Le monde du divertissement numérique connaît depuis plusieurs années une évolution majeure avec la démocratisation des technologies vidéo 3D. Il est désormais commun de visualiser des vidéos stéréoscopiques sur différents supports : au cinéma, à la télévision, dans les jeux vidéos, etc. L'image 3D a considérablement évolué mais qu'en est-il des technologies de restitution sonore associées ? La plupart du temps, le son qui accompagne la vidéo 3D est basé sur des effets de latéralisation, plus au moins étendus (stéréophonie, systèmes 5.1). Il est pourtant naturel de s'interroger sur le besoin d'introduire des événements sonores en lien avec l'ajout de cette nouvelle dimension visuelle : la profondeur. Plusieurs technologies semblent pouvoir offrir une description sonore 3D de l'espace (technologies binaurales, Ambisonics, Wave Field Synthesis). Le recours à ces technologies pourrait potentiellement améliorer la qualité d'expérience de l'utilisateur, en termes de réalisme tout d'abord grâce à l'amélioration de la cohérence spatiale audio-visuelle, mais aussi en termes de sensation d'immersion. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons mis en place un système de restitution audio-visuelle 3D proposant une présentation visuelle stéréoscopique associée à un rendu sonore spatialisé par Wave Field Synthesis. Trois axes de recherche ont alors été étudiés : 1 / Perception de la distance en présentation unimodale ou bimodale. Dans quelle mesure le système audio-visuel est-il capable de restituer des informations spatiales relatives à la distance, dans le cas d'objets sonores, visuels, ou audio-visuels ? Les expériences menées montrent que la Wave Field Synthesis permet de restituer la distance de sources sonores virtuelles. D'autre part, les objets visuels et audio-visuels sont localisés avec plus de précisions que les objets uniquement sonores. 2 / Intégration multimodale suivant la distance. Comment garantir une perception spatiale audio-visuelle cohérente de stimuli simples ? Nous avons mesuré l'évolution de la fenêtre d'intégration spatiale audio-visuelle suivant la distance, c'est-à-dire les positions des stimuli audio et visuels pour lesquelles la fusion des percepts a lieu. 3 / Qualité d'expérience audio-visuelle 3D. Quel est l'apport du rendu de la profondeur sonore sur la qualité d'expérience audio-visuelle 3D ? Nous avons tout d'abord évalué la qualité d'expérience actuelle, lorsque la présentation de contenus vidéo 3D est associée à une bande son 5.1, diffusée par des systèmes grand public (système 5.1, casque, et barre de son). Nous avons ensuite étudié l'apport du rendu de la profondeur sonore grâce au système audio-visuel proposé (vidéo 3D associée à la Wave Field Synthesis). / The digital entertainment industry is undergoing a major evolution due to the recent spread of stereoscopic-3D videos. It is now possible to experience 3D by watching movies, playing video games, and so on. In this context, video catches most of the attention but what about the accompanying audio rendering? Today, the most often used sound reproduction technologies are based on lateralization effects (stereophony, 5.1 surround systems). Nevertheless, it is quite natural to wonder about the need of introducing a new audio technology adapted to this new visual dimension: the depth. Many alternative technologies seem to be able to render 3D sound environments (binaural technologies, ambisonics, Wave Field Synthesis). Using these technologies could potentially improve users' quality of experience. It could impact the feeling of realism by adding audio-visual spatial congruence, but also the immersion sensation. In order to validate this hypothesis, a 3D audio-visual rendering system is set-up. The visual rendering provides stereoscopic-3D images and is coupled with a Wave Field Synthesis sound rendering. Three research axes are then studied: 1/ Depth perception using unimodal or bimodal presentations. How the audio-visual system is able to render the depth of visual, sound, and audio-visual objects? The conducted experiments show that Wave Field Synthesis can render virtual sound sources perceived at different distances. Moreover, visual and audio-visual objects can be localized with a higher accuracy in comparison to sound objects. 2/ Crossmodal integration in the depth dimension. How to guarantee the perception of congruence when audio-visual stimuli are spatially misaligned? The extent of the integration window was studied at different visual object distances. In other words, according to the visual stimulus position, we studied where sound objects should be placed to provide the perception of a single unified audio-visual stimulus. 3/ 3D audio-visual quality of experience. What is the contribution of sound depth rendering on the 3D audio-visual quality of experience? We first assessed today's quality of experience using sound systems dedicated to the playback of 5.1 soundtracks (5.1 surround system, headphones, soundbar) in combination with 3D videos. Then, we studied the impact of sound depth rendering using the set-up audio-visual system (3D videos and Wave Field Synthesis).

