Das menschliche Hörvermögen bestimmt zu weiten Teilen die Wahrnehmung der eigenen Umwelt, ermöglicht die Kommunikation und dient unter anderem als Alarmierungs- und
Lokalisationssystem. Im Gegensatz zum Sehsinn ist das auditorische System in der Lage, im dreidimensionalen Raum wahrzunehmen und zu lokalisieren. Die Lokalisationsleistung
liegt in der Auswertung monauraler und binauraler spektrotemporaler Eigenschaften der Schallsignale.
John William Strutt auch als Lord Rayleigh bekannt, entwickelte 1907 die Duplex-Theorie (Strutt, 1907), in der erstmalig die interauralen Schallsignaldifferenzen betrachtet wurden. Stevens
und Newman (1936) erweiterten die Duplextheorie bezüglich der Gesetze der Beugung und Reflexion und somit der Gültigkeit der Duplextheorie in Abhängigkeit von der Frequenz.
Um sowohl diese monauralen als auch die binauralen zur Lokalisation beitragenden Schallsignalinformationen zu evaluieren, werden seit einigen Jahrzehnten die Außenohrübertragungsfunktionen, auch als Head-Related-Transfer-Functions bezeichnet, gemessen. Das anfängliche Ziel lag in der Erkenntnis der an der räumlichen Abbildung beteiligten anatomischen Merkmale. Mit Einzug der Digitaltechnik ist der Anwendungsbereich jedoch weit darüber hinaus gewachsen. Die Abhängigkeit der Ohrsignale vom Schallquellenort wird als Kodierung räumlicher Informationen aufgefaßt, was wiederum bedeutet, dass bei Kenntnis der Ohrsignale diese zur Dekodierung der räumlichen Information genutzt werden können (Theile, 1980). So werden z.B. durch Filterung mit der individuellen, winkel- und frequenzabhängigen
HRTF raumgetreue Abbildungen von akustischen Richtungen simuliert, was sowohl in der Unterhaltungsindustrie und der Telekommunikationsindustrie für Telekonferenz- und
Telepräsenzsysteme aber auch zur Erzeugung virtueller akustischer Situationen und im Multimediabereich eingesetzt wird. Ein weiterer Bereich stellt die binaurale Aufnahme- und
Wiedergabetechnik dar, zu der seit den frühen 1980er Jahren die Verwendung von Kunstköpfen, welche aus zwei nachgebildeten äusseren Ohren in denen sich jeweils ein Mikrofon befindet und dem sich dazwischen befindlichen künstlichen Kopf besteht. [...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Theorie zum Räumlichen Hören
2.1 Grundlagen und Begriffsklärung
2.2 Monaurale Lokalisationsparameter
2.3 Binaurale Lokalisationsparameter
3 Theorie zur Messung und Berechnung von Übertragungsfunktionen
3.1 Systemtheoretische Grundlagen
3.2 Messstimuli
3.3 Validitäts- und Präzisionsbetrachtung von HRTF-Messungen
4 HRTF-Messsystem
4.1 Bestehendes System
4.2 Optimierung des bestehenden Systems
4.3 Implementierung
4.4 Validierung des Systems
5 Untersuchung zum Einfluss der Gehörgangseingangsimpedanz
5.1 Beschreibung der untersuchten Eingangsimpedanzen unter dem Aspekt der Mikrofonplatzierung und Veränderung des Außenohres
5.2 Experiment I: Richtcharakteristik
5.2.1 Methodik
5.2.2 Ergebnisse
5.3 Experiment II: HRTF
5.3.1 Methodik
5.3.2 Ergebnisse
6 HRTF-Messungen und Berechnung der Lokalisationsparameter
6.1 Methodik
6.1.1 Probanden
6.1.2 Versuchsdurchführung
