Functional Modeling of Hearing for Assessment of Spatial Sound Reproduction

Abstract

Auditory modeling refers to the design of computational models of the human auditory system using digital signal processing algorithms. Such models can potentially be utilized in various applications including development of hearing aids and cochlear implants as well as to explain psychoacoustical phenomena. Another practical application area is the evaluation of sound reproduction, in which the models provide an interesting alternative to the direct use of human subjects in formal listening tests.

This thesis addresses the instrumental evaluation of spatial sound reproduction with a model that emulates the functionality of the auditory pathway based on neurophysiological and psychoacoustical data from the literature. However, the this thesis work also aimed to ensure a more general applicability of the model. The research involved in this work may bedivided into two main categories.

The first category consists of developing auditory models and of employing them in the evaluation of sound reproduction. The thesis presents two auditory models with different goals. Namely, one of them is a applicationspecific model designed to evaluate stereophonic sound reproduction capability of small mobile devices. The other demonstrates how several psychoacoustical binaural hearing phenomena may be explained with a more detailed emulation of processing in the auditory pathway. The latter model was also applied to evaluate sound reproduction achieved with both traditional and parametric spatial sound techniques.

The second category focuses on the acquisition of psychoacoustical knowledge. This category provides more insight into how the auditory system analyzes complex auditory scenarios. In addition, this category presents a listening test assessing different binaural synthesis methods in terms of coloration aspects.

Digitaaliseen signaalinkäsittelyyn pohjautuvia kuulojärjestelmän laskennallisia malleja kutsutaan auditorisiksi malleiksi, joilla on monia tärkeitä sovelluskohteita mm. kuulolaitteiden ja sisäkorvaistutteiden kehittelyssä sekä psykoakustisten ilmiöiden taustalla olevien prosessien kuvauksessa. Eräs insinööritieteen näkökulmasta tärkeä sovelluskohde koskeeäänentoiston laadun arviointia, johon auditoriset mallit voisivat tarjota kiintoisan vaihtoehdon kuuntelukokeiden järjestämiselle.

Tämä väitöskirja käsittelee äänentoiston arviointia auditorisella mallilla, joka simuloi kuulojärjestelmän toiminnallisuutta neurofysiologiaan ja psykoakustiseen tietoon pohjautuen. Lisäksi tavoitteena on taata mallin sovellettavuus myös muihin tarkoituksiin. Tähän taustaan pohjautuen väitöskirjassa esitettävä tutkimus on jaettavissa kahteen osaan.

Ensimmäinen osa koskee auditoristen mallien kehittämistä ja niiden soveltamista äänentoiston laadun arviointiin. Työssä esitellään kaksi auditorista mallia, joista toinen osoittaa kuinka mobiililaitteiden äänentoistoa voidaan arvioida hieman yksinkertaisemmallakin mallilla. Vastaavasti toinen osoittaa kuinka kuulojärjestelmän tarkemmalla kuvauksella kyetään selittämään useita psykoakustisia ilmiöitä. Viimeksi mainittua mallia sovellettin myös sekä perinteisillä tekniikoilla että parametrisillä tilaäänen prosessointi menetelmillä saavutettavan äänentoiston laadun arviointiin.

Väitöskirjan toinen osa keskittyy mallinnuksessa tarvittavan psykoakustisen tiedon hankkimiseen. Tarkemmin ottaen tässä osassa esitellään psykoakustiseen tutkimukseen pohjautuvaa uutta tietoa kuulojärjestelmän tavasta jäsentää monimutkaista äänimaisemaa. Saatua tietoa voidaan soveltaa myös auditoristen mallin kehittämisessä. Lisäksi tämä osa esittelee tutkimuksen, jossa kuuntelukokeen avulla tutkittiin binauraalisten synteesimenetelmien laadullisia ominaisuuksia.