acústica virtual – tecnologia e aplicações a dilema do decibel há
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SOBRAC Campinas | 22.10.2014
Acústica Virtual – Tecnologia e Aplicações
Michael VorländerInstituto de Acústica TécnicaUniversidade RWTH Aachen
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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
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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
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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
• Introdução• Ferramentas e ingredientes de AV• Aplicações (em salas, ambientes ao ar livre)• Gargalos, desafios• Resumo e perspectivas
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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
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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
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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
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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
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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?
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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
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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
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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
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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
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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
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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
• Introdução• Ferramentas e ingredientes de AV• Aplicações (em salas, ambientes ao ar livre)• Gargalos, desafios• Resumo e perspectivas
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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
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• 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
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Estação de Metro
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Parque e Centro de Conferência
Goal: immersive, multimodal, interactive environment
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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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Desafios
Gargalos computacionais (quantas fontes, quantos caminhos de som, exatidão dos resultados)?
Condições de contorno incertos
Fontes desconhecidas
Interfaces não apropriadas?
Avaliação
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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
• Introdução• Ferramentas e ingredientes de AV• Aplicações (em salas, ambientes ao ar livre)• Gargalos, desafios• Resumo e perspectivas
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A parede
AV está muito distante das aplicações