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Optimization of the acoustic characteristics of diffusive surfaces : an objective evaluation method at the preliminary design phase

Jessica Menichelli

Optimization of the acoustic characteristics of diffusive surfaces : an objective evaluation method at the preliminary design phase.

Rel. Arianna Astolfi, Louena Shtrepi, Tomás Ignacio Mendez Echenagucia. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Costruzione Città, 2016

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Abstract:

ABSTRACT

L'importanza delle superfici fono diffondenti in ambito acustico è stato oggetto di numerosi studi. Tuttavia sono poche le ricerche che hanno valutato l'influenza dei parametri geometrici delle superfici e l'efficacia di tali dimensioni allo scattering. Nel presente studio si analizza una serie di criteri applicabili per la progettazione di un diffusore generico e viene presentato un intuitivo e veloce metodo, per ottimizzare le configurazioni geometriche attraverso analisi qualitative e quantitative.

Il processo proposto va quindi a comprendere le prime fasi di modellazione della superficie, fino alla sua convalida oggettiva attraverso le simulazioni. Al fine di presentare nella sua completezza il lavoro svoltosi, vengono presentate le superfici analizzate e il processo di ottimizzazione per ognuna di queste. Inoltre, per convalidare il metodo proposto, la configurazione che ha raggiunti migliori risultati di diffusione viene testata attraverso misurazioni in camera riverberante.

In primo luogo, dopo un'attenta analisi della bibliografia scientifica di riferimento, sono stati definiti dei criteri geometrici utili alla progettazione della superficie fono diffondente: trattasi di dimensioni geometriche o tipologie di configurazione fortemente correlati al fenomeno dello scattering. Questi criteri compongono una linea-guida per l'architetto che vuole introdursi nel ambito del design acustico, un vademecum fondamentale a cui fare riferimento in fase di modellazione.

La modellazione avviene in Rhinoceros®, software CAD tridimensionale, e Grasshopper®, un plug-in di Rhinoceros® che si presenta come visual programming language dove algoritmi vengono creati dalla connessione di componenti. I software sono stati scelti per la possibilità di elaborare gli algoritmi di simulazione direttamente nello spazio di modellazione. Normalmente al fine di analizzare tramite simulazioni acustiche dei componenti, sono necessari molti software. In questo caso l'architetto dovrà conoscere solo un software, già molto diffuso per la modellazione tridimensionale.

L' ottimizzazione delle superfici avviene molto velocemente a partire da analisi qualitative, il tool proposto è basato sul ray tracing al fine di comprendere come i raggi sonori vengono distribuiti rispetto ad un certo spazio, e analisi quantitative, utilizzando strumenti di programmazione, come script in Python®, e simulazione, Pachyderm Acoustics®, all'interno di Rhinoceros®, grazie ai quali è possibile esaminare le superfici con un metodo quanto più vicino a quello descritto dalla norma ISO 17497 - parte 2,"Acustica - Proprietà scatterizzanti delle superfici - parte 2: Misurazione del coefficiente direzionale di diffusione in campo libero".

In conclusione, siccome lo scattering è fortemente correlato alle caratteristiche geometriche delle superfici e degli oggetti all'interno degli ambienti, sembra essere il parametro che influenza più di ogni altro l'interior design degli spazi dedicati all'effettuare e all'ascoltare performance acustiche. Questo lo fa diventare un mezzo di collaborazione multidisciplinare relativo a soluzioni ottimali riguardanti sia acustica che gli aspetti visivi del design.

Relators: Arianna Astolfi, Louena Shtrepi, Tomás Ignacio Mendez Echenagucia
Publication type: Printed
Subjects: S Scienze e Scienze Applicate > SA Acustica
S Scienze e Scienze Applicate > SL Scienze
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in Architettura Costruzione Città
Classe di laurea: New organization > Master science > LM-04 - ARCHITECTURE AND ARCHITECTURAL ENGINEERING
Aziende collaboratrici: Institute of Technology in Architecture at ETH Zurich
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/4946
Chapters:

INDEX

1.Introduction

2.Sound propagation and architecture

2.1.Physical phenomenon: absorption

2.1.1.Sound absorbing panels

2.1.2.Absorption coefficient

2.1.3.Measurement methods

2.2.Physical phenomenon: reflection

2.3.Physical phenomenon: diffusion and scattering

2.3.1.Diffusion coefficient

2.3.2.Scattering coefficient

2.3.3.Snell's law and Lambert's law

2.3.4.Measurement methods

2.3.5.Diffusion vs Scattering

3.State of art of acoustic

3.1.Leading existing diffusing panels

3.1.1.Schroeder's diffusers

3.1.2.Maximum length sequence diffusers (MLS)

