Moderne Verfahren der lautsprecherbasierten Raumschallfeldsynthese

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

Transcript

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
   

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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
   

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3. 3
   1. Schallfelder in Räumen
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   

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4. 4
   Schallfelder in Räumen
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   www.ilmore2.chem.northwestern.edu
   

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5. 5
   Schallfelder in Räumen
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   Vorländer 2008
   

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6. 6
   Schallfelder in Räumen
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   Jot, 1992
   

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7. 7
   Richtungsigeldarstellung einer Raumimpulsantwort
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   x
   y
   z
   Schallfelder in Räumen
   

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8. 8
    Anschaulicher Sonderfall
   Schallfeld im schallharten Rechteckraum
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   Kuttruff 1999
   

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9. 9
   Fachgebiet Audiokommunikation
   Audio communication group
   Kuttruff 1999
    Einfache Schallfeldbestimmung: Spiegelschallquellen überall hörbar
   Schallfeld im schallharten Rechteckraum
   

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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
    

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11. 11
    Schallfelder in Räumen
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Jot, 1992
    Modales
    Verhalten
    Frühe
    Reflexionen
    Diffuser
    Nachhall
    

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12. 12
    2. Mechanische, elektroakustische und
    elektronische Raumschallfeldermanipulation
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    

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13. 13
    … in rein mechanischer Ausführung: Espace de Projection, IRCAM Paris
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Raumschallfeldmanipulation
    Peutz, 1978
    Tmax
    ~= 3.8s
    Tmax
    ~= 1s
    

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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
    

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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
    

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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
    

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17. 17
     “Ambiophonie” (Kleis 1958)
    Raumschallfeldmanipulation, elektroakustisch
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Weinzierl, HdA, 2008
    

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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
    

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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
    

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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
    

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21. 21
    3. Ein neues (?) Paradigma: Schallfeldsynthese
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    

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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
    

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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
    

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24. 24
     ‘Exakte’ Ansätze erlauben Synthese der Schallfelder einfacher
    Primärquellentypen:
    Monopol, ebene Wellen, fokussierter Monopol, …
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Schallfeldsynthese: Lautsprecherwiedergabeverfahren
    

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25. 25
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Schallfeldsynthese: Ebene Welle per WFS
    Blauert
    VL Komm.akustik
    

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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
    

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27. 27
    4. Implementationen virtueller akustischer
    Umgebungen: Eine Auswahl
    Fachgebiet Audiokommunikation
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28. 28
    Fachgebiet Audiokommunikation
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     Raven (Vorländer 1988, Lentz 2007, Schröder 2010)
    Virtuelle akustische Umgebungen
    

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29. 29
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Virtual Micropohone Control (ViMiC, Braasch 2005, Peters 2010)
    Virtuelle akustische Umgebungen
    

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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)
    

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31. 31
     Loudspeaker-based room auralization (LoRA, Favrot & Bucholz,
    2010)
    Virtuelle akustische Umgebungen
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    

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32. 32
    5. ‘Exakte’ Schallfeldbeschreibungen
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    

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33. 33
     Schallfeldvermessung mit Lautsprecher und Mikrofonarray
    Schallfeldbeschreibung: Datenbasiert
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Bernschütz, 2009
    Hulsebos, 2004
    Duraiswami, 2005
    

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34. 34
    Schallfeldbeschreibung: Datenbasiert
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Rohdaten eines zirkulären
    Mikrofonarrays:
    Philharmonie Berlin
    Conzertgebouw Amsterdam
    Hulsebos, 2004
    

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35. 35
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Schallfeldbeschreibung, generisch: Ebene-Wellen-Zerlegung
    Hulsebos, 2004
    

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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
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    Audio communication group
    

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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
    

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38. 38
     Untergrenze der Reflexionszahl
     je nach Streuungsmodell N x 104 … N x 106 Reflexionen
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    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
    
    

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39. 39
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion
    Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
    

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40. 40
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion
    Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
    

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41. 41
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion
    Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
    

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42. 42
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion
    Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
    

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43. 43
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
     Beispiel für schrittweise auditorische Schallfeldreduktion
    Auditorisch motivierte Reduzierung von Raumschallfeldern
    

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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:
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45. 45
    6. Klangakademie Berlin:
    Eine Modellstudie des FG AK
    Fachgebiet Audiokommunikation
    Audio communication group
    

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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
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    Audio communication group
    Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK
    

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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
    

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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
    

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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
    

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50. 50
    Demo realisiert mit freundlicher
    Unterstützung von:
    Alex Hoffmann (sax)
    Wilm Thoben (editing)
    Florian Gotz (editing)
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    Audio communication group
    Klangakademie Berlin: Eine Modellstudie des FG AK
    

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