FR3072820A1 - Procede de modelisation et de simulation en temps reel de sources acoustiques dans un environnement par decomposition en sources elementaires - Google Patents

Abstract

Procédé de simulation du signal acoustique issu d'un système de sources acoustiques placées dans un environnement simulé : • l'interaction entre ces sources primaires et l'environnement crée des sources secondaires par différents phénomènes physiques notamment les réflexions et les diffractions. • les sources primaires et secondaires du système sont décomposées en sources élémentaires • les caractéristiques des sources, de l'environnement, des points d'observation sont paramétrables en temps réel • selon le principe de superposition, le signal au point d'observation résulte de la sommation en temps réel des rayonnements des sources élémentaires vues et ce signal est visualisé, mesuré et auralisé en temps réel

Description

La présente invention se rapporte au domaine de la modélisation, de la simulation et de l'auralisation de sources acoustiques placées dans un environnement.

Problème technique posé [001] Lors de l’étude de systèmes acoustiques constitués de sources sonores, de sources de bruit ou de systèmes de réduction de bruit, le besoin est récurrent de modéliser les systèmes aussi précisément que possible pendant la conception, pour simuler les performances et comprendre les facteurs importants avant la construction ou l'installation du système réel. En réalité virtuelle, la modélisation nécessite une performance optimale pour parvenir à un rendu en temps réel.

[002] La simulation permet des tests objectifs pour qualifier quantitativement les performances du système, et des tests subjectifs permettant de qualifier qualitativement les performances du système. Le test subjectif est appelé auralisation, procédé visant à recréer un environnement acoustique virtuel à partir de données modélisées afin de pouvoir écouter une simulation du résultat. Les tests subjectifs sont effectués par des personnes qui écoutent le système, peuvent ajuster des paramètres dudit système et qualifient les performances par des impressions. La durée de la mémoire auditive étant courte, les comparaisons précises lors des tests subjectifs doivent préférentiellement être instantanées, il est donc souhaitable de faire varier les paramètres de l'auralisation du système acoustique en temps réel pour en entendre immédiatement l'influence.

[003] Ce besoin de modélisation, de simulation et d’auralisation est présent dans de nombreux domaines, notamment :

• systèmes de diffusion électro-acoustique • acoustique architecturale • environnement virtuel • bruit de machines, bruit dans l’environnement

Etat de la technique antérieure [004] Les techniques de modélisation se classent en trois groupes :

• les techniques heuristiques où la modélisation est de type statistique donc artificielle, souvent utilisée pour la simulation simple de réverbération • les techniques géométriques qui s’appuient sur différentes méthodes par tracé de rayons, tracé de cônes, sources-images,...

• les techniques liées à la résolution de l’équation d’ondes : méthodes analytiques limitées aux cas très simples ou calcul intensif par éléments finis, éléments frontières, FDTD, méthodes hybrides,...

[005] Les solutions actuelles sont généralement obtenues par les méthodes basées sur la résolution de l’équation d’ondes.

Mais comme les méthodes analytiques deviennent insolvables dès que la source acoustique n'est pas un élément géométriquement simple et/ou dès que les sources se multiplient, ce sont des méthodes par calcul intensif qui sont employées mais qui sont lentes. Si un rendu en temps réel est nécessaire, ce sont plutôt des méthodes géométriques qui sont employées.

[006] Nous allons aborder l’état de l’art dans notre domaine par trois angles :

• la modélisation des sources complexes en considérant un exemple représentatif, celui des systèmes de diffusion électro-acoustiques en linearray qui associent des sources nombreuses et complexes aux caractéristiques spécifiques mais simulées dans un environnement simple • la modélisation en acoustique des salles où c’est l’environnement qui est complexe. En particulier, la modélisation des réflexions diffuses et de la réverbération est importante en acoustique des salles mais est moins utile lors de la modélisation de systèmes électro-acoustiques.

• l’auralisation [007] Pour la recherche documentaire, les principales sources d’information sont issues des conférences, journaux et mémos de l’AES (Audio Engineering Society), de l’ASA (Acoustic Society of America) et de différentes bases des brevets, avec comme principaux mots-clefs : « acoustique, onde, propagation, Huygens, Fresnel, directivité, simulation, modélisation, auralisation, superposition, array, audio >> et leurs traductions respectives en langue anglaise.

Modélisation de systèmes électro-acoustiques [008] Parmi les documents et brevets se rapportant au domaine de la modélisation de systèmes électro-acoustiques et de line-arrays, on peut d'abord citer les modélisations basées sur des caractéristiques de sources théoriques :

• Feistel Stephan, Modeling the radiation of modem sound reinforcement Systems in high resolution, 2014.

Un modèle CDPS « Complex Directivity Point Source >> propose la décomposition de sources réelles en sources élémentaires complexes c'est à dire tenant compte des caractéristiques de phase en plus de la magnitude.

• Une décomposition de source primaire en sources élémentaires a été faite par Keele D.B., AES preprint 8155, « A Performance Ranking of Seven Different Types of Loudspeaker Line Arrays », 2010. Le rayonnement de sources multiples (line-array) est ici déterminé par calcul numérique basé sur le principe de Huygens-Fresnel, mais ce calcul n'est pas fait en temps réel.

• A. Gloukhov, AES preprint 5985, A Method of Loudspeaker Directivity Prédiction Based on Huygens-Fresnel Principle, 2003

Sur le principe de Huygens-Fresnel, la source est décomposée en un ensemble de points-sources, tous avec une directivité paramétrable mais identique. La pression complexe est calculée, en temps non réel, aux niveaux de couches successives depuis la pièce de phase jusqu’à l’ouverture du pavillon.

