Sonification par ambisonie d'ordre élevé de prototypes virtuels de sources acoustiques directives en environnement réaliste

High-order ambisonic sonification of virtual prototypes of directional acoustic sources in realistic environments

• Auteur / Autrice : Philippe Thorner
• Direction : Eric Bavu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialié Acoustique
• Date : Inscription en doctorat le 03/01/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSSC - Laboratoire de Mécanique des structures et des systèmes couplés
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)

Mots clés

Mots clés libres

Synthèse sonore ambisonique

Rayonnement acoustique des sources

Acoustique des salles

Ambisonic sound synthesis

Acoustic radiation of sources

Room acoustics

Résumé

La synthèse tridimensionnelle de champs sonores est un domaine de recherche et de développements industriels en plein essor. L'utilisation de réseaux de haut-parleurs et la mise au point de méthodes de traitements du signal adaptées permettent la reproduction en laboratoire de champs acoustiques tridimensionnels spatialisés. La maturité scientifique de ces outils ouvre la voie à leur application à des problèmes d'ingénierie innovants. En particulier, la sonification 3D de prototypes virtuels représente une solution originale et prometteuse pour la conception et l'optimisation de sources acoustiques. En effet, le développement de sources acoustiques (haut-parleurs, instruments de musique) repose classiquement sur la modélisation de caractéristiques objectives intrinsèques des sources. Pour vérifier leurs efficacités pratiques, des prototypes sont fabriqués et servent ainsi à juger des qualités subjectives des sons produits. L'objectif de ce travail de thèse consiste à développer une alternative à ce cycle de développement classique en proposant une écoute réaliste d'un prototype spatialisé, en amont de toute réalisation pratique, ouvrant ainsi la voie à une phase de prototypage virtuel réaliste. Le premier objectif visé est de démontrer la faisabilité pratique de la sonification de prototypes de sources acoustiques par ambisonie d'ordres élevés. Cela implique la fusion entre des méthodes de modélisation fréquentielle du rayonnement acoustique des sources vers le domaine temporel par projection dans le domaine ambisonique. Le cas particulier des sources guidées sera étudié car elles proposent une grande variété de comportements, sur une large gamme de fréquence. La sonification de prototypes virtuels permettrait également de prendre en compte la nature réverbérante ou absorbante de l'environnement dans lequel la source sera placée, en intégrant au processus de spatialisation un encodage ambisonique de la réponse de salles d'écoute virtuelles. Le second objectif de cette thèse concerne l'optimisation des performances acoustiques des sources, en intégrant la qualité du son perçu par un auditeur. Le processus de prototypage virtuel par sonification 3D, couplé à ces méthodes d'optimisations représente un défi scientifique en rupture avec les méthodes de développement classiques. Celles-ci reposent traditionnellement sur des quantités objectives. L'approche proposée offrirait ainsi une flexibilité accrue dans les phases de développement et de conception de sources acoustiques. Le choix des paramètres intrinsèques des sources seront supervisés par un algorithme d'optimisation, dont les critères et les seuils seront définis par écoute spatialisée. Un démonstrateur fabriqué par impression 3D permettra de faire preuve de ce concept innovant.

3D soundfield synthesis is a rapidly evolving field of research and industrial development. The use of loudspeaker arrays and the development of appropriate signal processing techniques allow the reproduction of 3D spatialized acoustic fields in laboratory facilities. The increasing maturity of these soundfield synthesis tools paves the way for their use for innovative engineering problems. In particular, the 3D sonification of virtual prototypes represents an original and promising solution for the design and optimization of acoustic sources. Indeed, the development of acoustic sources (loudspeakers, musical instruments) classically relies on the modeling of intrinsic objective characteristics of the sources. In order to verify their practical efficiency, prototypes are usually manufactured in order to judge the subjective properties of the radiated sound. The objective of this PhD thesis is to develop an alternative to this classical development cycle, by proposing a realistic listening of a spatialized digital twin, before any practical realization, thus opening the way to a realistic virtual prototyping phase. The first objective aims at showing the practical feasibility of sonification of acoustic source prototypes using higher order ambisonics. This process implies the use of frequency modelling of the sources acoustic radiation and its coupling with time domain ambisonic projections. The particular case of guided sources will be studied, as they offer a wide variety of behaviors, over a large frequency range. The sonification of virtual prototypes would also allow to take into account the reverberant or absorbent properties of the surrounding environment, by integrating to the spatialization process an ambisonic encoding of virtual listening room responses. The second objective of this PhD concerns the optimization of the performances of acoustic sources, by assessing the perceived quality of the sound produced by spatialized virtual twins. The process of virtual prototyping by 3D sonification, coupled with these optimization methods, represents a scientific challenge that disrupts traditional development methods, which are traditionally based on objective quantities. The proposed approach would thus offer an increased flexibility in both development and design phases of acoustic sources. The choice of the intrinsic parameters for each sources will be supervised by an optimization algorithm, whose criteria and thresholds will be defined through spatialized listening. A demonstrator manufactured using 3D printing methods will allow to prove this innovative concept.