Simulating Low Frequency Reverberation in Rooms

The aim of this thesis was to make a practical tool for low frequency analysis in room acoustics.The need arises from Acad’s experience that their results from simulations using raytracing software deviate in the lower frequencies when compared to field measurements inrooms. The tool was programmed in Matlab and utilizes the Finite Difference Time Domain (FDTD) method, which is a form of rapid finite element analysis in the time domain.A number of tests have been made to investigate the practical limitations of the FDTD method, such as numerical errors caused by sound sources, discretization and simulation time. Boundary conditions, with and without frequency dependence, have been analysed bycomparing results from simulations of a virtual impedance tube and reverberation room to analytical solutions. These tests show that the use of the FDTD method appears well suited for the purpose of the tool.A field test was made to verify that the tool enables easy and relatively quick simulations of real rooms, with results well in line with measured acoustic parameters. Comparisons of the results from using the FDTD method, ray-tracing and finite elements (FEM) showed goodcorrelation. This indicates that the deviations Acad experience between simulated results and field measurements are most likely caused by uncertainties in the sound absorption data used for low frequencies rather than by limitations in the ray-tracing software. The FDTDtool might still come in handy for more complex models, where edge diffraction is a more important factor, or simply as a means for a “second opinion” to ray-tracing - in general FEM is too time consuming a method to be used on a daily basis.Auxiliary tools made for importing models, providing output data in the of room acoustic parameters, graphs and audio files are not covered in detail here, as these lay outside the scope of this thesis.Målet för detta examensarbete var att undersöka möjligheten att programmera ett praktisktanvändbart verktyg för lågfrekvensanalys inom rumsakustik. Behovet uppstår från Acadserfarenhet att resultat från simuleringar med hjälp av strålgångsmjukvara avviker i lågfrekvensområdeti jämförelse med fältmätningar i färdigställda rum. Verktyget är programmerati Matlab och använder Finite Difference Time Domain (FDTD) metoden, vilket är en typav snabb finita elementanalys i tidsdomänen.En rad tester har genomförts för att se metodens praktiska begräsningar orsakade av numeriskafel vid val av ljudkälla, diskretisering och simuleringstid. Randvillkor, med och utanfrekvensberoende, har analyserats genom jämförelser av simulerade resultat i virtuella impedansröroch efterklangsrum mot analytiska beräkningar. Testerna visar att FDTD-metodentycks fungerar väl för verktygets tilltänkta användningsområde.Ett fälttest genomfördes för att verifiera att det med verktyget är möjligt att enkelt och relativtsnabbt simulera resultat som väl matcher uppmätta rumsakustiska parametrar. Jämförelsermellan FDTD-metoden och resultat beräknade med strålgångsanalys och finita elementmetoden(FEM) visade även på god korrelation. Detta indikerar att de avvikelser Acaderfar mellan simulerade resultat och fältmätningar troligen orsakas av osäkerheter i den ingåendeljudabsorptionsdata som används för låga frekvenser, snarare än av begränsningar istrålgångsmjukvaran. Verktyget kan fortfarande komma till användning för mer komplexamodeller, där kantdiffraktion är en viktigare faktor, eller helt enkelt som ett sätt att få ett”andra utlåtande” till resultaten från strålgångsmjukvaran då FEM-analys generellt är en förtidskrävande metod för att användas på daglig basis.Kringverktyg skapade för t.ex. import av modeller, utdata i form av rumsakustiska parametrar,grafer och ljudfiler redovisas inte i detalj i denna rapport eftersom dessa ligger utanförexamensarbetet