Le nombre croissant d'appareils de diffusion de contenus audio pose le problème de partager le même espace physique sans partager lemême espace sonore. Les Sound Zones rendent possible la reproduction de programmes audio indépendants et spatialement séparés, àpartir d'un ensemble de haut-parleurs et de méthodes de reproduction de champs sonores. Le problème est alors décomposé en deuxzones : la Bright zone, où le contenu doit être reproduit et la Dark zone, où il doit être annulé. De nombreuses méthodes existent pourrésoudre ce problème, mais la plupart ne traite que le cas d'auditeurs en position statique. Elles s'appuient sur la résolution directe desméthodes d'optimisation adaptative, telle que la méthode de Pressure Matching (PM). Or, pour des utilisateurs en mouvement, cesméthodes ont un coût de calcul trop élevé, rendant impossible leur application à un problème dynamique. Le but de cette thèse est dedévelopper une solution présentant une complexité compatible avec un contrôle dynamique des Sound Zones, tout en conservant lesperformances des méthodes conventionnelles. Sous l'hypothèse que les déplacements sont lents, une résolution itérative du problème PMest proposée et évaluée. Les algorithmes LMS, NLMS et APA sont comparés sur la base de simulations en champ libre. La méthode LMSs'avère la plus avantageuse en termes de complexité, mais elle souffre d'une erreur de reproduction. Un effet mémoire limitant la réactivitédes algorithmes est aussi mis en évidence. Il est corrigé en implémentant une variante introduisant un facteur d'oubli (Variable LeakyLMS ou VLLMS). / The growing number of audio devices raises the problem of sharing the same physical space without sharing the same sound space. SoundZones make it possible to play independent and spatially separated audio programs by loudspeaker array in combination with sound fieldreproduction methods. The problem is then split into two zones: the Bright zone, where the audio content must be reproduced and theDark zone, where it must be cancelled. There are many methods available to solve this problem, but most only deal with auditors in astatic position. They are based on the direct resolution of adaptive optimization methods, such as the Pressure Matching (PM) method.However, for moving users, these methods have a too high computation cost, making it impossible to apply them to a dynamic problem.The aim of this thesis is to develop a solution offering a level of complexity compatible with a dynamic control of Sound Zones, whilemaintening the performance of conventional methods. Under the assumption that displacements are slow, an iterative resolution of the PMproblem is proposed and assessed. The LMS, NLMS and APA algorithms are compared on the basis of free field simulations. The LMSmethod is the most advantageous in terms of complexity, but it suffers from a reproduction error. A memory effect limiting the reactivityof the algorithms is also highlighted. It is corrected by implementing a leaky variant (Variable Leaky LMS or VLLMS) introducing aforgetting factor.

L'objectif de ce travail de thèse est la conception d'un système de haut-parleurs transportable, capable de générer un champ sonore prédéfini et focalisé avec un contraste spatial élevé. Ce système doit permettre à terme d'effectuer différents types d'études, par exemple des essais de transparence acoustique ou encore des essais vibratoires en conditions non-anéchoïques. La minimisation du nombre de canaux à piloter ainsi que du nombre des transducteurs est l'un des enjeux principaux du travail. Le choix du nombre de sources et la sélection de leurs positions optimales afin de générer un champ acoustique cible n'a pas de solution triviale. Pour répondre à cette question, la méthode proposée se base sur la décomposition du rayonnement d’une source en série de fonctions orthogonales indépendantes (les"modes de rayonnement"), construits numériquement via une décomposition en valeurs singulières de la matrice d'impédance. En filtrant les termes évanescents, le champ lointain peut être reconstruit à l'aide d'un faible nombre de termes. De plus, la méthode permet d'estimer une distribution de débit efficace pour générer le champ cible. La méthode proposée étant relativement peu étudiée dans la littérature, la première partie de la thèse a été consacrée au problème de la validation expérimentale de la méthode directe et à l'étude des principaux paramètres en influençant le résultat. La problématique du positionnement des sources permettant de synthétiser un champ sonore prédéfini et focalisé est abordée dans la deuxième partie du travail. / The goal of this thesis is the design of a transportable speaker system, able to generate a predefined and focused sound field with a high spatial contrast. This system has eventually to allow carrying out different types of studies, for example acoustic transmission loss tests or vibration tests in non-anechoic conditions. The minimization of the number of driven channels and the number of transducers is one of the main goals of the work. The choice of the number of sources and the selection of their optimal positions in order to generate a target acoustic field has no trivial solution. To answer this question, the proposed method is based on the decomposition of the source radiation into a series of independent orthogonal functions (the "radiation modes"), constructed numerically via a singular value decomposition of the impedance matrix. By filtering the evanescent terms, the far field can be reconstructed using a small number of terms. In addition, the method allows the estimation of an efficient flow distribution to generate the target field. With the proposed method having been scarcely studied in the literature, the first part of the thesis is devoted to the problem of the experimental validation of the direct method and the study of the main parameters that are influencing the result. The problem of sources positioning in order to synthesize a predefined and focused sound field is discussed in the second part of the thesis.