• Button Doug, JBL, AES preprint 5684, « High Frequency Components for High Output Articulated Line Arrays >>, 2002.

« La sommation vectorielle des parties réelles et imaginaires en chaque point donne un nombre complexe pour chaque fréquence. La magnitude est représentée en échelle logarithmique pour chaque fréquence ce qui nécessite un tableau Excel de 1000 rangées pour chaque point de la source et 2 colonnes par fréquence (partie réelle et imaginaire). Avec 12 fréquences par octave, on arrive à un tableau de 1000x24. Même si ce calcul en force brute semble lourd, l'idée de base n'est pas perdue dans des mathématiques complexes et est facile à implémenter.» Cette méthode est ici appliquée pour le calcul de rayonnement de systèmes de sonorisation de type line-array mais ne permet pas de calcul en temps réel.

• Les logiciels de modélisations physiques (COMSOL, Acousto,...) basent leurs calculs sur des méthodes par éléments finis ou éléments frontières pour qualifier le rayonnement de sources complexes mais ne permettent ni simulation en temps réel ni auralisation.

[009] Un autre type de modélisation se base sur des caractéristiques mesurées de sources électro-acoustiques réelles :

• Les logiciels proposés par les constructeurs de systèmes de sonorisation (Meyer-Sound Mapp Online Pro™, L-Acoustics SoundVision™, JBL Vertec Line Array Calculator™, Bose Modeller™, Nexo SA1 ™, Adamson BluePrint™, d&b ArrayCalc™ ), permettent tous de cartographier le niveau sonore dans un environnement, de calculer une courbe de réponse fréquentielle ou une réponse temporelle en un ou plusieurs points d'observation. Ces logiciels sont basés sur une modélisation à partir de la mesure : les sources sont mesurées de façon complète, dans de nombreuses directions et cet ensemble de mesures est utilisé par les logiciels. Ces méthodes ne permettent pas le paramétrage, la mesure et l'auralisation en temps réel.

• Le logiciel Bose Auditioner™ permet l'auralisation par convolution à partir des fonctions de transfert précédemment calculées par le logiciel Bose Modeller™ mais pas en temps réel.

On peut constater que dans le domaine de la simulation de systèmes électroacoustiques, le rayonnement de sources complexes est calculé par des méthodes numériques mais aucune méthode en temps réel de simulation et/ou d'auralisation paramétrique n'est employée.

[010] Dans le domaine de la simulation acoustique de salle, les méthodes numériques utilisées sont optimisées pour un environnement complexe et permettent des modélisations très fines, y compris des phénomènes de réverbération. Elles donnent des résultats sous forme de fonction de transfert utilisables pour des techniques d'auralisation basées sur une méthode de convolution : le calcul de la fonction de transfert et de la réponse impulsionnelle en un point d'observation d'un ensemble de sources sonores présentes dans un environnement permet le calcul de convolution d’un signal sonore (musique, bruit, signal de test) avec la réponse impulsionnelle des éléments étudiés.

Dans ce domaine, les méthodes numériques sont utilisées afin d’obtenir la ou les fonctions de transfert d'un système en un ou plusieurs points, ce qui permet par convolution de simuler et d'auraliser les sources dans un environnement mais ces méthodes n'ont pas vocation d'obtenir les résultats des calculs en temps réel. Ainsi elles ne permettent pas de mesurer ou d'entendre en temps réel l'influence des modifications des paramètres du système modélisé.

[011] Etat de l'art concernant la modélisation des salles ou la réalité virtuelle • les logiciels de modélisation et simulation de salles (Odeon Room Acoustic™, GATT™, Ease™) permettent tous une auralisation performante mais basée sur une convolution avec réponse impulsionnelle pré-calculée. CATT Walker™ se distingue parce qu'il permet une auralisation de déplacement en temps réel mais à partir d'une interpolation entre plusieurs convolutions.

Primavera, Andrea, A Hybrid Approach for Real-Time Room Acoustic Response Simulation AES paper 8055, mai 2010.

Les techniques de convolution sont ici remplacées par des techniques hybrides avec filtres IIR qui nécessitent une puissance de calcul inférieure mais sont optimisées pour la simulation de la réverbération, sans paramétrages ni réglages des sources électro-acoustiques.

• Projet DIVA Digital Interactive Virtual Acoustics, 1999, repris dans le projet EVE Virtual Reality,2004, auralization par convolution rapide.

• projet REVES, INRIA 2008.

• Projet Uni-Verse Acoustic Simulation System (UVAS), 2008, avec auralisation en temps réel par filtrage FIR basée sur une simplification de la modélisation des trajets sonores.

• Schroder Dirk, Physically Based Real-Time Auralization of Interactive Virtual Environments.

Cette thèse de 2011 présente l'évolution du programme RAVEN de simulation acoustique en temps réel pour la réalité virtuelle. RAVEN permet une auralisation dynamique mais toujours basée sur un calcul de fonctions de transfert et nécessitant des convolutions. Ces technologies évoluent vers une convolution dynamique en temps réel : « En plus de la reproduction réaliste du champ sonore, non seulement les sources et récepteurs sont positionnées et déplaçables, mais les modifications de la géométrie de l'environnement sont désormais possibles».

[012] Etat de l'art en auralisation • Vorlânder Michael, Auralization Fundamentals of Acoustics, Modelling, Simulation, Algorithms and Acoustic Virtual Reality, 2008 . Ce livre présente l'ensemble des avancées dans le domaine de la modélisation acoustique et on peut constater que c'est toujours la convolution qui est l'outil d’auralisation. Il est dit « Les étapes nécessaires pour une auralisation correcte sont possibles en utilisant les outils de traitement du signal. La fonction de transfert obtenue par simulation ou par la mesure, est interprétée comme une fonction de transfert d'un filtre. La procédure de convolution est la base de l'analyse et du traitement du signal».

