Logiciel CATT-Acoustic v9 code de calcul TUCT Présentation détaillée

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1 Logiciel CATT-Acoustic v9 code de calcul TUCT Présentation détaillée euphonia - siège social : 5-7 rue de Cléry F Paris tél. +33(0) / fax. +33(0) courrier@euphonia.fr - sarl au capital de rcs Paris siret ape 4651Z

2 CATT-Acoustic version 9 marque un tournant majeur dans la prédiction en acoustique des salles. CATT-Acoustic constitue non seulement une référence dans le domaine de la prédiction en acosutique des salles, avec les fonctionnalités d'audiospatialisation les plus avancées, et poursuit son développement sans hésiter à remettre à plat ses modèles prédictifs afin de devenir le plus puissant logiciel de calcul en acoustique des salles. La prédiction des résultats est assurée par le moteur de calcul TUCT (The Universal Cone Tracer) lequel intègre de nombreuses nouvelles fonctionnalités, au premier titre desquelles la gestion de la diffraction au premier ordre. CATT-Acoustic concerne non seulement les acousticiens intéressés par la prédiction des critères utilisés en acoustique des salles (ISO 3382 entre autres) mais également les électroacousticiens qui cherchent un outil capable de simuler la propagation du son délivré par tous les dispositifs électroacoustiques les plus modernes (colonnes à directivité contrôlée, lignes-sources) et prédire l'intelligibilité de la parole selon les normes les plus récentes, tel STI selon IEC révision 4. Constitution du modèle géométrique Les simulations acoustiques à l'aide de CATT-Acoustic se basent sur un modèle géométrique en 3 dimensions, lequel peut être programmé en langage GEO CATT ou bien peut être importé depuis différents formats de modélisation 3D, tels DXF. Euphonia développe Sk2Geo, un plugin pour Sketchup, permettant une saisie facile de la géométrie et la préparation simplifiée des fichers d'entrée pour CATT-Acoustic. La vérification du modèle, la gestion des sources et réecpteurs, détermination des plans de cartographie sont effectués dans l'interface graphique CATT-A, directement héritée de CATT-Acoustic v8. Une fois les réglages opérés, les données sont tranférées au coeur de calcul TUCT pour lancement des calculs et examen des résultats. Toutes les règles concernant la modélisation de la géométrie apprises par le passé restent valables, mais toutes les prédictions et audiospatialisations dans la version 9 sont désormais effectuées par TUCT dans une interface simplifiée. Module TUCT - Généralités TUCT, The Universal Cone Tracer, qu'on pourrait traduire en français par "Lanceur Universel de Cônes Acoustiques, est le module de CATT-Acoustic dans lequel sont menés l'ensemble des calculs permettant de prédire les échogrammes et les réponses impulsionnelles pour une salle et permet leur analyse. Afin de répondre aux besoins des acousticiens de disposer d'un outil utilisable en toutes circonstances, TUCT a été quasiment entièrement nouvellement développé, laissant de côté les anciennes méthodes prédictives et en se fondant sur une nouvelle approche, ce qui constitue une exception notable dans l'univers des logiciels prédictifs, où les éditeurs se contentent bien souvent d'apporter des modifications mineures à des codes de calculs basés sur des méthodes datées. 2

