Aspects of room acoustics, vision and motion in the human auditory perception of space

The human sense of hearing contributes to the awareness of where sound-generating objects are located in space and of the environment in which the hearing individual is located. This auditory perception of space interacts in complex ways with our other senses, can be both disrupted and enhanced by sound reflections, and includes safety mechanisms which have evolved to protect our lives, but can also mislead us. This dissertation explores some selected topics from this wide subject area, mostly by testing the abilities and subjective judgments of human listeners in virtual environments. Reverberation is the gradually decaying persistence of sounds in an enclosed space which results from repeated sound reflections at surfaces. The first experiment (Chapter 2) compared how strongly people perceived reverberation in different visual situations: when they could see the room and the source which generated the sound; when they could see some room and some sound source, but the image did not match what they heard; and when they could not see anything at all. There were no indications that the visual image had any influence on this aspect of room-acoustical perception. The potential benefits of motion for judging the distance of sound sources were the focus of the second study (Chapter 3), which consists of two parts. In the first part, loudspeakers were placed at different depths in front of sitting listeners who, on command, had to either remain still or move their upper bodies sideways. This experiment demonstrated that humans can exploit motion parallax (the effect that closer objects appear faster to a moving observer than farther objects) with their ears and not just with their eyes. The second part combined a virtualisation of such sound sources with a motion platform to show that the listeners’ interpretation of this auditory motion parallax was better when they performed this lateral movement by themselves, rather than when they were moved by the apparatus or were not actually in motion at all. Two more experiments were concerned with the perception of sounds which are perceived as becoming louder over time. These have been called “looming”, as the source of such a sound might be on a collision course. One of the studies (Chapter 4) showed that western diamondback rattlesnakes (Crotalus atrox) increase the vibration speed of their rattle in response to the approach of a threatening object. It also demonstrated that human listeners perceive (virtual) snakes which engage in this behaviour as especially close, causing them to keep a greater margin of safety than they would otherwise. The other study (section 5.6) was concerned with the well-known looming bias of the sound localisation system, a phenomenon which leads to a sometimes exaggerated, sometimes more accurate perception of approaching compared to receding sounds. It attempted to find out whether this bias is affected by whether listeners hear such sounds in a virtual enclosed space or in an environment with no sound reflections. While the results were inconclusive, this experiment is noteworthy as a proof of concept: It was the first study to make use of a new real-time room-acoustical simulation system, liveRAZR, which was developed as part of this dissertation (Chapter 5). Finally, while humans have been more often studied for their unique abilities to communicate with each other and bats for their extraordinary capacity to locate objects by sound, this dissertation turns this setting of priorities on its head with the last paper (Chapter 6): Based on recordings of six pale spear-nosed bats (Phyllostomus discolor), it is a survey of the identifiably distinct vocalisations observed in their social interactions, along with a description of the different situations in which they typically occur.Das menschliche Gehör trägt zum Bewusstsein dafür bei, wo sich schallerzeugende Objekte im Raum befinden und wie die Umgebung beschaffen ist, in der sich eine Person aufhält. Diese auditorische Raumwahrnehmung interagiert auf komplexe Art und Weise mit unseren anderen Sinnen, kann von Schallreflektionen sowohl profitieren als auch durch sie behindert werden, und besitzt Mechanismen welche evolutionär entstanden sind, um unser Leben zu schützen, uns aber auch irreführen können. Diese Dissertation befasst sich mit einigen ausgewählten Themen aus diesem weiten Feld und stützt sich dabei meist auf die Testung von Wahrnehmungsfähigkeiten und subjektiver Einschätzungen menschlicher Hörer/-innen in virtueller Realität. Beim ersten Experiment (Kapitel 2) handelte es sich um einen Vergleich zwischen der Wahrnehmung von Nachhall, dem durch wiederholte Reflexionen an Oberflächen hervorgerufenen, sukzessiv abschwellenden Verbleib von Schall in einem umschlossenen Raum, unter verschiedenen visuellen Umständen: wenn die Versuchsperson den Raum und die Schallquelle sehen konnte; wenn sie irgendeinen Raum und irgendeine Schallquelle sehen konnte, dieses Bild aber vom Schalleindruck abwich; und wenn sie gar kein Bild sehen konnte. Dieser Versuch konnte keinen Einfluss eines Seheindrucks auf diesen Aspekt der raumakustischen Wahrnehmung zu Tage fördern. Mögliche Vorteile von Bewegung für die Einschätzung der Entfernung von Schallquellen waren der Schwerpunkt der zweiten Studie (Kapitel 3). Diese bestand aus zwei Teilen, wovon der erste zeigte, dass Hörer/-innen, die ihren Oberkörper relativ zu zwei in unterschiedlichen Abständen vor ihnen aufgestellten Lautsprechern auf Kommando entweder stillhalten oder seitlich bewegen mussten, im letzteren Falle von der Bewegungsparallaxe (dem Effekt, dass sich der nähere Lautsprecher relativ zum sich bewegenden Körper schneller bewegte als der weiter entfernte) profitieren konnten. Der zweite Teil kombinierte eine Simulation solcher Schallquellen mit einer Bewegungsplattform, wodurch gezeigt werden konnte, dass die bewusste Eigenbewegung für die Versuchspersonen hilfreicher war, als durch die Plattform bewegt zu werden oder gar nicht wirklich in Bewegung zu sein. Zwei weitere Versuche gingen auf die Wahrnehmung von Schallen ein, deren Ursprungsort sich nach und nach näher an den/die Hörer/-in heranbewegte. Derartige Schalle werden auch als „looming“ („anbahnend“) bezeichnet, da eine solche Annäherung bei bedrohlichen Signalen nichts Gutes ahnen lässt. Einer dieser Versuche (Kapitel 4) zeigte zunächst, dass Texas-Klapperschlangen (Crotalus atrox) die Vibrationsgeschwindigkeit der Schwanzrassel steigern, wenn sich ein bedrohliches Objekt ihnen nähert. Menschliche Hörer/-innen nahmen (virtuelle) Schlangen, die dieses Verhalten aufweisen, als besonders nahe wahr und hielten einen größeren Sicherheitsabstand ein, als sie es sonst tun würden. Der andere Versuch (Abschnitt 5.6) versuchte festzustellen, ob die wohlbekannte Neigung unserer Schallwahrnehmung, näherkommende Schalle manchmal übertrieben und manchmal genauer einzuschätzen als sich entfernende, durch Schallreflektionen beeinflusst werden kann. Diese Ergebnisse waren unschlüssig, jedoch bestand die Besonderheit dieses Versuchs darin, dass er erstmals ein neues Echtzeitsystem zur Raumakustiksimulation (liveRAZR) nutzte, welches als Teil dieser Dissertation entwickelt wurde (Kapitel 5). Abschließend (Kapitel 6) wird die Schwerpunktsetzung auf den Kopf gestellt, nach der Menschen öfter auf ihre einmaligen Fähigkeiten zur Kommunikation miteinander untersucht werden und Fledermäuse öfter auf ihre außergewöhnliches Geschick, Objekte durch Schall zu orten: Anhand von Aufnahmen von sechs Kleinen Lanzennasen (Phyllostomus discolor) fasst das Kapitel die klar voneinander unterscheidbaren Laute zusammen, die diese Tiere im sozialen Umgang miteinander produzieren, und beschreibt, in welchen Situationen diese Lauttypen typischerweise auftreten

