Étude de cas - L’acoustique du Centech

Dans le cadre du projet SAV+R, le Metalab a collaboré avec le Centech pour étudier et caractériser l’acoustique de l’espace de réception au centre du bâtiment. De façon générale, les espaces clos ont des signatures acoustiques différentes, le son ne résonnant pas de la même manière dans une église, un bureau ou une salle de bain. La forme de l’espace, le type de cloisons et les divers éléments présents donnent à chaque lieu une signature unique.

Nous allons d’abord présenter les différents outils et techniques utilisés pour caractériser l’espace sous le dôme du Centech. Suite à cette caractérisation, nous proposons également une solution simple pour réduire la réverbération de cet espace.

C’est aussi une occasion pour explorer l’intérêt d’un enregistrement ambisonique pour l’analyse de réponse impulsionnelle.

Le Centech - Présentation du lieu

Le Centech est l’accélérateur d’entreprises technologiques de l’École de technologie supérieure (ETS) de Montréal. Installé dans le bâtiment de l’ancien Planétarium Dow de Montréal, cet espace bénéficie d’une architecture exceptionnelle constituée d’un dôme en béton armé reposant sur un cylindre du même matériel.

Photo du dôme de Centech, prise au rez-de-chaussée. Les mesures pour cette étude de cas ont été réalisées au premier étage.

Au premier étage, la géométrie est idéale pour réaliser la projection d’un ciel étoilé. Cependant, cette configuration et les matériaux utilisés font que l’acoustique de ce lieu rend l’espace peu utilisable à cause des échos et temps réverbération long. Ce problème d’acoustique n’était pas si important lorsque le planétarium était en activité, car le point central était occupé par la lentille de projection, ce qui fait qu’aucun son n’était émis ou entendu de ce point.

Techniques et matériel

La caractérisation acoustique d’un espace se fait grâce à l’analyse de réponses impulsionnelles. En acoustique, une réponse impulsionnelle est un enregistrement audio d’une impulsion et de sa réverbération dans l’espace à étudier.

Autrefois, ces impulsions étaient générées par des méthodes incluant l’éclatement d’un ballon de baudruche, le déclanchement d’un pistolet de course, ou tout simplement en claquant des mains. La reproductibilité du son est le problème commun à toutes ces techniques. En effet, il est presqu’impossible d’avoir deux fois le même claquement de main, ou le même ballon qui explose; on observera des variations de puissance et de fréquence. Par exemple, un claquement de main peut être plus aigu qu’un autre.

La technique communément utilisée aujourd’hui est un balayage de fréquence. Un haut-parleur émet une onde sinusoïdale variant de 20 Hz à 20 kHz (plage de fréquence de l’audition humaine) pendant qu’un microphone capte le résultat. Grâce à une opération de convolution, il est possible d’amener ce balayage de fréquence en une impulsion et on peut ainsi utilisé les outils habituels d’analyse de réponse impulsionnelle. Pour générer ce signal et le convertir en impulsion, nous avons utilisé le logiciel pyAmbIR développé au Metalab. Cet outil permet de visualiser l’énergie sonore d’un enregistrement ambisonique et de mesurer les temps de réverbération.

Dans notre cas, nous avons utilisé un haut-parleur omnidirectionnel, l’Audiodice (développé par le Metalab), et un microphone ambisonique du 3ᵉ ordre. Ces outils nous permettent d’obtenir de l’information spatiale en plus de l’information temporelle.

Mesures

Réponse impulsionnelle

Pour la mesure, nous avons installé le haut-parleur à 50 cm du centre et le microphone diamétralement opposé au haut-parleur. L’espace entre le microphone et le haut-parleur sera utilisé plus tard pour installer du matériel absorbant. Le microphone et le haut-parleur étaient à 1,5 m de haut sur des pieds (environ une hauteur de tête).