3 Trois algorithmes, basés sur différents degrés de gestion déterministe / aléatoire des réflexions des rayons, peuvent être sélectionnés suivant les caractéristiques du modèle étudié. Il est en particulier possible d'effectuer des calculs pour des modèles ouverts, tels que des amphithéâtres extérieurs, qui nécessitaient auparavant d'être fermés par une boite virtuelle totalement absorbante. Les prédictions et les audiospatialisations dans de grands volumes très absorbants bénéficient également des capacités des nouveaux algorithmes de calcul. TUCT s'appuie sur les données d'entrées du module CATT-A de CATT-Acoustic, dans lequel sont définies les propriétés acoustiques des matériaux, les paramètres généraux, etc. Le module CATT-A exporte un fichier au format.cag contenant toutes les données nécessaires et permettant de lancer TUCT. TUCT est une réécriture quasi-totale du moteur de calcul, mais inclut certaines focntionnalités de la version 8 de CATT-Acoustic, telles que les options Pixel rendering, Image Source Model et Time trace, qui ont été adaptées pour être intégrées dans TUCT comme des outils distincts, utilisables d'une manière plus souple. En particulier les étapes de post-traitement des échogrammes de la version 8 pour l'auralization (ou Audiospatailisation en français) n'ont plus cours dans TUCT, l'accès aux Réponses Impulsionnelles Finies étant immédiat après calcul. Principales différences entre TUCT et CATT-Acoustic v8 les algorithmes de calcul sont plus généraux et ne reposent plus sur l'extrapolation de la croissance de la densité de réflexions comme c'était le cas avec l'algortihme RTC 2 de la version 8 l'audiospatialisation repose sur la queue de réverbération complète, qui n'est plus recréée en post-traitement aucune étape de post-traitement séparée n'est nécessaire pour l'audiospatialisation, les réponses impulsionnelles sont disponibles pour l'évaluation et l'écoute par convolution directement après les calculs prédictifs l'affichage des mesures à la fois pour l'échogramme énergétique et pour une réponse impulsionnelle synthétisée permet d'évaluer indirectement la fiabilité des résultats en basses fréquences la synthèse de réponse impulsionnelle a permis d'introduire un traitement de la diffraction par les bords pour le son direct, basé sur un modèle discret du principe de Huygens par Biot-Tolstoy. La documentation comporte un white paper de plus de 20 pages sur la façon dont la diffraction est traitée dans CATT-Acoustic. l'ensemble des réponses impulsionnelles pour les différents couples Source/Récepteur calculés est disponible directement après les calculs de prédiction pour l'évaluation et l'écoute par convolution aucun utilitaire de convolution séparé n'est nécessaire, il suffit de cliquer sur le bouton Play/Convolve pour une écoute immédiate, même pour des sources multiples tel que dans le cas d'un système de sonorisation pour l'audiospatialisation avec de multiples sources, diffusant des sons différents, les modules MultiVolver VST (plugin VST pour le traitement temps réel dans un DAW (Digital Audio Workstation, logiciel de traitement audio multipistes) et MultiVolver WCP (module de convolution offline offrant jusqu'à 36x16 canaux de traitement, étendables au besoin) peuvent être utilisés aucune calibration n'est requise pour audiospatialiser différentes positions dans une salle en conservant les niveaux relatifs 3

4 possibilité de lancer plusieurs instances à la fois; par exemple, une instance de TUCT peut calculer une cartographie de l'aire d'auditoire pendant qu'une autre calcule la réponse impulsionnelle du même modèle utilisation des capacités des processeurs multi-coeurs pour toutes les fonctions principales, avec le nombre de thread sélectionné automatiquement ou spécifié possibilité de consulter en parallèle plusieurs types de résultats de calcul possibilité de cartographier le son direct ou indirect sur tous les murs et/ou les surfaces d'auditoire pour une résolution donnée grâce à l'outil Surface rendering (similaire à l'outil Pixel rendering, mais avec une résolution variable permettant la rotation et la mise à l'échelle du modèle) après un calcul, possibilité d'observer les effets sur le STI de la modification du bruit de fond, du niveau global ou d'une égalisaiton fréquentielle de la source, ainsi que la version de la norme pour le calcul du STI, de manière interactive; possibilité d'utiliser une cartographie de bruit calculée séparément tous les critères sont calculés, il n'est pas nécessaire de choisir avant calcul; les anciens résultats peuvent être rappelés, affichés et analysés très rapidement option Sequence Processing permettant de lancer plusieurs calculs les uns à la suite des autres automatiquement le format de fichiers graphiques.plt est remplacé par le format.pl9, plus souple; en particulier, une sélection interactive des facettes est possible plusieurs palettes de couleurs sélectionnables flexibilité de la structure permettant d'ajouter de futures fonctionnalités 4

5 Principales fenêtres du module TUCT Un tour d'horizon des fenêtres du module TUCT permet de parcourir ses nombreuses fonctionnalités. 5