Le monde du divertissement numérique connaît depuis plusieurs années une évolution majeure avec la démocratisation des technologies vidéo 3D. Il est désormais commun de visualiser des vidéos stéréoscopiques sur différents supports : au cinéma, à la télévision, dans les jeux vidéos, etc. L'image 3D a considérablement évolué mais qu'en est-il des technologies de restitution sonore associées ? La plupart du temps, le son qui accompagne la vidéo 3D est basé sur des effets de latéralisation, plus au moins étendus (stéréophonie, systèmes 5.1). Il est pourtant naturel de s'interroger sur le besoin d'introduire des événements sonores en lien avec l'ajout de cette nouvelle dimension visuelle : la profondeur. Plusieurs technologies semblent pouvoir offrir une description sonore 3D de l'espace (technologies binaurales, Ambisonics, Wave Field Synthesis). Le recours à ces technologies pourrait potentiellement améliorer la qualité d'expérience de l'utilisateur, en termes de réalisme tout d'abord grâce à l'amélioration de la cohérence spatiale audio-visuelle, mais aussi en termes de sensation d'immersion. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons mis en place un système de restitution audio-visuelle 3D proposant une présentation visuelle stéréoscopique associée à un rendu sonore spatialisé par Wave Field Synthesis. Trois axes de recherche ont alors été étudiés : 1 / Perception de la distance en présentation unimodale ou bimodale. Dans quelle mesure le système audio-visuel est-il capable de restituer des informations spatiales relatives à la distance, dans le cas d'objets sonores, visuels, ou audio-visuels ? Les expériences menées montrent que la Wave Field Synthesis permet de restituer la distance de sources sonores virtuelles. D'autre part, les objets visuels et audio-visuels sont localisés avec plus de précisions que les objets uniquement sonores. 2 / Intégration multimodale suivant la distance. Comment garantir une perception spatiale audio-visuelle cohérente de stimuli simples ? Nous avons mesuré l'évolution de la fenêtre d'intégration spatiale audio-visuelle suivant la distance, c'est-à-dire les positions des stimuli audio et visuels pour lesquelles la fusion des percepts a lieu. 3 / Qualité d'expérience audio-visuelle 3D. Quel est l'apport du rendu de la profondeur sonore sur la qualité d'expérience audio-visuelle 3D ? Nous avons tout d'abord évalué la qualité d'expérience actuelle, lorsque la présentation de contenus vidéo 3D est associée à une bande son 5.1, diffusée par des systèmes grand public (système 5.1, casque, et barre de son). Nous avons ensuite étudié l'apport du rendu de la profondeur sonore grâce au système audio-visuel proposé (vidéo 3D associée à la Wave Field Synthesis). / The digital entertainment industry is undergoing a major evolution due to the recent spread of stereoscopic-3D videos. It is now possible to experience 3D by watching movies, playing video games, and so on. In this context, video catches most of the attention but what about the accompanying audio rendering? Today, the most often used sound reproduction technologies are based on lateralization effects (stereophony, 5.1 surround systems). Nevertheless, it is quite natural to wonder about the need of introducing a new audio technology adapted to this new visual dimension: the depth. Many alternative technologies seem to be able to render 3D sound environments (binaural technologies, ambisonics, Wave Field Synthesis). Using these technologies could potentially improve users' quality of experience. It could impact the feeling of realism by adding audio-visual spatial congruence, but also the immersion sensation. In order to validate this hypothesis, a 3D audio-visual rendering system is set-up. The visual rendering provides stereoscopic-3D images and is coupled with a Wave Field Synthesis sound rendering. Three research axes are then studied: 1/ Depth perception using unimodal or bimodal presentations. How the audio-visual system is able to render the depth of visual, sound, and audio-visual objects? The conducted experiments show that Wave Field Synthesis can render virtual sound sources perceived at different distances. Moreover, visual and audio-visual objects can be localized with a higher accuracy in comparison to sound objects. 2/ Crossmodal integration in the depth dimension. How to guarantee the perception of congruence when audio-visual stimuli are spatially misaligned? The extent of the integration window was studied at different visual object distances. In other words, according to the visual stimulus position, we studied where sound objects should be placed to provide the perception of a single unified audio-visual stimulus. 3/ 3D audio-visual quality of experience. What is the contribution of sound depth rendering on the 3D audio-visual quality of experience? We first assessed today's quality of experience using sound systems dedicated to the playback of 5.1 soundtracks (5.1 surround system, headphones, soundbar) in combination with 3D videos. Then, we studied the impact of sound depth rendering using the set-up audio-visual system (3D videos and Wave Field Synthesis).

