Thèse (M. Sc.)--Université Laval, 2004. / Bibliogr.: f. 205-209. Publié aussi en version électronique.

Le travail présenté dans ce manuscrit trouve son origine dans l'ensemble des recherches menées au laboratoire ondes et acoustique sur la technique du retournement temporel dans le cadre de l'acoustique ultrasonore. C'est dans le but d'appliquer cette technique à la gamme des fréquences audibles que j'ai tout d'abord effectué un stage de DEA, puis ma thèse, sous la direction de Mathias Fink. Une des principales propriétés du retournement temporel est de permettre d'obtenir une focalisation de bonne qualité même lorsque le milieu est complexe, comme cela est le cas par exemple lorsque la propagation est perturbée par un grand nombre de réflexions. Pour cette raison, la première motivation de ces travaux était de concevoir un système capable d'émettre des messages sonores, de parole ou de musique, focalisés spatialement. Ce genre de système aurait par exemple permis d'envoyer des messages dans des langues différentes à différents endroits, serait capable de fonctionner dans des pièces réverbérantes, comme peuvent l'être la plupart des lieux de conférence ou de travail. Malheureusement, les caractéristiques physiques des signaux rencontrés dans le monde de l?audio, qu?il s?agisse de parole ou de musique, rendent délicate, voire impossible, l?utilisation d?un tel système, comme nous pourrons le voir au cours des deux premiers chapitres. Cette observation nous a inspiré deux réflexions : tout d?abord, quelles applications pratiques peut-on trouver à une technique de focalisation en acoustique audible ; ensuite, ces techniques principalement étudiées à des fins d?imagerie dans le domaine ultrasonore, et pas du tout dans le but de transmettre de l?information. Notre deuxième réflexion sera alors de tenter de mesurer la capacité d?une technique de focalisation à transmettre de l?information, y compris dans un milieu complexe du point de vue de la propagation.

Ces travaux de thèse concernent la conception d’un dispositif de restitution sonore léger en salle usuelle, permettant la diffusion de signaux binauraux. La priorité du travail est la précision dans la reproduction du niveau et du timbre, avant la spatialisation du son. Afin d’assurer la compatibilité avec les signaux binauraux existants et pour proposer un système à faible nombre de canaux, la technologie transaurale est prise comme point de départ. Pour limiter la coloration introduite par la salle d’écoute, particulièrement gênante, il est proposé de placer les sources du système à proximité de l’auditeur afin de maximiser le rapport champ direct sur champ diffus. Ce placement inhabituel a plusieurs effets, parmi lesquels quatre ont été étudiés séparément : l’influence des filtres transauraux sur les sources électro-acoustiques, les variations inter-individuelles de morphologies, l’effet de salle et le placement de l’auditeur. Des tests d’écoute ont été réalisés pour une sélection de configurations, et les résultats ont permis d’implémenter des indicateurs objectifs représentatifs des réponses des auditeurs. La synthèse de ces indicateurs a permis de proposer trois configurations considérées comme optimales, et dont la combinaison pourrait être envisagée. / This work deals with the design of a 3D sound system involving a few number of loudspeaker and able to work inside any usual room, for reproducing binaural sounds. This system focuses on an accurate reproduction of perceived level and timbre, even before the sound spatialization. To ensure compatibility with binaural recordings and to achieve a system with a low number of loudspeakers, this work started from a transaural system. To avoid tone coloration induced by the listening room, the sound sources are placed close to the listener, thus maximizing the energy ratio between direct and diffuse fields. This has consequences on other aspects, four of which are considered separately: inter-individual morphological variations, demands on the electro-acoustic sources, room effect and misalignment of the listener. Some configurations have been evaluated in listening tests, and objective indicators are deduced from these results. The generalization allows to propose three configurations considered as optimal, and which might be combined.