6 fenêtre Main:Action Il s'agit de l'interface principale dans laquelle sont sélectionnées les options pour les calculs de prédiction; par ailleurs, elle indique les étapes de traitement, le temps restant estimé et le % de CPU utilisé. Predict SxR permet de prédire les échogrammes et les réponses impulsionnelles pour chaque combinaison de couple Source x Receiver (SxR) sélectionné, en utilisant les capacités des processeurs multi-coeurs. Trois algorithmes de prédiction différents peuvent être sélectionnés, dont le choix dépend du type de salle étudiée, du niveau de détail et de la qualité d'audiospatialisation souhaitée. 6

7 La diffraction peut être incluse pour le son direct et au premier ordre de réflexions. Des réglages spéciaux permettent de tester la combinaison du son direct, des réflexions spéculaires de 1er ordre et la diffraction. Des récepteurs B-format d'ordre supérieur (2 ou 3) peuvent être sélectionnés pour le décodage externe, ainsi que des options permettant d'obtenir des réponses impulsionnelles basées sur des setups de 5 microphones. 7

8 Map measures permet de calculer des cartographies sur une aire d'auditoire définie, en utilisant les capacités des processeurs multi-coeurs. L'indice STI et le critère U50 peuvent être calculés en utilisant une cartographie de bruit précedemment effectuée. De même que dans Predict SxR, des test spéciaux permettent de combiner le son direct, les réflexions spéculaires de 1er ordre et la diffraction. Map direct sound permet de cartographier le son direct, pour une aire d'auditoire définie, en utilisant les capacités des processeurs multi-coeurs. Les derniers paramètres de calculs utilisés sont automatiquement stockés et sont proposés pour un nouveau calcul TUCT sur le même modèle. 8

9 Plusieurs Predict SxR et Map measures peuvent être successivement lancés de manière automatique grâce au traitement séquentiel des tâches Sequence Processing : fenêtre Main:Show 3D De nombreuses options d'affichage permettent de gérer la représentation du modèle: Dans les pages suivantes, nous illustrons les différents affichages possibles, en commançant par les résultats de calcul pour le son direct. 9

10 Affichage de la cartographie des niveaux de pression sonore (SPL) du son direct: Les valeurs numériques s'affichent lorsque l'utilisateur passe le curseur sur la cartographie tout en maintenant la touche Shift enfoncée. Delay le plus court (utile pour optimiser les retards appliqués aux haut-parleurs) 10

11 Groupe de sources avec le delay le plus court (afin d'optimiser les delays) Affichage des résultats de cartographie pour l'aire d'auditoire (SPL, STI, D50, etc) Affichage des rayons sortis du modèles, dus à des erreurs de modélisation: 11

12 SPL(t) (Niveaux de pression sonore en fonction du temps dans l'échogramme) Affichage de l'échogramme en chaque point de la cartographie en déplaçant la souris sur la zone cartographiée : 12

13 Affichage du spectre en chaque point de la cartographie en déplaçant la souris sur la zone cartographiée 13

14 Affichage de la décroissance spatiale pour les mesures DL2 et Dlf (ISO 14257), dont l'utilisation est également suggérée pour les bureaux paysagers dans l'iso

15 Une cartographie basée sur la détermination du DLf est introduite, dans laquelle chaque valeur est normalisée par le niveau SPL du son direct. 15

16 Très riches possiblités d'affichage et de tests après calcul pour l'intelligibilité dela voix parlée : possibilité d'afficher le STI, le CIS (Common Intelligibility Scale) ou le MCiTP (Minimum Change in Task Performance, ISO 3382:3) dérivés du STI, de modifier le bruit de fond, le niveau d'émission de la source, d'activer ou non la prise en compte du masquage fréquentiel et de choisir le type de voix et la version de la norme à utiliser pour le calcul du STI. Le bruit de fond peut être réglé dans la fenêtre ou issu d'une cartographie de bruit précédemment calculée. Une valeur limite de STI peut être sélectionnée (les rectangles blancs visibles sur la figure ci-dessous correpondent aux valeurs de STI < 0,65) Affichage des cartographies de STI suivant l'échelle d'intelligibilité normalisée (B = Bad, P = Poor, F = Fair, G = Good, E = Excellent) 16

17 Affichage du critère U50 avec possibilité de faire varier le bruit de fond, ou d'utiliser une cartographie de bruit précédemment calculée Statistiques pour le STI (données qui peuvent être copiées pour un traitement ultérieur) 17