Un balayage de fréquence a été joué pendant 20 s. Ce balayage a été capté par le microphone ambisonique avec 20 s d’enregistrement après le balayage afin de prendre en compte le temps réverbération de l’espace. Le choix de la durée du balayage est un compromis entre le temps de capture et le rapport signal sur bruit. En pratique, la durée usuelle de balayage dure entre 3s et 20s. Plus le balayage est lent, plus le rapport signal sur bruit est important. C’est pour cette raison que nous avons choisi la limite haute. Une durée d’enregistrement plus longue nous expose aux bruits environnants qui risque de rendre la mesure inutilisable : un éternuement, un objet qui tombe, une chaise qui grince sont parmi les bruits rencontrés pendant les séances d’enregistrement.

Le temps de réverbération est une mesure communément utilisée en acoustique qui permet de caractériser d’une manière simple un espace. Cette mesure est définie par le temps nécessaire, en secondes, à la réduction de l’énergie acoustique d’un facteur 1000 (30dB) ou 1000000 (60dB). Nommé respectivement RT30 et RT60, RT signifiant Reverberation Time, le chiffre désignant le facteur choisi pour l’analyse.

Mesure de réponse impulsionnelle ambisonique avec pyAmbIR

PyAmbIR est une boite à outils écrit en Python pour générer les signaux nécessaires pour réaliser des réponses impulsionnelles et également manipuler, visualiser, analyser des fichiers ambisoniques.

Le script utilisé dans le cadre de cette étude de cas sert principalement à faire le lien entre les entrées et sorties audio JACK, le disque dur et NumPy, ce dernier permettant d’effectuer des opérations de convolution. Le script est fourni dans le dossier examples/IR_recording.py du dépôt de PyAmbIR.

Voici le code de la boucle principale de ce script :

for measureName in plan:
    redo = True
    while redo:
        print("-------------------------------")
        print("Will measure: " + measureName)
        input("Press Enter when ready to record")

        # play / record sweep
        jack_env.play_record(measureName)

        # check function docstring to obtain filter
        # A2B-Zylia-3E-Jul2020.wav
        convert_to_Bformat(measureName + ".wav",
                         "A2B-Zylia-3E-Jul2020.wav")

        # convert IR
        ess.deconv_ess(measureName + "_B.wav",
                       "IR_" + measureName + "_B.wav")

        print("-------------------------------")
        print("measurement finished")
        redoStr = input("redo ? y/N")

        if redoStr != "y":
            redo = False

Un enregistrement se passe en trois temps:

1. enregistrement du balayage fréquentiel.

2. conversion en format B (format ambisonique fait à partir d’un fichier de calibration propre au microphone).

3. conversion du balayage en impulsion.

L’ordre de ces deux dernières opérations n’a pas d’importance, l’opération de convolution est commutative, comme la multiplication.

Afin d’obtenir les meilleurs résultats possibles, le silence doit être le plus complet; c’est pourquoi nous proposons de refaire la mesure si un bruit est arrivé pendant celle-ci. Il est possible d’interrompre un enregistrement avec la combinaison CTRL-C.

Analyse des résultats

Le résultat de cette première capture ambisonique se trouve ci-dessous, celle-ci étant réduite à un canal omnidirectionnel pour en faciliter l’écoute :

Écouter l’extrait

Dans cet extrait on entend l’impulsion initiale ainsi que sa réverbération. Le RT30 mesuré est de 13.57 s, c’est-à-dire qu’il faut 13.57 s pour que l’énergie de l’impulsion initiale réduise d’un facteur 1000.

La figure suivante montre la forme d’onde (en noir) superposée avec le spectre (en bleu, vert, et jaune) de la réponse impulsionnelle. Avec respectivement en ordonnée l’amplitude et les fréquences, et pour l’abscisse le temps.

On peut visualiser l’écho sur la forme d’onde, soit la suite de pics régulièrement espacés.

