Moderne Verfahren der lautsprecherbasierten Raumschallfeldsynthese

Eingeladener Vortrag zur Ringvorlesung “Konzerträume. Repertoire, Akustik und musikalische Aufführungskonzepte“, TU Berlin, SoSe 2011

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1. 1 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Moderne Verfahren der lautsprecherbasierten Raumschallfeldsynthese Alexander Lindau Beitrag zur Ringvorlesung “Konzerträume. Repertoire, Akustik und musikalische Aufführungskonzepte“ Fachgebiet Audiokommunikation, TU Berlin 4.07.2011
2. 2 Überblick 1. Schallfelder in Räumen 2. Raumschallfeldmanipulation 3. Ein neues (?) Paradigma: Schallfeldsynthese 4. Implementationen virtueller akustischer Umgebungen 5. ‘Exakte’ Raumschallfeldbeschreibungen 6. Die Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
3. 3 1. Schallfelder in Räumen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
4. 4 Schallfelder in Räumen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group www.ilmore2.chem.northwestern.edu
5. 5 Schallfelder in Räumen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Vorländer 2008
6. 6 Schallfelder in Räumen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Jot, 1992
7. 7 Richtungsigeldarstellung einer Raumimpulsantwort Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group x y z Schallfelder in Räumen
8. 8  Anschaulicher Sonderfall Schallfeld im schallharten Rechteckraum Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Kuttruff 1999
9. 9 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Kuttruff 1999  Einfache Schallfeldbestimmung: Spiegelschallquellen überall hörbar Schallfeld im schallharten Rechteckraum
10. 10 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Kuttruff 1999   V ct N SSQ 3 3 4   Als Simulationsansatz: wenig plausibel, praxisferner Fall  Modellierung von Streuung wesentlich Schallfeld im schallharten Rechteckraum
11. 11 Schallfelder in Räumen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Jot, 1992 Modales Verhalten Frühe Reflexionen Diffuser Nachhall
12. 12 2. Mechanische, elektroakustische und elektronische Raumschallfeldermanipulation Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
13. 13 … in rein mechanischer Ausführung: Espace de Projection, IRCAM Paris Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Raumschallfeldmanipulation Peutz, 1978 Tmax ~= 3.8s Tmax ~= 1s
14. 14  V und A variabel  Damit V, T oder rcrit manipulierbar, wobei ein Faktor konstant gehalten werden kann Unter Nachführen der Absorbtion A(t): Raumschallfeldmanipulation, mechanisch ) ( 161 . 0 t A V T  161 . 0 ) ( T t A V  Nachhallzeit bei konstantem Volumen verändern Volumen bei konstanter Nachhallzeit verändern Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
15. 15  V und A variabel  Damit V, T oder rcrit manipulierbar, wobei ein Faktor konstant gehalten werden kann Unter Nachführen des Volumens V(t): Raumschallfeldmanipulation, mechanisch 2 057 . 0 ) (          crit r t V T T t V r crit ) ( 057 . 0  Nachhallzeit bei konstantem Hallradius verändern Hallradius bei konstanter Nachhallzeit verändern Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
16. 16  V und A variabel  Damit V, T oder rcrit manipulierbar, wobei ein Faktor konstant gehalten werden kann Unter Nachführen der Nachhallzeit T(t) Raumschallfeldmanipulation, mechanisch ) ( 057 . 0 2 t T r V crit        ) ( 057 . 0 t T V r crit  Volumen bei konstantem Hallradius verändern Hallradius bei konstantem Volumen verändern Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
17. 17  “Ambiophonie” (Kleis 1958) Raumschallfeldmanipulation, elektroakustisch Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Weinzierl, HdA, 2008
18. 18  Nachhallverlängerung  Parkin u. Morgan (1965): “Assisted Resonance (AR)“  Schmalbandige Resonatoren in Druckbäuchen  Lautprecher an entfernten Druckbäuchen  Verfärbungsfreie Erhöhung der tieffrequenten RT Raumschallfeldmanipulation, elektroakustisch Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Weinzierl, HdA, 2008
19. 19  Electronic Reflected-Energy System (ERES, J.C. Jaffe)  “elektronische Architektur”  Kombiniertes ERES und AR-System: Raumschallfeldmanipulation, elektroakustisch Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Weinzierl, HdA, 2008 ERES AR
20. 20  Verfahren:  Acoustic Control System (ACS, Berkhout 1988)  Reverberation on Demand System (RODS)  Lexicon Acoustic Reinforcement and Enhancement System (LARES, Griesinger 1990)  System for improved acoustic performance (SIAP, Prinssen u. Kok 1994)  Virtual Room Acoustic System (VRAS)  CARMEN (Vian u. Meynal 1998)  Active Field Control (AFC, Miyazaki et al. 2003) Raumschallfeldmanipulation, elektronisch Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
21. 21 3. Ein neues (?) Paradigma: Schallfeldsynthese Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
22. 22  Moderne echtzeitfähige Algorithmen zur Erzeugung 2 & 3- dimensionaler, komplexer Schallfelder  Periphonische und horizontale Lautsprecherarrays  Synthese beliebiger (parametrischer) Schallfelder  … Kophörerwiedergabe als binaurale Signale Ein neues (?) Paradigma: Schallfeldsynthese Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Minnaar 2010
23. 23 ‘Physikalisch exakte’ Ansätze  Kirchhoff-Helmholtz-Integralformulierung  SF-Entwicklung in sphärische Fourier-Bessel-Reihen  WFS (Berkhout 1993), HOA (Daniel 2003, Ahrens 2010) Vereinfachte Ansätze  Ambisonics Panning (Gerzon, 1973)  Distance Based Amplitude Panning (Lossius, 2009) Auditorisch motivierte Ansätze  (Mehrkanal-)Stereophonie  Vector Based Amplitude Panning (VBAP, Pulki 1997) Schallfeldsynthese: Lautsprecherwiedergabeverfahren Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Nahas, 2010 Daniel, 2003 Pulkki, 1997