18 Statistiques générales ainsi que : Cartographies par bandes d'octave, en large bande linéaire ou pondérée A Export des tableaux de résultats, de vue 3D ou d'un ensemble de mesures sélectionnées 18

19 fenêtre Main:Show 2D Représentations du modèle en plan, de profil et frontale. La case Cut z dans le cadre Plan/Section permet d'entrer un plan de coupe à une hauteur donnée afin de faciliter la visibilité des sources, des récepteur et des détails des plans d'audience dans le cas de salles pour lesquelles le plafond est chargé (voir la ligne rouge sur les figures ci-dessous): 19

20 Zoom sur le modèle et indication de la hauteur du plan de coupe 20

21 Affichage des résultats de mesures pour un couple Source x Recepteur (SxR) ou pour plusieurs sources x R (*xr) Influence sur le STI de la modification du bruit de fond et du niveau sonore des sources, de l'activation ou non de l'effet de masquage, et du choix du type de STI: 21

22 Influence de la modification des niveaux de bruit de fond sur le U50 Affichage du coefficient d'absorption moyen par bande d'octave, avec le min et le max, ainsi que du libre parcours moyen mfp (Mean Free Path) 22

23 Affichage du coefficient de diffusion moyen par bande d'octave, avec le min et le max Calcul statistique sur le RT-30, très pratique pour comprendre les propriétés acoustiques d'une salle et sélectionner les paramètres de calcul appropriés 23

24 Mesures par bandes d'octave, en large bande linéaire ou pondérée A Affichage des échogrammes comparés En rouge l'échogramme brut issu du calcul dans la bande d'octave considérée, et en bleu la réponse impulsionnelle synthétisée par CATT-Acoustic Réponse impulsionnelle, en db Echogramme énergétique + réponse impusionnelle en db (intégrés sur le même intervalle temporel pour comparaison). D'autres options, non représentées sur cette figure, sont le lissage des réflexions et leur classification selon Toole (utilisée en particulier pour les studios de mixage) 24

25 Méthode de Schroeder : régression linéaire des moindres carrés de la décroissance énergétique avec en option l'affichage des droites de régréssion de l'edt, du T15 et du T30 Courbes de Schroeder normalisées 25

26 intégration "en avant" de la Réponse impulsionnelle, qui renseigne sur le temps de montée de la salle Echo-disturbance (EKgrad), pour les signaux musicaux ou parlés 26

27 Nouveau type d'affichage directionnel combinant les angles angles d'incidence et les temps d'arrivée pour des types de microphones variés, dont le Sector Mic (breveté) 27

28 Diagrammes polaires en fonction du temps d'arrivée, constante d'intégration et type de microphone (dont le Sector Mic, breveté) 28

29 Affichages des réponses impulsionnelles pour différents couples Source(s) x Récepteur (SxR Affichage des réponses impulsionnelles pour des directivités de type W, X, Y, Z, X cardioïde, pour des microphones rotatifs avec choix du type de microphone, dont le Sector mic (breveté), en binaural, XY-stereo, Blumlein stereo. Réponse impulsionnelle pour une directivité de type W Réponse impulsionnelle pour une directivité de type X 29

30 Réponse impulsionnelle pour une directivité de type Y Réponse impulsionnelle pour une directivité de type Z 30

31 Microphone rotatif (Rotating mic): la direction du microphone rotatif est indiquée dans l'affichage 3D; dans le cas du Sector mic, le contour du secteur microphonique est indiqué sur les murs, facilitant la détection des réflexions. 31

32 Réponses impulsionnelles binaurales Réponses impulsionnelles pour un couple microphonique XY 32

33 Réponses impulsionnelles pour un couple microphonique Blumlein Main:Impulse Response Detail Affichage des réponses impulsionnelles détaillées pour un couple Source x Récepteur (SxR) ou plusieurs sources x R (*xr). Réponse impulsionnelle fenêtrée 33

34 Réponse impulsionnelle sur échelle log avec fenêtrage temporel de type Raised cosine Courbe de réponse en fréquence - Echelle linéaire 34