6.2 Ergebnisse und Diskussion
6.2.1 HRTFs
6.2.2 Interaurale Zeitdifferenzen - ITDs
6.2.3 Interaurale Pegeldifferenzen - ILDs
7 Zusammenfassung und Diskussion
A Verwendete Geräte, Materialien und Software
A.1 Geräte
A.2 Materialien
A.3 Software
B Datenblätter
B.1 Panasonic WM-61A
B.2 Manger MSW
C Richtdiagramme
D MatLab-files
D.1 TASP reference TF.m
D.2 TASP total TF.m
D.3 calc steps.m
D.4 subject routine.m
D.5 start routine.m
D.6 meas routine.m
D.7 pause routine.m
D.8 exit routine.m
D.9 initializing.m
D.10 axes moving.m
D.11 genDatabase.m
D.12 mls routine.m
D.13 genMLS.m
D.14 wn routine.m
D.15 GetIR xcorr.m
D.16 GetIR noise.m
D.17 GetIR wind.m
D.18 audiogram.m
Zielsetzung & Themen
Die Masterarbeit hat zum Ziel, eine präzise Messmethode für Außenohrübertragungsfunktionen (HRTFs) zu entwickeln, die den Einfluss der Gehörgangseingangsimpedanz berücksichtigt und eine naturgetreue individuelle Abbildung ermöglicht. Die zentrale Forschungsfrage fokussiert auf die Optimierung bestehender Messaufbauten zur Steigerung der Validität und Reproduzierbarkeit von Lokalisationsparametern bei gleichzeitiger Minimierung von Artefakten durch die Messumgebung und Mikrofonpositionierung.
- Entwicklung und Validierung einer optimierten Messmethode für individuelle HRTFs
- Quantifizierung des Einflusses verschiedener Gehörgangsabschlüsse (Schaumstoff, Silikon, Acryl) auf die Richtcharakteristik
- Weiterentwicklung des mechanischen Messaufbaus (TASP) zur Reduktion von Reflexionen
- Ermittlung und Vergleich binauraler Lokalisationsparameter (ITD, ILD) für 14 Probanden
Auszug aus dem Buch
2.1 Grundlagen und Begriffsklärung
Zur Beschreibung der Raumebenen bzgl. der Lokalisation, d. h. der Beurteilung der Richtung und Entfernung von Schallsignalen, wird in dieser Arbeit das Koordinatensystem von Blauert (1974) verwendet. Dieses System, dargestellt in Abbildung 2.1, ordnet den drei Raumebenen die zugehörigen Winkel zu. Zur Horizontalebene gehört der Azimuthwinkel ϕ und zur Vertikalebene (auch Medianebene genannt) der Elevationswinkel δ. Für beide Winkel gilt, dass sich der 0° Winkel direkt vor dem Zuhörer auf der interauralen Achse befindet. Für Änderungen der Schallquelle in der Horizontalebene rechts vom Zuhörer gilt für den Azimuthwinkel {ϕ ∈ R | 0°≤ ϕ ≤ 180°} und bei Änderungen links vom Zuhörer {ϕ ∈ R | 180°≤ ϕ ≤ 360°}. Die linke Halbebene wird in der Literatur teilweise auch mit negativen Azimuthwinkeln {ϕ ∈ R|0°≥ ϕ ≥ -180°} charakterisiert.
Für einen positiven Elevationswinkel {δ ∈ R | 0°≤ δ ≤ 90°} gilt, dass sich die Schallquelle oberhalb der interauralen Achse befindet. Negative Elevationswinkel {δ ∈ R|0°≥ δ ≥ -90°} beschreiben einen Ort der Schallquelle unterhalb der interauralen Achse. Die Distanz der Schallquelle zum Schnittpunkt der Medianebene mit der Horizontalebene wird mit dem Skalar r beschrieben. (Blauert, 1974)
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Einführung in die Bedeutung des menschlichen Hörvermögens für die Lokalisation, Definition der HRTF und die Zielsetzung der Arbeit, die Messmethode unter Berücksichtigung der Gehörgangseingangsimpedanz zu verbessern.
