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S'y retrouver dans les mesures de diffuseurs

 
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ClementW

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ClementW
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1 Posté le 07/09/2007 à 14:24:18Lien direct vers ce postSignaler un abus
La manière dont les données de dispersion sont parfois difficile à suivre.

J'ai essayé de comparer les données pour les produits RT60. D'après le site www.RT60.net les mesures ont toutes été faites suivant la norme ISO 17497 du 7 décembre 2000, sans spécifier s'il s'agit de mesures effectués en interne ou par un laboratoire indépendant. D'après le site ISO la norme la plus récente est la ISO 17497-1:2004. Mais là n'est pas tellement la question.

Sur ces courbes la valeur de dispersion pour une surface plane est également donnée, à titre de comparaison.

Je suis étonné que la courbe pour cette surface plane varie grandement selon les mesures. C'est la courbe donnée pour le "Flutter Control" qui semble dévier le plus des autres. A 4kHz par exemple la surface plane et à environ 0.3 mais sur la courbe du Flutter Control (qui est présentée avec une échelle différente) la surface plane est donnée pour plus de 0.6 soit plus du double :?!:

RomainB92

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RomainB92
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2 Posté le 07/09/2007 à 17:07:15Lien direct vers ce postSignaler un abus
Je pense qu'il y a une erreur d'échelle. AMHA, il faut remplacer l'échelle qui va jusqu'à 20kHz par celle qui va jusqu'à 4kHz; c'est pas courant de voir des rapports de labo qui montent jusqu'à 20kHz.
Ils ont un problème d'axe des fréq. sur les résonateurs également sur ce site...

jp-lafont

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3 Posté le 08/09/2007 à 19:55:44Lien direct vers ce postSignaler un abus
Vous abordez un sujet complexe auquel je vais m'efforcer de répondre de manière simplifiée (les experts me pardonneront).
Je commencerai par rappeler quelques définitions pour ne pas confondre les termes de mon exposé.
Dispersion (scattering): éparpillement fragmenté de l'énergie d'une onde sonore, corrélée ou non. Corrélé veut dire que les fragments possèdent une relation de phase entre eux ou avec l'onde incidente.
Diffraction: courbure autour d'un obstacle, d'une onde dont la longueur est supérieure à la taille de l'obstacle. Dans une salle de concert, un spectateur placé derrière un pilier entendra moins les sons aigus masqués par le pilier que les sons graves qui le contournent. Le terme désigne également la dispersion de l'énergie à travers une petite ouverture dans une paroi.
Diffusion: dispersion spatiale et temporelle de l'énergie sonore. La diffusion brise le son en milliers de réflexions sans corrélation de phase. C'est pour cette raison qu'on l'appelle diffuse. L'énergie réfléchie est étalée dans le temps et en théorie, uniformément répartie pour tous les angles d'incidence.

Quand la société RT60 (Akustar) a décidé d'ajouter une ligne de diffuseurs à leur catalogue, on m'a demandé de mesurer chaque modèle pour établir les spécifications techniques. Pour être tout à fait sincère, j'ai été dépassé par la question car les méthodes (en 2000) étaient mal connues et les informations disponibles contradictoires. En étudiant la question de plus près, je me suis aperçu très vite que les caractéristiques des produits étaient modifiables et interprétables à volonté. Je me suis donc borné à conseiller RT60 de publier les courbes fournies par les fabricants des produits en distribution (Matrix, Harmonium, Flutter-control, Stepfuser) et celles des produits concurrents identiques pour les fabrications "maison" (DS710, DS720, Manhattan). Attitude provisoire qui dure encore.
Depuis, de l'eau a coulé sous les ponts et à mon rythme de travail de 100 heures par semaine, j'ai appris beaucoup de choses dont une certitude qui n'engage que moi et que je vous livre à chaud: les coefficients de diffusion, ça ne sert pas à grand chose !

