Enhancement of audio quality at low frequencies with missing fundamental phenomenon

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-11-27

Department

Major/Subject

Informaatioteknologia

Mcode

ELEC3015

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

35

Series

Abstract

By leveraging a psychoacoustic phenomenon, digital signal processing can create the perception of bass frequencies without the corresponding physical sound waves. This enables the enjoyment of deep bass tones and rhythmic elements in music or sound effects, even when using small speakers incapable of reproducing related low frequencies. The phenomenon, known as the "missing fundamental", occurs within the auditory system. When a series of sinusoids forming a harmonic series is heard, it is perceived as being associated with the fundamental frequency, despite the absence of the fundamental harmonic itself. The virtual bass technique synthesizes upper harmonic series into the audible range, generating the perceptual illusion of bass frequencies that are otherwise inaudible. This literature research investigates the audio quality at low frequencies enhanced by four virtual bass systems, utilizing near-linear devices, a phase vocoder, and a hybrid approach for harmonic synthesis. The hybrid system separates tonal components, transients, and noise to be processed each with an optimal harmonic synthesis algorithm. The findings indicate an estimated enhancement of 33% in bass perception by the hybrid system, as evaluated through listening tests. Additionally, a significant observation was made with a 3-inch loudspeaker, which, despite its inability to reproduce frequencies below 110 Hz, achieved a perceptual bass quality comparable to a 5-inch speaker capable of reproducing frequencies as low as 68 Hz when the audio signal was pre-processed using virtual bass technology. The results suggest that virtual bass can be effectively implemented in digital audio playback systems, such as small speakers, laptops, and portable devices. Significant potential remains for advancing virtual bass technology. Machine learning and the increasing computational power of compact devices could soon enable near-real-time operation, improving synthesised bass realism. Crucially, standardised quality assessment methods are needed for virtual bass to provide objective evaluations and guide development.

Genom att utnyttja ett psykoakustiskt fenomen kan digital signalbehandling skapa en upplevelse av basfrekvenser utan att de faktiska ljudvågorna existerar. Det gör det möjligt att uppleva djupa bastoner och rytmer i musik eller ljudeffekter, även med små högtalare som inte kan återge de lägre frekvenserna. Fenomenet, känt som "den saknade grundtonen", sker i hörselsystemet. Här uppfattas en serie sinusvågor som bildar en harmonisk skala och relateras till grundtonens frekvens, trots att själva grundtonen saknas. Tekniken virtuell bas bygger på att syntetisera högre harmoniska serier till det hörbara frekvensområdet för högtalaren, vilket skapar en illusion av bas som annars inte skulle vara hörbar. Denna litteraturforskning undersöker ljudkvaliteten vid låga frekvenser som förstärkts med hjälp av fyra olika virtuell bas-system. Dessa använder sig av near-linear-devices, en fasvokoder och en hybridmetod för att syntetisera harmoniska serier. Hybridsystemet separerar tonala delar, transienter och brus för att bearbeta varje del med den bästa algoritmen för harmonisk syntes. Resultaten visar på en genomsnittlig förbättring av basupplevelsen med 33 %, baserat på lyssningstester. En intressant observation var att en 3-tumshögtalare, som inte kan återge frekvenser under 110 Hz, ändå uppnådde en upplevd baskvalitet som motsvarade en 5-tumshögtalare som når ner till 68 Hz, när ljudsignalen först bearbetades med virtuell bas-teknik. Som slutsats konstateras att virtuell bas kan användas effektivt i digitala ljudsystem med små högtalare som bärbara datorer och mobila enheter. Det finns fortfarande mycket att förbättra inom virtuell basteknologi. Med maskininlärning och den ökande beräkningskraften hos kompakta enheter kan snart nästan realtidsdrift uppnås, vilket skulle göra den syntetiserade basen mer realistisk. Men kanske viktigast av allt är att utveckla standardiserade metoder för att mäta kvaliteten, så att utvecklingen kan styras på ett mer träffsäkert sätt.

Description

Supervisor

Lassila, Pasi

Thesis advisor

Pulkki, Ville

Keywords

missing fundamental, virtual bass, harmonic synthesis, perceptual bass quality, literature research

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501141159

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC