A key aspect of immersive audio is realistic acoustics. To get plausible acoustics for an environment the impulse response can be generated using acoustic simulations and should ideally be updated in real-time for interactive applications. In this thesis the listening experience of sound generated with an interactive sound propagation engine was explored and compared to spatial sound produced with a static impulse response. The aim was to evaluate the sound experience for applications outside of virtual reality, with computational cost in consideration. This was done by conducting a user study where the participants got to interact and compare the two sound methods in different environments. The study was performed using a custom developed application integrated with a pre-existing sound propagation engine. The results from the user study showed no obvious perceptive difference between the two sound rendering methods that could justify the extra computations. Overall there was even a slight preference for the stereo method that used a static impulse response. However, there were qualities to both sound rendering methods that were preferred depending on the environment. Another thing that was investigated in the work of this thesis was how the varying accuracy of localization of sound in different directions can be used in acoustic ray tracing algorithms. An alternative sampling method was developed that uses a biased distribution based on spatial resolution of human hearing instead of traditional uniform sampling. The computation time of the random sampling phase increases, but could potentially reduce the number of ray samples needed. / <p>Examensarbetet är utfört vid Institutionen för teknik och naturvetenskap (ITN) vid Tekniska fakulteten, Linköpings universitet</p>

Previously used standardized calculation methods for sound propagation contain the influence of meteorological parameters just in a very simplified way. But the propagation of acoustic signals over a distance of several kilometers is essentially dependent on the distribution of temperature and wind. The sound level attenuation maps shown in this work have been calculated with the use of the sound ray model SMART (Sound propagation Model of the Atmosphere using Ray-Tracing). They demonstrate the meteorological influence on the sound attenuation in a distance of up to 15 km from the sound source. SMART takes the current or the predicted state of the atmosphere into account to depict the distribution of sound attenuation near the ground surface. Therefore it is an instrument which is able to estimate sound immission for a current or future moment (sound weather). Applied to meteorological data of longer time periods typical mean sound immissions for individual regions can be derived, which is referred as sound climate. On the one hand these attenuation maps firstly clarify the difference between these two terms. On the other hand they show the dependence of sound propagation on atmospheric conditions on several timescales. Radiosonde data from the years 1990 – 2009 were used for this analysis. A second part of this study deals with the question whether observational data (radiosonde) can be replaced by model data (COSMO-EU). For this purpose data of the station of Bergen was used for the year 2009. / Bisher verwendete standardisierte Berechnungsverfahren für die Schallausbreitung beinhalten meteorologische Einflüsse nur in stark vereinfachter Weise. Die Ausbreitung akustischer Signale über mehrere Kilometer Entfernung hängt jedoch wesentlich von der Temperatur- und Windverteilung im Gebiet des Emissionsortes ab. In der Umgebung einer Schallquelle bis hin zu einer Entfernung von 15 km wird in dieser Studie der meteorologische Einfluss auf Schallpegeldämpfungskarten dargestellt, die mit Hilfe des Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation Model of the Atmosphere using Ray-Tracing) berechnet wurden. Das Modell SMART bezieht dabei die beobachteten bzw. prognostizierten meteorologischen Verhältnisse in die Darstellung der bodennahen Schalldämpfungsverteilung ein. Es ist damit ein Instrument für die Abschätzung der Schallimmission zu einem aktuellen oder zukünftigen Zeitpunkt (Schallwetter). Angewendet auf meteorologische Daten aus längeren Zeitabschnitten sind mittlere, für einzelne Regionen typische Schallimmissionsaussagen ableitbar, was hier als Schallklima bezeichnet wird. Diese Dämpfungskarten sollen zum einen den Unterschied dieser beiden Begriffe verdeutlichen, auf der anderen Seite aber auch die Abhängigkeit beider Zeitrahmen von der Meteorologie aufzeigen. In die Auswertungen gehen Radiosondenbeobachtungen aus den Jahren 1990 – 2009 ein. Ein zweiter Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Frage der Ersetzbarkeit von Beobachtungsdaten (Radiosonde) durch Modelldaten (COSMO-EU). Diese Analyse erfolgt beispielhaft für die Station Bergen für das Jahr 2009.