24. 24  ‘Exakte’ Ansätze erlauben Synthese der Schallfelder einfacher Primärquellentypen: Monopol, ebene Wellen, fokussierter Monopol, … Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Schallfeldsynthese: Lautsprecherwiedergabeverfahren
25. 25 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Schallfeldsynthese: Ebene Welle per WFS Blauert VL Komm.akustik
26. 26  Dynamische Binauralsynthese Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Convolve BRIR * x(t) Anechoic stimulus x(t) head tracking Binaural acquisition Binaural Reproduction BRIR data sets HATS device Schallfeldsynthese via Kopfhörerwiedergabe
27. 27 4. Implementationen virtueller akustischer Umgebungen: Eine Auswahl Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
28. 28 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Raven (Vorländer 1988, Lentz 2007, Schröder 2010) Virtuelle akustische Umgebungen
29. 29 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Virtual Micropohone Control (ViMiC, Braasch 2005, Peters 2010) Virtuelle akustische Umgebungen
30. 30 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Spatial Impulse Response Rendering (SIRR, Merimaa & Pulkki, 2005) Virtuelle akustische Umgebungen  Directional Audio Coding (DirAC, Pulkki 2007, Vilkamo, Lokki & Pulkki, 2009)
31. 31  Loudspeaker-based room auralization (LoRA, Favrot & Bucholz, 2010) Virtuelle akustische Umgebungen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
32. 32 5. ‘Exakte’ Schallfeldbeschreibungen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
33. 33  Schallfeldvermessung mit Lautsprecher und Mikrofonarray Schallfeldbeschreibung: Datenbasiert Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Bernschütz, 2009 Hulsebos, 2004 Duraiswami, 2005
34. 34 Schallfeldbeschreibung: Datenbasiert Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Rohdaten eines zirkulären Mikrofonarrays: Philharmonie Berlin Conzertgebouw Amsterdam Hulsebos, 2004
35. 35 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Schallfeldbeschreibung, generisch: Ebene-Wellen-Zerlegung Hulsebos, 2004
36. 36  Simulationsverfahren mit geometrischen Ansätzen: Spiegelschallquellenverfahren, Raytracing, Hybride Verfahren  Simulationsverfahren mit wellenbasierten Ansätzen: FEM, BEM, FMBEM, FDTD  Kommerzielle Softwarepakete für geomtrische Raumakustik: EASE, ODEON, CATT … Schallfeldbeschreibung: Modellbasiert Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
37. 37 Richtungsigeldarstellung einer Raumimpulsantwort Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Schallfeldbeschreibung: Modellbasiert  Simulationsergebnis geometrischer Verfahren:  Pegel  Verzögerungszeit  Einfallswinkel  Spektrum jeder Einzelreflexion. x y z Reflektogrammdarstellung einer Raumimpulsantwort
38. 38  Untergrenze der Reflexionszahl  je nach Streuungsmodell N x 104 … N x 106 Reflexionen Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Direktschall * HRIR HRIR Akkumulator (BRIR) Cochlea Haarzelle Lokaler Entscheider Hörbar? „0“ „1“ N = N + 1 N. Reflexion * HRIR Cochlea ∆tN Hörschwelle Globaler Entscheider Haarzelle „1“ „0“ Integrator dt Neuronale Verarbeitung Mechano -neuronale Schnittstelle Innenohr Außenohr Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern Integrator dt   V ct N SSQ 3 3 4 
39. 39 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
40. 40 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
41. 41 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
42. 42 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
43. 43 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group  Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
44. 44 Hulsebos, 2004 Schallfeldbeschreibung: Modellbasiert  Finale Aufbereitung als parametrische Schallszene In Synthese:  spezifische Behandlung von Direktschall, frühen Reflexionen und Nachhall  Verfahrensabhängig  Beispielszene für WFS: Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
45. 45 6. Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group
46. 46  Projekt zur Berliner Klangakademie (Adam Audio GmbH, FG AK): “Simulation eines Beschallungskonzepts für eine innovative Spielstätte (I-III)”  Drei Abschlussarbeiten zu den Themen: 1. Auditorische Schallfeldreduktion (Max Röhrbein) 2. Schallfeldsyntheseverfahren (Johnny Nahas) 3. Dynamische binaurale Auralisation (Antonio Cardenas)  Offenes Abschlussarbeitsthema: Nachhallsynthese Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK
47. 47  Dynamische Binauralsynthese Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Convolve BRIR * x(t) Anechoic stimulus x(t) head tracking Binaural acquisition Binaural Reproduction BRIR data sets HATS device Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK
48. 48  Ziel: Entscheidungsfindung für Ausstattung der KA  Binauraler Vergleich (a) realer, (b) numerisch simulierter und (c) per Schallfeldsynthese reproduzierter, simulierter Schallfelder Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Nahas, 2010 Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK
49. 49 Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Nahas, 2010  Binaurale Simulation ermöglicht Direktvergleich des 1. Modellierungsansatzes mit der Realität, 2. verschiedener Schallfeldsyntheseverfahren und 3. Lautprecherkonfigurationen 4. an verschiedenen Sitzplätzen. 5. … Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK
50. 50 Demo realisiert mit freundlicher Unterstützung von: Alex Hoffmann (sax) Wilm Thoben (editing) Florian Gotz (editing) Fachgebiet Audiokommunikation Audio communication group Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK