Este trabalho tem por objetivo desenvolver ferramentas que permitam gerar em fones-de-ouvido o efeito psicoacústico de fontes sonoras locomovendo-se no espaço, por meio da auralização do sinal monofônico original. Embora a auralização binaural possa ser feita empregando variações de atraso (chamadas ITD interaural time difference, ou diferença de tempo interaural) e de intensidade (chamadas ILD interaural level difference, ou diferença de nível interaural) entre os canais, melhores resultados psicoacústicos podem ser obtidos ao se utilizar filtros digitais conhecidos como HRTFs (head related transfer functions, ou funções de transferência relativas à cabeça). Uma HRTF insere no sinal monofônico informações que possibilitam ao sistema auditivo identificá-lo como proveniente de uma direção específica, direção esta que é única para cada HRTF. Para posicionar uma fonte estática em uma direção específica, bastaria, então, filtrar o sinal original pela HRTF da direção desejada. Se, no entanto, for desejável que a fonte se locomova em uma trajetória contínua, um número infinitamente grande de filtros seria necessário. Como eles são, normalmente, obtidos empiricamente, um número arbitrariamente alto deles não está disponível. Disso surge a necessidade de técnicas de interpolação de HRTFs, que possibilitem gerar os filtros intermediários não disponíveis. Este trabalho apresenta três novas técnicas de interpolação de HRTFs, para assim alcançar o objetivo de auralizar fontes sonoras móveis: a interpolação triangular, que é uma técnica de interpolação linear baseada na técnica de panorama sonoro VBAP (vector-based amplitude panning, ou panorama sonoro baseado em vetores); o método das movimentações discretas, que busca explorar o limiar de percepção do nosso sistema auditivo para, com isso, gerar uma técnica extremamente barata computacionalmente; e a interpolação espectral, que altera continuamente as estruturas das HRTFs para gerar filtros interpolados. São apresentadas também as implementações feitas dessas novas técnicas desenvolvidas, bem como os testes numéricos realizados para medir sua eficácia. / The goal of this work is the development of tools that allow simulating through headphones the psychoacoustic effect of sound sources moving in space, by the auralisation of the original monophonic signals. Although binaural auralisation can be implemented using variations in delays (called ITD interaural time difference) and in intensities (called ILD interaural level difference) among channels, better psychoacoustic results can be achieved using digital filters known as HRTFs (head related transfer functions). A HRTF inserts in the monophonic signal information that allow the auditory system to perceive this signal to be as if coming from a specific direction, which is unique for each single HRTF. Thus, to position a static sound source at a specific direction, filtering the original signal with the HRTF from the desired direction would be enough. Nevertheless, if it is desired that the sound source moves in a continuous trajectory, an infinitely large amount of filters would be necessary. Since they are usually obtained by measurements, such an arbitrarily large amount of them is not available. In this case, HRTF interpolation techniques that generate intermediary filters must be used. This work presents three new HRTF interpolation techniques in order to auralise moving sound sources: the triangular interpolation, a linear interpolation technique based on the VBAP amplitude panning technique; the discrete movements method, an extremely efficient technique that exploits the auditory systems limitations in perceiving very small changes in direction; and the spectral interpolation, that alters continuously the structures of the HRTFs to generate interpolated filters. Implementations of these techniques are discussed and numerical tests are also presented.