• Takatoshi Yokota, Computational Simulation in Architectural and

Environmental Acoustics , 2014, http://link. springer.com/chapter/10.1007/978-4431-54454-8 9#page-l • Nicolas Tsingos, Perceptually-based auralization , 2007.

http://www-sop.inria.fr/reves/Nicolas.Tsingos/publis/ica_perceptual.pdf • Lokki, Tapio, State-of-the-art in auralization of concert hall models - what is still missing? 2008.

« Auralization is the process in which a 3-D model of a space is made audible by convolving the impulse response of the space with anechoic stimulus signal >>.

• Bassuet, Alban, Computational and Optimization Design in Géométrie Acoustics, 2013 http://www.caa-aca.ca/conferences/isra2013/proceedings/Papers/P108.pdf.

• Lokki, Tapio, A flexible framework for parametric auralization, 2008.

L’évolution de l'auralisation qui passe par la notion de temps réel, s'avère nécessaire pour simuler par exemple des déplacements dans un environnement de réalité virtuelle comme dans les jeux vidéo.

En examinant les brevets proches de la solution nouvelle proposée, on peut constater qu’aucun de ces brevets ne présente de méthode associant la décomposition de sources avec la sommation en temps réel.

[013] Brevet EP1437712 Dispositif de traitement de données de son pour simuler un espace acoustique.

Ce brevet propose une structure complexe de traitement de signal appliquée à une source sonore et la modélisation d'une pluralité de chemins sonores est présentée par un matrice de sommation des signaux directs et secondaires en temps réel.

[014] Brevet W00008896 Dispositif de simulation sonore, et procédé pour réaliser un tel dispositif.

Ce brevet base aussi la simulation sonore sur un ensemble de convolutions précalculées dépendant entre autres de la physiologie de l'auditeur.

[015] Brevet FR2738099 et brevet US5491754 Procédé de simulation de la qualité acoustique d'une salle et processeur audio-numérique associé.

Ce brevet porte sur la simulation d'une source sonore virtuelle dans une salle avec simulation des chemins acoustiques et superposition en temps réel au point d’observation.

[016] Brevet US6751322 Acoustic modeling System and method using precomputed data structures for beam tracing and path génération.

Ce brevet propose une méthode récursive de modélisation de trajets acoustiques basée sur des calculs pour la modélisation de salle axée sur le calcul de la réverbération.

[017] Brevet WO2013184215 Procédés, systèmes et supports lisibles par ordinateur permettant de simuler la propagation du son dans des lieux vastes au moyen de sources équivalentes. Le champ acoustique est décomposé en objets et la propagation sonore est calculée de façon interactive en temps réel par sommation au point d’observation.

[018] Brevet US20160034248 Methods, Systems, and computer readable media for conducting interactive Sound propagation and rendering for a plurality of Sound sources in a virtual environment scene

Les sources sonores sont regroupées par grappes pour lesquelles sont calculés la propagation, les réflexions et les effets de réverbération.

[019] Brevet WO2013184215 Methods, Systems, and computer readable media for simulating sound propagation in large scenes using équivalent sources

Les sources présente dans le domaine considéré sont modélisées en sources équivalentes puis le champ au point d’observation est, par principe de superposition, la somme des champs présents.

Il s’agit d’une modélisation en sources équivalentes et non en sources élémentaires avec calcul des fonctions de transferts inter-objets.

[020] Brevet WO2015004526 Dispositif variable permettant d'orienter des fronts d'onde acoustique

Une pluralité de sources acoustiques sont alimentés par des signaux contrôlés par un dispositif qui permet de retarder les signaux et ainsi créer un front d’onde orientable.

[021] Brevet FR2868237 Dispositif de sonorisation à contrôle de rayonnement géométrique et électronique

Une pluralité de sources acoustiques sont alimentés par des signaux contrôlés par un dispositif qui permet de traiter et retarder les signaux et ainsi créer une couverture sonore adaptée.

[022] Brevet FR3013867 Procédé de simulation de propagation d'ondes ; simulateur, programme d'ordinateur et support d'enregistrement pour la mise en oeuvre du procédé

Une modélisation de propagations d’ondes acoustiques ou électromagnétiques par méthodes géométriques avec calcul de l’interaction avec l’environnement et capteur émetteur/récepteur.

[023] Brevet US8847965 Methods, Systems, and computer readable media for fast géométrie sound propagation using visibility computations

Une modélisation de propagation avec méthode de calcul de visibilité des sources puis simulation par convolution.

Exposé des principes [024] En consultant toutes ces références et brevets dans le domaine de la modélisation de systèmes acoustiques , on constate qu'aucune méthode existante ne permet une simulation et/ou mesure et/ou auralisation en temps réel par décomposition des sources en sources élémentaires avec la possibilité de faire varier, en temps réel, les paramètres des sources ou de l’environnement. Ce qui est proposé par la solution nouvelle décrite ici.