Le monde du divertissement numérique connaît depuis plusieurs années une évolution majeure avec la démocratisation des technologies vidéo 3D. Il est désormais commun de visualiser des vidéos stéréoscopiques sur différents supports : au cinéma, à la télévision, dans les jeux vidéos, etc. L'image 3D a considérablement évolué mais qu'en est-il des technologies de restitution sonore associées ? La plupart du temps, le son qui accompagne la vidéo 3D est basé sur des effets de latéralisation, plus au moins étendus (stéréophonie, systèmes 5.1). Il est pourtant naturel de s'interroger sur le besoin d'introduire des événements sonores en lien avec l'ajout de cette nouvelle dimension visuelle : la profondeur. Plusieurs technologies semblent pouvoir offrir une description sonore 3D de l'espace (technologies binaurales, Ambisonics, Wave Field Synthesis). Le recours à ces technologies pourrait potentiellement améliorer la qualité d'expérience de l'utilisateur, en termes de réalisme tout d'abord grâce à l'amélioration de la cohérence spatiale audio-visuelle, mais aussi en termes de sensation d'immersion. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons mis en place un système de restitution audio-visuelle 3D proposant une présentation visuelle stéréoscopique associée à un rendu sonore spatialisé par Wave Field Synthesis. Trois axes de recherche ont alors été étudiés : 1 / Perception de la distance en présentation unimodale ou bimodale. Dans quelle mesure le système audio-visuel est-il capable de restituer des informations spatiales relatives à la distance, dans le cas d'objets sonores, visuels, ou audio-visuels ? Les expériences menées montrent que la Wave Field Synthesis permet de restituer la distance de sources sonores virtuelles. D'autre part, les objets visuels et audio-visuels sont localisés avec plus de précisions que les objets uniquement sonores. 2 / Intégration multimodale suivant la distance. Comment garantir une perception spatiale audio-visuelle cohérente de stimuli simples ? Nous avons mesuré l'évolution de la fenêtre d'intégration spatiale audio-visuelle suivant la distance, c'est-à-dire les positions des stimuli audio et visuels pour lesquelles la fusion des percepts a lieu. 3 / Qualité d'expérience audio-visuelle 3D. Quel est l'apport du rendu de la profondeur sonore sur la qualité d'expérience audio-visuelle 3D ? Nous avons tout d'abord évalué la qualité d'expérience actuelle, lorsque la présentation de contenus vidéo 3D est associée à une bande son 5.1, diffusée par des systèmes grand public (système 5.1, casque, et barre de son). Nous avons ensuite étudié l'apport du rendu de la profondeur sonore grâce au système audio-visuel proposé (vidéo 3D associée à la Wave Field Synthesis). / The digital entertainment industry is undergoing a major evolution due to the recent spread of stereoscopic-3D videos. It is now possible to experience 3D by watching movies, playing video games, and so on. In this context, video catches most of the attention but what about the accompanying audio rendering? Today, the most often used sound reproduction technologies are based on lateralization effects (stereophony, 5.1 surround systems). Nevertheless, it is quite natural to wonder about the need of introducing a new audio technology adapted to this new visual dimension: the depth. Many alternative technologies seem to be able to render 3D sound environments (binaural technologies, ambisonics, Wave Field Synthesis). Using these technologies could potentially improve users' quality of experience. It could impact the feeling of realism by adding audio-visual spatial congruence, but also the immersion sensation. In order to validate this hypothesis, a 3D audio-visual rendering system is set-up. The visual rendering provides stereoscopic-3D images and is coupled with a Wave Field Synthesis sound rendering. Three research axes are then studied: 1/ Depth perception using unimodal or bimodal presentations. How the audio-visual system is able to render the depth of visual, sound, and audio-visual objects? The conducted experiments show that Wave Field Synthesis can render virtual sound sources perceived at different distances. Moreover, visual and audio-visual objects can be localized with a higher accuracy in comparison to sound objects. 2/ Crossmodal integration in the depth dimension. How to guarantee the perception of congruence when audio-visual stimuli are spatially misaligned? The extent of the integration window was studied at different visual object distances. In other words, according to the visual stimulus position, we studied where sound objects should be placed to provide the perception of a single unified audio-visual stimulus. 3/ 3D audio-visual quality of experience. What is the contribution of sound depth rendering on the 3D audio-visual quality of experience? We first assessed today's quality of experience using sound systems dedicated to the playback of 5.1 soundtracks (5.1 surround system, headphones, soundbar) in combination with 3D videos. Then, we studied the impact of sound depth rendering using the set-up audio-visual system (3D videos and Wave Field Synthesis).

Bien que l'évaluation perceptive et les tests de qualité sonore soient maintenant reconnus comme des parties essentielles du processus de développement de produit dans plusieurs domaines, ils sont rarement mis en oeuvre en utilisant des techniques de reproduction sonore spatiale. À la place, différentes présentations auditives (par exemple: stéréophoniques, Surround ou binaurales) sont utilisées. Ce mémoire propose une méthode pour utiliser des modèles vibroacoustiques courants en ingénierie pour commander des systèmes audio basés sur la Wave Field Synthesis 2.5D et formés de plusieurs réseaux linéaires de haut-parleurs. Des opérateurs pour Wave Field Synthesis (WFS) 2.5D améliorés sont proposés, pour une application dans un contexte d'ingénierie. Les opérateurs sont étudiés pour plusieurs cas de reproduction de modèles analytiques vibroacoustiques 3D de plaques (sources primaires étendues extérieures ou focalisées). La méthode accepte aussi en intrant d'autres types de modèles (méthode des éléments finis, méthode des éléments frontière). Des simulations de reproduction en champ libre démontrent que les opérateurs développés permettent une reproduction physique acceptable. Des reproductions physiques mesurées dans une salle WFS suggèrent que les nombreux effets de salle (réflexions et diffractions) modifient les caractéristiques reproduites du modèle. Globalement, de nombreuses similitudes existent entre les mesures et les simulations, soit les amplitudes globales, les distributions spatiales et temporelles, ainsi que les directions d'arrivée des fronts d'onde. Les caractéristiques spatiales et sonores des modèles sont bien reproduites, soit le patron de directivité, l'étendue spatiale perçue et le timbre. Cette validité est limitée dans le plan horizontal de reproduction, choix inhérent à la WFS 2.5D. On peut tirer du travail de l'étudiant quelques contributions originales: 1) Un opérateur WFS 2.5D qui permet des sources primaires étendues focalisées et extérieures pour une configuration formée de plusieurs réseaux linéaires de haut-parleurs. 2) Un facteur de compensation d'amplitude et de phase pour les sources primaires hors du plan de reproduction, adapté au nouveau concept de ligne de référence. 3) Une proposition pour ne pas utiliser la simplification traditionnelle en WFS qui suppose que la source virtuelle est suffisamment loin des haut-parleurs. 4) Un facteur de correction d'énergie, ce qui permet l'obtention des bons niveaux physiques pour la reproduction. 5) L'application de la Wave Field Synthesis telle que développée dans une partie d'un processus de développement de produit acoustique, c'est-à-dire l'auralisation d'une mesure de perte par transmission ou de perte par insertion de panneaux, afin d'illustrer le potentiel d'utilisation en ingénierie.

