Estimation of the radiation pattern of a violin during the performance using plenacoustic methods

Among the various acoustic properties of the violin, one of the most important and studied is the radiation pattern, which is the function that represents the angular dependency of the sound energy radiated by the instrument: the pattern regulates how the violin interacts with the surrounding environment, thus defining what the listener actually perceives according to his position. Therefore, its estimation can represent a very useful tool in many different applications. The purpose of this work is to develop a methodology to estimate the 3D radiation pattern of a violin during the performance, using a recent spatial audio processing technique called plenacoustic imaging: we would like to stress that this method is designed to work in a real situation, since this approach introduces an element of novelty into our research work. The presence of a violinist (free to move) during the measurements in essential, since it can heavily influence the way in which the instrument radiates sound pressure in the space. The majority of previous techniques used by researchers to estimate radiation pattern tends to fix the violin on a structure and excitate it with artificial methods (like a bowing robot), otherwise, if a real violinist is present, he is forced to carry out unnatural movements. In this manuscript we will show an alternative solution. In order to evaluate the radiation pattern of a violin we will use a recently introduced technique, i.e. the above cited plenacoustic imaging, which has the aim of measuring the soundfield in the proximity of a microphone array. Given that the violinist is free to move in front of the array, the radiation estimation is guided by a motion tracking system, which evaluates the location and orientation of the violin at each instant. The obtained results have been compared with the ones found in literature for validation purposes. We implemented a visualization method that includes different kinds of pattern diagrams and the comparative tests has led us to conclude that our method is valid and applicable.

Tra le varie proprietà acustiche del violino, una delle più interessanti e studiate è il pattern di radianza, ovvero quella funzione che rappresenta la dipendenza angolare dell’energia sonora radiata dallo strumento: il pattern regola il modo in cui il violino interagisce con l’ambiente circostante, definendo quindi cosa l’ascoltatore effetivamente percepisce in base alla sua posizione. Perció, la sua stima può rivelarsi uno strumento utile in molte differenti applicazioni. Lo scopo di questo lavoro è sviluppare una metodologia per stimare il pattern di radianza tridimensionale di un violino durante la performance, usando una recente tecnica di trattamento spaziale dei segnali audio chiamata imaging plenacustico: intendiamo precisare che il nostro metodo è stato progettato per funzionare in una situazione reale, dato che questo approccio introduce un elemento di novità nel lavoro di ricerca. La presenza del violinista (libero di muoversi) durante le misurazioni è essenziale, in quanto può pesantemente influenzare il modo in cui lo strumento emette pressione sonora nello spazio. Nella maggior parte delle tecniche usate in passato dai ricercatori o si tende a bloccare lo strumento su una struttura e suonarlo con dispositivi elettronici (ad esempio un archetto robotizzato), oppure, nei casi in cui è prevista la presenza del musicista, lo si costringe ad assumere pose troppo innaturali. In questo manoscritto mostreremo una soluzione alternativa. Ai fini di valutare il pattern di radianza di un violino useremo una tecnica di recente introduzione, il suddetto imaging plenacustico, volta a misurare il campo sonoro in prossimità di un array di microfoni. Dato che il violinista è libero di muoversi di fronte a questo array, la stima della radianza viene coadiuvata da un sistema di tracking dei movimenti, dedito a valutare posizione e orientamento del violino in ogni istante. I risultati ottenuti sono stati comparati con quelli trovati in letteratura a scopo di validazione. Abbiamo implementato un metodo di visualizzazione che include varie tipologie di grafici per pattern e i test comparativi ci hanno permesso di concludere che il nostro metodo risulta valido ed applicabile.