DSP analysis and psychoacoustic testing on the perception of low frequency transients and quality degradation in small rooms

The low-frequency behavior of small rooms has been studied thoroughly from a theoretical point of view in the past, but the psychoacoustic confirmation of such analyses is not complete. This research aims at bridging the gap between the theoretical analysis and the perceptual world, also introducing new theories that would explain the psychoacoustic behavior. Nowadays, with the rise of new affordable technologies, it's becoming more and more frequent to work on music in small rooms, the so-called "home studios". It is known that small rooms, however, suffer from low-frequency problems caused by resonances and room modes. As a matter of fact, such ambients are non-sabinian and the modal region extends up high in the human hearing range, shaping and colouring the sound emitted by the speakers before arriving to the listener's ears. The phenomenon of room modes is well known, but what is not well known yet is the specific perceptual effects that room modes, and, more in general, all problems in the lower range of the frequency response, have on listeners. An initial work in this field with these exact conditions was Michele Ferroni's thesis work (1), developed in collaboration with acoustical engineering studio Suono e Vita (2), who made a first step towards analyzing these phenomena. In this research, Ferroni's results are the starting point of more advanced analyses, carried out using an expanded version of the Acoustic Quality Test originally developed by I. Adami and F. Liberatore (3), and later developed by A. Farina (4). This advanced tool allows to analyze the temporal evolution and behavior of each specific frequency after the convolution with a room's impulse response. This thesis work, developed in collaboration with Suono e Vita, studies the psychoacoustic perception of the effects introduced by resonance modes, with particular focus on the perception of levels for short notes and the degradation of precision and definition of the sound. First of all, a frequency domain and temporal domain analysis of eight impulse responses, acquired in small listening rooms with volume between 30 and 55 cubic meters, was carried out. The problematic behavior of such rooms, related to the presence of frequency response peaks and valleys, and frequencies with long decaying tails, were analyzed through two psychoacoustic tests in order to understand if these problems would be perceived by listeners. In particular, the research focused on the importance of transient energetic phenomena regarding the perception of the level of short sounds (<600 ms) at low frequency (between 20 and 300 Hz). Temporal parameters of the room such as Decay Time were analyzed, and two new parameters, called "Room Slowness" and "Room Inertia", have been defined. These parameters proved to be effective in quantifying the degradation of precision and definition of the sound after the convolution with an impulse response. From the results, it appears that, for short sounds, the classic frequency response is not so significative regarding the perception of volume. Instead, the curve called “Overshoot Response” is proposed as a psychoacoustically more accurate counterpart for only short sounds. Furthermore, the precision and definition of sounds is heavily modified by the convolution with the room impulse response and it appears to be strictly correlated with the temporal parameters of the room. The results of this research offer important insights in the field of psychoacoustics and will allow to develop new criteria for the acoustic design of small rooms used for critical listening. (1) M. Ferroni - "Evaluation and Psychoacoustic Validation of Techniques for the Analysis of Low Frequency Resonance Modes in Real Small Rooms", Master graduation thesis, Politecnico di Milano (2015) (2) Suono e Vita, via Cavour 18, Lecco (LC), Italy (3) I. Adami, F. Liberatore - "La messa a punto del sistema Diffusori - Ambiente", Acustica Applicata srl, Lucca, Italy (4) A. Farina et al. - "AQT - A New Objective Measurement Of The Acoustical Quality of Sound Reproduction in Small Compartments", Audio Engineering Society, 110th convention, Amsterdam (2001)

