Logarithmic sine sweep method for acoustic measurements on Android devices

This thesis work deals with the implementation of a new, enhanced version of the existing "APM Tool" software application for Android-based mobile devices, originally developed by S. Redaelli in collaboration with "Suono e Vita" acoustic engineering studio in Lecco, in 2013. The new application, which is the object of the thesis, was called "APM Sweep": the software allows the measurement of the most relevant room acoustical parameters, defined in the international standard ISO 3382, which is the reference document for room acoustics measurements, by means of the advanced-DSP logarithmic sine sweep procedure for the indirect retrieval of the room impulse response. This represents the main enhancement of "APM Sweep" with respect to the original application "APM Tool", which was conceived based on a simpler method: the direct impulse recording for the computation of acoustical parameters. The application was implemented between October 2016 and January 2017, under the supervision of Eng. L. Rizzi and Eng. G. Ghelfi from "Suono e Vita". The design and implementation strategy was intended to exploit and upgrade the existing apparatus of "APM Tool", in terms of utility Java classes and data structures. The new functionalities were added by creating a parallel work-flow to the original one, whose starting and ending point were left unaltered. Accurate on-field test sessions in three different enclosures were carried out, for the validation and verification of the correct behaviour of the new software. An analytic error evaluation and a comparison among the measurement performances of the new application, the original "APM Tool" version and a professional measurement system were conducted, for each test case. Furthermore, a measurement uncertainty study was executed, both from the physical-acoustical and instrumental-procedural points of view. "APM Sweep" has been conceived in such a way to combine the benefits of both the all-in-one approach of "APM Tool", which allowed to perform on-the-spot room acoustics measurements in a cheap and fast way, and the greater precision achievable by adopting a professional measurement systems, made of several hardware components, that are expensive and often difficult to move. "APM Sweep" requires only the usage of an external sound amplification system for the application of the logarithmic sine sweep measurement technique and the availability of an Android-based mobile device. An enclosed space can be characterized by objective acoustical parameters, connected to the different aspects of the subjective human perception: some of them concern the reverberation time, others describe the degree of definition, or clarity, of speech and music. The parameters that can be computed by means of "APM Sweep" are: EDT, T20, T30 for the reverberation time, D50, C50, C80 for the definition and clarity. This document will begin with the review of the most relevant room acoustics theoretical notions, discussing the physical underlying phenomena and the practical consequences they imply on the measurement procedures that have to be followed, for a correct computation of the acoustical parameters of en enclosed space. Later, the details of the measurement technique adopted and its implementation into the software will be presented, providing also some considerations about the hardware features of the mobile devices components, compared to the professional hardware tools commonly employed for measurement purposes. Finally, the results of the on-site test sessions will be presented and discussed, demonstrating the actual improvements reached by the new application, compared to the original direct approach of "APM Tool". The thesis is organized according to this structure: Chapter 1 will present a more extended introduction on the work and explain the motivations that suggested to enhance the original functionalities of "APM Tool". Chapter 2 will deal with the fundamental theoretical concepts of Room Acoustics, necessary to understand all the following discussions. In Chapter 3 the acoustical parameters definition and the measurement procedures required for computing them will be shown, focusing on the centrality role assumed by the Room Impulse Response acquisition. Chapter 4 will provide the theory of the logarithmic sine sweep technique, the excitation signal chosen for the implementation of the indirect impulse response measurement into "APM Sweep". Chapter 5 will discuss the hardware features of the measurement-oriented tools, focusing on the characteristics of the MEMS microphones, the sensors integrated within the mobile devices, that are exploited by "APM Sweep" for the acoustic measurements. Chapter 6 will describe the implementation details that led to the development of "APM Sweep", starting from the original "APM Tool" structure. In Chapter 7 the on-field testing phase will be illustrated and the test results will be presented and deeply discussed: significant considerations will be provided about the measurement uncertainty and the error evaluation. Chapter 8 will end the thesis with the final assessment of the work and the results obtained, suggesting a set of possible further improvements that may be integrated as future works.