[ES] La reproducción de las propiedades espaciales del sonido es una cuestión cada vez más importante en muchas aplicaciones inmersivas emergentes. Ya sea en la reproducción de contenido audiovisual en entornos domésticos o en cines, en sistemas de videoconferencia inmersiva o en sistemas de realidad virtual o aumentada, el sonido espacial es crucial para una sensación de inmersión realista. La audición, más allá de la física del sonido, es un fenómeno perceptual influenciado por procesos cognitivos. El objetivo de esta tesis es contribuir con nuevos métodos y conocimiento a la optimización y simplificación de los sistemas de sonido espacial, desde un enfoque perceptual de la experiencia auditiva. Este trabajo trata en una primera parte algunos aspectos particulares relacionados con la reproducción espacial binaural del sonido, como son la escucha con auriculares y la personalización de la Función de Transferencia Relacionada con la Cabeza (Head Related Transfer Function - HRTF). Se ha realizado un estudio sobre la influencia de los auriculares en la percepción de la impresión espacial y la calidad, con especial atención a los efectos de la ecualización y la consiguiente distorsión no lineal. Con respecto a la individualización de la HRTF se presenta una implementación completa de un sistema de medida de HRTF y se introduce un nuevo método para la medida de HRTF en salas no anecoicas. Además, se han realizado dos experimentos diferentes y complementarios que han dado como resultado dos herramientas que pueden ser utilizadas en procesos de individualización de la HRTF, un modelo paramétrico del módulo de la HRTF y un ajuste por escalado de la Diferencia de Tiempo Interaural (Interaural Time Difference - ITD). En una segunda parte sobre reproducción con altavoces, se han evaluado distintas técnicas como la Síntesis de Campo de Ondas (Wave-Field Synthesis - WFS) o la panoramización por amplitud. Con experimentos perceptuales se han estudiado la capacidad de estos sistemas para producir sensación de distancia y la agudeza espacial con la que podemos percibir las fuentes sonoras si se dividen espectralmente y se reproducen en diferentes posiciones. Las aportaciones de esta investigación pretenden hacer más accesibles estas tecnologías al público en general, dada la demanda de experiencias y dispositivos audiovisuales que proporcionen mayor inmersión. / [CAT] La reproducció de les propietats espacials del so és una qüestió cada vegada més important en moltes aplicacions immersives emergents. Ja siga en la reproducció de contingut audiovisual en entorns domèstics o en cines, en sistemes de videoconferència immersius o en sistemes de realitat virtual o augmentada, el so espacial és crucial per a una sensació d'immersió realista. L'audició, més enllà de la física del so, és un fenomen perceptual influenciat per processos cognitius. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir a l'optimització i simplificació dels sistemes de so espacial amb nous mètodes i coneixement, des d'un criteri perceptual de l'experiència auditiva. Aquest treball tracta, en una primera part, alguns aspectes particulars relacionats amb la reproducció espacial binaural del so, com són l'audició amb auriculars i la personalització de la Funció de Transferència Relacionada amb el Cap (Head Related Transfer Function - HRTF). S'ha realitzat un estudi relacionat amb la influència dels auriculars en la percepció de la impressió espacial i la qualitat, dedicant especial atenció als efectes de l'equalització i la consegüent distorsió no lineal. Respecte a la individualització de la HRTF, es presenta una implementació completa d'un sistema de mesura de HRTF i s'inclou un nou mètode per a la mesura de HRTF en sales no anecoiques. A mès, s'han realitzat dos experiments diferents i complementaris que han donat com a resultat dues eines que poden ser utilitzades en processos d'individualització de la HRTF, un model paramètric del mòdul de la HRTF i un ajustament per escala de la Diferencià del Temps Interaural (Interaural Time Difference - ITD). En una segona part relacionada amb la reproducció amb altaveus, s'han avaluat distintes tècniques com la Síntesi de Camp d'Ones (Wave-Field Synthesis - WFS) o la panoramització per amplitud. Amb experiments perceptuals, s'ha estudiat la capacitat d'aquests sistemes per a produir una sensació de distància i l'agudesa espacial amb que podem percebre les fonts sonores, si es divideixen espectralment i es reprodueixen en diferents posicions. Les aportacions d'aquesta investigació volen fer més accessibles aquestes tecnologies al públic en general, degut a la demanda d'experiències i dispositius audiovisuals que proporcionen major immersió. / [EN] The reproduction of the spatial properties of sound is an increasingly important concern in many emerging immersive applications. Whether it is the reproduction of audiovisual content in home environments or in cinemas, immersive video conferencing systems or virtual or augmented reality systems, spatial sound is crucial for a realistic sense of immersion. Hearing, beyond the physics of sound, is a perceptual phenomenon influenced by cognitive processes. The objective of this thesis is to contribute with new