Acoustical parameter measurement tool for Android : development, implementation and on-field validation

In this work we will discuss about the development and the design of an Android-based software application for portable devices able to measure acoustical parameters of closed spaces. The software was developed under the supervision of Eng. Rizzi and Eng. Ghelfi from Suono e Vita (acoustical engineers studio in Lecco, Italy) between January and June 2013. Once finished, it was tested in four different environments. The internal acoustical design and analysis of rooms, both the one dedicated to music theaters for example- and more common ones, requires the evaluation of a set of parameters (we will focus primarily on reverberation time) coming from a deep inspection of their impulse response. In real life jobs and in practical study cases those measurements are accomplished with professional equipment that is often difficult to carry or to move on the spot. Nowadays, on the other side, there are portable devices (smartphones and tablets) that are improving their computational performances day-by-day, but still packaged in their small sizes and weights, therefore can be adopted also for acoustic analysis purposes. As introduced before, every reverberant space is characterized by its own impulse response and must be designed to fulfill a specific goal: sometimes almost no reverberation is needed (in the control room of a recording studio for example), sometimes a longer one is required (think about a theatre hall); every day somewhere around the world there’s at least one sound engineer thinking about how to design a room or what kind of materials to use to achieve his goal of set up a space that fulfills strict acoustical condition. A reverberant space is also described with many other parameters than just reverberation time, needed in order to have a full detailed analysis with a focus on psychoacoustical aspects, like clarity and definition, as well: we will refer to ISO 3382 (1 and 2) for all the measurement criteria involved in our work and we will analyze, among others, EDT, T20, T30, C50 and D50. The goal of this work was to develop an Android-based software able to compute the parameters as above and to define their reliability and trustworthiness comparing them with the ones retrieved by professional tools. In this document we will introduce the basic concepts of room acoustics and then show the most relevant aspects of the software development and its implementation (ex-novo); in the end we will validate our tool by making final considerations about the results obtained in four different test cases, comparing them with the ones acquired with professional equipment. We will demonstrate that in a wide frequency range, from 400-500Hz to 8kHz, our tool’s results follow the ones obtained with a professional phonometer and a professional microphone, which cost at least ten times more than our devices. The work is structured in this way: Chapter 1 will introduce the entire work. In Chapter 2 all the necessary theoretical concepts from wave theory to geometrical room acoustics are shown. In Chapter 3 the state of the art of impulse response acquisition is illustrated: particular attention is given to Schroeder’s backward integrated method to evaluate the decay curve. In Chapter 4 the proposed method for room excitation is shown underlining its limitation in terms of energy characterization. Chapter 5 will introduce the hardware and software attributes of the mobile devices we chose for the development and the testing phase, emphasizing their lacks and critical aspects. In Chapter 6 we show the design of the user interface of our software: it has been based on the guidelines of the ISO 3382 to be sure to obtain good and reliable measures of the acoustic parameters. In Chapter 7 all the case studies are described in details and the results are reported and analyzed. Finally, Chapter 8 contains conclusions and further possible development of this work.

Questo lavoro di tesi tratta dello sviluppo di un software per smartphone Android-based in grado di misurare parametri acustici di ambienti chiusi. È stato sviluppato sotto la supervisione dell’Ing. Rizzi e dell’Ing. Ghelfi di Suono e Vita - uno studio di consulenza acustica situato a Lecco - tra Gennaio e Giugno 2013 ed è stato testato in quattro diversi ambienti una volta completato. La progettazione e l’analisi acustica degli ambienti, sia quelli specificatamente dedicati a scopi musicali che non, richiede di effettuare la misurazione di alcuni fattori (noi ci concentreremo soprattutto sul tempo di riverbero) derivanti da un’indagine accurata della risposta all’impulso dell’ambiente stesso. Per svolgere questo compito vengono utilizzati strumenti di misura professionali che, in particolari condizioni (ad esempio un sopralluogo preliminare od occasionale), possono non essere momentaneamente disponibili o risulterebbe dispendioso trasportare ed installare. Dall’altro lato, al giorno d’oggi sono in via di sviluppo dispositivi mobili (smartphones e tablets) sempre più piccoli che stanno raggiungendo prestazioni di calcolo di altissimo livello a prezzi accessibili e che potrebbero quindi prestarsi per essere adoperati anche nel campo dell’analisi acustica. Come già accennato, ogni spazio riverberante, quando lo si analizza dal punto di vista della qualità acustica interna, è caratterizzato da una propria risposta all’impulso che lo rende unico e adatto ad un determinato genere di applicazioni. A seconda dei contesti può dover essere necessario ad esempio avere tempi di riverbero molto brevi (si pensi ad una sala monitor di uno studio di registrazione) oppure mediamente lunghi (un teatro); a questo proposito quotidianamente in ogni parte del mondo vengono svolti progetti e lavori di trattamento acustico per soddisfare queste esigenze. Sarebbe però inopportuno considerare il solo tempo di riverbero come fattore caratterizzante di un ambiente perché in un’analisi acustica e psicoacustica ben svolta ci sono ulteriori fattori che contribuiscono a caratterizzare un buon comportamento delle stanze: lo standard a cui faremo principalmente riferimento - l’ISO 3382 (1 e 2) - definisce diversi parametri acustici, identificati dalle sigle EDT, T20, T30, C50, D50 e che verranno descritti in dettaglio nella tesi, che permettono di effettuare uno studio accurato del comportamento acustico di un locale chiuso in termini di chiarezza e definizione del suono su un ampio intervallo di frequenze. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di sviluppare un’applicazione per piattaforma Android che sia in grado di calcolare i parametri di cui sopra applicando i requisiti ISO. Nel corso della trattazione, dopo una nec- essaria introduzione su alcuni concetti di base dell’acustica degli interni, viene descritto il lavoro svolto per lo sviluppo del software, la sua implementazione (ex-novo) e la sua conseguente validazione attraverso quattro casi di studio in quattro ambienti chiusi con caratteristiche molto differenti tra loro. Verrà dimostrato che in un range di frequenze da 400-500Hz fino ad arrivare a 8kHz il nostro software, in particolari condizioni, è in grado di reggere il confronto con una strumentazione professionale da migliaia di euro. La tesi è così strutturata: nel Capitolo 1 viene fatta un’introduzione generale sul lavoro svolto. Nel Capitolo 2 vengono introdotti i concetti basilari dell’acustica delle stanze, mentre lo stato dell’arte relativo ai metodi per ricavare la risposta all’impulso sono presentati nel Capitolo 3. Nel Capitolo 4 viene motivata la scelta di utilizzare il battito di mani o il palloncino come sorgente impulsiva (per ricavare la risposta all’impulso) mettendone in luce i limiti pratici. Il Capitolo 5 presenta le caratteristiche hardware e software dei dispositivi mobili che abbiamo scelto di utilizzare, anche qui, mettendone in luce le lacune e gli aspetti critici. Nel Capitolo 6 è descritta l’interfaccia utente, che garantisce una modalità di utilizzo conforme allo standard di riferimento ISO 3382. Il Capitolo 7 contiene i risultati dei quattro test svolti in sale chiuse analizzandone gli aspetti salienti e infine nel Capitolo 8 si trarranno delle conclusioni e si parlerà di possibili sviluppi futuri del software.