
Ce logiciel, constitué d!un ensemble de modules permettant la prbdiction de la réponse impulsionnelle monaurale d'une salle et des critéres acoustiques associés est présenté par exemple dans [ 4 ] . Cette étude utilise deux modules :
Le premier permet la saisie géométrique de la salle, l'attribution aux différentes surfaces de leurs caractéristiques acoustiques par bande d'octave et la définition dans la salle des positions source-auditeur.
Le deuxième module de propagation géométrique de cônes d'énergie fournit l'ensemble des trajets entre la source et l'auditeur.
2. Le programme EBINAUR
La première étape consiste à élaborer une base de données contenant les filtres linéaires élémentaires cités précédemment. Deux types de filtres sont utilisés : des filtres calculés, (filtres directivité source, matériaux, absorption moléculaire) et des filtres mesurés (filtres oreilles). Les filtres source et matériaux sont connus par bande d'octave. Une interpolation spline cubique fournit h(f) module de la fonction de transfert pour toutes les fréquences. h( f ) est réelle sans terme de phase. Il lui correspond donc une réponse impulsionnelle ni réelle, ni causale. 11 faut alors déterminer un terme de phase @( f) Tel que : h(f) = h( f) ei@( f, ait une transformée inverse de FOURIER réelle et causale. Pour ceci nous imposons à h(f) d'être la fonction de transfert d'un filtre à phase minimale en utilisant la forme logarithmique des relations de BAYARD-BODE [5] :
@(f) = HT [log Ih(f)ll x(f
HT[x(f)] = - df' (transformée de HILBERT) ( 2 )
Cette expression devient très simple dans le domaine temporel Transf. de FOURIER
HT Cxff)]
n C -
i X(t) sgn(t) ( 3 )X(t)= x ( f ) , sgn(t) pseudo-fonction signe. D'où la fonction cherchée :
A h(f) = h(f) ei@(f)
h
( 4
La contrainte sur h(f) d'être la fonction de transfert d'un filtre réel
A A "x.
s'obtient en imposant à h( f ) la symétrie hermitique (h( f ) = h (-f ) )
.
Cettetechnique est appliquée à la détermination des filtres élémentaires directivité source, matériaux et absorption moléculaire de l'air. Pour ce dernier h(f) est obtenue directement par la relation donnée dans [6].
L'élaboration de la base de données est complète si l'on connaît les fonctions de transfert des oreilles pour différents sites et azimuts d'arrivée d'un rayon sur l'auditeur. Ces filtres ont été mesurés comme l'indiquent les figures 2 et 3 par la méthode TDS (Time Delay Spectrometxy) implantée sur un micro-ordinateur de type PC [71 qui permet de déterminer la fonction de transfert d'un trajet particulier (trajet direct source-oreille).
Le récepteur est composé de deux microphones capsules Sennheiser disposés à l'entrée du conduit auditif. La mesure est déconvoluée par les fonctions de transfert du haut-parleur, du milieu et des microphones. La fréquence d'échantillomage choisie est de 20 kHz et l'échantillon temporel constitué de 512 points (25,6 ms). Dans la deuxième phase, on calcule, pour chaque trajet , le produit des fonctions de transfert suivant :
(SOURCE)X(REFLEXIONS SURFACES)X(ABSORPTION AIR)X(OREILLES DROITE, GAUCHE)
T T t t
angles de matériaux des distance Parcourue angles ' d
'
arrivée départ surfaces touchéesPar transformée inverse de FOURIER on obtient les réponses impulsionnelles droite et gauche du trajet i Di ( t ) et Gi( t )
.
La réponse globale est obtenue en sommant les contributions de tous les trajets affectes de leur retard de propagation respectifs 5 1 2C2-1092 COLLûQUE DE PHYSIQUE
Fig. 2
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Système de mesure de la fonction dë transfert des oreilles.
Fig. 3
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Positions successives du haut-parleur.
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RESTITUTION DE L'ECOUTEL'écoute au casque est obtenue par convolution (overlap-add-sectionning) des deux réponses D(t) et G(t), avec des enregistrements anéchoïques. Ce calcul est effectué sur un processeur vectoriel.
CONCLUSION
Plusieurs tests de cette méthode ont été menés. En voici quelques conclusions pour autant que l'on puisse décrire des impressions sonores par écrit.
.
La localisation d'une source se déplaçant autour de l'auditeur est très bonne sauf lorsque l'azimut devient égal à zéro (plan médian) qui est un cas bien connu des utilisateurs de tête artificielle..
La perception du volume est totalement cohérente avec la dimension physique de la salle simulée..
Il nous reste à analyser des comparaisons salle réelle-salle simulée. Un objectif en cours d'étude est la prolongation de la réponse binaurale par une réverbération artificielle. Cette méthode fournit un outil trés performant d'aide à la conception ou à la rénovation d'une salle de spectacle. De plus, sa capacité à pouvoir modifier rapidement les caraotéristiques géométriques ou acoustiques d'une salle en font un moyen puissant d'étude des facteurs importants pour l'impression d'espace.REFERENCES
[l] POSSELT, C., SCHROTER, J., OPITZ, M., DIVENYI, P.L. and BLAUERT, S.
"Generation of binaural signals for research and home entertainment"
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ICA 86
[2] ELS, H. and BLAUERT, J. "A measuring system for acoustic scale models" ICA 86
[3] MORIMOTO, M. and MAEKAWA, Z. "Effect of low frequency components on auditory spaciousness" ACUSTICA vol. 66 (1988)
141 VIAN, J-P. and VAN MAERCKE, D. "Calculation of the room impulse response using a ray-tracing method" ICA 86
[5] BOITE, R. and LEICH, H. "Les filtres numériques" MASSON, CNET-ENST
( 1980)
[6] BASS, H.E. "Absorption of Sound by the atmosphere" Physical Acoustics vo1.17 (1984)
[7] VILLOT, M. ''A TDS measuring system developed for a persona1 cornputer"
NOISE CONTROL ENGINEERING JOURNAL (December 88)
[8] MÜLLER, H.A., VIAN, J-P. "The acoustics of the new "Opera de la ~astille in PARIS" 13e ICA 89, pp. 191-194.