Grâce au diverse applications prévues dans le divertissement, l’éducation et les domaines professionnels, la création d’un monde virtuel interactif a intéressé beaucoup de chercheurs dans l’académie et l’industrie. L’espace acoustique trois-dimensionnelle peut être synthétisé à partir de deux perspectives : les approches physiques et les approches perceptives. Méthode de transfert de rayonnement acoustique est une méthode efficace pour modéliser les réflexions diffuses et la réverbération tardive. Une extension de la méthode de transfert de rayonnement est proposée dans cette thèse, qui permet de modéliser les réflexions précoces et spéculaires, en conservant son avantage pour la simulation de réverbération tardive. Les approches perceptives utilisent des paramètres acoustiques pour modéliser la perception acoustique principale de l’environnement modélisé. Des réseaux récursifs de lignes à retard sont beaucoup utilisés pour générer de la réverbération tardive. Dans cette thèse, une nouvelle méthode est présentée, qui hérite l’efficacité de la structure des réseaux récursifs de lignes à retard, mais en le même temps, relie les paramètres des réseaux directement à la géométrie de l’environnement modélisé. Puis, l’approche physique et l’approche perceptive ont été combinées. La méthode de transfert de rayonnement acoustique simplifiée, avec extension à modéliser les réflexions spéculaires et diffuses, est incorporée à la structure des réseaux récursifs de lignes à retard. Le nouveau filtre réverbérant, en dépit de la modélisation des réfections diffuses et la réverbération tardive, est également capable de simuler les réflexions précoces et spéculaires avec précision. / There is an increasing interest in creating interactive virtual worlds due to the wide variety of potential applications in entertainment and education. The 3D acoustic scene can be synthesized from two perspectives : the physical approaches and the perceptual approaches. Acoustic radiance transfer method is an efficient ray-based method to model the diffuse reflections and the late reverberation. An extension of the Radiance Transfer Method (RTM) is proposed in this thesis, which allows modeling the early part of specular reflections while keeping the advantage of the original model for the late reverberation simulation. Feedback delay networks are widely used structures to generate the late reverberation. A new method is presented in this thesis, which inherits the efficiency of the Feedback Delay Network (FDN) structure, but aims at linking the parameters of the FDN directly to the geometries of the modeled environment. The relation is achieved by assigning a physical meaning to each delay line and studying the sound energy exchange between them. Then the physical approachand the perceptual approach are combined. The simplified acoustic Radiance Transfer Method, with extension for both specular and diffuse reflections, is incorporated with the Feedback Delay Networks. The new reverberator, despite of modeling the diffuse and late reverberation, is also capable of simulating the early and specular reflections with accuracy.

Ce travail vise à donner aux architectes une meilleure maîtrise de la qualité sonore des espaces <br />qu'ils projettent. Une pratique du projet principalement orientée sur les aspects visuels conduit la <br />plupart des concepteurs à négliger les ambiances que le projet convoque. En ce sens, cette <br />recherche ambitionne de fournir aux concepteurs un outil de prévision sonore qui, loin de les <br />contraindre par l'opération réglementaire de "mise en conformité acoustique du projet", les libère <br />dans leur travail. Cet outil se doit d'être dynamique pour penser l'architecture par le sonore. Notre <br />propos se situe donc au-delà des réglementations et s'attache à gérer les phénomènes sonores quand <br />ils ne sont pas forcément synonymes de bruits ou de nuisances. <br />Notre hypothèse principale consiste à dire que la qualité sonore d'un espace renvoie à l'interaction <br />entre trois composantes principales : les formes construites, les phénomènes sonores perçus et les <br />pratiques sociales. L'étude de la qualité sonore d'un espace convoque donc la description de <br />situations de co-naturalité d'un espace, de signaux physiques audibles et d'usages. Ainsi, étudier la <br />qualité sonore d'un lieu, c'est étudier sa dimension sonore suivant qu'elle autorise, facilite, empêche <br />ou contredit certains usages et certaines représentations liés à cet espace. Trois gares parisiennes <br />ont été le support à ce travail : Montparnasse, Nord et Haussmann. Des mesures acoustiques <br />(critères de l'acoustique des salles), une analyse architecturale et des entretiens sociologiques <br />(entretiens sur écoute réactivée), ont permis de cerner ce que des usagers ressentaient sur une série <br />de parcours à l'intérieur des gares. Le choix des parcours permet de comparer les sites entre eux, le <br />même site selon divers mode d'occupation de la gare et le sens du trajet. <br />Ce travail permet ainsi mettre à jour les conditions d'apparition des qualités sonores perçues par les <br />usagers en fonction de l'espace, des pratiques sociales et de l'environnement. Ces résultats <br />alimentent ainsi le thème de la prédictibilité des qualités sonores dans le projet architectural <br />proposant ainsi les bases d'un outil d'aide à la conception par le sonore.