Este trabalho tem por objetivo desenvolver ferramentas que permitam gerar em fones-de-ouvido o efeito psicoacústico de fontes sonoras locomovendo-se no espaço, por meio da auralização do sinal monofônico original. Embora a auralização binaural possa ser feita empregando variações de atraso (chamadas ITD interaural time difference, ou diferença de tempo interaural) e de intensidade (chamadas ILD interaural level difference, ou diferença de nível interaural) entre os canais, melhores resultados psicoacústicos podem ser obtidos ao se utilizar filtros digitais conhecidos como HRTFs (head related transfer functions, ou funções de transferência relativas à cabeça). Uma HRTF insere no sinal monofônico informações que possibilitam ao sistema auditivo identificá-lo como proveniente de uma direção específica, direção esta que é única para cada HRTF. Para posicionar uma fonte estática em uma direção específica, bastaria, então, filtrar o sinal original pela HRTF da direção desejada. Se, no entanto, for desejável que a fonte se locomova em uma trajetória contínua, um número infinitamente grande de filtros seria necessário. Como eles são, normalmente, obtidos empiricamente, um número arbitrariamente alto deles não está disponível. Disso surge a necessidade de técnicas de interpolação de HRTFs, que possibilitem gerar os filtros intermediários não disponíveis. Este trabalho apresenta três novas técnicas de interpolação de HRTFs, para assim alcançar o objetivo de auralizar fontes sonoras móveis: a interpolação triangular, que é uma técnica de interpolação linear baseada na técnica de panorama sonoro VBAP (vector-based amplitude panning, ou panorama sonoro baseado em vetores); o método das movimentações discretas, que busca explorar o limiar de percepção do nosso sistema auditivo para, com isso, gerar uma técnica extremamente barata computacionalmente; e a interpolação espectral, que altera continuamente as estruturas das HRTFs para gerar filtros interpolados. São apresentadas também as implementações feitas dessas novas técnicas desenvolvidas, bem como os testes numéricos realizados para medir sua eficácia. / The goal of this work is the development of tools that allow simulating through headphones the psychoacoustic effect of sound sources moving in space, by the auralisation of the original monophonic signals. Although binaural auralisation can be implemented using variations in delays (called ITD interaural time difference) and in intensities (called ILD interaural level difference) among channels, better psychoacoustic results can be achieved using digital filters known as HRTFs (head related transfer functions). A HRTF inserts in the monophonic signal information that allow the auditory system to perceive this signal to be as if coming from a specific direction, which is unique for each single HRTF. Thus, to position a static sound source at a specific direction, filtering the original signal with the HRTF from the desired direction would be enough. Nevertheless, if it is desired that the sound source moves in a continuous trajectory, an infinitely large amount of filters would be necessary. Since they are usually obtained by measurements, such an arbitrarily large amount of them is not available. In this case, HRTF interpolation techniques that generate intermediary filters must be used. This work presents three new HRTF interpolation techniques in order to auralise moving sound sources: the triangular interpolation, a linear interpolation technique based on the VBAP amplitude panning technique; the discrete movements method, an extremely efficient technique that exploits the auditory systems limitations in perceiving very small changes in direction; and the spectral interpolation, that alters continuously the structures of the HRTFs to generate interpolated filters. Implementations of these techniques are discussed and numerical tests are also presented.

A new technique to de-Dopplerize microphone signals from moving sources of sound is derived. Currently available time domain de-Dopplerization techniques require oversampling and interpolation of the microphone time data. In contrast, the technique presented in this dissertation performs the de-Dopplerization entirely in the frequency domain eliminating the need for oversampling and interpolation of the microphone data. As a consequence, the new de-Dopplerization technique is computationally more efficient. The new de-Dopplerization technique is then implemented into a frequency domain beamforming algorithm to locate moving sources of sound. The mathematical formulation for the implementation of the new de-Dopplerization technique is presented for sources moving along a linear trajectory and for sources moving along a circular trajectory, i.e. rotating sources. The resulting frequency domain beamforming method to locate moving sound sources is then validated using numerical simulations for various source configurations (e.g. emission angle, emission frequency, and source velocity), and different processing parameters (e.g. time window length). Numerical datasets for sources with linear motion as well as for rotating sources were simulated. For comparison purposes, selected datasets were also processed using traditional time domain beamforming. The results from the numerical simulations show that the frequency domain beamforming method is at least 10 times faster than the traditional time domain beamforming method with the same performance. Furthermore, the results show that as the number of microphones and/or grid points increase, the processing time for the traditional time domain beamforming method increases at a rate 20 times larger than the rate of increase in processing time of the new frequency domain beamforming method. / Ph. D.