Il comportamento acustico di stanze di dimensioni ridotte (caratterizzate da dimensioni comparabili alla lunghezza d’onda dell’onda sonora considerata) sollecitate da segnali sonori a bassa frequenza è stato studiato dal punto di vista teorico in passato, ma la conferma sul piano psicoacustico di tali analisi non è completa. Questa ricerca punta a ridurre la distanza tra le analisi teoriche e il mondo percettivo, introducendo nuove teorie che potrebbero spiegare alcuni fenomeni percettivi. Al giorno d'oggi, con l'aumento di nuove tecnologie dai prezzi ridotti, sempre più frequentemente si lavora a produzioni musicali in stanze di dimensioni ridotte, i cosiddetti "home studios". E' risaputo, però, che ambienti piccoli soffrono di problemi di risposta alle basse frequenze causati dai modi di risonanza. Infatti, tali ambienti sono considerati non sabiniani e la regione modale si estende nella regione uditiva umana, colorando il suono emesso dagli speaker e modificando il suono percepito dall'orecchio dell'ascoltatore rispetto a quello emesso dalla sorgente. Il fenomeno delle risonanze è ben conosciuto, ma ciò che non è ancora del tutto certo è in che modo, nello specifico, questo fenomeno, e più in generale, i problemi a bassa frequenza, si ripercuotono sulla percezione degli ascoltatori su suoni che contengono transienti, come le note musicali. Un lavoro iniziale con le stesse premesse della presente ricerca è stato svolto da Michele Ferroni (1), per la sua tesi di Laurea Magistrale sviluppata in collaborazione con lo studio di ingegneria acustica Suono e Vita (2). In questa ricerca, i risultati di Ferroni sono il punto di partenza di analisi più avanzate svolte utilizzando una versione estesa dell' Acoustic Quality Test, in origine ideato da I. Adami e F. Liberatore (3), poi sviluppato ulteriormente da A. Farina (4). Questo strumento permette di analizzare l'evoluzione temporale e il comportamento di specifiche frequenze dopo la convoluzione con una risposta all'impulso di una stanza. Questo lavoro di tesi, svolto presso Suono e Vita, si colloca nel suddetto ambito di ricerca ed ha riguardato la percezione psicoacustica degli effetti introdotti dai modi di risonanza, con particolare riguardo alla modifica della percezione dei volumi per suoni brevi e alla perdita di definizione del suono. In primo luogo è stata svolta una analisi nel dominio frequenziale e temporale di otto risposte all’impulso acquisite sperimentalmente in alcune stanze utilizzate per ascolto musicale, con volume compreso tra 30 e 55 metri cubi. I problemi emersi, legati alla presenza di alti picchi e profonde valli nella risposta in frequenza, e specifiche frequenze con lunghi tempi di decadimento, sono stati analizzati attraverso due test psicoacustici con il fine di capire se tali problemi sarebbero stati percepiti dagli ascoltatori. In particolare, la ricerca è stata mirata all'analisi dell'importanza di fenomeni energetici di tipo transiente nella percezione dei livelli di ascolto di note brevi (<600 ms) a bassa frequenza (tra 20 e 300 Hz). E' stato condotto uno studio su parametri temporali della stanza quali il tempo di decadimento e vengono proposti due nuovi parametri, chiamati "Room Slowness" e "Room Inertia", che si sono rivelati efficaci per quantificare la perdita di precisione e definizione del suono dopo la convoluzione con una risposta all'impulso. Dai risultati emerge che, per suoni brevi, la classica risposta in frequenza appare non essere particolarmente significativa riguardo alla percezione del volume sonoro. Invece, la curva chiamata "Overshoot Response" viene proposta come alternativa più appropriata dal punto di vista psicoacustico per suoni brevi a bassa frequenza. Inoltre, la percezione di precisione e definizione di ciascun suono è pesantemente modificata dall'interazione della stanza in seguito alla convoluzione con la risposta all'impulso, e sembra essere strettamente correlata ai parametri temporali della stanza stessa. I risultati di questo studio aprono nuove prospettive nell'ambito della ricerca psicoacustica e permetteranno di fissare nuovi criteri nella progettazione acustica di stanze di dimensioni ridotte per ascolto critico. (1) M. Ferroni - "Evaluation and Psychoacoustic Validation of Techniques for the Analysis of Low Frequency Resonance Modes in Real Small Rooms", Master graduation thesis, Politecnico di Milano (2015) (2) Suono e Vita, via Cavour 18, Lecco (LC), Italy (3) I. Adami, F. Liberatore - "La messa a punto del sistema Diffusori - Ambiente", Acustica Applicata srl, Lucca, Italy (4) A. Farina et al. - "AQT - A New Objective Measurement Of The Acoustical Quality of Sound Reproduction in Small Compartments", Audio Engineering Society, 110th convention, Amsterdam (2001)