Ce travail porte sur la simulation de champs sonores de haute qualité pour des applications graphiques interactives. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à trois problèmes : le calcul interactif des effets de l'occultation des ondes sonores par des obstacles, l'intégration du son dans un système d'animation et de réalité virtuelle et la simulation adaptative des réflections du son dans des environnements réverbérants. Nous présentons une méthode originale permettant d'approcher les effets des obstacles sur la propagation des ondes sonores. Cette méthode qualitative est fondée sur le calcul de l'obstruction des premiers ellipsoïdes de Fresnel. Pour cela nous utilisons le rendu câblé des cartes graphiques spécialisées pour effectuer un calcul interactif entre une source et un récepteur ponctuels dans des environnements généraux. Une extension plus quantitative, basée sur la théorie de Fresnel-Kirchhoff est également décrite. Nous décrivons également un système interactif de simulation acoustique. Il permet le rendu synchronisé du son et de l'image dans le cadre d'applications d'animation de synthèse et de réalité virtuelle. Nous y avons intégré notre approche de traitement des occultations sonores. Nous présentons comment d'autres effets, comme les réflections spéculaires du son ou l'effet Doppler sont également pris en compte. Enfin, nous introduisons une technique originale de simulation adaptative fondée sur un formalisme proche de la radiosité hiérarchique utilisée en synthèse d'images. Elle permet de prendre en compte efficacement des réflections globales spéculaires et diffuses dans le cadre d'échanges énergétiques dépendants du temps. La solution obtenue est indépendante du point d'écoute et ouvre la porte à des applications de parcours interactifs de l'environnement virtuel. En outre, la complexité du processus peut être contrôlée, permettant des applications plus quantitatives, comme la prévision des qualités acoustiques de lieux d'écoute. Ces trois contributions peuvent permettre de réaliser un système de simulation complet d'une scène sonore virtuelle pouvant être utilisé dans une variété d'applications. Celles-ci ne se limitent toutefois pas à l'acoustique, mais peuvent être étendues à la simulation de propagation d'ondes radioélectriques pour la téléphonie mobile ou les réseaux sans fils.

Nous étudions les propriétés statistiques de réponses impulsionnelles de salles. Si la qualité acoustique d'une salle est décrite par ses réponses impulsionnelles, ces dernières renseignent également sur le système physique considéré. En 1975, Joyce émet l'hypothèse selon laquelle les grandes salles sont mélangeantes ou tout au moins ergodiques. Afin de vérifier cette dernière hypothèse, ce document se concentre sur l'estimation du temps auquel le système devient mélangé: le temps de mélange. Plusieurs types d'estimateur sont mis en œuvre. L'algorithme Matching Pursuit permet d'estimer les temps d'occurrence des retours. L'étude de leur distribution temporelle permet de définir un temps à partir duquel la densité de retours augmente d'un rapport constant avec le temps. Nous avons développé l'eXtensible Fourier Tranform (XFT) qui permet une visualisation temporelle pas-à-pas des composantes spectrales du signal. La XFT permet d'estimer le temps à partir duquel les composantes spectrales du signal sont distribuées statistiquement. Les deux estimateurs s'accordent tant sur des réponses expérimentales que synthétisées par un modèle stochastique: le temps de mélange est une fonction de la distance source/récepteur. Nous montrons que le temps que nous estimons n'est pas le temps de mélange au sens dynamique du terme. Nous proposons l'emploi du nom de temps de transition à la place. Finalement, les estimateurs ouvrent la voie à l'estimation de la diffusion, du filtrage d'une salle ou de l'entropie comme des fonctions du temps.