Je vais vous expliquer. D'abord il faut distinguer "le coefficient de diffusion" qui exprime l'uniformité de la distribution spatiale de l'énergie diffuse réfléchie, et "le coefficient de dispersion" qui exprime le rapport entre l'énergie spéculaire réfléchie et l'énergie totale réfléchie de manière diffuse sous une incidence elle même diffuse.
Le coefficient de diffusion a pour objectif de permettre la comparaison entre des diffuseurs de conception différente (diffuseur planaire, diffuseur à résidu quadratique ou à racine primitive, par exemple). Ce coefficient n'est pas utilisé par les logiciels de simulation acoustique.
Le coefficient de dispersion a pour but d'améliorer la prise en compte de la composante diffuse de la réflexion dans certains logiciels de simulation acoustique comme Catt ou Odeon.
Pour les deux coefficients, la valeur varie de 0 à 1. 0 signifie une réflexion uniquement spéculaire et 1 une réflexion entièrement diffuse.

Pour déterminer ces coefficients il existe plusieurs méthodes dont les plus connues sont décrites par la norme ISO 17497-1 et par la recommandation AES-4id-2001. La norme ISO s'applique au coefficient de dispersion et la recommendation AES au coefficient de diffusion.

Les normes sont protégées par des droits. Il est donc interdit de les reproduire mais je vais vous en donner un résumé simplifié.

Procédure ISO: Quand on projette un signal sur une surface irrégulière, successivement sous plusieurs angles d'incidence différents on observe ceci: les réflexions pour chaque angle sont en phase entre elles pendant les premiers fronts d'onde, puis elles se décalent au bout de quelques millisecondes. La première partie des réflexions est donc spéculaire tandis que la seconde partie est diffuse. La méthode ISO consiste à soustraire l'énergie spéculaire contenue dans la réflexion de l'énergie totale pour quantifier l'énergie diffuse.
Les mesures sont effectuées dans une chambre réverbérante dont l'absorption totale ne dépasse pas 10 Sabines pour un volume de 200m3 (voir ISO 354).

L'échantillon à mesurer est posé sur un plateau tournant dont les caractéristiques de dispersion seront également mesurées. L'échantillon (le diffuseur) doit avoir une forme circulaire, un diamètre minimal de 3 mètres et une épaisseur maximale de 16cm. Si vous connaissez un diffuseur comme ça, appelez-moi, je veux faire des photos! Une dérogation (gentille) permet d'utiliser un diffuseur carré de 2,65x2,65m à condition que le plateau tournant soit circulaire et de diamètre égal à la diagonale du diffuseur.

L'épaisseur maximale est spécifiée pour minimiser les effets de bord. Quand une onde rencontre un obstacle, la trajectoire des réflexions dévie aux abords des arêtes de l'obstacle. Surtout si les arêtes sont vives. Ce phénomène perturbe la mesure et produit un coefficient de dispersion erroné dont la valeur peut dépasser 1. Pour limiter la marge d'erreur, les arêtes de l'échantillon seront arrondies.

Ensuite, on mesure la réponse impulsionnelle. Un générateur délivre une séquence de bruit (MLS) successivement à partir de deux sources distinctes. On capte les réflexions avec 3 micros en alternance. L'opération est répétée pour chacune des 72 positions du plateau (par incréments de 5 degrés), soit 432 mesures au total. Les conditions de température et d'hygrométrie sont prises en compte. Il faut également mesurer le plateau seul pour retrancher son influence et ne commencer les mesures que 15 secondes après avoir fermé la porte ! Les valeurs obtenues sont séparées du signal incident, synchronisées en phase et on extrait la moyenne algébrique. A partir de ces résultats on calcule:
- le coefficient d'absorption global sous incidence aléatoire.
- le coefficient d'absorption spéculaire sous incidence aléatoire.
- puis on déduit le coefficient de dispersion.
Les résultats sont affichés par tiers d'octave pour une gamme des fréquences allant de 100Hz à 5000Hz. Toutes les formules sont contenues dans la norme.