[025] Avant de détailler les principes de l'invention, voici les définitions de certains termes employés :

• un système acoustique ou électro-acoustique est un ensemble constitué d'une ou plusieurs sources acoustiques tel que notamment et de façon non restrictive : transducteurs à radiation directe ou non, ensembles de hautparleurs filtrés ou non, pavillons, radiateurs passifs, évents, conduits, cordes, plaques vibrantes, ou toute source simulée (voix, instrument musical, machine,...) ou tout élément ou structure rayonnant acoustiquement, placés ou non sur des baffles ouverts ou fermés, de toute forme, ou toute combinaison desdits éléments (line-array par exemple) avec ou sans traitement du signal pour certaines sources • source primaire : source acoustique issue de la modélisation paramétrique d’une source réelle du système acoustique modélisé • source secondaire : source acoustique virtuelle issue de l'interaction entre une source primaire avec l'environnement par un phénomène physique tel que la réflexion spéculaire (par méthode de source-image) ou la diffraction (par méthode de sources monopoles ou dipôles réparties à l’arête de diffraction), quel que soit l'ordre de l'interaction (par exemple la réflexion d’une source secondaire sur une paroi est aussi nommée source secondaire).

• source élémentaire : source acoustique virtuelle issue de la décomposition d’une source primaire ou secondaire en une pluralité de sources réparties à la surface ou dans le volume de la source primaire ou secondaire selon les principes de Huygens et Fresnel. Le facteur d’inclinaison (obliquité) est paramétrable par source et de ce facteur dépend la directivité de chaque source élémentaire. L’amplitude, phase, axe et directivité de chaque source élémentaire est paramétrable en temps réel.

• le terme « traitement de signal » désigne au moins une modification effectuée sur le signal tel que notamment et de façon non restrictive : gain, atténuation, délai, traitement de phase, modifications temporelles et fréquentielles par filtrage IIR ou FIR, convolution, réverbération, traitements dynamiques...

• système linéaire : le système acoustique est considéré comme étant linéaire à temps invariant (LTI) dans le domaine, donc le principe de superposition est applicable [026] Le principe de la solution nouvelle est basé sur la combinaison des étapes suivantes :

• une modélisation paramétrique des sources et de l’environnement • une modélisation des sources secondaires issues de l’interaction des sources primaires avec l’environnement • une décomposition des sources primaires et secondaires en sources élémentaires selon le principe de Huygens-Fresnel qui par l’interaction des rayonnements desdites sources élémentaires engendre la directivité globale de la source décomposée • une sommation en temps réel au point d’observation et selon le principe de superposition des champs acoustiques engendrés par l’ensemble des sources élémentaires non cachées [027] Il est à noter que dans les méthodes habituelles, comme par exemple les calculs numériques par éléments finis on part des sources pour déterminer le rayonnement en tout point de l’environnement. Dans la méthode proposée, le raisonnement est inverse : on calcule au point d’observation la résultante du rayonnement de l’ensemble des sources.

Le principe en détail :

[028] si le système acoustique ou électro-acoustique est placé dans un environnement présentant des parois ou des obstacles, alors les phénomènes physiques liés à la propagation acoustique dans cet environnement nécessitent une modélisation de sources secondaires. Ainsi les parois et obstacles présents dans l'environnement des sources primaires créent des sources secondaires par modélisation géométrique, par exemple les sources-images dues aux réflexions sur des parois ou les sources réparties sur des arêtes de diffractions avec un facteur d’inclinaison (obliquité) paramétrable.

[029] les sources secondaires peuvent elles-même engendrer une nouvelle génération de sources supplémentaires par réflexion, diffraction, diffusion,...et ainsi de suite avec limitation à un ordre donné suivant la précision souhaitée et la puissance de calcul disponible.

[030] en fonction de leurs positions respectives et par des algorithmes de calcul d’occlusion, on détermine quelles sources primaires et secondaires sont vues par le ou les points d’observation [031] selon la taille des sources et la fréquence maximale considérée, une ou plusieurs sources sonores primaires et secondaires vues sont décomposées chacune en au moins une source élémentaire de rayonnement de type monopole ou multipôle, avec un niveau, une phase, un axe et une directivité paramétrable dépendant du facteur d’inclinaison déterminé et suivant une géométrie et une répartition dépendant de la géométrie de la source primaire, de la précision souhaitée et de la puissance de calcul disponible. Il est possible de modéliser un point physique de radiation par une ou plusieurs sources élémentaires séparées et filtrées pour représenter par exemple une source dont le centre acoustique est dépendant de la fréquence. Si la source réelle a été mesurée selon un protocole tel que celui de IAES56 ou selon un autre protocole, et afin de se rapprocher au mieux des résultats des mesures, la modélisation en sources élémentaires peut être adaptée par la position et les paramètres de chaque source élémentaire.

[032] un signal audio de type vocal, musical, bruit ou signal de mesure ou toute combinaison de ces signaux, reçu ou généré en temps réel ou préalablement enregistré alimente tout ou partie des sources élémentaires. Ce signal peut être traité communément ou traité de façons différenciée selon la source à alimenter, par un ou plusieurs de traitements de signal.

[033] les signaux ainsi traités alimentent les sources élémentaires puis sont traités de façon à simuler la propagation des signaux entre chaque source et le ou les points d'observation pour simuler la propagation.

[034] les différents chemins acoustiques entre les sources élémentaires et le ou les points d'observation sont calculés en temps réel et une simulation de chemin acoustique est appliquée au signal de la source correspondante par un traitement de signal correspondant à l'atténuation, au filtrage et au délai calculé pour ledit trajet. En variante, il est possible de ne pas tenir compte du délai commun, c’est à dire du chemin acoustique le plus court, celui entre la source la plus proche du ou des points d’observation et de n’utiliser alors que les chemins additionnels (différences entre chaque chemin et le chemin le plus court). Tous ces calculs étant effectués en temps réel, l’effet Doppler éventuel résulte naturellement des mouvements des sources ou points d’observation sans nécessiter de calcul particulier.