L'objectif général de cette thèse est de contribuer à l'exploration de la qualité sonore des salles de concert à partir d'une approche centrée sur l'identification de l'expérience sensible des mélomanes. Nous montrons d'abord les limites de l'approche traditionnelle de l'évaluation perceptive, principalement centrée sur des attributs reliés à la salle ou à la musique, et définis a priori à partir des connaissances des expérimentateurs, le plus souvent acousticiens, dans les termes de leur domaine scientifique ou avec des mots dont ils pensent partager avec les sujets les mêmes significations. Puis, reprenant les trois méthodes d'exploration de l'expérience subjective -enquêtes "hors situation d'écoute" (basées sur la mémoire), questionnaires dans les salles lors de concerts, et tests d'écoute en laboratoire-, nous les avons implémentées, mais dans un cadre théorique et méthodologique explicitement positionné en psychologie et en linguistique sur l'étude du sensible comme objet psychologique autonome. De plus, pour notre approche expérimentale en laboratoire, nous avons implémenté un système de décodage paramétrique basé sur le système SIRR (spatial impulse response rendering), permettant la reproduction de champs sonores à partir de réponses impulsionnelles des salles mesurées au format Ambisonics de premier ordre. La contribution de ce travail consiste à repérer les facteurs psychologiques reliés à l'écoute d'un concert dans une salle à partir de l'objectivation de l'expérience subjective des mélomanes et de leur évaluation de la qualité acoustique de la salle, et à partir de là, établir des relations avec les mesures acoustiques des salles étudiées. / The general purpose of this thesis is to explore the sound quality of concert halls by approaching it through the listeners’ sensory experience. We first show the limitations of the traditional approach to perceptual evaluation, principally centred on attributes related to hall or music, from the knowledge of experimenters, usually acousticians, and therefore pre-defined by their scientific field, or in common language they believe is shared by the subjects in terms of use and equivalence of meaning. Then, re-using the three methods for exploring subjective experience –extra-auditory enquiries “from memory”, questionnaire surveys within auditoria for given concerts, and laboratory listening tests–, we have implemented them, but within a theoretical and methodological framework, explicitly rooted in psychology and linguistics, and respecting sensibility as an autonomous psychological object of study. Furthermore, in our experimental laboratory approach, we have implemented a parametric decoding system based on SIRR (spatial impulse response rendering), and permitting the reproduction of sound fields from first-order Ambisonics room impulse responses. The contribution of this work thus consists in identifying the psychological factors related to concert listening in a hall by objectivising the subjective experience of listeners (music-lovers) and their evaluation of the acoustic qualities of an auditorium; and in establishing relationships between the psychological factors and the acoustic measurements in the studied auditoria.

Cette thèse dont le sujet porte sur les espaces couplés en acoustique des salles s'articule selon trois axes : le point de vue mécanique qui considère les champs acoustiques en régime stationnaire et transitoire ; le traitement des signaux émis et enregistrés permettant de caractériser l'acoustique de tels espaces ; et un aspect perceptif adoptant la position d'un auditeur. Ces travaux ont pour objectif d'obtenir une compréhension plus fine des phénomènes acoustiques mis en jeu dans les espaces couplés et de donner un point de vue global sur le sujet, de la modélisation à la perception. L'étude des champs acoustiques dans les espaces couplés a été réalisée en comparant plusieurs approches. Des modèles analytiques basés sur l'acoustique statistique et une équation de diffusion ont été développés et comparés à des mesures sur maquette acoustique à l'échelle 1:20, à des simulations numériques basées sur le principe du lancer de rayons ainsi qu'aux méthodes ondulatoires d'éléments frontière (BEM) et de différences finies en domaine temporel (FDTD). Par ailleurs, des indices acoustiques ont été définis, décrivant précisément les spécificités des courbes de décroissance et un code de traitement semi-automatisé a été réalisé afin d'analyser les réponses impulsionnelles. La perception du son réverbéré dans les espaces couplés est fortement influencée par les taux de décroissance multiples de l'énergie sonore. Deux types d'expériences perceptives basées sur des tests d'écoute ont été menées, l'une sur la capacité de discrimination de différents environnements réverbérants, l'autre sur l'adéquation subjective entre ces réverbérations et différents ensembles musicaux.