2 Theorie zum Räumlichen Hören: Theoretische Grundlagen des räumlichen Hörens, einschließlich der monauralen und binauralen Lokalisationsparameter sowie die Bedeutung von Außenohrübertragungsfunktionen.
3 Theorie zur Messung und Berechnung von Übertragungsfunktionen: Systemtheoretische Grundlagen für LTI-Systeme, Erläuterung der Korrelationsmesstechnik sowie Diskussion verschiedener Messstimuli wie Weißem Rauschen und MLS.
4 HRTF-Messsystem: Detaillierte Beschreibung des TASP-Aufbaus, der Optimierungen zur Reduktion von Reflexionen sowie der Validierung des Gesamtsystems anhand des Oldenburger Kunstkopfes.
5 Untersuchung zum Einfluss der Gehörgangseingangsimpedanz: Experimentelle Analyse des Einflusses verschiedener Abschlussimpedanzen des Gehörgangs auf Richtcharakteristiken und HRTFs im Vergleich zur Referenzsituation mit offenem Gehörgang.
6 HRTF-Messungen und Berechnung der Lokalisationsparameter: Präsentation der Messergebnisse für 14 Probanden, Vergleich mit Literaturdaten und detaillierte Berechnung der interauralen Differenzen (ITD, ILD).
7 Zusammenfassung und Diskussion: Synthese der gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der Messgenauigkeit und der Eignung der entwickelten Otoplastiken für individuelle HRTF-Messungen.
Schlüsselwörter
HRTF, Außenohrübertragungsfunktion, Räumliches Hören, Gehörgangseingangsimpedanz, TASP, Lokalisation, ITD, ILD, Raumakustik, Signalverarbeitung, Messtechnik, Otoplastik, binaurale Aufnahme, Schallsignal, Psychoakustik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der präzisen Vermessung von individuellen Außenohrübertragungsfunktionen (HRTFs) unter spezieller Berücksichtigung der akustischen Bedingungen im Gehörgang.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zentrale Felder sind die akustische Messtechnik, die systemtheoretische Modellierung von Übertragungsfunktionen sowie die Untersuchung, wie verschiedene Abschlussimpedanzen (z. B. durch Hörgeräte-Otoplastiken) die räumliche Wahrnehmung beeinflussen.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Entwicklung einer verbesserten Messmethode, die individuelle HRTFs naturgetreu abbildet, indem sie die Stabilität der Mikrofonpositionierung sicherstellt und den Einfluss des Gehörgangsabschlusses quantifiziert.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde eine systemtheoretische Analyse mittels Korrelationsmessung (unter Verwendung von MLS-Signalen) durchgeführt, um Impulsantworten zu gewinnen und daraus die komplexen Übertragungsfunktionen zu berechnen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung und Optimierung des mechanischen Messaufbaus TASP, experimentelle Untersuchungen zur Impedanzbeeinflussung durch verschiedene Ohrpassstücke sowie die großangelegte Vermessung von 14 Probanden.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Fachbegriffe umfassen HRTF, interaurale Zeit- und Pegeldifferenzen (ITD/ILD), Gehörgangseingangsimpedanz, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Anwendung von pseudozufälligen Maximalfolgen (MLS).
Welchen Einfluss hat ein verschlossener Gehörgang auf die Messungen?
Die Arbeit zeigt, dass das Verschließen des Gehörgangs mit Stöpseln oder Otoplastiken die natürlichen spektralen Eigenschaften verändert und zu einer von der Gehörgangseingangsimpedanz abhängigen Abweichung in der Richtcharakteristik führt.
Warum wurde eine eigene Otoplastik entwickelt?
Um eine stabile und reproduzierbare Mikrofonplatzierung zu gewährleisten, die für hochwertige HRTF-Messungen notwendig ist, wurde eine spezielle Acrylotoplastik entwickelt, die trotz Fixierung des Mikrofons einen möglichst offenen Gehörgang simuliert.
- Citation du texte
- Jacqueline Rausch (Auteur), 2008, Neuvermessung von Head-Related-Transfer-Functions (HRTF), Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/300061