Le premier pic que l’on voit est le son direct. Le second est la première réflexion, plus forte que le son direct, car le dôme focalise toute l’énergie acoustique du haut-parleur omnidirectionnel en un point. Dans le cas du son direct, seulement une partie du haut-parleur fait face au microphone, il y a donc moins d’énergie transmise directement. Les autres pics sont les réflexions subséquentes entre le dôme et le sol. À chaque réflexion, il y a une perte d’énergie causé par l’absorption, la diffraction, la transmission…

Ici, le spectre nous renseigne sur la qualité des réflexions. À chacun des pics de réflexions (noir) correspond une colonne verte/jaune dans le spectre. On peut remarquer que ces colonnes diminuent en hauteur avec le temps, ce qui signifie que ce sont les basses fréquences qui persistent le plus et que les hautes fréquences sont plus rapidement dissipées. Ce qui est un résultat communément observé dans une pièce construite avec des murs en béton.

Visualisation de l’énergie acoustique

Afin de pouvoir déterminer la provenance du son, toutes les captures ont été faites avec un microphone ambisonique du 3ᵉ ordre. Un microphone ambisonique enregistre le son de la même manière qu’une caméra 360 enregistre une image: nous n’avons pas besoin de pointer le microphone dans une direction, celui-ci enregistrant toutes les directions en même temps.

PyAmbIR propose un script de visualisation d’enregistrement ambisonique. Avec cette instruction de ligne de commande, nous générons la vidéo et les images suivantes :

$ python3 examples/visualize_ambisonic_IR.py -i examples/centech_center_3rd_order.wav -p examples/furniture_off.jpg

Sur une photo 360 équirectangulaire est superposée la visualisation de l’énergie acoustique, le bleu correspondant à un faible niveau d’énergie et le jaune, au niveau le plus fort.

La vidéo ne contient pas de son, l’image étant ralentie afin de mieux visualiser le déplacement de l’énergie. La vidéo contient 1.5 seconde d’enregistrement joué en 1 minute 34.

Voir la vidéo

Échelle de couleur utilisée pour la visualisation (de la librairie Matplotlib).

Extrait de la vidéo montrant l’aller-retour de l’énergie acoustique sans mobilier absorbant.

Au début de la vidéo, c’est le silence avant l’impulsion: la photo 360 est couverte de bleu. Puis, le centre de l’image devient jaune : c’est le son direct émis par le haut-parleur. Enfin, c’est la première réflexion, le son arrivant de toutes parts de la pièce: l’image se recouvre entièrement de jaune et de violet. Plus la vidéo avance, plus on remarque que la contribution du cylindre est faible, pour enfin n’avoir que les réflexions entre le sol et le dôme. Ces réflexions sont visibles par le mouvement de haut en bas de la masse jaune, tel que l’on peut visualiser dans l’extrait image par image.

Notre intuition est confirmée : les visualisations démontrent que les réflexions sont principalement entre le dôme et le sol, et de façon moins importante, du cylindre.

Point focal acoustique

Ce phénomène porte un nom : c’est le point focal acoustique. De la même façon qu’un miroir concave concentre les rayons de lumière en un point focal (voir la figure ci-dessous), nous observons que le dôme agit pour le son comme un miroir sphérique, concentrant l’énergie acoustique en un seul et unique point.

(Image CC prise sur opentextbc.ca)

Installation du matériel absorbant

Afin de réduire le temps de réverbération, il faut absorber l’énergie acoustique pour éviter qu’elle rebondisse trop longtemps. Le point focal étant bien observé, nous avons essayé de positionner du matériel absorbant en ce point. Nous avions à notre disposition un fauteuil rond fait d’une structure en bois, rempli de mousse et recouvert d’un tissu rouge. Pour un diamètre d’environ 1 m et 45 cm de hauteur.

Le positionnement est critique pour l’efficacité de l’absorption. Le simple fait d’avoir du matériel absorbant dans l’espace ne garantie pas une absorption optimale. La première réponse impulsionnelle présentée ici a été enregistrée avec 2 de ces fauteuils dans l’espace, loin du centre de la pièce.

