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.

Buscando-se a aplicação prática da teoria de Wave Field Synthesis (WFS) na música, foi feita uma pesquisa visando à modelagem de um sistema de sonorização capaz de criar imagens sonoras espaciais com a utilização desta técnica. Diferentemente da maioria das outras técnicas de sonorização, que trabalham com uma região de escuta pequena e localizada, WFS permite projetar os sons de cada fonte sonora - como instrumentos musicais e vozes - em diferentes pontos do espaço de audição, em uma região de escuta que pode abranger quase toda a área compreendida por este espaço, dependendo da quantidade de alto-falantes instalados. O desenvolvimento de um código de estrutura modular para WFS foi baseado na plataforma orientada a patches Pure Data (Pd), e no sistema de auralização AUDIENCE, desenvolvido na USP, sendo integrável como ferramenta para espacialização sonora interativa. A solução emprega patches dinâmicos e uma arquitetura modular, permitindo flexibilidade e manutenabilidade do código, com vantagens frente a outros software existentes, particularmente na instalação, operação e para lidar com um número elevado de fontes sonoras e alto-falantes. Para este sistema também foram desenvolvidos alto-falantes especiais com características que facilitam seu uso em aplicações musicais. / Seeking the practical application of the theory of Wave Field Synthesis (WFS) in music, a research aimed at modeling a sound system capable of creating spatial sound images with the use of this technique was made. Unlike most other techniques for sound projection that work with a small, localized listening area, WFS allows projecting the sounds of each sound source - such as musical instruments and voices - at different points within the hearing space, in a region that can cover almost the entire area comprised by this space, depending on the amount of installed speakers. The development of a modular structured code for WFS was based on the patch-oriented platform Pure Data (Pd), and on the AUDIENCE auralization system developed at USP, and it is integrable as a tool for interactive sound spatialization. The solution employs dynamic patches and a modular architecture, allowing code flexibility and maintainability, with advantages compared to other existing software, particularly in the installation, operation and to handle a large number of sound sources and speakers. For this system special speakers with features that facilitate its use in musical applications were also developed.

Buscando-se a aplicação prática da teoria de Wave Field Synthesis (WFS) na música, foi feita uma pesquisa visando à modelagem de um sistema de sonorização capaz de criar imagens sonoras espaciais com a utilização desta técnica. Diferentemente da maioria das outras técnicas de sonorização, que trabalham com uma região de escuta pequena e localizada, WFS permite projetar os sons de cada fonte sonora - como instrumentos musicais e vozes - em diferentes pontos do espaço de audição, em uma região de escuta que pode abranger quase toda a área compreendida por este espaço, dependendo da quantidade de alto-falantes instalados. O desenvolvimento de um código de estrutura modular para WFS foi baseado na plataforma orientada a patches Pure Data (Pd), e no sistema de auralização AUDIENCE, desenvolvido na USP, sendo integrável como ferramenta para espacialização sonora interativa. A solução emprega patches dinâmicos e uma arquitetura modular, permitindo flexibilidade e manutenabilidade do código, com vantagens frente a outros software existentes, particularmente na instalação, operação e para lidar com um número elevado de fontes sonoras e alto-falantes. Para este sistema também foram desenvolvidos alto-falantes especiais com características que facilitam seu uso em aplicações musicais. / Seeking the practical application of the theory of Wave Field Synthesis (WFS) in music, a research aimed at modeling a sound system capable of creating spatial sound images with the use of this technique was made. Unlike most other techniques for sound projection that work with a small, localized listening area, WFS allows projecting the sounds of each sound source - such as musical instruments and voices - at different points within the hearing space, in a region that can cover almost the entire area comprised by this space, depending on the amount of installed speakers. The development of a modular structured code for WFS was based on the patch-oriented platform Pure Data (Pd), and on the AUDIENCE auralization system developed at USP, and it is integrable as a tool for interactive sound spatialization. The solution employs dynamic patches and a modular architecture, allowing code flexibility and maintainability, with advantages compared to other existing software, particularly in the installation, operation and to handle a large number of sound sources and speakers. For this system special speakers with features that facilitate its use in musical applications were also developed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The modeling of reverberant environments using techniques based on geometry, such as Ray Tracing or behavior-based wave, such as Finite Elements are devoted respectively to large and small places . But the great difficulty arises in the simulation of medium enclosures, based on precision to the geometrical approach and the computational cost for the behavior-based wave. Therefore, the objective of this work is to obtain Impulse Response Room (Room Impulse Response - RIR ) in midsize through technical Digital Waveguide Mesh ( Digital Waveguide Mesh - DWG ) environments . During the simulations the excitation was made by a half-sine, representing an approximation of the Dirac Delta. To simulate the reverberant field, were explored different geometries of meshes. Applying the results obtained it was possible to predict numerically the acoustic behavior of a sample of the same audio playing through the auralization. Added to this, certain parameters of acoustic quality which are directly derived from the RIR could be calculated . Finally, a comparative study of the RIR obtained experimentally , theoretically and via DWG was performed . From the initial proposal of the work , we have reached a computational tool able to predict the acoustic behavior in two and three dimensional environments , a relatively low computational time and quality in their results . Therefore , it was possible to make a preliminary analysis of the acoustic quality of the room , including allowing the sound reproduced in the virtual room. / A modelagem de ambientes reverberantes por meio de técnicas baseadas na geometria, como o Ray Tracing ou na propagação de ondas acústica, como Elementos Finitos são consagrados respectivamente para recintos de grande e pequeno porte. Porém, a grande dificuldade reside na simulação dos recintos médios, em função da precisão, para a abordagem geométrica, e do custo computacional, para os baseados no comportamento da onda. Assim sendo, o objetivo deste trabalho consiste na obtenção da Resposta Impulsiva da Sala (Room Impulse Response RIR) em ambientes de médio porte por meio da técnica de Malhas de Guias Digitais de Ondas (Digital Waveguide Mesh DWG). Durante as simulações a excitação se deu por meio de um meio seno, representando uma aproximação do Delta de Dirac. Para simular o campo reverberante, foram exploradas diferentes geometrias de malhas. Aplicando os resultados obtidos numericamente foi possível prever o comportamento sonoro de uma amostra de áudio sendo reproduzida no mesmo, por meio da auralização. Somado a isso, certos parâmetros da qualidade acústica, que são diretamente derivados da RIR puderam ser calculados. Para finalizar, um estudo comparativo das RIR obtidas experimentalmente, teoricamente e via DWG foi realizado. A partir da proposta inicial do trabalho, chegou-se a uma ferramenta computacional capaz de prever o comportamento acústico em ambientes bi e tridimensionais, num tempo computacional, relativamente baixo e com qualidade em seus resultados. Por conseguinte, foi possível fazer uma análise prévia da qualidade acústica da sala, inclusive permitindo ouvir o som reproduzido no recinto virtual. / Doutor em Engenharia Mecânica