[ES] Los sistemas de audio han experimentado un gran desarrollo en los últimos años gracias al aumento de dispositivos con procesadores de alto rendimiento capaces de realizar un procesamiento cada vez más eficiente. Además, las comunicaciones inalámbricas permiten a los dispositivos de una red estar ubicados en diferentes lugares sin limitaciones físicas. La combinación de estas tecnologías ha dado lugar a la aparición de las redes de sensores acústicos (ASN). Una ASN está compuesta por nodos equipados con transductores de audio, como micrófonos o altavoces. En el caso de la monitorización acústica del campo, sólo es necesario incorporar sensores acústicos a los nodos ASN. Sin embargo, en el caso de las aplicaciones de control, los nodos deben interactuar con el campo acústico a través de altavoces. La ASN puede implementarse mediante dispositivos de bajo coste, como Raspberry Pi o dispositivos móviles, capaces de gestionar varios micrófonos y altavoces y de ofrecer una buena capacidad de cálculo. Además, estos dispositivos pueden comunicarse mediante conexiones inalámbricas, como Wi-Fi o Bluetooth. Por lo tanto, en esta tesis, se propone una ASN compuesta por dispositivos móviles conectados a altavoces inalámbricos mediante un enlace Bluetooth. Además, el problema de la sincronización entre los dispositivos de una ASN es uno de los principales retos a abordar, ya que el rendimiento del procesamiento de audio es muy sensible a la falta de sincronismo. Por lo tanto, también se lleva a cabo un análisis del problema de sincronización entre dispositivos conectados a altavoces inalámbricos en una ASN. En este sentido, una de las principales aportaciones es el análisis de la latencia de audio cuando los nodos acústicos de la ASN están formados por dispositivos móviles que se comunican altavoces mediante enlaces Bluetooth. Una segunda contribución significativa de esta tesis es la implementación de un método para sincronizar los diferentes dispositivos de una ASN, junto con un estudio de sus limitaciones. Por último, se ha introducido el método propuesto para implementar aplicaciones de zonas sonoras personales (PSZ). Por lo tanto, la implementación y el análisis del rendimiento de diferentes aplicaciones de audio sobre una ASN compuesta por dispositivos móviles y altavoces inalámbricos es también una contribución significativa en el área de las ASN. Cuando el entorno acústico afecta negativamente a la percepción de la señal de audio emitida por los altavoces de la ASN, se uti­lizan técnicas de ecualización para mejorar la percepción de la señal de audio. Para ello, en esta tesis se implementa un sistema de ecualización inteligente. Para ello, se emplean algoritmos psicoacústicos para implementar un procesamiento inteligente basado en el sis­tema auditivo humano capaz de adaptarse a los cambios del entorno. Por ello, otra contribución importante de esta tesis es el análisis del enmas­caramiento espectral entre dos sonidos complejos. Este análisis permitirá calcular el umbral de enmascaramiento de un sonido con más precisión que los métodos utilizados actualmente. Este método se utiliza para implementar una aplicación de ecualización perceptiva que pretende mejorar la percepción de la señal de audio en presencia de un ruido ambien­tal. Para ello, esta tesis propone dos algoritmos de ecualización diferentes: 1) la pre-ecualización de la señal de audio para que se perciba por encima del umbral de enmascaramiento del ruido ambiental y 2) diseñar un con­trol de ruido ambiental perceptivo en los sistemas de ecualización activa de ruido (ANE), para que el nivel de ruido ambiental percibido esté por debajo del umbral de enmascaramiento de la señal de audio. Por lo tanto, la ultima aportación de esta tesis es la implementación de una aplicación de ecualización perceptiva con los dos diferentes algorit­mos de ecualización embebidos y el análisis de su rendimiento a través del banco de pruebas realizado en el laboratorio GTAC-iTEAM. / [CA] El sistemes de so han experimentat un gran desenvolupament en els últims anys gràcies a l'augment de dispositius amb processadors d'alt rendiment capaços de realitzar un processament d'àudio cada vegada més eficient. D'altra banda, l'expansió de les comunicacions inalàmbriques ha permès implementar xarxes en les quals els dispositius poden estar situats a difer­ents llocs sense limitacions físiques. La combinació d'aquestes tecnologies ha donat lloc a l'aparició de les xarxes de sensors acústics (ASN). Una ASN està composta per nodes equipats amb transductors d'àudio, com micr`ofons o altaveus. En el cas del monitoratge del camp acústic, només cal incorporar sensors acústics als nodes de l'ASN. No obstant això, en el cas de les aplicacions de control, els nodes han d'interactuar amb el camp acústic a través d'altaveus. Una ASN pot implementar-se mitjant¿cant dispositius de baix