Afin d’explorer le potentiel d’absorption de l’énergie sonore des fauteuils, nous en avons posé un au plein centre de l’espace avant de réaliser la seconde mesure de réponse impulsionnelle. Rappelons que le centre de l’espace correspond au point focal acoustique.

Un autre point à prendre en considération en ce qui concerne l’absorption, c’est que toutes les fréquences ne sont pas absorbées de la même manière en fonction des matériaux, de la dimension et la forme de l’absorbeur. Par exemple, pour absorber les basses fréquences, il faut utiliser un gros volume de matériaux que pour les fréquences situées dans le bas medium / medium.

Photographie équirectangulaire prise au centre du dôme du Centech, alors que le mobilier abosrbant est installé au point focal.

Voici le résultat de cette capture avec le mobilier absorbant. La capture a été réalisée de la même manière que la première mesure.

Écouter l’extrait

Nous constatons une forte diminution du temps de réverbération, celui-ci passant de 13.57s à 2.97s, soit un facteur de 4.569. En d’autres mots, le son résonne environ 4.6 fois plus longtemps en l’absence de fauteuil au point focal acoustique du dôme.

Ci-dessous se trouve la visualisation de cet enregistrement (généré de la même manière que précédemment).

Voir la vidéo

Analyse des résultats

Le temps de réverbération donne une bonne estimation quant à la qualité sonore de l’espace. Cependant, cette mesure générale manque de détails pour aider au choix des matériaux nécessaire pour une absorption optimale. Pour raffiner notre compréhension, une méthode simple consiste à découper la réponse impulsionnelle en région de fréquences avant d’effectuer le calcul de temps de réverbération.

C’est ce que montre la figure ci-dessous ou les réponses impulsionnelles ont été divisées en 8 bandes d’une octave à partir de 20kHz: 20kHz - 10kHz / 10kHz - 5kHz / 5kHz - 2.5kHz / 2.5kHz - 1.25kHz / 1.25kHz - 625Hz / 625Hz - 312.5Hz / 312.5Hz - 156.25Hz / 156.25Hz - 78.1Hz La valeur donnée en abscisse correspond à la fréquence centrale de l’octave mesurée, alors que l’ordonnée dénote la durée du RT30 en secondes.

Ainsi, nous voyons deux trajectoires : le RT30 par octave de la réponse impulsionnelle (représenté par une courbe continue) et le RT30 de la réponse impulsionnelle sur l’ensemble de la plage de fréquences (représenté par une droite en pointillé).

Nous confirmons ce que nous avons vu avec le spectre de la première capture : les hautes fréquences résonnent moins longtemps que les basses. Les deux premières mesures (celles centrées à 117Hz et 234Hz) sont plus longues que la mesure de RT30 générale parce que l’algorithme à du mal à distinguer le signal utile par rapport au bruit de fond. Le rapport signal sur bruit est faible ce qui donne des résultats moins fiables.

On remarque aussi que l’atténuation offerte par le fauteuil est plus importante dans les basses fréquences, car c’est dans cette région de fréquence que la réverbération est le plus problématique et aussi parce que le fauteuil est un atténuateur volumineux.

Conclusion

Dans cet article, nous avons vu comment caractériser et identifier un problème acoustique grâce aux réponses impulsionnelle ambisoniques. Cette analyse nous a permis de confirmer notre intuition du phénomène de point focal acoustique et d’agir en conséquence. L’installation du mobilier à l’endroit exact où se concentre les ondes sonores à permis de réduire d’un facteur 4 le temps de réverbération de l’espace. Ce simple changement de configuration de l’espace permet de rendre ce lieu plus facilement utilisable, sans perdre de manière définitive cette signature sonore si particulière.

Liens

pyAmbIR : Logiciel utilisé pour la capture des réponses impulsionnelles.

Audiodice : Haut-parleur utilisé pour la capture des réponses impulsionnelles.

Centech : Lieu des analyses.

Publié le 05/05/2022 par Thomas Piquet (tpiquet(at)sat.qc.ca)