methods and knowledge to the optimization and simplification of spatial sound systems, from a perceptual approach to the hearing experience. This dissertation deals in a first part with some particular aspects related to the binaural spatial reproduction of sound, such as listening with headphones and the customization of the Head Related Transfer Function (HRTF). A study has been carried out on the influence of headphones on the perception of spatial impression and quality, with particular attention to the effects of equalization and subsequent non-linear distortion. With regard to the individualization of the HRTF a complete implementation of a HRTF measurement system is presented, and a new method for the measurement of HRTF in non-anechoic conditions is introduced. In addition, two different and complementary experiments have been carried out resulting in two tools that can be used in HRTF individualization processes, a parametric model of the HRTF magnitude and an Interaural Time Difference (ITD) scaling adjustment. In a second part concerning loudspeaker reproduction, different techniques such as Wave-Field Synthesis (WFS) or amplitude panning have been evaluated. With perceptual experiments it has been studied the capacity of these systems to produce a sensation of distance, and the spatial acuity with which we can perceive the sound sources if they are spectrally split and reproduced in different positions. The contributions of this research are intended to make these technologies more accessible to the general public, given the demand for audiovisual experiences and devices with increasing immersion. / Gutiérrez Parera, P. (2020). Optimization and improvements in spatial sound reproduction systems through perceptual considerations [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/142696 / TESIS

Ultrasound directed self-assembly (DSA) relies on the acoustic radiation force associated with a standing ultrasound wave to organize particles dispersed in a fluid medium into specific patterns. State-of-the-art ultrasound DSA methods can only organize particles into (quasi-)periodic patterns, limited by the use of single-frequency ultrasound wave fields. Acoustic holography and acoustic waveguides provide alternatives to assembling complex patterns of particles, but generally provide low spatial accuracy and are not re-configurable because they require custom hardware for each specific pattern of particles, which is impractical. We introduce multi-frequency ultrasound wave fields to organize particles in non-periodic patterns. We theoretically derive and experimentally validate a solution methodology to determine the operating parameters (frequency, amplitude, phase) of any number and spatial arrangement of ultrasound transducers, required to assemble spherical particles dispersed in an inviscid fluid medium into any specific two-dimensional pattern. The results show that multi-frequency ultrasound DSA enables the assembly of complex, non-periodic patterns of particles with substantially fewer ultrasound transducers than single-frequency ultrasound DSA, and without incurring a penalty in terms of accuracy. The results of this work fundamentally transform the state-of-the-art knowledge of ultrasound DSA. Multi-frequency ultrasound wave fields enable a near-unlimited complexity of patterns of particles that can be assembled, increasing the relevance of the technology to practical implementation in engineering applications such as manufacturing of engineered composite materials that derive their properties from the spatial organization of the filler in the matrix material. Although this work focuses specifically on ultrasound wave fields, the theoretical model is valid for all wave phenomena. / Master of Science / Ultrasound directed self-assembly (DSA) is the process where particles dispersed in a fluid medium assemble into specific patterns due to their interactions with a sound wave and/or other particles. Current ultrasound DSA methods use a single-frequency ultrasound wave to assemble particles into specific patterns, which creates repeating patterns within the fluid medium. Other methods of assembling particles that allow for more complex, non-repeating patterns generally provide low spatial accuracy and do not allow dynamically changing the pattern as they require custom hardware for each specific pattern of particles, rendering these methods impractical. We use many ultrasound waves each with a different frequency to organize particles into complex, non-repeating patterns, which we call multi-frequency ultrasound DSA. We theoretically derive and experimentally validate a method that allows us to assemble any specific two-dimensional pattern of particles using multi-frequency ultrasound DSA. The results show that multi-frequency ultrasound DSA enables the assembly of complex, non-repeating patterns of particles with substantially resources than single-frequency ultrasound DSA, and without incurring a penalty in terms of accuracy. Multi-frequency ultrasound DSA enables a near-unlimited complexity of patterns of particles that can be assembled, increasing the relevance of the technology to practical implementation in engineering applications.