3.1.3.Quadratic Residue Diffusers (QRD)

3.1.4.Primitive Root Diffusers (PRD)

3.1.5.Fractal diffusers

3.1.6.RPG Skyline®

3.1.7.Polycilindrical deflector

3.2.Other diffusers

4.Towards scattering database and geometrical guidelines

4.1.Macroscale geometries

4.2.Geometric dimensions of specimens

4.3.Specimens shape

4.4.Guidelines for scattering maximization

5.A case study of diffusers optimization

5.1.Acoustic criteria and design

5.2.Simulation: qualitative analysis

5.3.Simulation: quantitative analysis

5.4.Prototype realization

5.5.Measurements

5.6.Repetition and modularity of the diffusers

5.7.Possible applications

6.Conclusions

7.Appendix A

8.Appendix B

9.Bibliography

Bibliography:

BIBLIOGRAPHY

F. Alton Everest, Architectural Acoustics, McGraw - Hill, 2001.

M. C. Bellini, Aspetti geometrici nella valutazione del coefficiente di scattering con simulazioni basate sul metodo BEM, master thesis, III Facoltà di Ingegneria dell’informazione del Politecnico di Torino, rei. Astolfi, Masoero, Shtrepi, 2014.

C. Bibby, M. Hodgson, Characterization and improvement of absorption and scattering by profiled architectural surfaces without specialized test facilities, Applied Acoustics 72, pp. 889 - 898, 2011.

T. Bonwetch, R. Baetschi, S. Oesterle, Adding Performance Criteria to Digital Fabrication - Room-Acoustical Information of Diffuse Respondent Panels, ACADIA Conference Proceedings, Nonstandard Production techniques tools, techniques and technologies, Minneapolis, Minnesota, pp. 364 - 369, 13- 19 October 2008.

D. Bradley, A. Sharma, J. Adelgren, Assessing the effectiveness of geometrically modified pyramidal diffusers: Scattering coefficient measurements, 166th Meeting of the Acoustical Society of America, San Francisco, California, 2 - 6 December 2013.

J. Burry, D. Davis, P. Ayres, J. Klein, A. Pena de Leon, M. Burry, Modelling Hyperboloid Sound Scattering - The challenge of simulating, fabricating and measuring of periodic type diffusers on classroom acoustics, in Computational Design Modeling, pp. 89 - 96, Springer - Verlag, 2011.

Y.-J. Choi, D.-U. Jeong, J.-Y. Kim, Some issues in measurement of random- incidence scattering coefficients in reverberation rooms, Proceeding of Acoustic, Christchurch, 20-22 November 2006.

Y.-J. Choi, D.-U. Jeong, Some Issues in Measurement of the Random-lncidence Scattering Coefficients in a Reverberation Room, Acta Acustica united with Acustica 94, pp. 769 - 773, 2008.

Y.-J. Choi, D.-U. Jeong, Effects of Unspecified Experimental Conditions in ISO 17497-1 on the Scattering Coefficients Measured in a Scale Model, Acta Acustica united with Acustica 97, pp. 75 - 81,2011.

Y.-J. Choi, Effects of periodic type diffusers on classroom acoustics, Applied Acoustics 74, pp. 694 - 707, 2013.

N. Claes, L. Zelem, D. Pelegrin Garcia, M. Rychtarikova, C. Glorieux, Echolocation recognition of different wall textures, EuroRegio2016, Porto, Portugal, 13-15 June 2016.

T. J. Cox, Acoustic diffusers: the Good, the Bad and the Ugly, Proceedings of the Institute of Acoustics, 2004.

T. J. Cox, B.-l. L. Dalenback, P. D'Antonio, J. J. Embrechts, J. Y. Jeon, E. Mommertz, M. Vorländer, A Tutorial on Scattering and Diffusion Coefficients

for Room Acoustic Surfaces, Acta Acustica united with Acustica 92, pp.1 - 15, 2006.

T. J. Cox, P. D'Antonio, M. Vorländer, A Tutorial on Scattering and Diffusion Coefficients for Room Acoustic Surfaces, Acta Acustica united with Acustica 92, pp. 1 -15, 2006.

T. J. Cox, P. D'Antonio, Acoustic Absorbers and Diffusers, theory, design and application, Taylor & Francis, 2009.

L. De Geetere, G. Vermeir, Investigations on real-scale experiments for the measurement of the ISO scattering coefficient in the reverberation room, Proceedings Forum Acusticum Sevilla, 2002.