[035] selon le principe de superposition valide en acoustique linéaire, le signal acoustique aux points d'observation est obtenu par sommation en temps réel des signaux des sources vues compte tenu de leurs positions par rapport aux points d'observation, ces signaux étant chacun indépendamment affecté par un traitement de signal simulant la célérité, l'atténuation ou la directivité, compte tenu de la propagation dans le milieu considéré.

[036] les signaux aux points d'observation peuvent être enregistrés, mesurés, analysés et visualisés en temps réel par des outils d'analyse et de mesure utilisés en acoustique ou électro-acoustique tels que sonomètre, transformée de Fourier, analyseurs par bandes, spectrogramme, analyse en ondelettes,...

[037] le ou les signaux résultants, simulés en un ou plusieurs points d'observation, peuvent se voir appliquer un traitement de signal pour simuler et tester, par exemple, une correction d'écoute ou pour s'adapter au type d'écoute (mono, stéréo, binaural, multicanal, transaural,...).

[038] le ou les signaux résultants des traitements susdits peuvent être envoyés vers des sorties audio pour permettre l'auralisation c'est à dire l'écoute en temps réel des-dits signaux. Cette auralisation peut être faite sur tout système de reproduction comme enceintes, écouteurs, vibreurs, et selon tout type de reproduction tel que monophonie, stéréophonie, binaural, multicanal,...

[039] afin de faciliter l'analyse et la mesure pour des variations simultanées ou non d'un ou plusieurs paramètres, il est possible d'automatiser les modifications de ces paramètres et d'enregistrer les mesures correspondantes en un ou plusieurs points d'observation.

[040] le calculateur dispose d'une interface pour, en temps réel, déplacer et positionner les sources et les points d'observation, pour sauvegarder ou charger des librairies de modélisations et de paramétrage, pour préparer les automatisations de mesures, pour visualiser en temps réel par des méthodes d'analyse et de mesure les réponses en un ou plusieurs points d'observation, pour écouter successivement les signaux simulés en différents points d'observation, pour comparer plusieurs états et réglages, pour modifier en temps réel et de façon interactive tout ou partie des paramètres du système simulé et de son environnement.

Liste non limitative de paramètres physiques ou de paramètres de traitement de signal pouvant être modifiés en temps réel et dont les effets résultant de leur modifications ou variations sont obtenus en temps réel en simulation, mesure et auralisation :

[041] modifications des caractéristiques des sources primaires (nombre, position, géométrie, dimensions, amplitude, phase, axe, directivité...) [042] modifications des positions ou des mouvements d'une ou plusieurs sources sonores [043] modifications des traitements de signal appliqués à une ou plusieurs sources primaires iv) modification de la décomposition d'une ou plusieurs sources sonores en sources élémentaires dont le type, les positions, la répartition, la géométrie et la directivité peuvent être modifiées [044] modifications de l'environnement (caractéristiques du local, forme et positions des parois, matériaux et absorption des parois, caractéristiques du milieu, température et hygrométrie du milieu, célérité de propagation) et des caractéristiques et répartition des sources secondaires en découlant [045] les signaux et les traitements de signal alimentant les sources primaires peuvent être modifiés et dépendre ou non de la position et de la géométrie de ces sources primaires.

[046] modifications des positions ou déplacements du ou des points d'observation, modifications des caractéristiques physiologiques du ou des auditeurs placés aux points d’observation (dimensions, HRTF,...) [047] modifications des traitements électro-acoustiques appliqués à un ou plusieurs signaux sommés résultants de la simulation en un ou plusieurs points d'observation pour simuler par exemple une correction d'écoute

Exemples de modes de réalisations [048] Exemple non limitatif de mise en oeuvre par un calculateur de traitement audio en temps réel programmé comme un traitement audio virtuel, utilisant les entrées/sorties audio disponibles sur le calculateur. Le calculateur est ici programmé pour modéliser et simuler un système de sonorisation de type line-array.

• 16 enceintes de reproduction sonore (1), associées dans un système de type « line-array » sont désignées ici comme 16 sources primaires • la position et l'angle de chaque enceinte sont paramétrables (2) • le signal alimentant chaque enceinte est traité séparément (3) : niveau, phase, filtrage, délai..

• les enceintes (1 ) et l'auditeur (5) sont déplaçables soit en changeant les paramètres de positions (2) soit en les déplaçant avec un dispositif de pointage pilotant le calculateur.

• chaque enceinte est décomposée en 1 à 49 sources élémentaires (4) équidistantes et disposées en ligne verticale, toutes configurées en monopoles (facteur d’obliquité = 1 ), ce qui permet de simuler jusqu'à 16x49 = 784 sources élémentaires. La dimension verticale de l'enceinte étant limitée à 50cm, une décomposition en 49 sources donne une distance inter-sources maximale de 1 cm qui correspond à la demi longueur d'onde d'un signal à 17kHz • un signal audio paramétrable (6) de type vocal, musical, bruit ou signal de mesure, reçu en temps réel ou préalablement enregistré ou généré en temps réel alimente tout ou partie des sources primaires • les distances entre l'auditeur et chacune des 784 sources élémentaires sont calculées en permanence et en sont déduits les temps de propagation correspondants et l'atténuation correspondante compte tenu d'une valeur paramétrable de la célérité du son dans le milieu • chacune des 784 voies de traitement obtenues représente un chemin acoustique entre une source élémentaire et l'auditeur, son délai et son atténuation sont réglés en fonction de la distance précédemment calculée • on peut aussi simuler un environnement par la présence du sol et donc en créant 784 sources-images symétriques par rapport aux sources susdites, et en calculant leurs délais, atténuation et réponse fréquentielle et en modélisant la réflexion sur le sol par un filtre simulant un coefficient d'absorption du sol dépendant de la fréquence.