cost, com ara Raspberry Pi o dispositius mòbils, capaços de gestionar di­versos micròfons i altaveus i d'oferir una bona capacitat computacional. A més, aquests dispositius poden comunicar-se a través de connexions inalàmbriques, com Wi-Fi o Bluetooth. Per això, en aquesta tesi es proposa una ASN composta per dispositius mòbils connectats a altaveus inalàmbrics a través d'un enllaç Bluetooth. El problema de la sincronització entre els dispositius d'una ASN és un dels principals reptes a abordar ja que el rendiment del processament d'àudio és molt sensible a la falta de sincronisme. Per tant, també es duu a terme una anàlisi profunda del problema de la sincronització entre els dispositius comercials connectats als altaveus inalàmbrics en una ASN. En aquest sentit, una de les principals contribucions és l'anàlisi de la latència d'àudio quan els nodes acústics en l'ASN estan compostos per dispositius mòbils que es comuniquen amb els altaveus corresponents mitjançant enllaços Bluetooth. Una segona contribuciò sig­nificativa d'aquesta tesi és la implementació d'un mètode per sincronitzar els diferents dispositius d'una ASN, juntament amb un estudi de les seves limitacions. Finalment, s'ha introduït el mètode proposat per implemen­tar aplicacions de zones de so personal. Per tant, la implementació i l'anàlisi del rendiment de diferents aplicacions d'àudio sobre una ASN composta per dispositius mòbils i al­taveus inalàmbrics és també una contribució significativa a l'àrea de les ASN. Quan l'entorn acústic afecta negativament a la percepció del senyal d'àudio emesa pels altaveus de l'ASN, es fan servir tècniques d'equalització per a millorar la percepció del senyal d'àudio. En consequència, en aquesta tesi s'implementa un sistema d'equalització intel·ligent. Per això, s'utilitzen algoritmes psicoacústics per implementar un processament intel·ligent basat en el sistema audi­tiu humà capaç d'adaptar-se als canvis de l'entorn. Per aquest motiu, una altra contribució important d'aquesta tesi és l'anàlisi de l'emmascarament espectral entre dos sons complexos. Aquesta anàlisi permetrà calcular el llindar d'emmascarament d'un so sobre amb més precisió que els mètodes utilitzats actualment. Aquest mètode s'utilitza per a imple­mentar una aplicació d'equalització perceptual que pretén millorar la per­cepció del senyal d'àudio en presència d'un soroll ambiental. Per això, aquesta tesi proposa dos algoritmes d'equalització diferents: 1) la pree­qualització del senyal d'àudio perquè es percebi per damunt del llindar d'emmascarament del soroll ambiental i 2) dissenyar un control de soroll ambiental perceptiu en els sistemes d'equalització activa de soroll (ANE) de manera que el nivell de soroll ambiental percebut estiga per davall del llindar d'emmascarament del senyal d'àudio. Per tant, l'última aportació d'aquesta tesi és la implementació d'una aplicació d'equalització perceptiva amb els dos algoritmes d'equalització embeguts i l'anàlisi del seu rendiment a través del banc de proves realitzat al laboratori GTAC-iTEAM. / [EN] Audio systems have been extensively developed in recent years thanks to the increase of devices with high-performance processors able to per­form more efficient processing. In addition, wireless communications allow devices in a network to be located in different places without physical limitations. The combination of these technologies has led to the emergence of Acoustic Sensor Networks (ASN). An ASN is com­posed of nodes equipped with audio transducers, such as microphones or speakers. In the case of acoustic field monitoring, only acoustic sensors need to be incorporated into the ASN nodes. However, in the case of control applications, the nodes must interact with the acoustic field through loudspeakers. ASN can be implemented through low-cost devices, such as Rasp­berry Pi or mobile devices, capable of managing multiple mi­crophones and loudspeakers and offering good computational capacity. In addition, these devices can communicate through wireless connections, such as Wi-Fi or Bluetooth. Therefore, in this dissertation, an ASN composed of mobile devices connected to wireless speak­ers through a Bluetooth link is proposed. Additionally, the problem of syn­chronization between the devices in an ASN is one of the main challenges to be addressed since the audio processing performance is very sensitive to the lack of synchronism. Therefore, an analysis of the synchroniza­tion problem between devices connected to wireless speakers in an ASN is also carried out. In this regard, one of the main contributions is the analysis of the audio latency of mobile devices when the acoustic nodes in the ASN are comprised of mobile devices communicating with the corresponding loudspeakers through Bluetooth links. A second significant contribution of this dissertation is the implementation of a method to synchronize