Validation of a numerical diffusion equation-based modelling of the reverberated sound field in long rooms

Many applications as corridors, railways tunnels or tube stations present a long room geometry. A fast and reliable modelling of such sound fields could be helpful for designers. In fact, the classical statistical theory based on the assumptions of diffuse sound field is not applicable in such cases because the reverberant sound energy along the room is not uniform. In this study, several models assuming diffuse reflections of sound by walls are used for predicting the reverberant sound field in long rooms. Two models based on a diffusion equation for the energy density (one numerical and one analytical based on an image approach for describing the sound reflection at the corridor extremity) are compared with a radiosity model, and with a ray tracing software. Predictions are compared in terms of sound attenuation and reverberation time with measured data. The long rooms considered in this study were two rectangular corridors of lengths 20.3m and 47.3m. All models overestimate the attenuation, reaching 6dB for the numerical diffusion based model. When a part of specular reflection (30%) is added in the ray tracing model, the predicted sound attenuation matches with the measured one: even in case of rough surfaces, specular reflections cannot be totally excluded. For reverberation time, the agreement between predictions and experiments is good with fewer than 15% of discrepancy. The best predictions of the reverberation time were given by the diffusion models, with discrepancy less than 2% for the numerical model. So, it could be concluded that it is difficult to find a prediction method which is consistent both in terms of steady state and sound decay for the acoustics of long halls

Gridless 3D Recovery of Image Sources from Room Impulse Responses

International audienceGiven a sound field generated by a sparse distribution of impulse image sources, can the continuous 3D positions and amplitudes of these sources be recovered from discrete, bandlimited measurements of the field at a finite set of locations, e.g., a multichannel room impulse response? Borrowing from recent advances in super-resolution imaging, it is shown that this nonlinear, non-convex inverse problem can be efficiently relaxed into a convex linear inverse problem over the space of Radon measures in R3. The linear operator introduced here stems from the fundamental solution of the free-field inhomogenous wave equation combined with the receivers' responses. An adaptation of the Sliding Frank-Wolfe algorithm is proposed to numerically solve the problem off-the-grid, i.e., in continuous 3D space. Simulated experiments show that the approach achieves near-exact recovery of hundreds of image sources using an arbitrarily placed compact 32-channel spherical microphone array in random rectangular rooms. The impact of noise, sampling rate and array diameter on these results is also examined

Simulation de l acoustique intérieure d un bâtiment par la résolution numérique d une équation de diffusion (introduction de la diffusivité aux parois)

Cette étude porte sur le développement d un modèle de prévision acoustique permettant, à terme, d optimiser l architecture intérieure des bâtiments. Notre approche est basée sur un modèle de diffusion reposant sur l hypothèse que les réflexions diffuses par les parois d un local engendrent un processus de diffusion de l énergie. L objectif de ce travail a notamment consisté à intégrer le phénomène de réflexions mixtes spéculaire/diffus des parois au sein de ce modèle. Tout d abord, nous avons cherché à exploiter la relation entre le processus de diffusion et le libre parcours moyen, en vue d obtenir une expression de la constante de diffusion qui soit fonction du coefficient de diffraction et de la forme de la salle. Cette démarche se révélant mal adaptée, nous avons proposé de simuler ce phénomène par le biais d une valeur adéquate de la constante de diffusion obtenue empiriquement par ajustement avec les résultats issus d une approche de tir de rayons. La comparaison avec des modèles classiques a permis de valider cette approche dans la majorité des cas. Pour des couloirs spéculaires, le modèle de diffusion étant insuffisant, nous avons proposé un modèle hybride diffusion/sources-images, dont le couplage s effectue au niveau des intensités, via le coefficient de diffraction. Enfin, des validations expérimentales ont montré le bon comportement des modèles développés. En particulier, le modèle hybride diffusion/sources-images permet d obtenir un bon accord avec les données expérimentales à la fois en termes de niveaux sonores et de temps de réverbération (avec un temps de calcul faible), à la différence de la méthode de tirs de rayons.LA ROCHELLE-BU (173002101) / SudocSudocFranceF

Modelling the sound transmission through separation walls using a diffusion model

The diffusion model has been used successfully to evaluate the acoustic behaviour of a system of coupled rooms connected through a coupling aperture. In this paper, an extension of this model is proposed to deal with the propagation of sound energy through a partition wall. The diffusion model can be considered as an extension of the statistical theory to none diffuse sound fields. Numerical comparisons with the statistical theory are then carried out. The following parameters are varied: its transmission loss of the separation wall, its surface, the coupled room’s absorption coefficient and the coupled room’s volume. The agreement between the statistical theory and the diffusion model is very good.OPALH

Différentes estimations du libre parcours moyen en acoustique des salles : influence sur l’estimation de l’énergie acoustique par un modèle de diffusion

