Simulation and visualization of in- and outdoor sound [Elektronische Ressource] / von Frank Michel

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Simulation and Visualizationof In- and Outdoor SoundVom Fachbereich Informatikder Technischen Universitat Kaiserslauternzur Erlangung des akademischen GradesDoktor der Naturwissenschaften(Dr. rer. nat.)genehmigte Dissertation vonFrank MichelDekan: Prof. Dr. Karsten BernsVorsitzender der Prufungskomission: Prof. Dr. BernsErster Berichterstatter: Prof. Dr. Hans HagenZweiter Berichterstatter: Prof. Dr. Dianne HansfordTag der wissenschaftlichen Aussprache: 30. September 2008AcknowledgementsI am grateful to have the chance to thank all the people I worked with and whichsupported me during the work on this dissertation. First of all I would like to thankmy doctoral advisor Hans Hagen not only for giving me the chance to be a part ofthe International Research Training GroupIRTG1131 - "Visualization of Large andUnstructured Data Sets" at the University of Kaiserslautern but also for providingvaluable suggestions in work and non work related matters. I would also like tothank my co-advisor Dianne Hansford for support and advice during my visits toArizona State University.I would like to thank all my colleagues in the "Computer Graphics and Visualiza-tion" group and the IRTG for the intellectual exchange and fruitful discussions,especially Martin Hering-Bertram for the invaluable discussions on the topic andhis constructive criticism and Eduard Deines for the excellent collaboration on ourcommon projects which resulted in a great part of this thesis.

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Published 01 January 2008
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Simulation and Visualization
of In- and Outdoor Sound
Vom Fachbereich Informatik
der Technischen Universitat Kaiserslautern
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation von
Frank Michel
Dekan: Prof. Dr. Karsten Berns
Vorsitzender der Prufungskomission: Prof. Dr. Berns
Erster Berichterstatter: Prof. Dr. Hans Hagen
Zweiter Berichterstatter: Prof. Dr. Dianne Hansford
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 30. September 2008Acknowledgements
I am grateful to have the chance to thank all the people I worked with and which
supported me during the work on this dissertation. First of all I would like to thank
my doctoral advisor Hans Hagen not only for giving me the chance to be a part of
the International Research Training GroupIRTG1131 - "Visualization of Large and
Unstructured Data Sets" at the University of Kaiserslautern but also for providing
valuable suggestions in work and non work related matters. I would also like to
thank my co-advisor Dianne Hansford for support and advice during my visits to
Arizona State University.
I would like to thank all my colleagues in the "Computer Graphics and Visualiza-
tion" group and the IRTG for the intellectual exchange and fruitful discussions,
especially Martin Hering-Bertram for the invaluable discussions on the topic and
his constructive criticism and Eduard Deines for the excellent collaboration on our
common projects which resulted in a great part of this thesis. Special thanks go to
Inga Scheler and Mady Gruys which were always there when I needed them and for
managing all the organisational things in the background.
Last - but certainly not least - I wish to thank my parents for their unwavering yet
unobtrusive support which allowed me to undertake my studies in the rst place
and gave me the freedom I needed.Zusammenfassung
Wir sind immerwahrend und uberall von Gerauschen umgeben, egal ob angenehme
Musik in einer Konzerthalle oder storender Larm von der Stra e vor unserer Haust ur.
Die fundamentalen Eigenschaften beider Arten von Gerausch sind identisch, namlich
die Ausbreitung von Schallwellen ausgehend von einer Schallquelle, aber wir nehmen
sie unterschiedlich und zwar abhangig von unserem momentanen Gemutszustand
oder ob das Gerausch gewunsc ht ist oder nicht.
Im Rahmen dieser Dissertation werden anhand von Schallsimulationen und Visua-
lisierungen der Ergebnisse sowohl angenehme Musik als auch storender Larm un-
tersucht. Obwohl die fundamentalen Eigenschaften beider Arten identisch sind liegt
das Interesse doch auf unterschiedlichen Merkmalen. Zum Beispiel ist die Nachhall-
zeit ein wichtiges Merkmal einer Konzerthalle, wohingegen bei der Betrachtung von
Larm im Ende ekt 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 aufgesplitted.