Die Schallausbreitung in der Atmosphäre wird durch vertikale Gradienten meteorologischer Größen, insbesondere Lufttemperatur und Windvektor, maßgeblich beeinflusst. Ziel dieser Studie ist die Abschätzung des Einflusses einer Schallstrahlenrefraktion infolge von Temperatur- und Windgradienten auf die Laufzeit akustischer Signale zwischen Sendern und Empfängern. Mit Hilfe des hier vorgestellten Schallstrahlenmodells SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) wird die Differenz der Laufzeiten entlang des gekrümmten Schallweges (mit Refraktion) und entlang der geraden Verbindungslinie (ohne Refraktion) zwischen einem Sender und einem Empfänger berechnet. Je größer die Sender-Empfänger-Entfernung und je größer der Unterschied zwischen Sender- und Empfängerhöhe sind, desto größer sind auch die Beträge der Laufzeitunterschiede. Der gekoppelte Einfluss von Temperatur- und Windprofil auf die Schallstrahlenrefraktion lässt zum großen Teil jedoch keine pauschalen Abschätzungen der Laufzeitdifferenz zu. Die erzielten Untersuchungsergebnisse werden insbesondere für eine Einschätzung der Anwendbarkeit einer Schallstrahlapproximation (geradlinige Schallstrahlen) bei der akustischen Laufzeittomographie benötigt. / Sound propagation inside the atmosphere is mainly influenced by vertical gradients of meteorological quantities, in particular air temperature and wind vector. The aim of this study is to estimate the influence of the sound ray refraction on the travel time of acoustic signals between transmitters and receivers due to temperature and wind gradients. The difference of the travel times along the curved sound ray (with refraction) and along the straight line (without refraction) between the transmitter and the receiver is calculated by means of the presented sound-ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The greater the transmitter-receiver-distances, and the greater the height-level differences of transmitter and receiver, the greater are the travel-time differences. However, the coupled influence of temperature and wind profiles on the sound-ray refraction does mostly not allow an universal estimation of the travel-time difference. The obtained results are necessary to validate the sound-ray approximation (straight-line approximation) applied by the acoustic tomography.

Eine wichtige Aufgabe des Umweltschutzes besteht in der Überwachung von Geräuschimmissionen. Die Grenzen der bisher verwendeten, operationellen Verfahren zeigen sich vor allem darin, dass der Einfluss der Atmosphäre auf die Schallausbreitung nur unzureichend berücksichtigt wird. In dieser Studie wird deshalb ein Modell aus dem Bereich der geometrischen Akustik zur Einbeziehung des Atmosphärenzustandes in die Schallprognose vorgestellt. Das Modell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) bestimmt die durch Schallstrahlenrefraktion modifizierten Schallausbreitungsbedingungen für ein Gebiet entsprechend der vorgegebenen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung. Ein wichtiger Schritt bei der Weiterentwicklung von SMART war die Implementierung eines Refraktionsgesetzes, welches die Schallstrahlenbrechung an Schichtgrenzen in einem zweidimensional geschichteten, bewegten Medium exakt beschreibt. Die Unterschiede in der Schallstrahlenberechnung zwischen diesem Modell und früheren Simulationen machen sich insbesondere für Entfernungen von der Schallquelle zwischen 1 und 3 km bemerkbar. Da in diesem Bereich eine verstärkte Lärmbelastung gegenüber vorangegangenen Simulationen auftritt, wird die Verwendung des physikalisch exakten Refraktionsgesetzes für eine bewegte Atmosphäre im Rahmen von Lärmschutzuntersuchungen empfohlen. / An important problem regarding the environmental protection is the immission control of noise. The applicability of currently operational methods is limited because the influence of the atmosphere on the sound propagation is only insufficiently taken into account. Thus, a geometrical sound propagation model is presented in this study to include the state of the atmosphere into the forecast of noise immission. The model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) calculates the modified sound propagation conditions due to sound-ray refraction for an area according to the given thermal stratification of the atmosphere and the vertical profiles of wind speed and wind direction. An important step during the further development of the model SMART was the implementation of a refraction law, that is exactly valid for the sound-ray refraction at the boundary between two layers with different properties inside a twodimensional, stratified moving medium. Maximal differences between simulations with this model and former investigations occur at a distance of 1-3 km away from the sound source. A stronger noise immission is also notable in this area. Because of this result it is recommended to use the presented physically more exact refraction law for a moving atmosphere within the scope of noise immission control.

