A study on the impact of reverberations on sound field rendering techniques : an evaluation on a compensation algorithm for advanced surround reproduction systems

This thesis discusses the impact of reverberations of the environment on the acoustic sound-field produced by rendering systems. Sound reproduction aims at creating a desired spatial impression of a virtual source by means of loudspeakers. Many reproduction systems emerged over the past decades with the ambition to fulfill this goal. The theory behind most reproduction systems assumes free-field propagation from the loudspeakers to the listener. Unfortunately, this assumption does not hold for reproduction systems placed in a listening room. Most listening rooms are more or less reverberant and will impose their reflections onto the reproduced wave-field. This work developed a framework for compensation of the reverberant environment acoustics. The basic idea behind this framework is to utilize the existing sound reproduction system in order to cancel the reflections imposed by the listening room. This additionally requires to analyze the influence of the listening room on the reproduced wave-field. In order to be able to compensate the reflections for the entire listening area, two basic requirements were derived for the rendering system and the propagation modeling technique. The sound propagation technique should be able to model the reproduced wave-field within the listening area as the result of the propagation inside the listening room; and the reproduction system should provide control over the reproduced wave-field within the listening area. In order to achieve these goals, the developed system is based on the geometric propagation model in which the sound-field is the result of the superposition of the acoustic beams, generated by the presence of the reflectors. Under this assumption the sound-field in the listening area is produced by means of loudspeakers, using an advanced rendering technique. The system compensates the reflections acting as an equalizer of the channels between each loudspeaker and each point of the listening area, and then computes a new set of filters to reproduced the desired sound-field. These filters are obtained computing a transformation matrix applied to the previous set of filters, the output of the rendering system. In order to assess the performances of the room compensation system several evaluation methodologies are used. In particular, the spatial structure and the direction of propagation of the wave-field are analyzed. The room compensation system attenuates the undesired effects caused by the reflections of the reverberant environment, making the wave-field rendered by a sound reproduction system in a listening room more similar to the field in free-field propagation.

Questa tesi affronta l'impatto delle riflessioni dell'ambiente sul campo sonoro prodotto dai sistemi di rendering. La riproduzione audio mira a creare un'impressione spaziale desiderata di una sorgente virtuale per mezzo di altoparlanti. Molti sistemi di riproduzione sono nati negli ultimi decenni con l'ambizione di realizzare questo obiettivo. La teoria alla base della maggior parte dei sistemi di riproduzione ha come assunzione la propagazione in campo libero dagli altoparlanti all'ascoltatore. Purtroppo, questa ipotesi non vale per sistemi di riproduzione collocati in una sala d'ascolto. La maggior parte delle sale d'ascolto sono più o meno riverberanti e intervengono con le loro riflessioni sul campo d'onda riprodotto. Questo lavoro ha sviluppato un'indagine sulla compensazione dell'acustica degli ambienti riverberanti. L'idea di base è quella di utilizzare il sistema di riproduzione audio esistente, al fine di annullare le riflessioni imposte dalla sala d'ascolto. Per realizzare questo concetto occorre anche analizzare l'influenza della stanza d'ascolto sul campo d'onda riprodotto. Per poter compensare le riflessioni nell'intera area di ascolto, sono necessari due requisiti fondamentali: un sistema di rendering e un modello di propagazione acustica in ambienti riverberanti. Il modello di propagazione sonora dovrebbe essere in grado di modellare il campo d'onda riprodotto nell'area di ascolto come risultato della propagazione all'interno della stanza, mentre il sistema di rendering dovrebbe poter controllare, nell'area di ascolto, il campo d'onda riprodotto. Per raggiungere questi obiettivi, il sistema sviluppato è basato sul modello di propagazione geometrica in cui il campo sonoro è il risultato della sovrapposizione dei beam acustici, generati dalla presenza dei riflettori. In questo scenario, il campo sonoro nell'area di ascolto è generato per mezzo di altoparlanti, utilizzando una tecnica avanzata di rendering audio. Il sistema compensa le riflessioni che agiscono come un equalizzatore dei canali tra ciascun altoparlante e ciascun punto dell'area di ascolto, e quindi calcola un nuovo set di filtri per riprodurre il campo sonoro desiderato. Tali filtri sono ricavati calcolando una matrice di trasformazione che viene applicata ad un precedente set di filtri spaziali, risultato del sistema di rendering audio. Al fine di analizzare le prestazioni del sistema di compensazione, si utilizzano diverse metodologie di valutazione. In particolare, in questa tesi vengono esaminati la struttura spaziale e la direzione di propagazione del campo d'onda. Il sistema di compensazione attenua gli effetti indesiderati causati dalle riflessioni dell'ambiente riverberante, rendendo il campo d'onda generato da un sistema di riproduzione audio in una sala d'ascolto più simile a quello in propagazione in campo libero.