- V - 1. Einleitung... 1
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- Hertha Böhme
- vor 7 Jahren
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2 - II -
3 - III - Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für allgemeine Elektrotechnik und Akustik (AEA) an der Ruhr-Universität Bochum. Dem Inhaber des Lehrstuhl, Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Blauert, der diese Arbeit ermöglichte, möchte ich an dieser Stelle herzlich danken. Mein besonderer Dank gilt auch meinen ehemaligen Kollegen Dr.-Ing. Markus Bodden, Dr.-Ing. Werner Gaik, Priv.-Doz. Dr.-Ing. Herbert Hudde und Dr.-Ing. Siegbert Wolf sowie allen Mitarbeitern und Studenten am Lehrstuhl AEA, die mich durch ihre freundschaftliche Zusammenarbeit und konstruktive Kritik unterstützten. Zu guter Letzt danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Heute für sein freundliches Interesse an dieser Arbeit und für die Übernahme des Korreferats.
4 - IV -
5 - V - Inhalt 1. Einleitung Psychoakustische Grundlagen 2.1. Erkennen von Richtungen Verarbeiten von Signalen bestimmter Richtungen Merkmale und Leistungen der binauralen Signalverarbeitung Hörversuche zur Lokalisation mehrerer Schallquellen 3.1. Aufbau der Hörversuche Ergebnisse der Hörversuche Thesen zur Signalverarbeitung des Gehörs Vergleich Hörversuche - binaurale Modelle Grundlagen der binauralen Signalverarbeitung 4.1. Die Übertragungsstrecke Schallquelle-Ohr Binaurale Informationen bei Anwesenheit mehrerer Schallquellen Algorithmen zur binauralen Verarbeitung der Ohrsignale Kreuzkorrelationsmodelle bei einer Schallquelle Die Kreuzkorrelationsfunktion bei mehreren Schallquellen Das komplexe Kreuzprodukt Algorithmen zur Auswertung interauraler Phasenunterschiede ("Phasendifferenz-Cocktail-Party-Prozessor") 5.1. Forderungen an einen Cocktail-Party-Prozessor Das interaurale Kreuzprodukt Der Phasendifferenz-Cocktail-Party-Prozessor Das interaurale Kreuzprodukt bei zwei Schallquellen Der Cocktail-Party-Prozessor-Algorithmus Signalverarbeitungs-Beispiele Eine Schallquelle mit veränderlicher Amplitude Komplexe Schallfelder Das interaurale Kreuzprodukt bei beliebigen Quellen Zwei Schallquellen mit zeitveränderlichen Amplituden Mehr als zwei Schallquellen mit konstanter Amplitude Diffuses Schallfeld Dominante Quellen Abbildung von Quellenschätzern auf eine gewünschte Richtung Zusammenfassung... 71
6 - VI - 6. Algorithmen zur Auswertung interauraler Pegelunterschiede ("Pegeldifferenz-Cocktail-Party-Prozessor") 6.1. Problemstellung Bestimmung von Schallquellen-Parametern aus der Analyse interauraler Pegeldifferenzen Eine Schallquelle Zwei Schallquellen Mehr als zwei Schallquellen Diffuses Schallfeld Dominante Quellen Abbildung von Schätzern auf die gewünschte Richtung Verknüpfung von Schätzern aus interauralen Zeit- und Pegeldifferenzen Ausblick: Verbindung unterschiedlicher räumlicher Analyse- und Verarbeitungsverfahren Ein Signalverarbeitungs-Rahmen für binaurale Modelle 7.1. Verarbeitung der Eingangssignale Frequenzgruppen-Filter Erzeugung des analytischen Zeitsignals Datenreduktion Verarbeitung der Ausgangssignale Anforderungen an ein Resynthese-Verfahren Anpassung der Eingangssignale an Signalschätzer Verringern der Anzahl der Ausgangskanäle Bildung der Zeitfunktion aus Abtastwerten des analytischen Zeitsignals Gesamtdarstellung des Cocktail-Party-Prozessor-Modells Modellstruktur Leistungsfähigkeit der Cocktail-Party-Prozessoren Steuerung des Cocktail-Party-Prozessors 8.1. Detektionskriterien für Richtungsinformationen: Das Hören in Räumen Dynamische Effekte der Richtungserkennung: Der Präzedenz-Effekt Beschreibung des Präzedenz-Effekts durch ein binaurales Cocktail-Party-Prozessor-Modell Konsequenzen für die Steuerung eines Cocktail-Party-Prozessors Von der Prozessor-Steuerung zum Präzedenz-Prozessor Zusammenfassung und Ausblick Anhang A: Auswerteverfahren für Hörversuche Anhang B: Frequenzgruppen-Modelle Anhang C: Vereinfachte Freifeld-Außenohr-Übertragungsfunktionen Anhang D: Ein flexibles Filterverfahren im Frequenzbereich Anhang E: Weitere Algorithmen zur Lösung des Cocktail-Party-Prozessor-Problems...123