Der erste Teil behandelt mit Raumakustik die Simulation und Visualisierung von
Schall und akustischen Gutema en, wie Deutlichkeit und Klarheitsma , in Innen-
raumen. Zur Simulation werden zwei unterschiedliche Methoden verwendet und ver-
glichen. Zum einen ein geometrisches Verfahren, Phonon Tracing, und zum anderen
ein wellenbasiertes, eine Finite Elemente Methode. Die vorgestellten Visualisierungs-
methoden geben einen Einblick in die Ausbreitung und Interaktion von Schall in
Raumen sowohl aus einem globalen als auch aus einem Zuhorerzentrierten Blick-
winkel. Desweiteren wird eine akustische Renderinggleichung prasentiert mit dessen
Hilfe Interferenze ekte visualisiert werden. Au erdem wird eine neue Methode zur
Visualisierung von niederfrequentem Schall vorgestellt welche es erlaubt die topolo-
gische Struktur von Druckverteilungen zu analysieren.
Der zweite Teil beschaftigt sich mit der Simulation und Visualisierung von Um-
gebungslarm, insbesondere Verkehrslarm. Das gesetzlich vorgeschriebenen Berech-
nungsverfahren wird ausfuhrlic h diskutiert und ein Ansatz zur Berechnung von
Larmvolumen und eine Erweiterung der Simulation, welche interaktive Larmbe-rechnungen ermoglicht, vorgestellt. Zur Darstellung der berechneten Larmdaten wer-
den diese in eine interaktive dreidimensionale Umgebung eingebettet und verschie-
dene Techniken zur Visualisierung prasentiert. Durch das hinzufugen erweiterter
Information wird die Verstandlichkeit der Larmdaten weiter erhoht und das Nut-
zungsfeld des Systems erweitert.
6Abstract
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 di erent 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 tra c noise are the same, one is interested in di erent
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 di erences are re ected in di erent methods of simulation and required visu-
alizations, therefore this thesis is divided into two parts.
The rst part about room acoustics deals with the simulation and novel visualiza-
tions for indoor sound and acoustic quality measures, such as de nition (original
"Deutlichkeit") and clarity index (original "Klarheitsma "). For the simulation two
di erent 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 e ects for di erent frequencies. Last but not least a
novel visualization approach for low frequency sound is presented, which enables the
topological analysis of pressure elds based on room eigenfrequencies.
The second part about environmental noise is concerned with the simulation and
visualization of outdoor sound with a focus on tra c noise. The simulation in-
struction 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 inter-
action 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 frame-work to enhance the visualization of noise and the usability of the framework for
di erent usages.
8Contents
I Room Acoustics 13
1 Introduction 15
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Related work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.2 Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Simulation 23
2.1 Phonon tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1 Phonon tracing for sound energy . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.2 Phonon tracing for sound pressure . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.3 Phonon tracing with scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2 Finite Element Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Comparison of phonon tracing and FEM results . . . . . . . . . . . . 33
3 Visualization 41
3.1 Visualizing the phonon map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.1 Phonon map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 Phonons on surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 Phonon propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.3.1 Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.3.2 Triangulated wave fronts . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Listener based visualizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55ii Contents
3.2.1 Listener spheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2 Surface importance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.3 Sound tracing using an acoustic rendering equation . . . . . . 70
3.3 Visualizing low frequency sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Conclusion and future work 91
II Environmental Noise 93
5 Introduction 95
5.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 Open problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6 Basics 99
6.1 What is noise? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2 Measurement and computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.1 De nition of sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.2 Noise parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.2.3 Noise indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2.4 Noise propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.3 Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3.1 Tra c noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3.2 Aircraft noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.3 Railway noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3.4 Industrial noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.3.5 Recreational noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4 Health e ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.4.1 Noise-induced hearing loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111