J.-J. Embrechts, L. De Geetere, G. Vermeir, M. Vorländer, T. Sakuma, Calculation of the Random-lncidence Scattering Coefficients of a Sine-Shaped Surface, Acta Acustica united with Acustica 92, pp. 593 - 603, 2006.

F. A. Everest, Manuale di acustica, Hoepli, Milano, 1996.

A. Farina, A new method for measuring the scattering coefficient and the diffusion coefficient of panels, Acustica/Acta Acustica 86, pp. 928 - 942, 2000.

J. Felis, A. Flach, T. Kamisinki, Testing of a Device for Positioning Measuring Microphones in Anechoic and Reverberation Chambers, Archives of Acoustics 37, pp. 245-250, 2012.

M. H. A. Gomes, M. Vorländer, S. N. Y. Gerges, Aspects of sample geometry in the measurement of random incidence scattering coefficients, Proceedings Forum Acusticum Sevilla, 2002.

F. Gramazio, M. Kohler, J. Willmann, The RoboticTouch: How Robots Change Architecture, Park Books, Zürich, 2014.

http://www.grasshopper3d.com/

ISO 354: Acoustics - Measurement of dound absorption in a reverberation room (ISO 354: 2003)

ISO 17497: Acoustics - Measurement of sound scattering properties of surfaces - Part 1 : Measurement of the random-incidence scattering coefficient in reverberation room (17497 -1:2004); Part 2: Measurement of the directional diffusion in a free field (17497 - 2:2012).

J. Y. Jeon, S. C. Lee, M. Vorländer, Development of scattering surfaces for concert halls, Applied Acoustics 65, pp. 341 - 355, 2004.

T. Kamisinski, J. Rubacha, A. Pilch, The Study of Sound Scattering Structures for the Purposes of Room Acoustic Enhancement, Acta Physica Polonica A 118, pp. 83-86, 2010.

Y. H. Kim, H. S. Jang, J. Y. Jeon, Characterizing diffusive surfaces using scattering and diffusion coefficients, Applied Acoustics 72, pp. 899 - 905, 2011.

J.-S. Kim, J.-H. Lee, Y.-J. Choi, D.-U. Jeong, The Effect of an Edge on the Measured Scattering Coefficients in a Reverberation Chamber based on ISO 17497-1, Building Acoustics 19, pp. 13- 23, 2012.

M. Kleiner, LT\chy, Acoustics of small rooms, CRC Press, 2014.

H. Kuttruff, Room Acoustics, Spon Press, New York, 2000

F.-M. Lin, P.-Y. Hong, C.-Y. Lee, An experimental investigation into the sound- scattering performance of wooden diffusers with different structures, Applied Acoustics 71, pp. 68 - 78, 2010.

M. Long, The master Handbook of Acoustics, Elsevier Academic Press, 2006.

E. Mommertz, Determination of scattering properties from the reflection directivity of architectural surfaces, Applied Acoustic 60, pp. 201 - 203, 2000.

M.Muller-Trapet, R. Vitale, M.Vorlander, A Revised Scale-Model Reverberation Chamber for Measurements of Scattering Coefficients, Journal of Acoustic Society of America 128, pp. 2465 - 2475, 2010.

http://www.perspectivesketch.com/pachyderm/

www.bradypeters.com

B. Peters, Parametric acoustic surfaces, in-ACADIA 09: reForm(): Proceedings of the 29th Annual Conference of the Association for Computer Aided Design in Architecture (ACADIA), pp. 174-181, 2009.

B. Peters, Acoustic Performance as a Design Driver: Sound Simulation and Parametric Modeling Using SmartGeometry, International Journal of Architectural Computing 8, pp. 337 - 358, 2010.

B. Peters, T. Olesen, Integrating Sound Scattering Measurements in the Design of Complex Architectural Surfaces: Informing a parametric design strategy with acoustic measurements from rapid prototype scale models, in Future cities: 28th eCAADe Conference Proceedings, pp. 481 - 491, 2010.

B. Peters, M.Tamke, S. Nielsen, S. Andersen, M. Haase, Responsive Acoustic Surfaces: Computing Sonic Effects, in Respecting Fragile Places: 29th eCAADe Conference Proceedings, pp. 819 - 828, 2011.

A. Pilch, T. Kamisinski, M. Zastawnik, Comparison of Pressure and Intensity Methods in Evaluating the Directional Diffusion Coefficient, Acta Physica Polonia A 123, pp. 1054-1058, 2013.