7 - VII - Anhang F: Eine Programmstruktur für komplexe Prozesse (Parallelstrukturen auf sequentiellen Rechnern) Anhang G: Literatur...129
8 - VIII - Verwendete Symbole Indices a Signal a abt Abtastung, abgetastet b Signal b c Signal c d Diffusfeld f Freifeld-Übertragungsfunktion FG Frequenzgruppe G Gewichtungsfaktor HE Hörereignis i Summationsindex (z.b. Frequenzlinien) k Summationsindex (z.b. Frequenzlinien) korr Korrigierter Wert l linkes Ohr m auf den Bezugspunkt Kopfmitte bezogen max maximal vorkommender Wert min minimal vorkommender Wert o obere Grenze der Frequenzgruppe p Summationsindex für Schallquellen q Schallquelle (auch Summationsindex) r rechtes Ohr soll Wert der Sollrichtung SQ Schallquelle u untere Grenze der Frequenzgruppe x Parameter eines beliebigen Schätzers x (x= a oder b) µ Mittelwert σ Standardabweichung θ Einfallswinkel Exponenten ' Schätzer + Kreuzleistungsdichte eines Signals * konjugiert komplex
9 - IX - Formelzeichen a(t) Zeitfunktion des Schallsignals a a m (t) Zeitfunktion des Schallsignals a am Bezugspunkt Kopfmitte a m '(t) Schätzer für den auf Kopfmitte bezogenen Betrag des Schallsignals a m (t) analytische Zeitfunktion des Schallsignals a am Bezugspunkt Kopfmitte A(f) Fourier-Transformierte des Schallsignals a A m (t)² Quellenvektor (Bezugspunkt Kopfmitte) A m '(t)² Quellenschätzer (Bezugspunkt Kopfmitte) A m (f,τ) auf Kopfmitte bezogene Fourier-Transformierte des Schallsignals a A + m (f,t)² spektrale Kreuzleistungsdichte des Schallsignals a(t) am Bezugspunkt Kopfmitte AntwB Antwortbereich für Hörversuche (z.b. ±90 ) b(t) Zeitfunktion eines Schallsignals b b m (t) Zeitfunktion des Schallsignals b am Bezugspunkt Kopfmitte b m '(t) Schätzer für den auf Kopfmitte bezogenen Betrag des Schallsignals b m (t) analytische Zeitfunktion des Schallsignals b am Bezugspunkt Kopfmitte B(f) Fourier-Transformierte des Schallsignals b B m (t)² Quellenvektor (Bezugspunkt Kopfmitte) B m '(t)² Quellenschätzer (Bezugspunkt Kopfmitte) B m (f,τ) Fourier-Transformierte des Schallsignals am Bezugspunkt Kopfmitte B + m (f,τ)² spektrale Kreuzleistungsdichte des Schallsignals b(t) am Bezugspunkt Kopfmitte c schall d d(t) E m '² e mθ f f abt f korr f m f min f max f o f oi f u f ui f() F F Schallgeschwindigkeit Mikrofonabstand interaurale Differenz Leistungsdichte im diffusen Schallfeld analytisches Zeitsignal von Spiegelschallquellen Frequenz Abtastfrequenz Korrekturfaktor Mittenfrequenz des Frequenzgruppen-Filters untere Grenze des Übertragungsbereiches obere Grenze des Übertragungsbereiches obere Grenzfrequenz obere Grenzfrequenz der Frequenzgruppe i untere Grenzfrequenz untere Grenzfrequenz der Frequenzgruppe i Funktion von Fangbereich um eine Schallquelle, in dem Hörereignisse als korrekt lokalisiert gelten Fourier-Transformierte
