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Implementation of the Radiation Characteristics of Musical Instruments in Wave Field Synthesis Applications
In this thesis a method to implement the radiation characteristics of musical instruments in wave ïŹeld synthesis systems is developed. It is applied and tested in two loudspeaker systems.Because the loudspeaker systems have a comparably low number of loudspeakers the wave ïŹeld is synthesized at discrete listening positions by solving a linear equation system. Thus, for every constellation of listening and source position all loudspeakers can be used for the synthesis. The calculations are done in spectral domain, denying sound propagation velocity at ïŹrst. This approach causes artefacts in the loudspeaker signals and synthesis errors in the listening area which are compensated by means of psychoacoustic methods. With these methods the aliasing frequency is determined by the extent of the listening area whereas in other wave ïŹeld synthesis systems it is determined by the distance of adjacent loudspeakers. Musical instruments are simpliïŹed as complex point sources to gain, store and propagate their radiation characteristics. This method is the basis of the newly developed âRadiation Methodâ which improves the matrix conditioning of the equation system and the precision of the wave ïŹeld synthesis by implementing the radiation characteristics of the driven loudspeakers. In this work, the âMinimum Energy Methodâ â originally developed for acoustic holography â is applied for matters of wave ïŹeld synthesis for the ïŹrst time. It guarantees a robust solution and creates softer loudspeaker driving signals than the Radiation Method but yields a worse approximation of the wave ïŹeld beyond the discrete listening positions. Psychoacoustic considerations allow for a successfull wave ïŹeld synthesis: Integration times of the auditory system determine the spatial dimensions in which the wave ïŹeld synthesis approach works despite diïŹerent arrival times and directions of wave fronts. By separating the spectrum into frequency bands of the critical band width, masking eïŹects are utilized to reduce the amount of calculations with hardly audible consequances. By applying the âPrecedence Fadeâ, the precedence eïŹect is used to manipulate the perceived source position and improve the reproduction of initial transients of notes. Based on Auditory Scene Analysis principles, âFading Based Panningâ creates precise phantom source positions between the actual loudspeaker positions. Physical measurements, simulations and listening tests prove evidence for the introduced methods and reveal their precision. Furthermore, results of the listening tests show that the perceived spaciousness of instrumental sound not necessarily goes along with distinctness of localization. The introduced methods are compatible to conventional multi channel audio systems as well as other wave ïŹeld synthesis applications.In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, um die Abstrahlcharakteristik von Musikinstrumenten in Wellenfeldsynthesesystemen zu implementieren. Diese wird in zwei Lautsprechersystemen umgesetzt und getestet. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl an Lautsprechern wird das Schallfeld an diskreten Hörpositionen durch Lösung eines linearen Gleichungssystems resynthetisiert. Dadurch können fĂŒr jede Konstellation aus Quellen- und Hörposition alle Lautsprecher fĂŒr die Synthese verwendet werden. Hierzu wird zunĂ€chst in Frequenzebene, unter VernachlĂ€ssigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls gerechnet. Dieses Vorgehen sorgt fĂŒr Artefakte im Schallsignal und Synthesefehler im Hörbereich, die durch psychoakustische Methoden kompensiert werden. Im Vergleich zu anderen Wellenfeldsyntheseverfahren wird bei diesem Vorgehen die Aliasingfrequenz durch die GröĂe des Hörbereichs und nicht durch den Lautsprecherabstand bestimmt. Musikinstrumente werden als komplexe Punktquellen vereinfacht, wodurch die Abstrahlung erfasst, gespeichert und in den Raum propagiert werden kann. Dieses Vorgehen ist auch die Basis der neu entwickelten âRadiation Methodâ, die durch Einbeziehung der Abstrahlcharakteristik der verwendeten Lautsprecher die Genauigkeit der Wellenfeldsynthese erhöht und die Konditionierung der Propagierungsmatrix des zu lösenden Gleichungssystems verbessert. In dieser Arbeit wird erstmals die fĂŒr die akustische HolograïŹe entwickelte âMinimum Energy Methodâ auf Wellenfeldsynthese angewandt. Sie garantiert eine robuste Lösung und erzeugt leisere Lautsprechersignale und somit mehr konstruktive Interferenz, approximiert das Schallfeld jenseits der diskreten Hörpositionen jedoch schlechter als die Radiation Method. Zahlreiche psychoakustische Ăberlegungen machen die Umsetzung der Wellenfeldsynthese möglich: Integrationszeiten des Gehörs bestimmen die rĂ€umlichen Dimensionen in der die Wellenfeldsynthesemethode â trotz der aus verschiedenen Richtungen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommenden Wellenfronten â funktioniert. Durch Teilung des Schallsignals in FrequenzbĂ€nder der kritischen Bandbreite wird unter Ausnutzung von MaskierungseïŹekten die Anzahl an nötigen Rechnungen mit kaum hörbaren Konsequenzen reduziert. Mit dem âPrecedence Fadeâ wird der PrĂ€zedenzeïŹekt genutzt, um die wahrgenommene Schallquellenposition zu beeinïŹussen. Zudem wird dadurch die Reproduktion transienter EinschwingvorgĂ€nge verbessert. Auf Grundlage von Auditory Scene Analysis wird âFading Based Panningâ eingefĂŒhrt, um darĂŒber hinaus eine prĂ€zise Schallquellenlokalisation jenseits der Lautsprecherpositionen zu erzielen. Physikalische Messungen, Simulationen und Hörtests weisen nach, dass die neu eingefĂŒhrten Methoden funktionieren und zeigen ihre PrĂ€zision auf. Auch zeigt sich, dass die wahrgenommene RĂ€umlichkeit eines Instrumentenklangs nicht der Lokalisationssicherheit entspricht. Die eingefĂŒhrten Methoden sind kompatibel mit konventionellen Mehrkanal-Audiosystemen sowie mit anderen Wellenfeldsynthesesystemen
Ambisonics
This open access book provides a concise explanation of the fundamentals and background of the surround sound recording and playback technology Ambisonics. It equips readers with the psychoacoustical, signal processing, acoustical, and mathematical knowledge needed to understand the inner workings of modern processing utilities, special equipment for recording, manipulation, and reproduction in the higher-order Ambisonic format. The book comes with various practical examples based on free software tools and open scientific data for reproducible research. The bookâs introductory section offers a perspective on Ambisonics spanning from the origins of coincident recordings in the 1930s to the Ambisonic concepts of the 1970s, as well as classical ways of applying Ambisonics in first-order coincident sound scene recording and reproduction that have been practiced since the 1980s. As, from time to time, the underlying mathematics become quite involved, but should be comprehensive without sacrificing readability, the book includes an extensive mathematical appendix. The book offers readers a deeper understanding of Ambisonic technologies, and will especially benefit scientists, audio-system and audio-recording engineers. In the advanced sections of the book, fundamentals and modern techniques as higher-order Ambisonic decoding, 3D audio effects, and higher-order recording are explained. Those techniques are shown to be suitable to supply audience areas ranging from studio-sized to hundreds of listeners, or headphone-based playback, regardless whether it is live, interactive, or studio-produced 3D audio material
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