La plupart des outils de prévision en acoustique des salles sont basés sur le principe du tir de rayons. La précision des résultats dépend alors du nombre de rayons choisi, nécessairement important quand la géométrie simulée est grande et/ou disproportionnée, ce qui implique alors des temps de calcul élevés. Pour ce type de géométrie, une méthode alternative, basée sur la résolution numérique d’une équation de diffusion, permet en revanche de réaliser des prévisions acoustiques au prix d’un coût numérique modeste. Ce modèle repose en particulier sur un coefficient de diffusion caractérisant la pièce. Ce coefficient est théoriquement proportionnel au libre parcours moyen (LPM) du local considéré, vérifiant classiquement l’expression 4V/S (V étant le volume de la salle, S la surface des parois). Il est souvent admis que cette valeur est valide pour une salle de dimensions homogènes et dans le cas d’un champ réverbéré diffus. Néanmoins, dans la présente étude nous montrons que pour des locaux particulièrement allongés ou plats, l’atténuation sonore, directement dépendante du coefficient de diffusion, est surestimée par ce modèle. Il en est de même pour des locaux dont la loi de réflexion aux parois s’écarte d’une loi de Lambert. Ainsi, afin d’améliorer les performances du modèle de diffusion, la solution envisagée consiste d’une part, à réaliser un calcul numérique préliminaire du LPM et d’autre part, à considérer les approches analytiques alternatives du LPM rencontrées dans la littérature. La méthode numérique retenue est basée sur le suivi de particules sonores, et permet d’établir le LPM à partir de l’ensemble des distances de collision entre deux parois, pour des conditions de réflexion quelconques. Les résultats de ces approches analytiques et numériques sont présentés en terme d’atténuation sonore pour un local plat et un local allongé, et sont comparés à ceux issus d’autres méthodes numériques

Mean Absorption Coefficient Estimation From Impulse Responses: Deep Learning vs. Sabine

We consider the problem of estimating the mean absorp-tion coefficients of a room from an impulse response us-ing supervised learning on simulated training sets. Twoneural network architectures and two training dataset de-signs are considered. The proposed approach is shown toyield smaller estimation errors than the classical Sabineand Eyring formulas, despite not relying on any geomet-rical information on the room. Simulated results demon-strate the robustness of the approach under different chal-lenging acoustic condition

Mean Absorption Coefficient Estimation From Impulse Responses: Deep Learning vs. Sabine

International audienceWe consider the problem of estimating the mean absorp-tion coefficients of a room from an impulse response us-ing supervised learning on simulated training sets. Twoneural network architectures and two training dataset de-signs are considered. The proposed approach is shown toyield smaller estimation errors than the classical Sabineand Eyring formulas, despite not relying on any geomet-rical information on the room. Simulated results demon-strate the robustness of the approach under different chal-lenging acoustic conditions

Mean absorption estimation from room impulse responses using virtually supervised learning

International audienceIn the context of building acoustics and the acoustic diagnosis of an existing room, this paper introduces and investigates a new approach to estimate mean absorption coefficients solely from a room impulse response (RIR). This inverse problem is tackled via virtually-supervised learning, namely, the RIR-to-absorption mapping is implicitly learned by regression on a simulated dataset using artificial neural networks. We focus on simple models based on well-understood architectures. The critical choices of geometric, acoustic and simulation pa- rameters used to train the models are extensively discussed and studied, while keeping in mind conditions that are representative of the field of building acoustics. Estimation errors from the learned neural models are compared to those obtained with classical formulas thatrequire knowledge of the room's geometry and reverberation times. Extensive comparisons made on a variety of simulated test sets highlight different conditions under which the learned models can overcome the well-known limitations of the diffuse sound field hypothesis under-lying these formulas. Results obtained on real RIRs measured in an acoustically configurable room show that at 1 kHz and above, the proposed approach performs comparably to classical models when reverberation times can be reliably estimated, and continues to work even when they cannot

Estimation jointe des profils d’absorption des parois d’une salle à partir de réponses impulsionnelles

L’estimation jointe et in situ des profils d’absorption des parois d’une salle reste à ce jour un problème inverse ouvert dans le domaine de l’acoustique du bâtiment. L’objectif des travaux menés est de proposer une méthode permettant de réaliser cette estimation à partir des spectrogrammes d’amplitude de réponses impulsionnelles et de connaissances géométriques, c’est-à-dire, les positions des sources, des récepteurs et des dimensions de la salle. L’approche proposée repose sur la sélection d’un sous-ensemble des fenêtres temporelles des spectrogrammes d’amplitude grâce à l’algorithme robuste RANSAC. Les probabilités associées aux différentes fenêtres temporelles sont définies à partir des temps d’arrivée des réflexions spéculaires, calculés avec la méthode des sources images. Ceci permet à la fois de limiter l’influence d’interférences entre les réflexions et celle d’erreurs possibles sur les données géométriques. Une fonction de coût tenant compte des contraintes multiplicatives sur les coefficients des sources-images d’ordre 2 est ensuite optimisée sur le sous-ensemble de fenêtres sélectionné afin de fournir une estimation jointe des profils d’absorption. Une étude simulée est menée afin de comparer les performances de cette approche analytique à celles d’une approche basée sur l’apprentissage automatique virtuellement supervisé d'un réseau de neurones. La robustesse des méthodes aux erreurs géométriques, à la présence de diffusion acoustique et au bruit ambiant est évaluée. Les avantages et inconvénients des deux approches sont identifiés expérimentalement et discutés en profondeur

Geometry-Informed Estimation of Surface Absorption Profiles from Room Impulse Responses

This paper presents a method to jointly estimate the frequency-dependent absorption coefficients of the walls, ceiling and floor in a room from several impulse response measurements. The principle of the approach is to search among the observations for temporal windows of fixed size in which there is only one manifestation of acoustic reflection, based on the geometry of the setup which is assumed known up to some error. A probablistic procedure inspired by RANSAC that rejects putative outliers is devised for this purpose. Once the windows have been selected, the parameters of interest are estimated from the magnitude spectrograms of room impulse responses by minimizing a constrained cost function. Extensive simulation results on random shoebox rooms reveal that absorption coefficients can be efficiently recovered with the procedure, and that increasing the number of measurements improve the results while enhancing the robustness to noise and to geometrical uncertainty