Simulation and Visualization of In- and Outdoor Sound

Simulation und Visualisierung von Schall im Innen- und Außenbereich

  • Sound surrounds us all the time and in every place in our daily life, may it be pleasant music in a concert hall or disturbing noise emanating from a busy street in front of our home. The basic properties are the same for both kinds of sound, namely sound waves propagating from a source, but we perceive it in different ways depending on our current mood or if the sound is wanted or not. In this thesis both pleasant sound as well as disturbing noise is examined by means of simulating the sound and visualizing the results thereof. However, although the basic properties of music and traffic noise are the same, one is interested in different features. For example, in a concert hall, the reverberation time is an important quality measure, but if noise is considered only the resulting sound level, for example on ones balcony, is of interest. Such differences are reflected in different methods of simulation and required visualizations, therefore this thesis is divided into two parts. The first part about room acoustics deals with the simulation and novel visualizations for indoor sound and acoustic quality measures, such as definition (original "Deutlichkeit") and clarity index (original "Klarheitsmaß"). For the simulation two different methods, a geometric (phonon tracing) and a wave based (FEM) approach, are applied and compared. The visualization techniques give insight into the sound behaviour and the acoustic quality of a room from a global as well as a listener based viewpoint. Furthermore, an acoustic rendering equation is presented, which is used to render interference effects for different frequencies. Last but not least a novel visualization approach for low frequency sound is presented, which enables the topological analysis of pressure fields based on room eigenfrequencies. The second part about environmental noise is concerned with the simulation and visualization of outdoor sound with a focus on traffic noise. The simulation instruction prescribed by national regulations is discussed in detail, and an approach for the computation of noise volumes, as well as an extension to the simulation, allowing interactive noise calculation, are presented. Novel visualization and interaction techniques for the calculated noise data, incorporated in an interactive three dimensional environment, enabling the easy comprehension of noise problems, are presented. Furthermore additional information can be integrated into the framework to enhance the visualization of noise and the usability of the framework for different usages.
  • Wir sind immerwährend und überall von Geräuschen umgeben, egal ob angenehme Musik in einer Konzerthalle oder störender Lärm von der Straße vor unserer Haustür. Die fundamentalen Eigenschaften beider Arten von Geräusch sind identisch, nämlich die Ausbreitung von Schallwellen ausgehend von einer Schallquelle, aber wir nehmen sie unterschiedlich war, und zwar abhängig von unserem momentanen Gemütszustand oder ob das Geräusch gewünscht ist oder nicht. Im Rahmen dieser Dissertation werden anhand von Schallsimulationen und Visualisierungen der Ergebnisse sowohl angenehme Musik als auch störender Lärm untersucht. Obwohl die fundamentalen Eigenschaften beider Arten identisch sind liegt das Interesse doch auf unterschiedlichen Merkmalen. Zum Beispiel ist die Nachhallzeit ein wichtiges Merkmal einer Konzerthalle, wohingegen bei der Betrachtung von Lärm im Endeffekt nur der Schallpegel, zum Beispiel auf dem eigenen Balkon, von Interesse ist. Diese Unterschiede spiegeln sich ebenso in der Methode der Simulation wieder wie in den Anforderungen an die Visualisierungen. Aus diesem Grund ist diese Dissertation in zwei abgeschlossene Teile aufgesplittet. Der erste Teil behandelt mit Raumakustik die Simulation und Visualisierung von Schall und akustischen Gütemaßen, wie Deutlichkeit und Klarheitsmaß, in Innenräumen. Zur Simulation werden zwei unterschiedliche Methoden verwendet und verglichen. Zum einen ein geometrisches Verfahren, Phonon Tracing, und zum anderen ein wellenbasiertes, eine Finite Elemente Methode. Die vorgestellten Visualisierungsmethoden geben einen Einblick in die Ausbreitung und Interaktion von Schall in Räumen sowohl aus einem globalen als auch aus einem Zuhörerzentrierten Blickwinkel. Desweiteren wird eine akustische Renderinggleichung präentiert mit deren Hilfe Interferenzeffekte visualisiert werden. Außerdem wird eine neue Methode zur Visualisierung von niederfrequentem Schall vorgestellt welche es erlaubt die topologische Struktur von Druckverteilungen zu analysieren. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Simulation und Visualisierung von Umgebungslärm, insbesondere Verkehrslärm. Das gesetzlich vorgeschriebenen Berechnungsverfahren wird ausführlich diskutiert und ein Ansatz zur Berechnung von Lärmvolumen und eine Erweiterung der Simulation, welche interaktive Lärmberechnungen ermöglicht, vorgestellt. Zur Darstellung der berechneten Lämdaten werden diese in eine interaktive dreidimensionale Umgebung eingebettet und verschiedene Techniken zur Visualisierung präsentiert. Durch das hinzufügen erweiterter Information wird die Verständlichkeit der Lämdaten weiter erhöht und das Nutzungsfeld des Systems erweitert.

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Metadaten
Author:Frank Michel
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-22935
Advisor:Hans Hagen
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2008
Year of Publication:2008
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2008/09/30
Tag:Room acoustics ; computer graphics ; environmental noise; virtual acoustics ; visualization
GND-Keyword:Computergraphik ; Lärmbelastung; Lärmimmission ; Raumakustik ; Visualisierung
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Informatik
CCS-Classification (computer science):I.3.7 Three-Dimensional Graphics and Realism
I.3.8 Applications
I.6.3 Applications
DDC-Cassification:004 Datenverarbeitung; Informatik

$Rev: 12793 $