Mit dem Schallstrahlenmodell SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing) werden die Auswirkungen der Schallstrahlenrefraktion in der Atmosphäre und der Schallstrahlenreflexion am schallharten Boden auf die Schallimmission untersucht. Die gekoppelte Wirkung von Temperatur-, Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsprofilen auf die Lärmbelastung an einem Ort über einer schallharten Oberfläche wird für eine große Anzahl möglicher Atmosphärenzustände simuliert und mit Schallausbreitungsrechnungen für eine absorbierende Bodenschicht verglichen. Ein Drittel der Bildpunkte der resultierenden Schalldämpfungskarten unterscheiden sich im Mittel signifikant voneinander. Die größten Unterschiede ergeben sich bei Temperaturinversionen. Hier treten für die Simulationen mit Bodenreflexionen geringere Schalldämpfungen gegenüber dem Fall ohne Bodenreflexionen auf. Diese kritischen Situationen mit einer verstärkten Lärmbelastung sind bei einer Überarbeitung von Lärmschutzrichtlinien besonders zu beachten. / Effects of sound-ray refraction in the atmosphere and sound-ray reflection at the sound-hard surface on the sound immission are investigated using the sound-ray model SMART (Sound propagation model of the atmosphere using ray-tracing). The coupled effect of temperature, wind velocity and wind direction profiles on the noise immission at one location over a sound-hard surface is simulated for a great number of possible states of the atmosphere. The results are compared with sound propagation simulations over a sound-absorbing soil layer. One third of the pixels of the resulting sound attenuation maps are significantly different from each other on the average. The greatest differences appear in cases of temperature inversion. Thereby, the simulations with reflections at the surface lead to smaller sound attenuation in comparison to the case without reflections at the surface. Such critical situations with an amplified noise immission have to be especially considered during the improvement process of noise immission control.

The payload environment of a rocket is random and dynamic during liftoff and flight, with acoustic noise, vibration, and acceleration falling under its definition. Characterization of this environment is important to finalize payload design requirements and insure mission completion. This report will focus on the study and measurement of acoustic noise using a low-cost microphone. Various spectral analysis techniques were utilized to characterize acoustic intensities and frequency content. Effects of vibration and acceleration, ground reflection, atmospheric absorption, and nonlinear propagation were investigated. Noise data were obtained from a rocket launch and several vertical, staticired hybrid motors. The propulsion system acoustic loads were compared to prediction methods from NASA SP-8072.

Prediction of the sound field in large urban environments has been limited thus far by the heavy computational requirements of conventional numerical methods such as boundary element (BE), finite-difference time-domain (FDTD), or ray-tracing methods. Recently, a considerable amount of work has been devoted to developing energy-based methods for this application, and results have shown the potential to compete with conventional methods. However, these developments have been limited to two-dimensional (2-D) studies (along street axes), and no real description of the phenomena at issue has been exposed (e.g., diffraction effects on the predictions). The main objectives of the present work were (i) to evaluate the feasibility of an energy-based method, the diffusion model (DM), for sound-field predictions in large, 3-D complex urban environments, (ii) to propose a numerical hybrid method that could improve the accuracy and computational time of these predictions, and (iii) to verify the proposed hybrid method against conventional numerical methods. The proposed numerical hybrid method consists of a full-wave model coupled with an energy-based model. The full-wave model is used for predicting sound propagation (i) near the source, where constructive and destructive interactions between waves are substantial, and (ii) outside the cluttered environment, where free-field-like conditions apply. The energy-based model is used in regions where diffusion conditions are met. The hybrid approach, as implemented in this work, is a combination of FDTD and DM models. Results from this work show the role played by diffraction near buildings edges close to the source and near the exterior boundaries of the computational domain, and its impact on the predictions. A wrong modeling of the diffraction effects in the environment leads to significant under or overpredictions of the sound levels in some regions, as compared to conventional numerical methods (in these regions, some differences are as high as 10 dB). The implementation of the hybrid method, verified against a full FDTD model, shows a significant improvement of the predictions. The mean error thus obtained inside the cluttered region of the environment is 1.5 dB. / Master of Science