35 Courbe de réponse en fréquence - Echelle log Spectrogramme avec nombreuses options de résolution 35

36 Fenêtres secondaires Pixel rendering Affichage du son direct ou réfléchi sur les murs et/ou les surfaces d'auditoire pour chaque pixel visible à l'écran 36

37 Image source model Ideal pour le détail des réflexions spéculaires Les sources images peuvent être sauvegardées et rechargées à la prochaine ouverture de la fenêtre Trajets de réflexions interactifs (cliquer sur une réflexion pour voir le trajet, ou faire défiler les réflexions chronologiquement), affichage de l'échogramme pour des sources multiples avec un code-couleur suivant l'ordre de réflexion, le temps d'arrivée ou la source. D'autres options, non détaillées ici, permettent de lisser l'échogramme ou de classer les réflexions suivant différentes options 37

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39 Montrer les surfaces impliquées pour chaque réflexion 39

40 Afficher tous les trajets (avec une option pour afficher seulement les points d'impact sur les surfaces): 40

41 Afficher les positions des sources images Afficher l'échogramme intégré et/ou l'échogramme lissé (permet de réveler les réflexions qui se cachent l'une derrière l'autre), et/ou la classification des réflexions 41

42 Time trace Export de vidéos au format AVI Coloration des rayons suivant le niveau SPL Coloration des rayons suivant l'ordre de réflexion 42

43 Coloration des rayons suivant la source Autres outils Outils indépendants du modèle de salle ouvert dans TUCT Lecteur audio Outil de convolution Walkthrough L'outil de convolution Walkthrough utilise des réponses impulsionnelles sous la forme de fichier SIM contenant toute l'information nécessaire. Les fichiers SIM ne sont plus utilisés 43

44 pour l'audiospatialisation normale, mais peuvent être exportés Et bien d'autres outils encore... Copie des données dans le presse-papiers et exportation sous forme de fichiers Meta, BMP et PL9 (visuels vectoriels de CATT v9), et capture de toutes les fenêtre 2D et 3D. Capture directe des données principales des fenêtres 2D et 3D. Echelle interactive (mouvement de la souris bouton gauche enfoncé) pour les échogrammes, les réponses impulsionnelles et les graphiques similaires Lecture des valeurs à la souris pour tous les graphiques et toutes les cartes en maintenant la touche Shift enfoncée. Capture directe des données principales des fenêtres 2D et 3D. Affichage et évaluation directe des échogrammes/réponse impulsionnelles, et audiospatialisation pour des sources multiples tels que des systèmes de sonorisation. Un exemple avec 2 sources A0 et B0 est affiché ci-dessous avec indication du temps d'arrivée du son direct: 44

45 Données générales du modèle pour vue/export Export des réponses impulsionnelles finies pour un choix de combinaisons de sources et récepteurs Export de toutes les mesures au format Matlab MAT Export des réponses impulsionnelles dans différents formats, dont : MATLAB, SIM et WAV (fichiers monos ou entrelacés) Export en binaural, B-format (premier, 2ème ou 3ème ordre), 5-canaux (microphones espacés, coïncidents, depuis BPhormer ou Sector mic), stereo (XY et Blumlein), microphones mono (omnidirectionnel, cardioïde, supercardioïde, hypercardioïde, figure en 8). Les réponses impulsionnelles en B-format WAV peuvent être analysées avec l'outil ReflPhinder (fourni avec la version audiospatialisation complète) ou convoluées en temps réel depuis le nouveau module MultiVolver VST, et/ou l'outil de convolution offline MultiVolver WCP, qui utilisent les même fichiers. 45

46 Convolutions d'un fichier son avec un jeu de réponses impulsionnelles pour n'importe quelle combinaison de source(s) et récepteurs afin de pouvoir écouter rapidement le résultat sur un système de sonorisation pour différentes configurations. ReflPhinder ReflPhinder est un outil d'analyse des réponses impulsionnelles monorales ou en B- format. L'analyse des réflections se fait par la synthèse de directivités de microphones du premier ordre (cardioïde, super-cardioïde, hyper-cardioîde, figure en 8) ou du microphone breveté à haute résolution spatiale Sector Mic, lequel offre des secteurs d'ouverture variable, les valeurs disponibles étant : 30, 25, 20, 15, 10, 5 et même 2. ReflPhinder permet le calcul des temps de décroissance et critères suivants : EDT, T20, T30, D50, C7, C50, C80 et Ts. Modules d'audiospatialisation Walkthrough Convolution L'outil Walkthrough Convolution permet de créer des parcours sonores, déambulations à écouter au casque. L'outil se base sur un script décrivant les posistions successivement occupées par le point récepteurs, les sources pouvant également être en mouvement. Un exemple peut être écouté depuis le site web d'euphonia, produit lors d'un travail de recherche en archéologie acoustique sur les abbayes cisterciennes menées par l'équipe du 46

