Measurement of surface reflection properties : concepts and uncertainties

Müller-Trapet, Markus; Embrechts, Jean-Jacques; Vorländer, Michael

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-056810

Measurement of surface reflection properties : concepts and uncertainties = Messung von Oberflächenreflexionseigenschaften : Konzepte und Unsicherheiten

Müller-Trapet, Markus

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeMarkus Müller-Trapet

ImpressumBerlin : Logos-Verl. 2015

ISBN978-3-8325-4120-0

ReiheAachener Beiträge zur technischen Akustik ; 23

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Druckausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vorländer, Michael (Thesis advisor) ; Embrechts, Jean-Jacques (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-056810
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540025/files/540025.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540025/files/540025.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Akustik (613510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; surface reflection (frei) ; absorption (frei) ; scattering (frei) ; uncertainties (frei) ; array signal processing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Obwohl sich die Qualität raumakustischer Simulationen in den letzten Jahren erheblich verbessert hat, wird ein völlig realistisches Ergebnis in komplexen Situationen selten erreicht. Von den Faktoren, die den Realitätsgrad solcher Simulationen beeinflussen, werden die Randbedingungen bezüglich Schallreflexionen als die wichtigsten erachtet, da sie das Schallfeld zu einem großen Teil beeinflussen. Es existieren standardisierte Messverfahren, die jedoch inhärente Unsicherheiten aufweisen oder nicht genug Informationen für eine korrekte Modellierung des Schallfelds liefern. Um diese Situation zu verbessern werden in dieser Arbeit akustische Messverfahren bezüglich der absorbierenden und streuenden Eigenschaften von Raumoberflächen untersucht.Der Forschungsinhalt ist in zwei Teile unterteilt: im ersten Teil werden die wichtigsten Ursachen für Unsicherheiten der standardisierten Messverfahren für Absorptions- und Streugrade bei diffusem Schalleinfall untersucht. Schwierigkeiten akkurate Ergebnisse zu erhalten, wie sie oft in der Praxis auftreten, werden erklärt, indem eine Variation der Eingangsdaten – wie zum Beispiel Oberflächeninhalt oder Nachhallzeit – analytisch mit einer Variation des Absorptions- oder Streugrads in Verbindung gebracht wird. Die Variation der Nachhallzeit über dem Ort als der wichtigste Unsicherheitsfaktor wird besonders betrachtet. Die vorhergesagte Unsicherheit wird erfolgreich durch Messungen in Hallräumen im Maßstab als auch in realer Größe validiert. Basierend auf der Unsicherheitsanalyse wird eine Methode entwickelt um die minimale Anzahl von Messpositionen im Schallfeld zu bestimmen, die für eine gewünschte Genauigkeit des Absorptions- oder Streugrads benötigt werden.Der zweite Teil befasst sich mit den Signalverarbeitungsschritten für eine Bestimmung der winkelabhängigen Reflexionseigenschaften im Freifeld. Dazu wird in dieser Arbeit ein halbkugelförmiges Mikrofonanarray beschrieben und validiert. Erweiterungen der Subtraktionsmethode werden vorgestellt, die eine Berücksichtigung der Richtcharakteristik von Quelle und Empfänger ermöglichen. Schallreflexionsmodelle unterschiedlicher Genauigkeit und Berechnungskomplexität für die Bestimmung der Wandimpedanz aus gemessenen Reflexionsfaktoren werden betrachtet. Arraysignalverarbeitungsmethoden werden untersucht, sowohl als alternative Methode zur Bestimmung des Referenzsignals der Quelle in-situ als auch um die örtliche Schalldruckverteilung der Reflexionsmessungen zu verarbeiten.Messungen zeigen, dass der Arrayaufbau für die Bestimmung der winkelabhängigen Absorptionseigenschaften von Proben mit wenigen Quellenpositionen benutzt werden kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das vereinfachte Ebene-Wellen-Modell nicht benutzt werden sollte, falls der Empfänger nah an der Oberfläche ist, da dann große Fehler besonders bei tiefen Frequenzen entstehen. Eine gewisse Unsicherheit, die durch das unvollständige Wissen über die Quellen- und Empfängerpositionen entsteht, verbleibt in der Phasenantwort des komplexen Reflexionsfaktors. Nichtsdestotrotz ist es möglich relativ stabile Ergebnisse auch für kleine Proben zu erhalten. Der Aufbau kann mit Hilfe von Arraysignalverarbeitungsmethoden auch benutzt werden um den richtungsabhängigen Diffusions- und Streugrad kleiner Proben zu bestimmen. Dies führt zu den gleichen Ergebnissen wie etablierte Methoden im Fernfeld.

Although the quality of room acoustic simulations has increased significantly in recent years, an entirely realistic result is seldom achieved in complex scenarios. Among the factors influencing the degree of realism of such simulations, the boundary conditions concerning sound reflection are considered most important as they determine the sound field to a great extent. Standardized measurement methods exist but they contain inherent uncertainties or do not always yield enough information for a correct modeling of the sound field. To ameliorate the situation, acoustic measurement techniques related to the absorbing as well as the scattering properties of architectural surfaces are investigated in this thesis.The research is divided into two parts: the first part consists of determining the most relevant causes of uncertainty for the standardized measurement methods of random-incidence absorption and scattering coefficients. The difficulties of obtaining accurate results that are often encountered in practice are explained by analytically relating the variation of the input quantities --- such as sample surface area or reverberation time --- to the variation of the absorption and scattering coefficient. Special focus is set on the spatial variation of reverberation times as the primary uncertainty factor. The predicted uncertainty is successfully validated with measurements in both full-scale and small-scale reverberation chambers. Based on the uncertainty analysis, a method is developed to determine the necessary minimum number of source-receiver combinations in the sound field to ensure a specified precision of the absorption or scattering coefficient.The second part of the thesis focuses on signal processing steps related to the measurement of angle-dependent reflection properties in the free-field. For this purpose a hemispherical microphone array is described and validated in this thesis. Improvements to the subtraction method are presented that allow to include the source and receiver directivity. Sound reflection models of different accuracy and calculation complexity are considered to deduce the surface impedance from measured reflection factors. Array processing techniques are investigated as an alternative method to obtain a source reference signal in-situ and to process the spatial response of the reflection measurement.Measurements show that the array setup can be used to obtain the angle-dependent absorbing properties of samples with few source positions. The results indicate that for receivers close to the surface the simplified plane wave model should not be used as it leads to large errors, especially at low frequencies. Some uncertainty remains in the phase angle of the complex reflection factor, which is due to incomplete knowledge of the source and receiver positions. Nonetheless, relatively stable results can be obtained even for samples of finite extent. With the help of array-processing methods, the setup can also be used to determine the directional diffusion and scattering coefficient of small samples, yielding the same result as established far-field methods.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)