La méthode AES-4id 2001 (r2007) n'est pas une norme mais une procédure élaborée par Hargreaves, Cox et Lam, professeurs à l'université de Salford (UK). Elle est reconnue et adoptée par l'industrie, surtout aux Etats-Unis. Contrairement à la mesure ISO, elle s'effectue en champ libre et fait appel pour cela, à une chambre anéchoïque.

L'opérateur utilise un goniomètre, c'est à dire une structure métallique légère, comprenant deux arcs verticaux de 180 degrés, concentriques mais de rayons différents. Un chariot portant la source sonore se déplace par incréments de 5 degrés sur le grand arc dont le rayon ateint 7,5m. Le micro se déplace sur le second arc d'un diamètre plus petit. Le second arc, pivotant sur un axe vertical, est orientable par rapport au premier. L'échantillon est posé sur un plateau lui aussi orientable, situé au centre géométrique des arcs. L'ensemble du dispositif occupe un volume de 15m x 10m x 8m ce qui suppose une chambre assez grande. Malgré tout, c'est trop petit pour fonctionner en grandeur réelle, alors on réalise une maquette de l'échantillon à l'échelle 1/5e et on multiplie la fréquence du générateur par 5 (pas facile avec une séquence MLS).
La procédure est complexe car les chariots de déplacent par incrément de 5 degrés, ce qui conclut à 1369 mesures par angle d'incidence et plus de 45000 mesures au total. Heureusement, la procédure est largement automatisée. L'interprétation des résultats produit des images 3D spectaculaires.

Pourquoi des dimensions aussi imposantes et pourquoi une maquette à échelle réduite? Pour que les coefficients soient significatifs, la source et le micro doivent être situés en champ lointain, c'est à dire à une distance très supérieure à la longueur d'onde de la fréquence la plus basse à mesurer. Rappelons qu'à 100Hz, la longueur d'onde est 3,40m. De plus, l'écart de distance entre le micro et chacune des extrémités de l'échantillon, doit être faible en regard de la longueur d'onde la fréquence la plus élevée, pour tous les angles d'incidence. Ceci nous dicte une zone spéculaire qui doit rester inférieure à 20% du champ de diffusion dans le cas le plus défavorable. C'est un facteur déterminant.
En pratique, la chambre anéchoïque généralement est trop petite pour utiliser des fréquences audibles car il faudrait plusieurs centaines de mètres pour que le champ lointain soit suffisant. Alors on réduit la taille de l'échantillon, on augmente d'autant la fréquence et on compense les erreurs par le calcul. Par exemple, on réduit les multiples valeurs des lobes de pression à une seule valeur globale (par lissage). En somme, on s'appuie sur une moyenne, plutôt que conserver une analyse détaillée. De fait, le champ lointain revêt une importance moindre. Il suffit de maintenir le micro en dehors de la zone spéculaire pour que les effets du diffuseur soient appréciables. Voir figure 1.



Après tout ce cirque, quelle est la validité des résultats obtenus? Pour moi, elle reste insignifiante. Les experts eux-mêmes sont unanimes: il n'existe aucune méthode qui délivre des résultats fiables (Trevor J cox). Quelles en sont les raisons ?

1)- D'abord les coefficients varient avec les dimensions physiques du diffuseur. Pour simplifier, prenons une surface réfléchissante plane. Il existe une fréquence, que j'appelle fréquence de transition, au dessous de laquelle les réflexions sont majoritairement diffuses alors qu'au dessus, elles sont plutôt spéculaires. (Les américains l'appellent fréquence de coupure, mais je préfère réserver ce terme pour désigner le seuil d'efficacité du diffuseur.
En simplifiant les intégrales de Fresnel, J.H.Rindel (Odeon) nous fournit une formule qui permet de calculer la fréquence de transition pour une surface plane, de forme carrée et d'épaisseur nulle: f = (c .(2rs.rm/rs.rm))/(8a^2.cos^2 phi) où c est la célérité du son, rs la distance de la source au centre du panneau, rm la distance du micro au centre du panneau, 2a la largeur du panneau et phi l'angle d'incidence. (Tout cela est-il bien bien raisonable dans ce forum?). Bref, la formule montre que la fréquence de transistion est très liée à la largeur du panneau.



