Equalization Techniques for Headphone Listening

Rämö, Jussi

Equalization Techniques for Headphone Listening

dc.contributor	Aalto-yliopisto	fi
dc.contributor	Aalto University	en
dc.contributor.advisor	Välimäki, Vesa, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
dc.contributor.author	Rämö, Jussi
dc.contributor.department	Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos	fi
dc.contributor.department	Department of Signal Processing and Acoustics	en
dc.contributor.school	Sähkötekniikan korkeakoulu	fi
dc.contributor.school	School of Electrical Engineering	en
dc.contributor.supervisor	Välimäki, Vesa, Prof., Aalto University, Department of Signal Processing and Acoustics, Finland
dc.date.accessioned	2014-10-17T09:00:16Z
dc.date.available	2014-10-17T09:00:16Z
dc.date.defence	2014-10-31
dc.date.issued	2014
dc.description.abstract	The popularity of headphones has increased rapidly along with digital music and mobile phones. The environment in which headphones are used has also changed quite dramatically from silent to noisy, since people are increasingly using their headphones while commuting and traveling. Ambient noise affects the quality of the perceived music as well as compels people to listen to the music with higher volume levels. This dissertation explores headphone listening in the presence of ambient sounds. The ambient sounds can be either noise or informative sounds, such as speech. The first portion of this work addresses the first case, where the ambient sounds are undesirable noise that deteriorates the headphone listening experience. The second portion tackles the latter case, in which the ambient sounds are actually informative sounds that the user wants to hear while wearing headphones, such as in an augmented reality system. Regardless of the nature of the ambient sounds, the listening experience can be enhanced with the help of equalization. This work presents a virtual listening test environment for evaluating headphones in the presence of ambient noise. The simulation of headphones is implemented using digital filters, which enables arbitrary music and noise test signals in the listening test. The disturbing effect of ambient noise is examined with the help of a simulator utilizing an auditory masking model to simulate the timbre changes in music. Another study utilizes the same principles and introduces an adaptive equalizer for mitigation of the masking phenomenon. This psycho- acoustic audio processing system was shown to retain reasonably low sound pressure levels while boosting the music, which is highly important from the viewpoint of hearing protection. Furthermore, two novel hear-through systems are proposed, the first of which is a digital augmented reality headset substituting and improving a previous analog system. The second system is intended to be worn during loud concerts as a user-controllable hearing protector and mixer. The main problem in both of the systems is the risk of a comb filtering effect, which can deteriorate the sound quality. However, it is shown that the comb filtering effect is not detrimental due to the passive isolation of an in-ear headset. Finally, an optimization algorithm for high-order graphic equalizer is developed, which optimizes the order of adjacent band filters to reduce ripple around the filter transition bands. Furthermore, a novel high-precision graphic equalizer is introduced based on parallel second- order sections. The novel equalization techniques are intended for use not only in headphone applications, but also in wide range of other audio signal processing applications, which require highly selective equalizers.	en
dc.description.abstract	Digitaalisen musiikin ja matkapuhelimien yleistyminen ovat lisänneet kuulokkeiden suosiota. Samalla kuulokkeiden tavallinen käyttöympäristö on muuttunut hiljaisesta meluisaksi, sillä ihmiset käyttävät kuulokkeita liikkuessaan. Taustamelu vaikuttaa havaittuun äänenlaatuun ja myös pakottaa ihmiset kuuntelemaan musiikkia suuremmalla äänenvoimakkuudella. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan kuulokekuuntelua tilanteissa, joissa kuullaan myös ympäristöstä lähtöisin olevia ääniä. Ympäristön äänet voivat olla melua tai informatiivisia ääniä, kuten puhetta. Tämän työn ensimmäinen osa keskittyy tapaukseen, jossa ympäristön äänet ovat kuulokekuuntelua häiritsevää melua. Toisessa osassa ympäristön äänet ovat informatiivisia hyötyääniä, jotka käyttäjä haluaa kuulla vaikka käyttäisikin kuulokkeita, kuten esim. lisätyn todellisuuden järjestelmässä. Kummassakin tapauksessa kuulokekuuntelukokemusta voidaan parantaa ekvalisaattorin avulla. Tässä työssä esitetään virtuaalinen kuuntelukoeympäristö kuulokkeiden arviointiin melussa. Kuulokkeiden simulointi on toteutettu digitaalisilla suotimilla, jotka mahdollistavat mielivaltaisten testisignaalien