Questo lavoro di tesi tratta l'implementazione di una versione nuova e arricchita di "APM Tool", applicazione software già esistente per dispositivi mobili basati su sistema operativo Android, originalmente sviluppata da S. Redaelli in collaborazione con lo studio di ingegneria acustica "Suono e Vita" di Lecco, nel 2013. La nuova applicazione, che è oggetto della tesi, è stata chiamata "APM Sweep": il software permette la misurazione dei parametri acustici più rilevanti di una stanza, definiti nello standard internazionale ISO 3382, che è il documento di riferimento per le misure di acustica degli interni, per mezzo della procedura di DSP avanzato della sine sweep logaritmica per la misurazione indiretta della risposta all'impulso della stanza. Questa rappresenta la principale aggiunta di "APM Sweep" rispetto alla versione originale di "APM Tool", che era stata concepita basata su un metodo più semplice: la registrazione diretta dell'impulso per il calcolo dei parametri acustici. L'applicazione è stata implementata tra il mese di ottobre 2016 e il mese di gennaio 2017, sotto la supervisione dell'Ing. L. Rizzi e dell'Ing. G. Ghelfi di "Suono e Vita". La strategia di progettazione e implementazione è stata ideata in modo da sfruttare e migliorare l'apparato esistente di "APM Tool", in termini di classi Java di utilità e strutture dati. Le nuove funzionalità sono state aggiunte creando un flusso operativo parallelo a quello originario, il cui punto di partenza e di conclusione sono stati lasciati invariati. Sono state condotte sessioni di test accurate sul campo in tre diversi ambienti chiusi, per la validazione e la verifica del corretto funzionamento del nuovo software. Sono state condotte una valutazione analitica dell'errore e un confronto tra le prestazioni di misura della nuova applicazione, della versione originaria di "APM Tool" e di un sistema professionale di misura, per ogni caso di test. Inoltre, è stato eseguito uno studio sull'incertezza di misura, sia dal punto di vista fisico-acustico sia da quello strumentale-procedurale. "APM Sweep" è stata concepita in modo da combinare i benefici sia dell'approccio completamente integrato di "APM Tool", che permetteva di eseguire misurazioni acustiche sul momento, in modo economico e veloce, sia della maggior precisione ottenibile utilizzando un sistema professionale di misura, composto da più componenti hardware, che sono costosi e spesso difficili da trasportare. "APM Sweep" richiede l'utilizzo di un sistema di amplificazione audio esterno per l'applicazione della tecnica di misura basata sulla sine sweep logaritmica e la disponibilità di uno strumento mobile basato su Android. Uno spazio chiuso può essere caratterizzato da parametri acustici oggettivi, connessi ai diversi aspetti della percezione umana soggettiva: alcuni di essi riguardano il tempo riverbero, altri descrivono il grado di definizione e di chiarezza del parlato e della musica. I parametri che possono essere calcolati per mezzo di "APM Sweep" sono: l'EDT, il T20 e il T30 per il tempo riverbero, il D50, il C50 e il C80 per la definizione e la chiarezza. Questo documento inizierà con un riassunto delle nozioni teoriche più importanti di acustica degli interni, discutendo dei fenomeni fisici sottostanti e delle conseguenze pratiche che essi implicano sulle procedure di misurazione che devono essere seguite, per un calcolo corretto dei parametri acustici di uno spazio chiuso. Successivamente, i dettagli della tecnica di misurazione adottata e la sua implementazione nel software saranno presentati, fornendo anche alcune considerazioni riguardo le caratteristiche hardware dei componenti dei dispositivi mobili, messi a confronto con gli strumenti professionali comunemente impiegati per attività di misurazione. Infine, i risultati delle sessioni di test sul campo saranno presentati e discussi, dimostrando gli effettivi miglioramenti raggiunti dalla nuova applicazione, in confronto all'approccio diretto originario di "APM Tool". La tesi è organizzata secondo questa struttura: il capitolo 1 presenterà un'introduzione più estesa sul lavoro e spiegherà le motivazioni che hanno suggerito di incrementare le funzionalità originarie di "APM Tool". Il capitolo 2 tratterà i concetti teorici fondamentali di acustica degli interni, necessari per capire tutte le discussioni seguenti. Nel capitolo 3 saranno mostrati la definizione dei parametri acustici e le procedure di misurazione richieste per il calcolo di essi, concentrandosi sul ruolo di centralità assunto dall'acquisizione della risposta all'impulso del locale. Il capitolo 4 fornirà la teoria della tecnica di sine sweep logaritmica, il segnale di eccitazione scelto per l'implementazione della misurazione indiretta della risposta all'impulso in "APM Sweep". Il capitolo 5 discuterà le caratteristiche hardware degli strumenti di misura, ponendo l'attenzione sulle caratteristiche dei microfoni MEMS, i sensori integrati all'interno dei dispositivi mobili, che sono sfruttati da "APM Sweep" per le misure acustiche. Il capitolo 6 descriverà i dettagli di implementazione che hanno condotto allo sviluppo di "APM Sweep", partendo dalla struttura originaria di "APM Tool". Nel capitolo 7 la fase di test sul campo sarà illustrata e i risultati dei test saranno presentati e discussi nel dettaglio: significative considerazioni saranno fornite riguardo l'incertezza di misura e la valutazione dell'errore. Il capitolo 8 chiuderà la tesi con la valutazione finale del lavoro e dei risultati ottenuti, suggerendo una serie di possibili miglioramenti che potranno essere integrati come lavori futuri.