2)- Toujours avec une surface plane: quand le micro est placé près de la surface, la réflexion est diffuse. Et oui, c'est comme ça, mais plus on s'éloigne, plus elle devient spéculaire. La figure 2 illustre une expérience où un panneau rigide de 1m x 1m est situé à 100 mètres d'une source sonore émettant un signal sinusoidal à 5kHz. La figure 3 montre également l'évolution du coefficient avec la distance à l'aide d'une courbe cette fois. A 10cm, la surface est diffusante, à 10m elle est essentiellement spéculaire. La ligne bleue correspond à 20% de couverture angulaire par la zone spéculaire (cas limite).



3)- Le coefficient de diffusion (ou de dispersion) d'une surface plane diminue quand la fréquence augmente. Le faisceau de réflexions se concentre avec un angle égal à l'angle d'incidence conformément à la loi de Snell. Voir la courbe bleue sur http://www.akustar.com/tech/056b_matrixtec.htm
Peut-on dire qu'une surface plane peut remplacer un diffuseur? Non, parce que les expériences décrites ne dévoilent que la moitié du phénomène. Elles ne montrent pas les interférences produites par la combinaison de l'énergie incidente avec l'énergie réfléchie. Ces interférences engendrent une suite de bosses et de creux que l'on appelle filtrage en peigne, donnant une réponse colorée, particulièrement désagréable à l'oreille.

4)- A surface couverte égale, les coefficients sont différents selon qu'on mesure un diffuseur isolé ou un groupe de plusieurs diffuseurs. Une suite de résidus quadratiques organisée en une séquence basée sur un nombre premier, s'appelle une période. On sait que la largeur des lobes de pression évolue avec le nombre de périodes. Un diffuseur avec 29 cellules n'aura pas le même coefficient qu'un groupe de 4 diffuseurs de 7 cellules ayant les mêmes dimensions (4 périodes).

5)- Les méthodes de calcul sur la propagation de la lumière (Fresnel) ou du son (Rindel) sont basées sur une surface de réflexion d'épaisseur nulle. Quand l'épaisseur du diffuseur dépasse 5% de sa largeur le résultat est faussé. Cependant la profondeur du diffuseur détermine sa fréquence de coupure aux basses fréquences. Un diffuseur à résidu à quadratique de 30cm d'épaisseur sera efficace à partir de 300Hz. (La transition est progressive). Les deux méthodes excluent un tel diffuseur.

Alors, pour répondre à la question: pourquoi la courbe de coefficients de la surface plane varie d'un diffuseur à l'autre? Parce que la surface n'a pas les mêmes dimensions et aussi parce que la distance du micro est différente. Les mêmes variations s'appliquent aussi aux diffuseurs. C'est à dire qu'un même diffuseur affichera des coefficients très differents, suivant la méthode de mesure (ISO ou AES), qu'il est mesuré seul ou en groupe et la distance du micro. Il n'y a pas d'erreur pour l'échelle de fréquences du Flutter-control. La mesure est rendue possible par la petite taille de composant. Deplus, un anti flutter travaille dans les aigues. Par contre il y a bien une erreur sur la norme utilisée. Toutes les mesures sont effectuées à partir de la méthode AES, sauf pour le Stepfuser qui est ISO. Je vais corriger.

Pourquoi publier ces courbes? Parce qu'on me l'a demandé. Les coefficients peuvent s'avérer utiles pour comparer plusieurs produits mesurés dans les mêmes conditions, dans le même laboratoire. Mais en aucun cas ils ne reflèteront les performances attendues dans une application concrète.
Maintenant, c'est moi qui pose une question: quels coefficients dois-je entrer dans mon logiciel pour modéliser le mur arrière la régie?
Jean-Pierre Lafont.