• la sommation en temps réel des sorties des 784 ou 1568 (dans le cas de modélisation du sol) voies de traitement représente le signal simulé au point d'observation. On notera que la sommation de ce nombre de sources est tout à fait compatible avec la puissance de calcul d’un ordinateur actuel pour des signaux audios pcm à 48kHz et 16bits.

• le signal de sommation est traité (7) en égalisation, délai, niveau et peut être directement comparé auditivement ou par la mesure avec le signal original (8) afin d'optimiser les paramètres du système et les corrections d'écoute • le signal de sommation traité est envoyé vers les sorties audio de l'ordinateur pour être écouté. Des paramètres tels que, sans que cette liste soit limitative, les positions ou dimensions des enceintes, le type de filtrage, le traitement de signal vers chaque enceinte, la décomposition en sources élémentaires, la position de l'auditeur., sont modifiables en temps réel et le résultat découlant des ajustements de ces paramètres est directement audible.

• Une automatisation de mesure (9) permet de programmer une modification des paramètres pour capturer la réponse impulsionnelle en différents points ou pour différents paramètres [049] Autre exemple simple et non limitatif de mise en œuvre pour modéliser et simuler des haut-parleurs filtrés en 2 voies et placés sur un baffle plan avec modélisation des diffractions aux arêtes de ce baffle.

• deux haut parleurs dont un conique pour le grave de diamètre 20cm et 5 cm de profondeur et l'autre hémisphérique convexe de diamètre 2cm pour l'aigu, désignées ici comme sources primaires, sont placés sur un baffle plan de 0.3m sur 0.3m • le signal alimentant les haut-parleurs est filtré à 2kHz par des filtres de type Linkwitz-Riley à 24dB/oct.

• le haut-parleur d'aigu est décomposé en 9 sources élémentaires de type monopole uniformément réparties à la surface hémisphérique de la membrane.

• le haut-parleur de grave est décomposé en 13 sources élémentaires de type monopole uniformément réparties à la surface conique de la membrane.

• les coordonnées de ces 22 sources élémentaires dans l'environnement considéré sont calculées en fonction du placement de chaque haut-parleur sur le baffle • les bords du baffle sont décomposés en 30 sources secondaires de type dipôle par bord (soit un total de 116 sources) pour simuler la diffraction due au haut-parleur d'aigu. Ces sources peuvent être uniformément réparties ou non selon la géométrie et le souhait de précision. Il est possible de simuler les sources secondaires par des monopoles ou d'autres multipôles selon la modélisation choisie pour la diffraction.

• les bords du baffle sont décomposés en 6 sources secondaires de type dipôle par bord (soit un total de 20 sources) pour simuler la diffraction due au haut-parleur de grave. Ces sources peuvent être uniformément réparties ou non selon la géométrie et le souhait de précision. Il est possible de simuler les sources secondaires par des monopoles ou d'autres multipôles selon la modélisation choisie. Compte-tenu des fréquences émises par le hautparleur de grave, sa modélisation et celle des diffractions résultantes de son rayonnement, nécessitent moins de précision géométrique, donc moins de sources secondaires que pour le haut-parleur d'aigu qui émet des fréquences plus élevées avec des longueurs d'ondes bien plus courtes.

• un auditeur virtuel est placé au point d'observation, à 1 m dans l'axe du premier haut parleur • on calcule les distances géométriques entre l'auditeur et chacune des 22 sources élémentaires des haut-parleurs et on calcule les temps de propagation correspondants et l'atténuation correspondante compte-tenu d'une valeur déterminée de la célérité du son dans le milieu • on calcule les distances entre l'auditeur et chacune des 20+116 soit 136 sources secondaires • on calcule les distances entre chacune des 9 sources élémentaires du hautparleur d'aigu et chacune des 116 sources secondaires et on calcule les temps de propagation correspondants et l'atténuation correspondante compte-tenu d'une valeur paramétrable de célérité du son • on calcule les distances entre chacune des 13 sources élémentaires du hautparleur de grave et chacune des 20 sources secondaires et on calcule les temps de propagation correspondants et l'atténuation correspondante compte-tenu de valeurs paramétrables de la célérité du son et de l'atténuation fréquentielle • une atténuation de répartition est calculée pour les sources secondaires dues à la diffraction sur les arêtes du baffle compte-tenu du nombre de sources et de leur répartition • un signal filtré en passe-haut à 2kHz est envoyé sur 9x116 soit 1044 voies de traitement comprenant chacune un délai correspondant au délai de propagation, une atténuation calculée en fonction de la distance entre source et point d'observation et une atténuation de répartition correspondant à la surface équivalente de la source • un signal filtré en passe-bas à 2kHz est envoyé sur 13x20 soit 260 voies de traitement comprenant chacune un délai correspondant au délai de propagation, une atténuation calculée en fonction de la distance entre source et point d'observation et une atténuation de répartition correspondant à la surface équivalente de la source • chacune des 1044+260 soit 1304 voies de traitement obtenues représente un chemin acoustique entre une source élémentaire ou une source secondaire et l'auditeur, son délai et son atténuation sont réglés en fonction de la distance correspondante précédemment calculée. Il est possible de ne pas tenir compte du délai commun à l’ensemble des chemins acoustiques, le délai commun étant le plus petit des délais des différents chemins.

• la sommation en temps réel de la sortie des 1304 voies de traitement représente le signal simulé au point d'observation. On notera que cet ordre de grandeur du nombre de sources sommées est aisément réalisable sur les ordinateurs actuels pour un signal pcm à 48kHz et 16bits.