the different devices of an ASN, together with a study of its limitations. Finally, the proposed method has been introduced in order to implement personal sound zones (PSZ) applications. Therefore, the imple­mentation and analysis of the performance of different audio applications over an ASN composed of mobile devices and wireless speakers is also a significant contribution in the area of ASN. In cases where the acoustic environment negatively affects the percep­tion of the audio signal emitted by the ASN loudspeakers, equalization techniques are used with the objective of enhancing the perception thresh­old of the audio signal. For this purpose, a smart equalization system is implemented in this dissertation. In this regard, psychoacous­tic algorithms are employed to implement a smart processing based on the human hearing system capable of adapting to changes in the envi­ronment. Therefore, another important contribution of this thesis focuses on the analysis of the spectral masking between two complex sounds. This analysis will allow to calculate the masking threshold of one sound over the other in a more accurate way than the currently used methods. This method is used to implement a perceptual equalization application that aims to improve the perception threshold of the audio signal in presence of ambient noise. To this end, this thesis proposes two different equalization algorithms: 1) pre-equalizing the audio signal so that it is perceived above the ambient noise masking threshold and 2) designing a perceptual control of ambient noise in active noise equalization (ANE) systems, so that the perceived ambient noise level is below the masking threshold of the audio signal. Therefore, the last contribution of this dissertation is the imple­mentation of a perceptual equalization application with the two different embedded equalization algorithms and the analysis of their performance through the testbed carried out in the GTAC-iTEAM laboratory. / This work has received financial support of the following projects: • SSPRESING: Smart Sound Processing for the Digital Living (Reference: TEC2015-67387-C4-1-R. Entity: Ministerio de Economia y Empresa. Spain). • FPI: Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores (Reference: BES-2016-077899. Entity: Agencia Estatal de Investigación. Spain). DANCE: Dynamic Acoustic Networks for Changing Environments (Reference: RTI2018-098085-B-C41-AR. Entity: Agencia Estatal de Investigación. Spain). • DNOISE: Distributed Network of Active Noise Equalizers for Multi-User Sound Control (Reference: H2020-FETOPEN-4-2016-2017. Entity: I+D Colaborativa competitiva. Comisión de las comunidades europea). / Estreder Campos, J. (2022). Smart Sound Control in Acoustic Sensor Networks: a Perceptual Perspective [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181597

[ES] Los sistemas de zonas de sonido personal (o sus siglas en inglés PSZ) utilizan altavoces y técnicas de procesado de señal para reproducir sonidos distintos en diferentes zonas de un mismo espacio compartido. Estos sistemas se han popularizado en los últimos años debido a la amplia gama de aplicaciones que podrían verse beneficiadas por la generación de zonas de escucha individuales. El diseño de los filtros utilizados para procesar las señales de sonido es uno de los aspectos más importantes de los sistemas PSZ, al menos para las frecuencias bajas y medias. En la literatura se han propuesto diversos algoritmos para calcular estos filtros, cada uno de ellos con sus ventajas e inconvenientes. En el presente trabajo se revisan los algoritmos para sistemas PSZ propuestos en la literatura y se evalúa experimentalmente su rendimiento en un entorno reverberante. Los distintos algoritmos se comparan teniendo en cuenta aspectos como el aislamiento acústico entre zonas, el error de reproducción, la energía de los filtros y el retardo del sistema. Además, se estudian estrategias computacionalmente eficientes para obtener los filtros y también se compara su complejidad computacional. Los resultados experimentales obtenidos revelan que las soluciones existentes no pueden ofrecer una complejidad computacional baja y al mismo tiempo un buen rendimiento con baja latencia. Por ello se propone un nuevo algoritmo basado en el filtrado subbanda, y se demuestra experimentalmente que este algoritmo mitiga las limitaciones de los algoritmos existentes. Asimismo, este algoritmo ofrece una mayor versatilidad que los algoritmos existentes, ya que se pueden utilizar configuraciones distintas en cada subbanda, como por ejemplo, diferentes longitudes de filtro o distintos conjuntos de altavoces. Por último, se estudia la influencia de las respuestas objetivo en la optimización de los filtros y se propone un nuevo método en el que se aplica una ventana temporal a estas respuestas. El método propuesto se evalúa experimentalmente en dos