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Measurement and quantification of directional sound field decay
2025
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-01-24
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06560
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015825/files/1015825.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
absorption (frei) ; diffuseness (frei) ; directional energy decay (frei) ; isotropy (frei) ; microphone array (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Der Absorptionsgrad für zufälligen Schalleinfall wird in einem Hallraum gemäß ISO354:2003 (2003) gemessen, wobei ein diffuses und isotropes Schallfeld zugrunde gelegt wird. Die schlechte Reproduzierbarkeit der Messergebnisse über verschiedene Labore hinweg legt jedoch nahe, dass die Annahme eines isotropen Schallfeldes in der Praxis nicht zutrifft. In dieser Dissertation wird eine neuartige Methode zur experimentellen Erfassung und Analyse der direktionalen Eigenschaften des Energieabklingverhaltens in Hallräumen vorgestellt. Die Methode basiert auf der Zerlegung des Schallfeldes in ebene Wellen mittels eines Mikrofonarrays. Die zeitabhängige Dichtefunktion der ebenen Wellen wird daraufhin verwendet, um mit Hilfe der Schroeder Integrationsmethode die neu eingeführte direktionale Energieabklingkurve, im Folgenden mit DEDC abgekürzt, zu berechnen. Basierend auf der DEDC werden Schätzverfahren für Isotropie und axiale Symmetrie des Schallfeldes formuliert, die auf den Symmetrieeigenschaften der sphärischen Harmonischen basieren. Diese bieten eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung. Des weiteren ermöglicht das DEDC-Framework die Analyse der angulären Dämpfungsverteilung des Schallfeldes. Hierfür wird ein inverses Problem formuliert, das auf einem stochastischen Modell für richtungsabhängiges Energieabklingverhalten basiert. Die Modellparameter werden mittels eines stochastischen Variationsverfahrens geschätzt, was zusätzlich eine Unsicherheitsbetrachtung der Modellparameter erlaubt. Ergebnisse experimenteller Untersuchungen, die in einem Hallraum in vier verschiedenen Konfigurationen erzielt wurden, werden präsentiert. Diese Konfigurationen umfassen den Raum mit und ohne einen stark absorbierenden Glaswolle-Prüfling, sowie beide Konfigurationen zusätzlich mit und ohne Diffusoren. Die erzielten Ergebnisse zeigen nicht isotrope Schallfelder, insbesondere in Gegenwart des absorbierenden Prüflings. Weiterhin wird gezeigt, dass die Isotropie des Schallfeldes zeitlich variiert und in Konfigurationen abnimmt, in denen nichtgleichförmige Dämpfungsverteilungen identifiziert werden. Abschließend wird die Beziehung zwischen den Ergebnissen der entwickelten Symmetrieschätzverfahren und Fehlern im gemessenen Absorptionsgrad für zufälligen Schalleinfall mithilfe eines statistischen Modells untersucht. Das Modell, bestehend aus Faktorenanalyse und nachfolgender linearer Regression, zeigt eine statistisch signifikante Beziehung zwischen den Symmetrieschätzverfahren und dem Fehler im gemessenen Absorptionsgrad. Die Ergebnisse legen weiterhin nahe, dass das entwickelte statistische Modell zur Korrektur des gemessenen Absorptionsgrads geeignet ist, sofern Daten aus mehreren Laboren verfügbar sind.The random-incidence absorption coefficient is measured in a reverberation room as per ISO354:2003 (2003), assuming a diffuse and isotropic sound field. However, reproducibility issues across different laboratories suggest that the assumption of isotropy does not hold in practice. This dissertation presents a novel experimental method for capturing and analysing the directional characteristics of energy decay in reverberation rooms. The method involves decomposing the sound field into plane waves using microphone arrays. Using Schroeder integration, the newly introduced directional energy decay curve (DEDC) is calculated on the time dependent angular plane waves density function. The DEDC is decomposed into spherical harmonics, which are used to formulate time-dependent estimators for isotropy and axial symmetry. The estimators are formulated by leveraging the symmetry relationships of spherical harmonics and offer high temporal and angular resolution. The DEDC framework further enables the analysis of directionally non-uniform damping of the sound field. An inverse problem is formulated using the DEDC framework and a stochastic model for directionally dependent energy decay. Variational inference is utilized to identify the model parameters and provide uncertainty measures. Experimental results obtained in a reverberation room in four configurations are presented. These configurations include the room with and without a highly absorptive glass wool specimen, and both configurations additionally with and without panel diffusers. The findings reveal non-isotropic sound fields, particularly in the presence of the absorbing specimen. It is shown that sound field isotropy varies over time, decreasing in configurations for which non-uniform distributions of damping are identified. Finally, the relationship between the symmetry quantification results and the errors in the random-incidence absorption coefficient is explored using a statistic model. Combined factor analysis and linear regression models reveal a statistically significant relationship between the estimators and the absorption coefficient error. The results further suggest that the model is capable of correcting the measured absorption coefficient if data from multiple laboratories are available.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031229918
Interne Identnummern
RWTH-2025-06560
Datensatz-ID: 1015825
Beteiligte Länder
Germany
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