• le signal de sommation est envoyé vers les sorties audio de l'ordinateur pour être écouté. Des paramètres tels que, sans que cette liste soit limitative, les positions ou diamètres des haut-parleurs, les dimensions du baffle, le type de filtrage, la décomposition en sources élémentaires, la position de l'auditeur., sont modifiables en temps réel et le résultat découlant des variations de ces paramètres est directement audible.

[050] Résumé des principes de base de la présente invention • une modélisation basée sur le principe de Huygens-Fresnel de décomposition des sources sonores primaires et secondaires en sources élémentaires • une simulation avec réglages en temps réel d’une pluralité de paramètres physiques du système et de l’environnement, de paramètres de traitement du signal pour agir indépendamment sur un ou plusieurs paramètres des sources et de l’environnement : caractéristiques, répartition, traitement du signal des sources primaires et élémentaires.

• une sommation en temps réel de l’ensemble des sources vues pour chaque point d’observation • une visualisation métrologique, mesure et auralisation des réponses sommées aux points d’observation en temps réel • simulateur, programme et support d’enregistrement pour la mise en oeuvre du procédé [051] Cette combinaison permet de mesurer et d'écouter en temps réel l'influence des modifications des paramètres d'un système acoustique ce qui apporte une aide considérable lors de l’étude de tels systèmes.

Nous pouvons qualifier cette méthode du terme « modélisation paramétrique >> et Γauralisation en découlant par « auralisation paramétrique >> par opposition à « auralisation par convolution >>, qui est la méthode classique par calcul de la réponse impulsionnelle puis convolution avec un signal audio pour l'écoute.

Cette invention est d’abord destinée à l’étude des systèmes électro-acoustiques mais de par sa nature en temps réel, elle peut trouver son utilisation dans d’autres domaines tels que la réalité virtuelle ou la réduction de nuisances sonores.

[052] Liste non limitative d'applications industrielles de l'invention • étudier, optimiser la conception, prédire les performances de systèmes acoustiques (écoute audio, sonorisation...) • simuler des sources de bruit et/ou des systèmes de réduction de nuisances sonores • simuler des sources sonores actives ou passives dans différents milieux et environnements réels simulés ou virtuels • modéliser un sous-ensemble des systèmes ou sources susdits afin d'en comprendre les paramètres importants et ainsi de simplifier la modélisation ultérieure de l'ensemble complet

Descriptifs des figures

Figure 1

101 - une source acoustique primaire

102 - décomposition de la source acoustique primaire en sources élémentaires

103 - représentation d'une surface isophase de la source primaire

104 - source élémentaire, composant de la source primaire

105 - signal acoustique émis par la source élémentaire

106 - paroi engendrant une réflexion

107 - source-image acoustique générée par la réflexion

108 - décomposition de la source-image en sources élémentaires

109 - représentation d'une surface isophase de la source-image

110 - source élémentaire composant la source-image

111 - rayon acoustique émis par la source élémentaire

112 - chemin acoustique direct entre source primaire et auditeur

113 - chemin acoustique incident d'une source élémentaire issue de la source primaire

114 - chemin acoustique réfléchi d'une source élémentaire issue de la réflexion d'une source élémentaire primaire

115 - paroi en obstacle engendrant la diffraction

116 - arête de la paroi engendrant la diffraction

117 - chemin acoustique incident de source primaire vers arête de diffraction

118 - décomposition à l'arête de la source acoustique de diffraction en sources élémentaires

119 - représentation de l'arête engendrant la diffraction

120 - source élémentaire composant l'arête de diffraction

121 - chemin acoustique d'une source élémentaire issue de la diffraction

122 - position de l'auditeur

Figure 2

201 - générateur de signal

202 - traitement du signal global pour le système

203 - traitement du signal indépendant pour chaque source primaire

204 - pluralité de sources primaires

205 - décomposition de chaque source primaire en pluralité de sources élémentaires

206 - environnement : positions des sources secondaires et sources-images

207 - calcul de validité des chemins acoustiques entre chaque source et l'auditeur

208 - calcul des longueurs des chemins acoustiques entre chaque source et l'auditeur

209 - traitement de délai et atténuation du signal de chaque source correspondant à chaque chemin calculé

210 - traitement de signal

211 - sommation en temps réel des signaux de toutes les sources

212 - traitement d'écoute

213 - mesure et visualisation à la position de l'auditeur

214 - auralisation à la position de l'auditeur

Figure 3

Synoptique global

301 - générateur de signaux

302 - traitement de signal global

303,304 - traitements de signal différenciés des sources primaires

305 - décomposition des sources primaires en sources élémentaires

306 - traitements de signal par source élémentaire

307 - environnement

308 - sources secondaires résultantes de l'interaction des sources primaires avec l'environnement et traitements de signal y afférant (délai, atténuation,...)

309 - représentation de chemins acoustiques

310 - sommation en temps réel des signaux engendrés par l'ensemble des sources

311 - visualisation et mesures en temps réel

312 - traitements de signal pour adaptation au type d'écoute

313 - sorties audio vers écouteurs ou haut-parleurs pour auralisation

Figure 4

Exemple de décomposition de haut-parleur en sources élémentaires

401 - représentation de la surface du haut-parleur en vue de face

402 - sources élémentaires vues dans le plan xy

403 - représentation de la surface du haut-parleur en vue de profil

404 - sources élémentaires vues dans le plan yz

Figure 5

Détail du traitement du signal différencié par chemin acoustique

501 - signal audio généré

502 - pré-traitement de signal par source élémentaire

503 - délai calculé selon la longueur du chemin acoustique

504 - atténuation calculée selon la longueur du chemin acoustique

505 - post-traitement de signal par source élémentaire

Figure 6

Exemple d'interface graphique pour la modélisation de sources en line-array

601 - visualisation des positions et angles des sources

602 - modélisation des positions et angles des sources

603 - paramètres de la modélisation des sources et traitement du signal différencié par source primaire

