Simulation et modélisation acoustique (Part.1)
Dans un souci de précaution et d’étude préalable, les acousticiens des salles ont toujours recherché à obtenir une prévisualisation du rendu objectif et subjectif du lieu à créer ou à rénover. Pour cela, l’usage de maquettes associées à des générateurs et microphones ultrasonores a longtemps été le seul moyen d’obtenir des données mesurables. Les difficultés de réalisation de maquettes à l’échelle élaborée avec des matériaux dont les propriétés d’absorption sont transposées dans le haut du spectre ont limité ces études, à quelques grandes réalisations seulement et pour des informations très limitées.
L’augmentation de la puissance de calcul des ordinateurs a rendu possible l’élaboration de logiciels capables de calculer précisément la plupart des critères acoustiques des salles.
Au cours de leurs évolutions, l’affinage des calculs et la prise en compte de plus en plus de variables permettent à l’acousticien de simuler justement la plus grande majorité des situations. Aujourd’hui, les paramètres se retrouvent en accord avec les mesures du lieu réel et sont dotés d’outils délivrant des informations subjectives par la possibilité d’écouter virtuellement une salle.
La création de grandes salles n’est pas courante, ce n’est pas dans ce domaine que l’on trouvera une application pratique en tant que lecteur de Recording. Par contre une modélisation d’une sonorisation pour une petite salle de concert, l’étude acoustique de son home studio ou d’une rénovation ou encore la création d’effets sonores originales par simulation sont des exemples où ces logiciels deviennent des outils prodigieux
Ces programmes ne sont pas complexes en soient mais exigent quelques connaissances afin d’être efficace et pour parvenir à ses fins. Il faut avant tout savoir ce que l’on recherche : est-ce le niveau sonore en différents points de la salle, le comportement objectif en un point précis d’écoute, la pertinence d’un placement d’enceintes... Ces logiciels sont puissants et l’on risque de se noyer dans beaucoup trop d’opérations inutiles si l’on ne se fixe pas une démarche précise.
La saisie des coordonnées du local à étudier est fastidieuse. Il est tentant de créer une salle très précise en 3D mais c’est totalement inutile d’un point de vie acoustique. Figure 1
Au contraire, il faudra simplifier au maximum son modèle, on ne créera pas de surfaces inférieures à 20 cm, ça augmente considérablement les temps de calcul et ça n’affinera pas les calculs pour autant. Il faut savoir que les objets curvilignes ne sont pas reconnus en raison des méthodes de calcul. 5 à 7 facettes sont souvent suffisantes pour simuler une hémisphère, on augmentera le tau de diffusion des ces surfaces. La majorité des logiciels nous imposent de saisir la géométrie en coordonnées cartésiennes (chaque angle doit être défini sur ses trois axes auquel on associera des surfaces référencées sur ces points). On trouve des logiciels permettant de déplacer les points en 3D mais le plus pratique reste certainement la saisie paramétrique pour lesquelles des parallélépipèdes complètent le modèle par extrusion de surfaces existantes.
La suite de la saisie concerne le renseignement des propriétés acoustiques des matériaux, la position des sources et les coordonnées des points de réception étudiés.
Si les bibliothèques d’absorption des matériaux ne manquent pas (la diffusion n’est jamais renseignée), il est parfois plus difficile de trouver les directivités des sources. On se basera alors sur des caractéristiques d’enceintes similaires (même diamètre de HP, même nombre de voies...).Figure 2 Les autres paramètres : température, humidité, niveaux des sources... ne seront pas forcément renseignés ou laissés sur les valeurs par défaut dans la majorité des cas. En effet ce sont souvent des résultats en valeur relative que nous cherchons à analyser (différence entre deux configurations).
Figure 1 Modèle simplifié pour l'étude de la sonorisation d'une grande salle
Figure 2 Directivité de la source pour une bande d'octave
Deux méthodes principales pour estimer les critères, la première est celle des sources images que l’on applique pour l’étude des premières réflexions Figure 3. La précision est optimale, des réflexions jusqu’à l’ordre 3 sont suffisantes pour une bonne estimation.
Figure 3 Fonctionnement des sources images dans un plan 2D (en bleu clair). S1, S2 et S3 sont les réflexions du 1er ordre (rose), S’3 du 2nd ordre (vert). Elles dépendent du point de réception R.
La seconde méthode est celle des tirs de rayon, imaginons la source comme un hérisson dardant ses piquants dans toutes les directions. On s’intéresse alors à tous les rayons qui directement ou après rebond sont passés à travers la surface virtuelle étudiée (celle de l’audience généralement). En fonction du nombre d’impacts par élément de surface, le logiciel déduit la majorité des critères acoustiques pour chaque élément. De ces données, on tire des cartographies (mapping) en fonction de chaque indice à déterminer. Les limitations proviennent ici aussi du temps pour lequel on estime que le rayon n’est plus assez énergétique mais aussi du nombre de rayons et de la dimension des petits éléments de surface à analyser. Le plus judicieux pour ne pas alourdir les calculs est de commencer avec des valeurs basses et de les augmenter progressivement jusqu’à ce qu’elles n’agissent plus sur le résultat final.
Des méthodes évoluées consistent à prendre en compte non pas des rayons mais des cônes de diffusion.
La simulation peut se fait en deux étapes (étude des réflexions précoces et celle de l’énergie tardive) correspondant à scinder en deux la réponse impulsionnelle que l’on peut qualifier comme la signature de la salle d’une part et le champ réverbéré d’autre part (voir Recording N°30). Dans ce cas les deux méthodes sont utilisées. La méthode des sources images est la plus juste mais elle ne se calcule qu’en un point précis de la salle. Au-delà d’une certaine limite temporelle (150 ms) la précision apportée par la méthode des images sources n’est plus nécessaire car seule la perception de la réverbération domine. Cette double méthode permet donc d’obtenir des réponses impulsionnelles très précises pour l’auralisation que nous détaillerons le mois prochain.
Mapping
Cartographie du niveau de champ direct, de la clarté, de l’intelligibilité ou encore du niveau sonore sur un intervalle de temps. Le calcul associe à chaque zone de la surface étudiée, une couleur relative à l’intensité du phénomène étudié.
Modélisation
Création d’un modèle simplifié par rapport à la réalité permettant de tendre vers un résultat suffisamment cohérent.
Simulation
Utilisation d’un comportement physique interprétable par l’ordinateur pour s’approcher du comportement réel.
Images sources
Le champ acoustique est assimilé à des ondes électromagnétiques (lumière) et se comporte dans une salle comme des réflexions atténuées par des miroirs. Tout comme son propre reflet dans une glace, l’image dépend du point de réception.
Tir de rayons
Imaginons des milliers de balles de ping-pong qui émanent d’un même point et à la même vitesse dans les tous les azimuts. On comptera la force et la direction de celles qui passent à travers une surface.