Acoustic travel time tomography is presented as an experimental technique for remote monitoring of spatially averaged meteorological quantities, such as the virtual air temperature and the horizontal wind speed. This ground based remote sensing technique uses the nearly horizontal propagation of sound waves in the atmospheric surface layer. Here the acoustic travel time tomography was applied by measuring the travel time at defined propagation paths between several sound sources and receivers. The resulting sound speed was used to obtain estimates of the meteorological parameters. Several measuring campaigns were carried out to compare the acoustically derived data with conventional systems. The results of a cross validation during a field experiment in autumn 2000 are presented, where receivers at different heights above the ground were used. / Die Akustische Laufzeittomographie wird als ein Verfahren zur Fernerkundung räumlich gemittelter Größen, wie der virtuellen Temperatur und der horizontalen Windgeschwindigkeit, vorgestellt. Dieses bodengebundene Fernerkundungsverfahren beruht auf der annährend horizontalen Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht. Das hier angewendete Verfahren der Laufzeittomographie beruht auf der Bestimmung der Ausbreitungszeit von Schallwellen zwischen mehreren Schallsendern und -empfängern. Die daraus abgeleitete Schallgeschwindigkeit liefert eine Information über die interessierenden meteorologischen Parameter. Eine Reihe von Feldexperimenten wurde durchgeführt mit dem Ziel, die akustisch bestimmten Größen mit denen konventioneller Verfahren zu vergleichen. Hier werden die Ergebnisse eines Vergleiches im Herbst 2000 präsentiert, bei dem die Schallempfänger in unterschiedlichen Höhen über dem Boden angebracht wurden.

Negativ empfundene Schallereignisse, d.h. Lärm, sind nach wie vor eines der bedeutendsten Umweltprobleme besonders in urbanen Räumen. Die Ausbreitung von Schallwellen findet, abgesehen von Wechselwirkungen mit dem Boden, in der Atmosphäre statt und wird durch deren Struktur beeinflusst. Eine maßgebliche Rolle spielt dabei die raum-zeitliche Variabilität der meteorologischen Größen Temperatur, Windvektor sowie Luftfeuchtigkeit, die durch Brechung, Streuung und Absorption zu einer verstärkten oder verringerten Schallimmission an einem Ort führen kann. Im Rahmen einer Schülerarbeit (“Besondere Lernleistung”) wurden Schallpegelwerte an mehreren Messpunkten auf dem Gelände des Leipziger Instituts für Meteorologie bei verschiedenen Atmosphärenzuständen aufgenommen. Erste Auswertungen der Messergebnisse werden in dieser Studie vorgestellt. / Noise is one of the most important environmental problems especially in urban regions. The propagation of sound waves takes place in the atmosphere, apart from interactions with the ground surface, and is influenced by the atmospheric structure. Thereby, the spatial and temporal variability of meteorological quantities like temperature, wind vector and air moisture leads to refraction, scattering and absorption and thereupon to an increased or decreased noise exposure. Within the scope of a pupil’s work sound level measurements were carried out on different places at the site of Leipzig Institute of Meteorology during variable atmospheric conditions. First results are presented in this study.

The propagation paths of sound in water can be somewhat complicated due to the fact that the sound speed in water varies with properties such as water temperature and pressure, which has the effect of curving the propagation paths. This thesis shows how sound propagation in water can be simulated using a ray-tracing based approach on a GPU using Nvidia’s OptiX ray-tracing engine. In particular, it investigates how much speed-up can be achieved compared to CPU based implementations and whether the RT cores introduced in Nvidia’s Turing architecture, which provide hardware accelerated ray-tracing, can be used to speed up the computations. The presented GPU implementation is shown to be up to 310 times faster then the CPU based Fortran implementation Bellhop. Although the speed-up is significant, it is hard to say how much speed-up is gained by utilizing the RT cores due to not having anything equivalent to compare the performance to.