Les systèmes d’assistance à la réverbération sont des dispositifs électroacoustiques installés dans les salles de spectacle pour moduler leur acoustique en fonction du type de représentation qui s’y déroule. Afin de pouvoir dimensionner ces systèmes en amont de leur installation, ce travail s’intéresse au développement, à la mise en œuvre et à la mise à l’épreuve de modèles prévisionnels de l’effet de ses systèmes sur les caractéristiques acoustiques d’une salle, en se concentrant sur les systèmes dits régénératifs diagonaux. Le premier modèle présenté est basé sur une approche systémique exacte et sur l’utilisation de simulations numériques. Il s’agit d’un modèle dont le principe est déjà décrit dans la littérature spécialisée, mais auquel est intégré ici un algorithme de détermination automatique des paramètres de réglage d’un système d’assistance à la réverbération reproduisant la méthode manuelle. Parce que l’utilisation de simulations numériques impose une modélisation détaillée de la salle et un important temps de calcul, ce modèle n’est pas compatible avec la réactivité demandée lors d’une phase d’avant-projet. Dans cette optique, deux autres modèles bases sur les hypothèses de champ diffus et, par là même, plus rapides d’exécution, sont développés. L’un repose aussi sur une approche systémique exacte, mais utilise la théorie stochastique de l’acoustique géométrique des salles plutôt que des simulations numériques. L’autre repose sur une approche énergétique simple. Les confrontations de ces deux modèles avec celui reposant sur des simulations numériques sont exposées pour cinq salles, en considérant la prévision d’évolution de six indices acoustiques courants due à l’introduction d’un système d’assistance à la réverbération. Il en ressort que ces deux modèles aboutissent à des erreurs prévisionnelles comparables et que celles-ci sont équivalentes à celles des formules de Sabine ou d’Eyring ou de la théorie révisée des champs diffus de Barron et Lee appliquées dans une salle sans système. Parallèlement, l’étude et la prévision de l’effet d’un système d’assistance à la réverbération régénératif en augmentation du couplage de deux espaces mal couples au sein d’une même salle sont présentées. Il est montré que ce type d’utilisation permet effectivement une augmentation du couplage et que celle-ci peut être correctement abordée à partir d’un modèle énergétique développé ici. Il est aussi montré à partir de simulations numériques, que cette utilisation permet d’homogénéiser les caractéristiques acoustiques entre les deux espaces couplés. / Reverberation enhancement systems (RES) are electro-acoustic devices installed in auditoria to adapt the listening conditions according to the performances. In order to design these systems before their installation, this work deals with the development, the implementation and the testing of prediction tools of the effect of these systems on the acoustic characteristics of a room, by focusing on diagonal regenerative RES. The first proposed tool is based on a systemic approach and numerical simulations. This tool, whose principle is already described in the literature, is here enhanced by the use of an algorithm that automatically fine-tunes the system parameters. As numerical simulations require detailed 3D models of rooms and high computation times, this tool is not compatible with the responsiveness needed for a preliminary design stage. With this in mind, two other models based on the diffuse field assumptions are also developed to predict the action of a RES. One of them is also based on a systemic approach but it uses the stochastic geometric theory of room acoustics instead of numerical simulations. The other model is based on a simple energetic approach. The confrontation of the results given by these two models with the results given by the model based on numerical simulations has been carried out in five rooms considering the effect of a RES on six common room acoustic criteria. It appeared that these two models lead to prediction errors similar to those obtained with the Sabine or Eyring’s formula, or the Barron and Lee’s revised theory applied in a room without RES. In the same time, the study of the effect of a RES used to enhance the coupling between two poor coupled room is presented. It is shown that this particular use of a RES actually increases the coupling effect, and that this effect can be correctly described and predicted by an energetic model developed here. It is also shown by numerical simulations that this system can balance the listening conditions between two coupled rooms.