In this thesis a method to implement the radiation characteristics of musical instruments in wave field synthesis systems is developed. It is applied and tested in two loudspeaker systems.Because the loudspeaker systems have a comparably low number of loudspeakers the wave field is synthesized at discrete listening positions by solving a linear equation system. Thus, for every constellation of listening and source position all loudspeakers can be used for the synthesis. The calculations are done in spectral domain, denying sound propagation velocity at first. This approach causes artefacts in the loudspeaker signals and synthesis errors in the listening area which are compensated by means of psychoacoustic methods. With these methods the aliasing frequency is determined by the extent of the listening area whereas in other wave field synthesis systems it is determined by the distance of adjacent loudspeakers. Musical instruments are simplified as complex point sources to gain, store and propagate their radiation characteristics. This method is the basis of the newly developed “Radiation Method” which improves the matrix conditioning of the equation system and the precision of the wave field synthesis by implementing the radiation characteristics of the driven loudspeakers. In this work, the “Minimum Energy Method” — originally developed for acoustic holography — is applied for matters of wave field synthesis for the first time. It guarantees a robust solution and creates softer loudspeaker driving signals than the Radiation Method but yields a worse approximation of the wave field beyond the discrete listening positions. Psychoacoustic considerations allow for a successfull wave field synthesis: Integration times of the auditory system determine the spatial dimensions in which the wave field synthesis approach works despite different arrival times and directions of wave fronts. By separating the spectrum into frequency bands of the critical band width, masking effects are utilized to reduce the amount of calculations with hardly audible consequances. By applying the “Precedence Fade”, the precedence effect is used to manipulate the perceived source position and improve the reproduction of initial transients of notes. Based on Auditory Scene Analysis principles, “Fading Based Panning” creates precise phantom source positions between the actual loudspeaker positions. Physical measurements, simulations and listening tests prove evidence for the introduced methods and reveal their precision. Furthermore, results of the listening tests show that the perceived spaciousness of instrumental sound not necessarily goes along with distinctness of localization. The introduced methods are compatible to conventional multi channel audio systems as well as other wave field synthesis applications. / In dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, um die Abstrahlcharakteristik von Musikinstrumenten in Wellenfeldsynthesesystemen zu implementieren. Diese wird in zwei Lautsprechersystemen umgesetzt und getestet. Aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl an Lautsprechern wird das Schallfeld an diskreten Hörpositionen durch Lösung eines linearen Gleichungssystems resynthetisiert. Dadurch können für jede Konstellation aus Quellen- und Hörposition alle Lautsprecher für die Synthese verwendet werden. Hierzu wird zunächst in Frequenzebene, unter Vernachlässigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls gerechnet. Dieses Vorgehen sorgt für Artefakte im Schallsignal und Synthesefehler im Hörbereich, die durch psychoakustische Methoden kompensiert werden. Im Vergleich zu anderen Wellenfeldsyntheseverfahren wird bei diesem Vorgehen die Aliasingfrequenz durch die Größe des Hörbereichs und nicht durch den Lautsprecherabstand bestimmt. Musikinstrumente werden als komplexe Punktquellen vereinfacht, wodurch die Abstrahlung erfasst, gespeichert und in den Raum propagiert werden kann. Dieses Vorgehen ist auch die Basis der neu entwickelten “Radiation Method”, die durch Einbeziehung der Abstrahlcharakteristik der verwendeten Lautsprecher die Genauigkeit der Wellenfeldsynthese erhöht und die Konditionierung der Propagierungsmatrix des zu lösenden Gleichungssystems verbessert. In dieser Arbeit wird erstmals die für die akustische Holografie entwickelte “Minimum Energy Method” auf Wellenfeldsynthese angewandt. Sie garantiert eine robuste Lösung und erzeugt leisere Lautsprechersignale und somit mehr konstruktive Interferenz, approximiert das Schallfeld jenseits der diskreten Hörpositionen jedoch schlechter als die Radiation Method. Zahlreiche psychoakustische Überlegungen machen die Umsetzung der Wellenfeldsynthese möglich: Integrationszeiten des Gehörs bestimmen die räumlichen Dimensionen in der die Wellenfeldsynthesemethode — trotz der aus verschiedenen Richtungen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten ankommenden Wellenfronten — funktioniert. Durch Teilung des Schallsignals in Frequenzbänder der kritischen Bandbreite wird unter Ausnutzung von Maskierungseffekten die Anzahl an nötigen Rechnungen mit kaum hörbaren Konsequenzen reduziert. Mit dem “Precedence Fade” wird der Präzedenzeffekt genutzt, um die wahrgenommene Schallquellenposition zu beeinflussen. Zudem wird dadurch die Reproduktion transienter Einschwingvorgänge verbessert. Auf Grundlage von Auditory Scene Analysis wird “Fading Based Panning” eingeführt, um darüber hinaus eine präzise Schallquellenlokalisation jenseits der Lautsprecherpositionen zu erzielen. Physikalische Messungen, Simulationen und Hörtests weisen nach, dass die neu eingeführten Methoden funktionieren und zeigen ihre Präzision auf. Auch zeigt sich, dass die wahrgenommene Räumlichkeit eines Instrumentenklangs nicht der Lokalisationssicherheit entspricht. Die eingeführten Methoden sind kompatibel mit konventionellen Mehrkanal-Audiosystemen sowie mit anderen Wellenfeldsynthesesystemen.