604 - autres paramètres de la modélisation des sources

605 - position de l'auditeur

606 - espace pour déplacer les sources et auditeur

607 - visualisation en niveau instantané au point d'observation

608 - fonctions du générateur de signaux

609 - fonction de traitement du signal global

610 - visualisation de mesure de courbe fréquentielle

611 - choix du signal visualisé et écouté

612 - automatisation d'enregistrement de réponse impulsionnelle

Claims (16)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de simulation en au moins un point d’observation du champ acoustique virtuel dans un domaine prédéterminé, ledit domaine comprenant au moins une source d’onde, dite primaire, placée dans environnement prédéterminé, engendrant possiblement des sources secondaires issues de l’interaction avec l’environnement par un algorithme de calcul par itération jusqu’à un ordre prédéterminé, dont certaines sont déterminées par un procédé algorithmique être en vue directe du point d’observation considéré et dont d’autres sont déterminées être cachées, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes consistant à :

   • décomposer chacune desdites sources primaires et secondaires vues en au moins une source élémentaire, chaque source élémentaire étant définie par ses coordonnées trigonométriques, son axe de référence et sa directivité • modéliser le rayonnement d’une portion d’onde de chaque source élémentaire par un signal numérique issu du traitement de signal d’au moins un signal d’entrée, généré en temps réel ou issu d’un enregistrement puis à ce qu’il comporte les étapes consistant pour chaque point d’observation à :

   • calculer le trajet de propagation entre chaque source élémentaire vue et le point d’observation considéré ainsi que l’angle entre l’axe de référence de chaque source élémentaire et le point d’observation considéré • traiter le signal numérique de chaque source élémentaire vue par un traitement de signal simulant les paramètres d’atténuation, de réponse fréquentielle et temporelle et de délai selon la distance et l’angle précédemment calculés selon le milieu de propagation considéré et selon les caractéristiques de ladite source élémentaire vue • sommer en temps réel les signaux numériques issus des traitements susdits de la pluralité de sources élémentaires vues pour obtenir, en application du principe de superposition, le signal en temps réel représentant le rayonnement de l’ensemble des sources au point d’observation considéré • visualiser et/ou mesurer au moins une donnée caractéristique et/ou écouter et/ou enregistrer en temps réel le signal résultant de la sommation susdite au point d’observation considéré
2. 2. Procédé de simulation selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’au moins une des sources primaires est un élément passif tel que notamment et de façon non restrictive, un radiateur passif, un évent, une surface vibrante.
3. 3. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les sources élémentaires issues de la décomposition d’au moins une source primaire ou secondaire sont réparties de façon non uniforme à la surface ou dans le volume de ladite source primaire ou secondaire.
4. 4. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les sources élémentaires issues de la décomposition des sources primaires et secondaires sont réparties de façon similaire entre différentes sources primaires ou secondaires.
5. 5. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le signal dans au moins une source élémentaire notamment le niveau, réponse en fréquence et phase, délai, axe de référence et directivité, dépend du signal dans au moins un autre point élémentaire de cette source primaire ou secondaire afin de simuler une propagation interne au sein de ladite source primaire ou secondaire.
6. 6. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la décomposition en sources élémentaires d’au moins une source primaire est modélisée en fonction des résultats de mesures réelles effectuées sur ladite sources primaire.
7. 7. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la décomposition des sources primaires en sources élémentaires est effectuée avant le calcul de l’interaction desdites sources primaires avec l’environnement et que le calcul de l’interaction avec l’environnement est fait à partir des sources élémentaires.
8. 8. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les sources élémentaires sont définies par un couple constitué d’une source monopolaire et d’une source dipolaire dont le rayonnement combiné est cardioïde, la source dipolaire étant préférentiellement axée sur la normale au point de rayonnement primaire
9. 9. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’un traitement de signal est appliqué aux sources primaires et secondaires et/ou aux signaux sommés afin d’adapter les réponses fréquentielles ou temporelles au besoin.
10. 10. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les signaux en au moins un point d’observation sont utilisés pour de l’auralisation en monophonie, stéréophonie, binaural ou multicanal.
11. 11. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les positions et mouvements d’au moins une source et/ou d’au moins une partie de l’environnement et/ou d’au moins un point d'observation peuvent être modifiés en temps réel, de façon manuelle ou programmée.
12. 12. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins un paramètre ou une caractéristique d’au moins deux sources ou d’au moins deux éléments de l'environnement ou d’au moins deux points d’observation ou d’au moins deux traitements de signal peuvent être modifiés simultanément de façon manuelle ou programmée et en temps réel,
13. 13. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que par le principe de réciprocité et pour simplifier et/ou accélérer les calculs, les sources deviennent les points d’observation et inversement.
14. 14. Programme comportant des instructions pour l’exécution des étapes des méthodes selon l'une quelconque des revendications précédentes lorsque ledit programme est exécuté par au moins un ordinateur ou un processeur.
15. 15. Procédé de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’une interface de paramétrage permet de modifier en temps réel les positions, mouvements, caractéristiques et traitement de signal des sources, de l’environnement et des points d’observation et permet une visualisation et/ou une mesure et/ou une auralisation.
16. 16. Support d’enregistrement local ou connecté par un réseau et lisible par un ordinateur ou un processeur, ledit support comportant un programme enregistré comprenant des instructions pour l’exécution des étapes des méthodes selon l'une quelconque des revendications précédentes.