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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-79390
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7939/


Implementation of the radiation characteristics of musical instruments in wave field synthesis applications

Implementierung der Abstrahlcharakteristik von Musikinstrumenten in Wellenfeldsynthesesystemen

Ziemer, Tim

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SWD-Schlagwörter: Akustik , Psychoakustik , Musikinstrument , Wellenfeldsynthese
Freie Schlagwörter (Deutsch): Musikalische Akustik, Instrumentenakustik, Abstrahlcharakteristik, Schallfeldsynthese, Audio
Freie Schlagwörter (Englisch): musical acoustics, sound radiation characteristics, sound field synthesis, psychoacoustics, wave field synthesis
Basisklassifikation: 24.44 , 24.64 , 24.80 , 24.46 , 24.49
Institut: Kulturgeschichte und Kulturkunde
DDC-Sachgruppe: Musik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Bader, Rolf (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.05.2015
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 07.07.2016
Kurzfassung auf Englisch: In this thesis a method to implement the radiation characteristics of musical in-
struments in wave field 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 field 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 first. 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 field synthesis systems it is determined by the distance
of adjacent loudspeakers.
Musical instruments are simplified as complex point sources to gain, store and prop-
agate their radiation characteristics. This method is the basis of the newly devel-
oped “Radiation Method” which improves the matrix conditioning of the equation
system and the precision of the wave field synthesis by implementing the radia-
tion characteristics of the driven loudspeakers. In this work, the “Minimum Energy
Method” — originally developed for acoustic holography — is applied for matters
of wave field synthesis for the first time. It guarantees a robust solution and creates
softer loudspeaker driving signals than the Radiation Method but yields a worse
approximation of the wave field beyond the discrete listening positions.
Psychoacoustic considerations allow for a successfull wave field synthesis: Integra-
tion times of the auditory system determine the spatial dimensions in which the wave field synthesis approach works despite different arrival times and directions of
wave fronts. By separating the spectrum into frequency bands of the critical band
width, masking effects are utilized to reduce the amount of calculations with hardly
audible consequances. By applying the “Precedence Fade”, the precedence effect is
used to manipulate the perceived source position and improve the reproduction
of initial transients of notes. Based on Auditory Scene Analysis principles, “Fad-
ing Based Panning” creates precise phantom source positions between the actual
loudspeaker positions.
Physical measurements, simulations and listening tests prove evidence for the in-
troduced 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 sys-
tems as well as other wave field synthesis applications.
Kurzfassung auf Deutsch: 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 vergleichswei-
se geringen Anzahl an Lautsprechern wird das Schallfeld an diskreten Hörpositionen
durch Lösung eines linearen Gleichungssystems resynthetisiert. Dadurch können für
jede Konstellation aus Quellen- und Hörposition alle Lautsprecher für die Synthese
verwendet werden. Hierzu wird zunächst in Frequenzebene, uner Vernachlässigung
der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls gerechnet. Dieses Vorgehen sorgt für
Artefakte im Schallsignal und Synthesefehler im Hörbereich, die durch psychoakus-
tische Methoden kompensiert werden. Im Vergleich zu anderen Wellenfeldsynthe-
severfahren wird bei diesem Vorgehen die Aliasingfrequenz durch die Größe des
Hörbereichs und nicht durch den Lautsprecherabstand bestimmt.
Musikinstrumente werden als komplexe Punktquellen vereinfacht, wodurch die Ab-
strahlung erfasst, gespeichert und in den Raum propagiert werden kann. Dieses
Vorgehen ist auch die Basis der neu entwickelten “Radiation Method”, die durch Ein-
beziehung 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
für die akustische Holografie entwickelte “Minimum Energy Method” auf Wellen-
feldsynthese 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 Überlegungen machen die Umsetzung der Wellenfeld-
synthese möglich: Integrationszeiten des Gehörs bestimmen die räumlichen Di-
mensionen in der die Wellenfeldsynthesemethode — trotz der aus verschiedenen
Richtungen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommenden Wellenfronten —
funktioniert. Durch Teilung des Schallsignals in Frequenzbänder der kritischen
Bandbreite wird unter Ausnutzung von Maskierungseffekten die Anzahl an nötigen
Rechnungen mit kaum hörbaren Konsequenzen reduziert. Mit dem “Precedence
Fade” wird der Präzedenzeffekt genutzt, um die wahrgenommene Schallquellen-
position zu beeinflussen. Zudem wird dadurch die Reproduktion transienter Ein-
schwingvorgänge verbessert. Auf Grundlage von Auditory Scene Analysis wird
“Fading Based Panning” eingeführt, um darüber hinaus eine präzise Schallquellen-
lokalisation jenseits der Lautsprecherpositionen zu erzielen.
Physikalische Messungen, Simulationen und Hörtests weisen nach, dass die neu
eingeführten Methoden funktionieren und zeigen ihre Präzision auf. Auch zeigt
sich, dass die wahrgenommene Räumlichkeit eines Instrumentenklangs nicht der
Lokalisationssicherheit entspricht.
Die eingeführten Methoden sind kompatibel mit konventionellen Mehrkanal-Audio-
systemen sowie mit anderen Wellenfeldsynthesesystemen.

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