käytön. Taustamelun aiheuttamaa peittoilmiötä tutkitaan simulaattorin avulla, joka hyödyntää auditiivista peittomallia simuloimaan havaittua musiikkia melussa. Samoja periaatteita hyödyntämällä on toteutettu myös psykoakustinen adaptiivinen ekvalisaattori, joka mukautuu kuunneltavaan musiikiin ja ympäristön meluun. Työssä näytettiin, että ekvalisaattori säilyttää musiikin kohtuullisen äänipainetason, koska se vahvistaa vain tarvittavia taajuusalueita. Tämä on erittäin tärkeää kuulovaurioiden ehkäisemisen kannalta. Työssä esitetään myös kaksi digitaalista läpikuuluvuussovellusta, joista ensimmäinen on analogisen järjestelmän paranneltu versio. Toinen sovellus on kehitetty konsertteja varten, joissa tarvitaan kuulonsuojausta. Sovellus mahdollistaa käyttäjäkohtaisen kuulonsuojauksen ja läpikuultavan musiikin ekvalisoinnin. Molempien sovellusten ongelmana on mahdollinen kampasuodinilmiö, joka voi heikentää järjestelmän äänenlaatua. Työssä kuitenkin osoitettiin, että kampasuodinilmiö on hallittavissa tulppakuulokkeiden hyvän vaimennuskyvyn ansiosta. Lisäksi tässä työssä kehitetään korkea-asteiselle graafiselle ekvalisaattorille optimointi-algoritmi, joka vähentää ekvalisaattorin vasteen värähtelyä siirtymäkaistoilla. Tässä työssä kehitettiin myös uusi tarkka graafinen ekvalisaattori, joka perustuu rinnakkaisiin toisen asteen suotimiin. Uusia ekvalisointitekniikoita voidaan käyttää kuulokesovellusten lisäksi myös monissa muissa audiosignaalinkäsittelyn sovelluksissa.	fi
dc.format.extent	75 + app. 76
dc.format.mimetype	application/pdf	en
dc.identifier.isbn	978-952-60-5879-5 (electronic)
dc.identifier.isbn	978-952-60-5878-8 (printed)
dc.identifier.issn	1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn	1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn	1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri	https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14206
dc.identifier.urn	URN:ISBN:978-952-60-5879-5
dc.language.iso	en	en
dc.opn	Olive, Sean, Dr., Harman International, USA
dc.publisher	Aalto University	en
dc.publisher	Aalto-yliopisto	fi
dc.relation.haspart	[Publication 1]: J. Rämö and V. Välimäki. Signal Processing Framework for Virtual Headphone Listening Tests in a Noisy Environment. In Proc. AES 132th Convention, 6 pages, Budapest, Hungary, April 2012.
dc.relation.haspart	[Publication 2]: J. Rämö, V. Välimäki, M. Alanko, and M. Tikander. Perceptual Frequency Response Simulator for Music in Noisy Environments. In Proc. AES 45th Int. Conf., 10 pages, Helsinki, Finland, March 2012.
dc.relation.haspart	[Publication 3]: J. Rämö, V. Välimäki, and M. Tikander. Perceptual Headphone Equalization for Mitigation of Ambient Noise. In Proc. Int. Conf. Acoustics, Speech, and Signal Processing, pp. 724–728, Vancouver, Canada, May 2013. DOI: 10.1109/ICASSP.2013.6637743
dc.relation.haspart	[Publication 4]: J. Rämö and V. Välimäki. Digital Augmented Reality Audio Headset. Journal of Electrical and Computer Engineering, Vol. 2012, Article ID 457374, 13 pages, September 2012.
dc.relation.haspart	[Publication 5]: J. Rämö, V. Välimäki, and M. Tikander. Live Sound Equalization and Attenuation with a Headset. In Proc. AES 51st Int. Conf., 8 pages, Helsinki, Finland, August 2013.
dc.relation.haspart	[Publication 6]: J. Rämö and V. Välimäki. Optimizing a High-Order Graphic Equalizer for Audio Processing. IEEE Signal Processing Letters, Vol. 21, No. 3, pp. 301–305, March 2014. DOI: 10.1109/LSP.2014.2301557
dc.relation.haspart	[Publication 7]: J. Rämö, V. Välimäki, and B. Bank. High-Precision Parallel Graphic Equalizer. IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech and Language Processing, Vol. 22, No. 12, pp. 1894–1904, December 2014. DOI: 10.1109/TASLP.2014.2354241
dc.relation.ispartofseries	Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS	en
dc.relation.ispartofseries	147/2014
dc.rev	Härmä, Aki, Dr., Philips Research, The Netherlands
dc.rev	Reiss, Joshua D., Dr., Queen Mary University of London, UK
dc.subject.keyword	acoustic signal processing	en
dc.subject.keyword	audio systems	en
dc.subject.keyword	augmented reality	en
dc.subject.keyword	digital filters	en
dc.subject.keyword	psychoacoustics	en
dc.subject.keyword	akustinen signaalinkäsittely	fi
dc.subject.keyword	audiojärjestelmät	fi
dc.subject.keyword	digitaaliset suodattimet	fi
dc.subject.keyword	lisätty todellisuus	fi
dc.subject.keyword	psykoakustiikka	fi
dc.subject.other	Acoustics	en
dc.title	Equalization Techniques for Headphone Listening	en
dc.title	Ekvalisointitekniikoita kuulokekuunteluun	fi
dc.type	G5 Artikkeliväitöskirja	fi
dc.type.dcmitype	text	en
dc.type.ontasot	Doctoral dissertation (article-based)	en
dc.type.ontasot	Väitöskirja (artikkeli)	fi
local.aalto.digiauth	ask
local.aalto.digifolder	Aalto_64709

Equalization Techniques for Headphone Listening

Files

Original bundle

Collections