Sources: Scattering in Room Acoustics and the Related Activities in ISO and AES," J. H. Rindel, 17th ICA Rome 2001, paper 6KN1.02
Contrasting surface diffusion and scattering coefficients", T. Cox, P. D'Antonio, 17th ICA Rome 2001.
Normes ISO 17497-1 (2004)et AES-4id-2007.
Jean-Pierre Lafont

jp-lafont

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jp-lafont
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4 Posté le 09/09/2007 à 07:59:51Lien direct vers ce postSignaler un abus
Après re-lecture, j'ajoute quelques précisions:
La recommandation AES est assez floue en ce qui concerne la distance minimale à respecter entre la source et le diffuseur. Par exemple, elle ne dit pas à combien de fois la longueur d'onde on doit la placer. Elle parle d'un arc de 10 mètres, mais il n'existe pas à ma connaissance, de labo possédant un goniomètre de cette taille, d'où le recours aux maquettes. En revanche, elle stipule que la zone spéculaire de doit pas dépasser 20% de l'arc d'observation.
Nous obtenons un triangle dont deux cotés sont formés par la distance de la source aux arêtes du diffuseur et dont la projection sur l'arc micro ne doit pas dépasser 20% du demi périmètre. A partir de l'arc micro, il suffit de connaître le rayon de l'arc source ou bien la largeur du diffuseur, pour déterminer la taille de la maquette ou la distance de la source par le calcul trigonométrique.

Le micro doit lui aussi être éloigné du diffuseur mais pour d'autres raisons. Le faisceau de lecture doit rester aussi étroit que possible pour que l'écart des rayons entre le micro et les différents cotés du diffuseur soit minime. Cela peut poser un problème d'analyse. La méthode MLS implique de dissocier les composantes du champ incident et celles du champ réfléchi. La séparation s'opère grâce à des fenêtres temporelles. Il faut donc bien respecter un écart de de distance entre la source et le micro si on veut obtenir un écart de temps. La méthode AES recommande un rayon micro égal à la moitié du rayon source.

Il reste un dernier problème: La faiblesse du signal perçu. Avec un rayon source de 10m, la surface de la shère "arrosée" par la source est 314m2. Si le diffuseur mesure 1m x 1m, le micro ne recevra que 1/314e de l'énergie réfléchie, soit 1/628e de l'énergie émise si l'absorption du diffuseur est de 50% et encore, seulement dans le meilleur des cas, c'est à dire quand l'incidence est nulle (axe de la source perpendiculaire au diffuseur). Cela interdit toute mesure en plein air, d'abord parce qu'il faudrait placer la source, le micro et le diffuseur à 10m du sol (3 grues?) et ensuite parce que le bruit naturel ambiant aurait toutes les chances de dépasser la fraction de l'énergie émise. Les amateurs devront trouver une autre solution (dommage).

Pour ceux qui veulent en savoir davantage, je recommande la lecture de cet ouvrage: "Acoustic diffusers and absorbers: Theory design and application" (Trevor Cox).

L'image ci-dessous montre le goniomètre de l'université de Salford. L'opérateur tient la maquette d'un diffuseur expérimental conique.

Jean-Pierre Lafont

Phil29

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Phil29
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5 Posté le 09/09/2007 à 09:40:34Lien direct vers ce postSignaler un abus
Bonjour,
Bienvenue à toi jp-lafont sur ce forum. Ca fait plaisir de lire enfin quelque chose de sérieux, car ici c'est souvent le n'importe quoi par des gens qui "croient savoir" ou ont "entendu dire que..."

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ClementW

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ClementW
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6 Posté le 10/09/2007 à 02:02:48Lien direct vers ce postSignaler un abus
:bravo2: Merci beaucoup jp-lafont pour ces précisions.

Disposer de ces informations de manière aussi synthétique et en français est exceptionnel.