salas con diferentes tiempos de reverberación y los resultados obtenidos muestran que se puede reducir la energía de las interferencias entre zonas gracias al efecto de la ventana temporal. / [CA] Els sistemes de zones de so personal (o les seves sigles en anglés PSZ) fan servir altaveus i tècniques de processament de senyal per a reproduir sons distints en diferents zones d'un mateix espai compartit. Aquests sistemes s'han popularitzat en els últims anys a causa de l'àmplia gamma d'aplicacions que podrien veure's beneficiades per la generació de zones d'escolta individuals. El disseny dels filtres utilitzats per a processar els senyals de so és un dels aspectes més importants dels sistemes PSZ, particularment per a les freqüències baixes i mitjanes. En la literatura s'han proposat diversos algoritmes per a calcular aquests filtres, cadascun d'ells amb els seus avantatges i inconvenients. En aquest treball es revisen els algoritmes proposats en la literatura per a sistemes PSZ i s'avalua experimentalment el seu rendiment en un entorn reverberant. Els distints algoritmes es comparen tenint en compte aspectes com l'aïllament acústic entre zones, l'error de reproducció, l'energia dels filtres i el retard del sistema. A més, s'estudien estratègies de còmput eficient per obtindre els filtres i també es comparen les seves complexitats computacionals. Els resultats experimentals obtinguts revelen que les solucions existents no poder oferir al mateix temps una complexitat computacional baixa i un bon rendiment amb latència baixa. Per això es proposa un nou algoritme basat en el filtrat subbanda que mitiga aquestes limitacions. A més, l'algoritme proposat ofereix una major versatilitat que els algoritmes existents, ja que en cada subbanda el sistema pot utilitzar configuracions diferents, com per exemple, distintes longituds de filtre o distints conjunts d'altaveus. L'algoritme proposat s'avalua experimentalment en un entorn reverberant, i es mostra com pot mitigar satisfactòriament les limitacions dels algoritmes existents. Finalment, s'estudia la influència de les respostes objectiu en l'optimització dels filtres i es proposa un nou mètode en el que s'aplica una finestra temporal a les respostes objectiu. El mètode proposat s'avalua experimentalment en dues sales amb diferents temps de reverberació i els resultats obtinguts mostren que es pot reduir el nivell d'interferència entre zones grècies a l'efecte de la finestra temporal. / [EN] Personal Sound Zones (PSZ) systems deliver different sounds to a number of listeners sharing an acoustic space through the use of loudspeakers together with signal processing techniques. These systems have attracted a lot of attention in recent years because of the wide range of applications that would benefit from the generation of individual listening zones, e.g., domestic or automotive audio applications. A key aspect of PSZ systems, at least for low and mid frequencies, is the optimization of the filters used to process the sound signals. Different algorithms have been proposed in the literature for computing those filters, each exhibiting some advantages and disadvantages. In this work, the state-of-the-art algorithms for PSZ systems are reviewed, and their performance in a reverberant environment is evaluated. Aspects such as the acoustic isolation between zones, the reproduction error, the energy of the filters, and the delay of the system are considered in the evaluations. Furthermore, computationally efficient strategies to obtain the filters are studied, and their computational complexity is compared too. The performance and computational evaluations reveal the main limitations of the state-of-the-art algorithms. In particular, the existing solutions can not offer low computational complexity and at the same time good performance for short system delays. Thus, a novel algorithm based on subband filtering that mitigates these limitations is proposed for PSZ systems. In addition, the proposed algorithm offers more versatility than the existing algorithms, since different system configurations, such as different filter lengths or sets of loudspeakers, can be used in each subband. The proposed algorithm is experimentally evaluated and tested in a reverberant environment, and its efficacy to mitigate the limitations of the existing solutions is demonstrated. Finally, the effect of the target responses in the optimization is discussed, and a novel approach that is based on windowing the target responses is proposed. The proposed approach is experimentally evaluated in two rooms with different reverberation levels. The evaluation results reveal that an appropriate windowing of the target responses can reduce the interference level between zones. / Molés Cases, V. (2022). Filter Optimization for Personal Sound Zones Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/186111