Acoustical design of water features and their use for road traffic noise masking

This thesis examines the physical and perceptual properties of water sounds generated by small to medium sized water features, and their use for road traffic noise masking. A wide range of design factors have been tested in the laboratory for waterfalls, cascades, fountains and jets which can typically be found in open spaces such as gardens and parks. A number of field tests were also carried out to illustrate the variability of water sounds. The results obtained indicated that estimations can be made on how design factors affect sound pressure levels, frequency content and psychoacoustic properties. Key design factor findings include the higher sounds pressure levels obtained when distributing the same amount of water over several streams rather than over one uniform stream (+2-3 dB), the increase in the overall sound pressure level at high flow rates with increasing waterfall’s width (+2-3 dB), and the significant increases in sound pressure level with increasing height of falling water (+5-10 dB). Impact materials greatly affected acoustical and psychoacoustical properties, results showing however that changes in sound pressure level and spectra become less and less significant with increasing height and flow rate. Overall, water produced more mid and low frequencies (+5-10 dB compared to hard materials in the range 250 Hz – 2 kHz), whilst hard materials tended to increase the high frequency content of approximately 5 dB. Comparisons with road traffic noise showed that there is a mismatch between the frequency responses of traffic noise and water sounds, with the exception of waterfalls with large flow rates which can generate low frequency levels comparable to traffic noise. Auditory tests were carried out to assess water sound preferences in the presence of road traffic noise. These were undertaken in the context of peacefulness and relaxations within gardens or balconies where motorway noise was audible. Results showed that water sounds should be similar or not less than 3 dB below the road traffic noise level, and that stream sounds tend to be preferred to fountain sounds, which are in turn preferred to waterfall sounds. Analysis made on groups of sounds also indicated that low sharpness and large temporal variations were preferred on average, although no acoustical or psychoacoustical parameter correlated well with the individual sound preferences