Perceptual studies in concert hall acoustics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-10-21
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
89 + app. 57
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 218/2018
Abstract
The studies that established the known perceptual dimensions of concert hall acoustics relied on questionnaire ratings at live concerts, limited by bias effects and impossibility of perceptual comparisons, and listening tests using basic auralization methods that had limited fidelity. With modern methods, the concert hall sound field can be captured and delivered to the laboratory with a much higher degree of realism. The work of this thesis aims to further understanding of perceptual aspects of concert hall sound fields using these methods. It was found that, given a similar listening position in various concert halls, the differences between halls are more salient in the early rather than late reflections. In a discrimination task with early or late response as variable, performance was worse when discrimination was based on a variable late response, and took more time. Timbre was often quoted as a differentiating factor, suggesting that timbre differences have an important role in characterizing concert halls. Results of participant-set optimal levels between the direct sound, early reflections, and late reflections show that the shoebox-shaped hall was already closer to optimal balance, while the vineyard-style hall clearly lacked early reflections. Results were essentially independent of musical stimulus, although two contrasting excerpts were used. The differences were largest between halls,and smaller between the different listening distances. The corresponding parameter changes suggest that the distant positions in both halls lacked clarity. Analysis points to timbre as a factor alongside clarity and source width for setting the balance between direct sound and early reflections. The seat-dip effect (SDE) has been assumed to degrade the bass response of halls. However, the results of discrimination and preference tests show that the initial SDE spectrum is inaudible when sufficient reflections are provided. This leaves more freedom in choosing a hall design that provides adequate low frequencies via reflections, rather than having to design a seating area that minimizes the SDE. A wide dip was found more easily detectable than a deeper but narrower dip, and preference for uncolored spectrum emerged only for the halls with a higher clarity index. Timbre was found as a discriminating factor between direct sound spectra, alongside the perceived amount of bass. The direct sound localization threshold was found to be affected by the hall and stimulus characteristics, and an interaction between them. The estimate for a localization threshold in halls was -2.7 to 1.7 dB direct-to-reverberant ratio in the 700-4000 Hz range. The threshold was notably lower for a hall with prominent early lateral reflections; a weighting that marginalized over lateral directions improved the fit between parameter values at threshold across halls, suggesting that lateral directions may be of less interference to localization than directions closer to the source.The difference between precise and imprecise thresholds was about 7 dB, suggesting that previous reports of a sudden change between imprecise and precise localization may be overstated.

Konserttisaliakustiikan perinteinen havaintotutkimus on tehty kyselyillä, joiden rajoituksena on puolueettomien arvioiden ja salivertailujen mahdottomuus, sekä kuuntelukokeilla, joissa käytetyillä yksinkertaisilla auralisointimenetelmillä ei saavuteta realistista tulosta. Nykyaikaisilla menetelmillä konserttisalin äänikenttä pystytään taltioimaan ja toistamaan laboratoriossa aiempaa täsmällisemmin. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena on edistää konserttisalien akustiikan ymmärrystä hyödyntämällä näitä menetelmiä kuuntelukoetutkimuksissa. Tutkimuksessa selvisi, että salien erot ovat helpommin havaittavissa varhaisissa heijastuksissa kuin jälkikaiuntavasteessa, kun saleja kuunnellaan samalta etäisyydeltä. Salien tunnistustehtävässä, jossa oli vaihtelevat varhaiset heijastukset tai vaihteleva jälkikaiuntavaste, tunnistus oli heikompaa kun se perustui jälkikaiuntavasteen eroihin, ja vei enemmän aikaa. Erottelevista havaintotekijöistä sointiväri nousi usein esiin, mikä viittaa sen merkitykseen konserttisalien karakterisoinnissa. Suoran äänen, varhaisten heijastusten, ja jälkikaiunnan keskinäisten tasojen säätökokeen tulokset osoittavat, että kenkälaatikkosali oli lähtökohtaisesti lähellä optimaalista tasotasapainoa, kun taas viinitarhasalissa oli selvä puute varhaisista heijastuksista. Tulokset olivat käytännössä riippumattomia musiikkinäytteestä. Erot olivat suurimpia salien välillä, ja pienempiä eri kuunteluetäisyyksien välillä. Keskimääräisiä tasotuloksia vastaavat mittalukujen muutokset viittaavat myös siihen, että etäisemmät kuuntelupaikat olivat kirkkauden suhteen riittämättömiä. Analyysi viittaa kirkkauden ja äänilähteen havaitun leveyden ohella sointivärin rooliin suoran äänen ja varhaisten heijastusten välistä suhdetta määritettäessä. Katsomovaimennuksen on oletettu huonontavan merkittävästi konserttisalin bassovastetta. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat kuitenkin, että alkuvasteen katsomovaimennus jää kuulumattomiin, jos heijastunutta energiaa on riittävästi. Vaimennuksen minimoinnin sijaan riittää, että matalia taajuuksia sisältäviä heijastuksia on tarpeeksi, mikä jättää enemmän vapauksia konserttisalin suunnitteluun. Laajakaistainen vaimennus oli havaittavampi kuin syvä ja kapea notko, ja neutraalin spektrin preferenssi oli merkittävä vain saleille, joiden kirkkausindeksi oli korkea. Sointiväri oli basson määrän lisäksi merkittävä tekijä erojen havaitsemisessa. Tutkimuksessa todettiin myös, että äänilähteen paikannuskynnys on riippuvainen salista ja lähteen ominaisuuksista, sekä niiden välisestä vuorovaikutuksesta. Arvio paikannuskynnykselle oli välillä -2.7 ja 1.7 dB, esitettynä suoran äänen ja kaiunnan välisenä suhteena 700-4000 Hz taajuuskaistalla. Kynnys oli merkittävästi matalampi salille, jossa oli paljon sivuheijastuksia. Sivusuuntien merkitystä vähentävä suuntapainotus paransi tulosten yhteensopivuutta, mikä viittaa sivuheijastusten mahdollisesti vähäisempään vaikutukseen paikannuksessa. Tarkan ja epätarkan paikannuksen välinen ero oli n. 7 dB, mikä antaa syytä epäillä, että kertomukset yhtäkkisestä muutoksesta tarkan ja epätarkan paikannuksen välillä voivat olla liioiteltuja.
Description
Supervising professor
Lokki, Tapio, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Computer Science, Finland
Thesis advisor
Lokki, Tapio, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Computer Science, Finland
Keywords
room acoustics, concert halls, room impulse response, spatial audio, seat-dip effect, auditory localization, huoneakustiikka, konserttisalit, huoneimpulssivaste, tilaääni, katsomovaimennus, suuntakuulo
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Haapaniemi, T. Lokki. Identifying concert halls from source vs room presence. Journal of The Acoustical Society of America, 2014, Vol. 135 (6), EL311–EL317. Full Text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014205.
    DOI: 10.1121/1.4879671 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Haapaniemi, T. Lokki. The preferred level balance between direct, early, and late sound in concert halls. Psychomusicology: Music, Mind, and Brain, 2015, Vol. 25 (3), 306–316. Full Text in Acris/Aalto: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811025594.
  • [Publication 3]: H. Tahvanainen, A. Haapaniemi, T. Lokki. Perceptual significance of seat-dip effect related direct sound coloration in concert halls. Journal of The Acoustical Society of America, 2017, Vol. 141 (3), 1560–1570. Full Text in Acris/Aalto: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014251.
    DOI: 10.1121/1.4977188 View at publisher
  • [Publication 4]: A. Haapaniemi, T. Lokki. Direct-to-reverberant ratio threshold for localization in concert halls. Accepted for publication in Acta Acustica united with Acustica, 2018, Vol. 104
Citation