Comme complément de lecture je me permet d'ajouter les documents suivants à ceux fournis par jp-lafont, documents disponibles gratuitement sur le net :

  • A new method for measuring the scattering coefficient and the diffusion coefficient of panels (Pr. Angelo Farina, 2000, en anglais)

    Le sujet principal de l'article est la présentation d'une nouvelle méthode de mesure. Les différents graphiques à la fin de l'article permettent de comparer visuellement l'effet produit par un diffuseur de Schroeder et un panneau courbé.

  • Par rapport à cet article, un fil de discussion (en anglais) sur le forum recording.org avec en particulier plusieurs interventions d'Eric Desart : https://recording.org/ftopicp-273701.html#273701

  • Technical Bulletin on the Application of Diffusion in Critical Listening Rooms (Peter D'Antonio and Trevor Cox, en anglais)

    Un article de 2003 par les fondateurs de RPG, qui traite des aspects théorique et de la mise en oeuvre de diffuseurs. J'ai déjà cité cet extrait ici qui précise la question de la distance de travail avec des diffuseurs de Schroeder :

    Citation : Unfortunately, in most critical listening room applications, it is usual for sources and receivers to be in the near rather than the far field, so that listeners should be positioned as far from scattering surfaces as possible. It is suggested that a listener should be at least three wavelengths away from scattering surfaces. Since diffusors used in listening room applications have a lower frequency limit of roughly 300-500 Hz, this would mean a working distance of 10’ (3 m) or larger is recommended.

RomainB92

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7 Posté le 10/09/2007 à 11:12:45Lien direct vers ce postSignaler un abus
Merci infiniment à JP Lafont de nous faire profiter de son expertise concernant la mesure des performances de diffusion. Sincèrement désolé pour cette "grosse bourde" concernant le flutter echo dont le spectre va effectivement bien au delà de 4kHz...veuillez m'en excuser.

ClementW

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8 Posté le 10/09/2007 à 15:45:48Lien direct vers ce postSignaler un abus
La réponse de jp-lafont amène quelque questions :

En l'état actuel d'imprécision de la norme AES, est-ce que les mesures de diffuseurs ne devraient-elles pas être systématiquement accompagnées de la distance utilisées pour l'emplacement des micros de mesure, données qui semble avoir une influence fondamentale sur les résultats ? Évidemment, d'autres paramètres comme la taille de la surface plane de référence et la taille de l'échantillon mesuré seraient également les bienvenus.

Citation : Maintenant, c'est moi qui pose une question: quels coefficients dois-je entrer dans mon logiciel pour modéliser le mur arrière la régie?

Cette question en amène une autre :
- est-il bien raisonnable d'envisager un diffuseur sur le mur arrière de la régie si celle-ci n'est pas assez grande pour pouvoir travailler à au moins 3 mètres du mur arrière comme conseillé par Peter D'Antonio et Trevor Cox ?

Phil29

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Phil29
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9 Posté le 10/09/2007 à 19:58:16Lien direct vers ce postSignaler un abus
Bonsoir,
J'ai moi-même évité l'emploi d'un "vrai" diffuseur sur le mur arrière de ma cabine pour cette raison, mais au lieu de laisser un mur plan j'ai intégré quelques formes pyramidales qui évite la réflexion directe sans pour autant rendre cette paroie absorbante, ce qui serait la pire des choses.

Phil29
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ClementW

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10 Posté le 10/09/2007 à 20:43:27Lien direct vers ce postSignaler un abus

Citation : sans pour autant rendre cette paroie absorbante, ce qui serait la pire des choses.

Salut Phil,
tout dépend l'optique visée, les options prises pour le reste de la régie et l'espace disponible : il est préférable que les ondes sonores reviennent aux oreilles de l'opérateur au plus tôt 15-20 ms après émission. Certains designs privilégient un mur avant réfléchissant et massif et un mur arrière absorbant.

Hors sujet : ça a l'air super bien ton studio mais les photos sont toute petiotes ;)

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