Application of the Phong illumination model for the characterization of the reflectance of acoustic materials from free-field measurements

Since its introduction in the 1960s, the use of computer simulations in the field of room acoustics has generated enormous interest. The reasons are obvious: the ability to predict with good approximation the acoustic performance of a space before it is built can help saving enormous resources, especially for those spaces where the required acoustic performance is high, such as theaters, concert halls, cinemas and recording studios. Despite this, the evolution of computer simulations of acoustic environments has not achieved, over decades, a level of realism comparable to that exhibited by computer-generated images. The reason for these shortcomings has to be found both in the inherent fallacies of the methods used in the modeling (they rely on assumptions tailored to model light propagation), and, in our opinion, in the lack of accurate simulation models of reflections from surfaces. In this sense, the numerous techniques developed in the computer graphics literature to render different optical behaviors of surfaces can offer an interesting cue for the modeling of prescribed materials in room acoustics. This suggestion is not far-fetched since many of the techniques in use in the simulation of acoustic spaces are actually borrowed from computer graphics or ray optics. In fact, some research in this direction has been done, but it has not generated much follow-up in the literature. This thesis presents a preliminary study on the application of one of the reflection models in the computer graphics literature to the modeling of surface reflections in acoustics. In addition to this, we extended the model to handle edge effects due to finite dimension of real reflective surfaces. Indeed, the lack of a systematic approach in this regard in the geometrical acoustics field is certainly one of the most serious shortcomings of the methodology mentioned. At the same time, we aim at improving existing standard techniques for measuring certain acoustic reflection qualities of materials, as they are difficult and impractical to apply systematically. We hope in this way to contribute significantly to the advancement of room acoustics modeling and to provide a better approximation of the fascinating and complex phenomena that govern these physical systems.

Fin dalla sua introduzione negli anni '60, l'uso delle simulazioni al computer nel campo dell'acustica ambientale ha suscitato un enorme interesse. Le ragioni sono ovvie: la possibilità di prevedere con buona approssimazione le prestazioni acustiche di uno spazio prima della sua costruzione può aiutare a risparmiare enormi risorse, soprattutto per quegli spazi in cui le prestazioni acustiche richieste sono elevate, come teatri, sale da concerto, cinema e studi di registrazione. Ciononostante, l'evoluzione delle simulazioni computerizzate degli ambienti acustici non ha raggiunto, nel corso dei decenni, un livello di realismo paragonabile a delle immagini generate al computer. La ragione di queste carenze va ricercata sia nella fallacia intrinseca dei metodi utilizzati per la modellazione (si basano su assunzioni adatte a modellare la propagazione della luce), sia, a nostro avviso, nella mancanza di modelli accurati di simulazione delle riflessioni dalle superfici. In questo senso, le numerose tecniche sviluppate nella letteratura della computer grafica per modellare diversi comportamenti ottici delle superfici possono offrire uno spunto interessante per la modellazione dei materiali nell'acustica ambientale. Questo suggerimento non è inverosimile, poiché molte delle tecniche in uso nella simulazione degli spazi acustici sono in realtà mutuate dalla computer grafica o dall'ottica geometrica. In effetti, sono state condotte alcune ricerche in questa direzione, ma non hanno avuto molto seguito in letteratura. Questa tesi presenta uno studio preliminare sull'applicazione di uno dei modelli di riflessione presenti nella letteratura della computer grafica alla modellazione delle riflessioni dalle superfici in acustica. Inoltre, abbiamo esteso il modello per gestire gli effetti al bordo dovuti alla dimensione finita delle superfici reali. Infatti, la mancanza di un approccio sistematico a questo proposito nel campo dell'acustica geometrica è certamente una delle sue più gravi carenze. Allo stesso tempo, ci proponiamo di migliorare le tecniche standard esistenti per la misurazione di alcune qualità di riflessione acustica dei materiali, in quanto difficili e poco pratiche da applicare sistematicamente. Speriamo in questo modo di contribuire in modo significativo al progresso della modellazione dell'acustica ambientale e di fornire una migliore approssimazione degli affascinanti e complessi fenomeni che governano questi sistemi fisici.