10 - X - F -1 FG g G m '² h l (t,τ) h r (t,τ) H l (f,τ) H lf (f,τ) H m (f,τ) H qk (f,τ) H ql (f,τ) H qr (f,τ) H r (f,τ) H rf (f,τ) H rl (f,τ) HE k(t) l(t) l(t) L(f) LG Lt n oi n ui inverse Fourier-Transformierte Frequenzgruppe Bewertungsfaktor Ausgleichs-Signal für Korrekturverfahren Außenohr-Impulsantwort des linken Ohres Außenohr-Impulsantwort des rechten Ohres Übertragungsfunktion linkes Ohr - "Kopfmitte" Freifeld-Außenohr-Übertragungsfunktion des linken Ohres Freifeld-Übertragungsfunktion Kopfposition - "Kopfmitte" Freifeld-Übertragungsfunktion Quelle - Kopfposition Übertragungsfunktion Quelle - linkes Ohr Übertragungsfunktion Quelle - rechtes Ohr Übertragungsfunktion rechtes Ohr - "Kopfmitte" Freifeld-Außenohr-Übertragungsfunktion des rechten Ohres interaurale Übertragungsfunktion Hörereignis Kreuzprodukt reelle Zeitfunktion des linken Ohrsignals. analytisches Zeitsignal des linken Ohrsignals. Fourier-Transformierte des linken Ohrsignals. Lokalisationsgrad: Grad der Übereinstimmung von Schallereignis- und Hörereignis- Richtung Lateralisation (-10=links, 0=mitte, 10=rechts) Flankensteilheit der hochfrequenten Filterflanke der Frequenzgruppe i Flankensteilheit der niederfrequenten Filterflanke der Frequenzgruppe i M, N Gesamtanzahl N HE N SQ r(t) r(t) R(f) s s m s m '² S m '² S rl (τ) S rl (τ,t) S rl (f,t) SE Anzahl der Hörereignisse bei einem Versuch Anzahl der Schallquellen reelle Zeitfunktion des rechten Ohrsignals. analytisches Zeitsignal des rechten Ohrsignals. Fourier-Transformierte des linken Ohrsignals. Signal der Sollrichtung Signal der Sollrichtung am Bezugspunkt Kopfmitte Schätzer für die Leistung des Signal der Sollrichtung am Bezugspunkt Kopfmitte Schätzer für den Quellenvektor der Sollrichtung (Bezugspunkt Kopfmitte) Kreuzkorrelationsfunktion gleitende Kreuzkorrelationsfunktion Fourier-Transformierte der gleitenden Kreuzkorrelationsfunktion Schallereignis
11 - XI - t T T µ Vers VP w r w(t) W(f) W x Zeit Zeitintervall Integrationszeit zur Bestimmung statistischer Parameter Versuch (Nummer) Versuchsperson (Nummer) Rate-Wahrscheinlichekeit Fensterfunktion Fourier-Transformierte der Fensterfunktion Bewertungsfunktion für den Schätzer x x beliebiger Schätzer (x = a oder b) x m '² X m '² α α' β β' β x ' f f L f L2 f FG L Leistung eines beliebigen Schätzers am Bezugspunkt Kopfmitte beliebiger Quellenschätzer (Bezugspunkt Kopfmitte) interaurale Dämpfung Schätzer für die interaurale Dämpfung interaurale Phase Schätzer für die interaurale Phase interaurale Phase des beliebigen Quellenschätzers X m '² (Mitten-)Frequenzdifferenz bei den Hörversuchen (Mitten-)Frequenzdifferenz, ab der eine Schallquelle korrekt lokalisierbar wird. (Mitten-)Frequenzdifferenz, ab der beide Schallquellen gleichzeitig korrekt lokalisierbar werden. Bandbreite einer Frequenzgruppe interaurale Pegeldifferenz µ komplexer Mittelwert der Kreuzkorrelationsfunktionen oder des Kreuzprodukts µ l Mittelwert des quadratischen Betrags des linken Ohrsignals µ r Mittelwert des quadratischen Betrags des rechten Ohrsignals Φ Φ ab Ω σ σ l σ r τ τ' τ L τ max τ m τ o θ Signalphase Differenz der Signalphasen der Signale a und b Momentankreisfrequenz komplexe Standardabweichung der Kreuzkorrelationsfunktion oder des Kreuzprodukts Standardabweichung des quadratischen Betrags des linken Ohrsignals Standardabweichung des quadratischen Betrags des rechten Ohrsignals interaurale Zeitdifferenz Verschiebungsparameter (Kreuzkorrelationsfunktion) Normierte interaurale Zeitdifferenz (±90 entspricht ±625µs) maximale interaurale Laufzeit mittlere interaurale Laufzeit im betrachteten Frequenzbereich. mittlere Laufzeit Quelle-Emfänger Einfallswinkel
nachträgliches Herausfiltern weiterer Einfallsrichtungen (wie u.a. in der Meßtechnik erwünscht) ist hiermit nicht möglich.
- 1-1. Einleitung Die Analyse akustischer Aufnahmesituationen mit mehr als einer Schallquelle bzw. Reflexionen stellt auch heute noch ein sowohl akustisches als auch nachrichtentechnisches Problem dar.
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