The Acoustics of Stockholm Concert Hall and Artificial Reverberation Systems

108 Pages·2015·12.76 MB·English

by  Christoffer Carlsson

DEGREE PROJECT IN MEDIA TECHNOLOGY 300 CREDITS, SECOND
CYCLE
STOCKHOLM, SWEDEN 2015
The Acoustics of Stockholm
Concert Hall and Artificial
Reverberation Systems
EVALUATION OF STORA SALEN AND
SIMULATION OF ITS ELECTRONIC
REVERBERATION SYSTEM
CHRISTOFFER CARLSSON
KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
SCHOOL OF COMPUTER SCIENCE AND COMMUNICATION

The Acoustics of Stockholm Concert Hall and
Artificial Reverberation Systems
EvaluationofStorasalenandsimulationofitselectronicreverberationsystem
AkustikeniStockholmskonserthusochartificiellaefterklangssystem
UtvärderingavStorasalenochsimuleringavdesselektroniskaefterklangssystem
CHRISTOFFERCARLSSON
[email protected]
MasterThesisinSpeechandMusicCommunication
MasterofScienceinMediaTechnology,MasterinMediaTechnology
Provider: ACAD-InternationalAB
SupervisoratCSC:AndersFriberg
SupervisoratACAD:JoelJohansson
Examiner: StenTernström
MasterofScienceThesis
Stockholm,Sweden,December2015

Abstract
Thismasterthesisexaminestheeffectsontheacousticalproper-
tiesofaconcerthallcausedbyanartificialreverberationsystem
(ARS)andthepossibilityofsimulatingtheseproperties.Byex-
aminingthecaseoftheStockholmConcertHall,whichrecently
installed such a system, a greater understanding of the ARS
willbegainedandadditionalimprovementsofsimulatingsuch
systemswillbeexplored. Thisstudycomprisestwoparts: (1)
objectivedataobtainedthroughacousticalmeasurementsare
evaluatedbothinternallyandtootherhallsand(2)bycomputer
simulationoftheconcerthallanditselectronicreverberation
systemevaluatetheacousticsofthehall.
ThestudyshowsthattheeffectoftheARSontheacoustical
propertiesofStockholmConcertHallisnotexcessivebutnotice-
able.An0.3secondincreaseinreverberationtimeisadesirable
outcomebutcomesatthecostofclarity,whichseesareduction
of0.7decibels.Moreover,itispossibletosimulateaconcerthall,
havinganARSinstalled,withfairlyrealisticresults.However,
inordertocompilethesimulatedimpulseresponse,ascripthad
tobecreated–combiningthetransferfunctionsrelatedtoeach
componentofthereverberationchainfromsourcetoreceiver,
includingallthemicrophonesandloudspeakersoftheARS.
Keywords: artificialreverberationsystem(ARS),acousticalmeasurements,concerthall
acoustics,acousticalsimulation
Referat
Akustiken i Stockholms konserthus och
artificiella efterklangssystem
Utvärdering av Stora salen och simulering av dess elektroniska
efterklangssystem
Dethärexamensarbetetundersökerpåverkanpådeakustiska
egenskapernahosenkonsertlokalorsakadavettartificielltefter-
klangssystem.Likasåundersöksmöjligheternaförattsimulera
dessaakustiskaegenskaper.GenomattundersökaStockholms
konserthus,somnyligeninstalleradeettefterklangssystem,kom-
merenbättreförståelseförartificiellaefterklangssystemskapas
ochytterligareförbättringarförsimuleringkommerattmöjlig-
göras.Denhärstudiengenomförsitvådelar:(1)objektivdata,
inhämtadfrånakustiskamätningar,utvärderasbådeinterntoch
motandrakonsertlokalersamt(2)genomdatorsimuleringav
konsertlokalenochdetelektroniskaefterklangssystemetutvär-
derasdeakustiskaegenskaperna.
Studienvisarattinverkanpådeakustiskaegenskapernahos
Stockholmskonserthusorsakadeavdetartificiellaefterklangs-
systemetinteäröverdrivnamennoterbara.Enönskadökning
avefterklangstidenmed0.3sekunderuppnåsmendettapåbe-
kostnadavattljudetsklarhetminskarmed0.7decibel.Vidareär
detmöjligtattsimuleraljudutbredningenienkonsertlokalsom
harettefterklangssysteminstalleratmedetttämligenrealistiskt
resultat.Förattuppnådettasimuleringsresultatskapasettskript
vilketvägersammanallaöverföringsfunktionermellanljudkäl-
lanochmottagaren,inklusivedemellanefterklangssystemets
mikrofonerochhögtalare.
Acknowledgments
ThismasterthesisiscarriedoutattheacousticconsultantcompanyACAD-International
AB(ACAD);oneofthebiggestindependentconsultingfirmsinitsarea,operatingmostly
intheStockholmregion. Thecompanyhasforexamplebeentheacousticdesignersofthe
Tele2-arenaandhasforlongworkedwiththeacousticsoftheStockholmConcertHall.
IwouldliketostartbythankingmysupervisoratACAD,JoelJohansson,forsharingyour
passionaboutconcerthallacousticswithmeandfortheinputofanalyzingsuggestions.
Also,athankstoLennartKarlénatACAD,fortheopportunitytoworkwithStockholmCon-
certHallandtheinspiringconversationsandlife-storiesconcerningacousticsinsomeway.
ThankyouAndersFribergandStenTernström,mysupervisorandmyexamineratKTH,
forthehelpofthethesisandthelibertytoexploretheroomacousticsareafurther.
Andfinally,thankstoallofmyfriendsandfamilywhohavehelpedandsupportedmein
theprocessofcreatingthisthesis.

Contents
I Introduction 1
1 Introduction 3
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Aim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Limitationsanddelimitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Choiceofmethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Structureofthethesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6.1 Intendedreader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6.2 Outline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Theory 7
2.1 Acousticalparametersofaconcerthall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Reverberation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.3 Energyratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Spaciousness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.5 Stageparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Relatedworkregardingacousticalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 ConcertHallsandOperaHouses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Matchingsubjectiveperceptionsandobjectiveparameters . . . . . 12
2.2.3 Estimationofparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Relatedworkregardingreverberationsystems . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Reverberationsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 Artificialreverberationsystems,ARS . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.3 Sustainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.4 TheStockholmConcertHall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
II RankingtheStockholmConcertHall 19
3 Theoryofacousticalmeasurementsinconcerthalls 21
3.1 Transferfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Impulseresponsefunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 TheARScontribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Method 25
4.1 Implementationmethod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1 Calibrationmethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2 Equipmentsetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.3 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2 Analysismethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.1 Reliabilityofmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.2 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.3 Comparisonofacousticalparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5 Results 29
5.1 Calibrationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Comparisonofthetwosetsofequipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.3 TheeffectsoftheARS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.4 Comparisonwithotherhalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6 Discussion 37
6.1 Calibrationdiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.2 Equipmentandimplementationdiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.3 DiscussionaboutARSeffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.4 Discussionofranking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
III Simulatinganartificialreverberationsystem 41
7 Theoryofacousticssimulation 43
7.1 Modelingandsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2 Imagesourcemethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.3 Raytracemethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8 Method 47
8.1 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.2 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.3 MATLAB-script . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
8.4 Analysismethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
9 Results 51
9.1 ReverberationTime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9.2 EarlyDecayTime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9.3 Clarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
10 Discussion 55