This diploma thesis deals with a design modification of detection part of the laboratory instrument for measuring the topography of rough surfaces – laser goniometric scatterometer (SM II). Design modification is based on replacement of so far used detector instead for the detector of higher quality with better measurement parameters. The first part of the diploma thesis contains theoretical basics, which are necessary to understand the relationship between scalar diffraction theory and scattering measurements of monochromatic light. The emphasis is on the importance of choosing appropriate detection coordinates, which are affecting the aberrations of detected diffracted light. The practical part is dedicated to improving the sensitivity of the detection part of the scatterometer SM II that is used in The laboratory of coherence optics at IFE FME BUT. This part justifies the choice of the detector which predetermines both the use of optical elements and the overall design of the detection part as the goniometer.

Starke Erdbeben stellen weltweit ein hohes Risiko für urbane Zentren dar, dem unter anderem durch Methoden der aseismischen Bauwerksbemessung begegnet wird. Grundlage hierfür bilden Annahmen und Erfahrungswissen über die lokale seismische Bodenbeschleunigung, Grenzen sind hingegen durch die zusätzlichen Kosten gesetzt. Die Schadensbilanz der Starkbeben der letzten Jahre, auch in den Industrieländern, verdeutlicht die Notwendigkeit, die Konzepte und Methoden des erdbebensicheren Bauens weiter zu verfeinern. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur stochastischen seismischen Lastmodellierung vorgestellt, der über die übliche Annahme eines stationären, eindimensionalen Prozesses für die Bodenbeschleunigung hinausgeht. Ziel ist eine standort- und wellenspezifische räumliche Lastmodellierung, die durch Nutzung von Informationen über physikalische Invarianten eine transparente und kostengünstige aseismische Bauwerksbemessung erlaubt, zumindest aber das Risiko gegenüber gebräuchlichen Bemessungsmethoden reduziert. Solche seismischen und geotechnischen Invarianten sind die gesetzmäßige Struktur des seismischen Wellenfeldes sowie die Resonanzeigenschaften der Bodenschichtung am Standort. Das vorgeschlagene Lastmodell bildet das Wellenfeld am Standort als Komposition stochastischer evolutionärer Teilprozesse auf zeitveränderlichen Hauptachsen ab, die zu Wellenzügen mit jeweils spezifischer Lastcharakteristik korrespondieren. Diese Lastcharakteristik wird sowohl im Frequenz- und Zeitbereich als auch räumlich durch wellenspezifische Formfunktionen beschrieben, deren Parameter stark zu seismischen und geotechnischen Größen korrelieren. Schwerpunkt der Arbeit sind neuartige, korrelationsbasierte Schätzverfahren zur empirischen Spezifikation der Modellparameter für die Baupraxis. Das spektraladaptive Korrelations-Hauptachsenschätzverfahren (SAPCA) sichert die optimale Erfassung der räumlichen Wellenzüge durch Transformation der Messung auf Referenzkomponenten. Gleichzeitig liefert es - in Verbindung mit einem Korrekturverfahren für den Streichwinkel der Hauptachse - prägnante, assoziierte Hauptachsenverlaufsmuster, anhand derer Dominanzphasen für drei verallgemeinerte Wellenzüge zuverlässig identifiziert werden können. Innerhalb dieser Dominanzphasen werden die wellenzugspezifischen Parameter des Lastmodells bestimmt. Außerdem wird ein Algorithmus angegeben, um Rayleighwellen in Einzelmessungen zu identifizieren. Die Eignung des Modellansatzes und die Effizienz der Schätzverfahren werden anhand von Starkbebenmessungen des Northridge-Erdbebens 1994 verifiziert. Mit dem vorgestellten nichtstationären Modellansatz werden in herkömmlichen stochastischen Lastmodellen unterschätzte Lastanteile des Starkbebenwellenfeldes genauer abgebildet. Bisher unterschlagene oder pauschal modellierte Lastanteile werden erstmals der Analyse und Modellierung zugänglich gemacht. Das stochastische Modell wird bezüglich der wichtigsten lastgenerierenden Effekte physikalisch transparent und dadurch - trotz höherer Komplexität - in der Ingenieurpraxis besser handhabbar. Die Hauptachsenmethode (SAPCA) eignet sich auch für seismologische Analysen im Nahbereich, etwa zur Analyse von Bruchprozessen und topographischen Standorteffekten. / Strong earthquakes are a potential high risk for urban centres worldwide, which is, amongst others, confronted by methods of aseismic structural design. This is based on both assumptions and thorough knowledge about local seismic ground acceleration; limits are set, on the other side, by additional costs. Damage balance of recent strong quakes - also in industrialized countries - emphasize the need for further refinement of concepts and methods of earthquake resistant structural design. In this work, a new approach of stochastic seismic load modelling is presented, letting go the usual presupposition of a stationary, one-dimensional stochastic process for ground acceleration. The goal is site and wave specific load modelling, using information about physical and geotechnical invariants, which enables transparency and low cost approaches in aseismic structural design, but at least reduces seismic risk in comparison to common design methods. Those physical and geotechnical invariants are the structure of the seismic wave field according to physical laws as well as resonance properties of the soil strata at the local site. The proposed load model represents the local wave field as a composition of stochastic