47 laboratoire CERMA à Nantes, en l'occurence l'abbatiale de l'abbaye de Noirlac (Cher). L'auditeur est dans la situation d'un moine arrivant en retard à l'office; ses collègues ont déjà entamé un chant lithurgique et le moine vient prendre place après avoir contourné le choeur de l'abbatiale alors équipé des hautes stalles en bois. L'écoute doit être effectuée au casque, si possible avec un casque de bonne qualité. La vidéo (dont le rendu image a été effectué sur une autre plateforme que CATT) est disponible ici. CATT Walker Le module CATT-Walker TM permet d effectuer une auralization en temps réel sur un microordinateur standard. CATT-Walker TM gère cette restitution audible dynamique en interpolant en continu les réponses impulsionnelles préalablement calculées en B-Format (encodage ambiophonique). L'écoute s'effectue en mode binaural à partir d'un décodage ambisonic approprié. UNe écoute sur haut-parleurs est également possible en procédant au décodage ambisonique approprié à l'extérieur de CATT. La hauteur est prise en compte et des sources multiples diffusant le même signal (installation de sonorisation) peuvent être prise en compte. Les caractéristiques liées à l'auditeur, à savoir les fonctions de transfert liées à la tête (HRTFs - Head Related Transfer Functions) pouvent être choisies dans les péférences. A noter que CATT-Acoustic intègre les bibliothèques de HRIR (Head Relatd Impulse Responses) du projet Listen de l'ircam. Suite logicielle FIReverb CATT-Acoustic peut être fourni avec deux modules supplémentaires qui sont MultiVolver (outil de convolution sous forme de plugin VST ou application stand-alone, décrit plus haut) et PureVerb. Le module PureVerb génère des réponses impulsionelles finies (RIF ou FIR pour les anglophones) permettant de créer des espaces acoustiques virtuels, pour les applications de réverbérations de studio naturelles ou de Réalité Virtuelle. Il agit sur la base de typologies de lieux modifiables à volonté. Leurs caractéristiques sont très proches des réponses naturelles, mesurées in situ, grâce à la maîtrise et l'expertise de CATT-Acoustic dans la simulation des 47

48 phénomènes de propagation sonore. L'utilisateur choisit le type de salle (studio, salle de concert, église,etc...) et règle des caractéristiques physiques de volume et de temps de réverbération, choisit la répartition de la diffusion en parois, les caractéristiques de directivité de la source, la fréquence d'échantillonnage des Réponses Impulsionnelles (jusqu'à 96 khz) et enfin le jeu de microphones au point de réception : cardioïde mono, couple XY, couple AB, microphone B-format, quintuplet de microphones réglables individuellement en position, orientation et directivité. 48

49 COMMERCIALISATION CATT-Acoustic est disponible en 3 versions : Version d'évaluation gratuite. Les modèles créés avec cette version peuvent être réutilisés dans la version commercialisée. La version démo peut être téléchargée depuis le site web de CATT : catt.se ou depuis le site d'euphonia euphonia.fr Version commerciale avec module d'acoustique prévisionnelle et accès à l'audiospatialisation en mode démo Version commerciale avec module d'acoustique prévisionnelle et modules d'audiospatialisation CATT Walker, Walkthrough Convolution, PureVerb, MultiVolver ainsi que l'outil d'analyse des réponses Impulsionnelles ReflPhinder. Des remises sont consenties aux établissements d'enseignement. Pour toute information complémentaire contacter : 5-7 rue de Cléry F Paris Tél. +33 (0) Fax. +33 (0) courrier@euphonia.fr