A. Pilch, D. Behounek, P. Pawlik, T. Kamisinski, J. Rubacha, Uncertainty in sound diffusion and scattering coefficients measurement, EuroNoise2015, Maastricht, 31 May - 3 June 2015.

B. N. J. Postma, B. F. G. Katz, Creation and calibration method of acoustical models for historic virtual reality auralizations, Virtual Reality 19, pp. 161-180, 2015.

H. Pottmann, M. Eigensatz, A. Vaxman, J. Wallner, Architectural geometry, Computers & Graphics 47, pp. 145 - 164, 2015.

J. H. Rindei, Computer Simulation Techniques for Acoustical Design of Rooms, Acoustic Australia 23, pp. 81 - 86,1995.

J. H. Rindel, Scattering in Room Acoustics and the Related Activities in ISO and AES, 17th ICA, Rome, 2 - 7 September 2001.

JD. Reinhardt, D. Cabrera, A. Jung, R. Watt, Towards a Micro Design of Acoustic Surfaces: Robotic Fabrication of Complex Pattern Geometries, in W. McGee, M. Ponce de Leon, A. Willette, S. Brell-Cokcan, J. Braumann, Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014, Cham, Springer, 2014.

https://www.rhino3d.com/it/

P. W. Robinson, J. Pätynen,T. Lokki, H. S. Jang, J.Y. Jeon, N. Xiang, Theroleof diffusive architectural surfaces on auditory spatial discrimination in performance venues, Journal of Acoustical Society of America 133, pp 3940 - 3950,2013.

www.rpginc.com

C. Sabine, Collected papers on acoustics, Harvard University Press, Harvard, 1922.

T. Sakuma, H. Lee, Validation of the Sample Rotation Scheme in the Measurement of Random-lncidence Scattering Coefficients, Acta Acustica united with Acustica 99, pp. 737 - 750, 2013.

T. Sakuma, H. Lee, Recent topics in acoustic scattering coefficient determination for wall surfaces, ISRA, Toronto, 9-11 June 2013.

I. Schmich-Yamane, J.-J. Embrechts, M. Müller-Trapet, C. Rougier, M.

Malgrange, M. Vorländer, Prediction and measurement of the random-incidence scattering coefficient of periodic reflective rectangular diffuser profiles, ISRA, Montreal, 2-7 June 2013.

M. R. Schroeder, Diffuse sound reflection by maximum-lenght-sequences, Journal of Acoustic Society of America 57, pp. 149 - 150,1975.

M. R. Schroeder, Number Theory in Science and Communications, Springer, Berlin, 1986.

L. Shtrepi, A. Astolfï, S. Pelzer, R. Vitale, M. Rychtarikova, Objective and perceptual assessment of the scattered sound field in a simulated concert hall, Journal of Acoustical Society of America 138, 2004.

L. Shtrepi, A. Astolfï, G. D'Antonio, G. Vannelli, G. Barbato, S. Mauro, A. Prato, Accuracy of the random-incidence scattering coefficient measurement, Applied Acoustic 106, pp. 23 - 35, 2016.

M. Stavrich, A. Wiltsche, Three -dimensional ornamental strucrures based on the wallpaper groups in architecture, Journal for Geometry and Graphics 16, 2012.

A. Tedeschi, Architettura parametrica : introduzione a Grasshopper, Le Penseur, Brienza, 2010.

Y. Tsuchiya, H. Lee, T. Sakuma, Scale model measurement of the scattering coefficients of rib/block structure walls, AIJ Journal of Technology and Design 19, pp. 175- 178, 2013.

A. Van der Arten, Pachyderm Acoustical Simulation: Towards Open- Source Sound Analysis, in B. Peters, X. De Kestelier, AD Architectural Design - Computation Works: The Building of Algorithmic Thought, vol. 83, pp. 138 - 139, 2013.

M. Vomhof, L. Vasey, F. Gramazio, M. Kohler, S. Brauer, Robotic fabrication on acoustic brick walls, ACADIA 14: Design Agency, vol. 34, 2014.

M. Vorländer, E. Mommertz, Definition and Measurement of random- incidence scattering coefficients, Applied Acoustics 60, pp. 187 - 199, 2000.

M. Vorländer, J.-J. Embrechts, L. De Geetere, G. Vermier, K. Eggenschwiler, J. Strauss, Case studies in measurement of random incidence scattering coefficients, Acta Acustica united with Acustica 90, pp. 858 - 867, 2015.

S. Zhao, X. Qiu, E. Cheng, I. Burnett, N. Williams, J. Burry, M. Burry, Sound quality inside small meeting rooms with different room shape and fine structures, Applied Acoustics 93, pp. 65 - 74, 2015.

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