evolutionary sub-processes upon time-variant principal axes, which correspond to wave trains with specific load characteristics. Those load characteristics are described in the frequency and time as well as in the spatial domain by wave-specific shape functions, whose parameters strongly correlate to seismic and geotechnical entities. Main contributions of the work are newly developed estimation procedures based on correlation, which serve in the framework of empirical specification of the model parameters for the building practice. The Spectral-Adaptive Principal Correlation Axes (SAPCA) algorithm ensures an optimal covering of the spatial wave trains by transforming the recorded data onto Reference Components. At the same time - in connection with a correction algorithm for the strike angle of the principal axis - it delivers concise associated patterns in the course of the principal axis, which are in turn used to reliably identify dominance phases for three generalized wave trains. Within those wave dominance phases, the wave specific parameters of the load model are determined. Additionally, an algorithm is presented to identify Rayleigh waves in single site acceleration records. Adequacy of the modelling approach and efficiency of the estimation procedures are verified by means of strong motion records from the 1994 Northridge Earthquake The proposed non-stationary modelling approach describes with more accuracy load portions of the strong motion wave field underestimated in conventional stochastic load models. Load portions which are left out or lump-sum modelled so far are made available for analysis and modelling for the first time. The stochastic model gains physical transparency with respect to the most important load generating effects, and hence will be - despite higher complexity - easy to handle in engineering practice. The Principal Axis method will also be useful for seismological analyses in the near field, e.g., for the analysis of rupture processes and topographic site effects. / Des séismes forts sont un gros risque potentiel pour des centres urbains dans le monde entier, qui est, entre autres, confronté par des méthodes de conception aséismique de bâtiments. Ceci est fondé sur des hypothèses et la connaissance profonde au sujet de l'accélération séismique au sol locale. Limites sont placées, de l'autre côté, par des coûts additionnels. Les dommages des séismes forts récents, aussi dans les pays industrialisés, soulignent la nécessité de raffiner plus loin les concepts et les méthodes de conception aséismique de bâtiments. Dans cette oeuvre, une nouvelle approche à la modélisation stochastique de la charge séismique est présentée, qui renonce la présupposition habituelle d'un processus stationnaire et unidimensionnel pour l'accélération de sol. L'objectif est une modélisation spatiale de charge, spécifique d'ondes et de site, qui, par l'utilisation des informations sur des invariantes physiques, permet une mesure de bâtiment asismique transparente et économique, au moins toutefois réduit le risque par rapport aux méthodes de mesures courantes. De tels invariants séismiques et géotechniques sont la structure du champ des ondes séismiques déterminé par les lois de la physique et les qualités de résonance de la stratification de sol locale. Le modèle de charge proposé décrit le champ des ondes au site comme composition des sous-processes évolutionnaires stochastiques sur les axes principales variables dans le temps, qui correspondent aux trains des ondes qu'ont une caractéristique de charge respectivement spécifique. Cette caractéristique de charge est décrit dans le domaine temporel et de fréquence et aussi bien que spatial par les fonctions de forme spécifique d'ondes dont les paramètres corrèlent fortement à des dimensions séismiques et géotechniques. Une priorité d'oeuvre sont des nouvelles procédures d'estimation, pour la spécification empirique des paramètres de modèle pour la pratique de construction, qui se basent sur la sur la corrélation de croix de composante. La procédure adaptative spectrale d'estimation d'axes principals de corrélation (SAPCA) assure la saisie optimale des trains des ondes spatiaux par la transformation des enregistrements sur des composantes de référence. En même temps - en relation avec une procédure de correction d'angle égal d'axe prin¬ci¬pal - il livre des concises schémas associés de cours d'axes principals, au moyen de ceux peut être identifié fiable des phases de dominance pour trois trains généralisés des ondes. Dans ces phases de dominance, les paramètres du modèle de charge spécifiques pour chaque train des ondes sont déterminés. En outre, un algorithme est indiqué, pour identi¬fier des ondes de Rayleigh dans un enregistrement individuel de l'accélération de sol. La qualification de l'approche de modèle et l'efficience des procédures d'estimation sont vérifiées au moyen d'enregistrements de tremblement fort du séisme á Northridge 1994. Avec l'approche de modèle non-stationnaire présentée, tels des parts de charge du champ des ondes sismiques forts sont décrites plus précisément qui sont sous-estimées dans les modèles de charge stochastiques habituels. Des parts de charge q'ont été supprimés ou modelées forfaitairement jusqu'ici, sont rendues accessibles à l'analyse et à la modélisation pour la première fois. Le modèle stochastique devient physico-transparent concernant les effets les plus importants, produisants une charge sur le bâtiment, et ainsi - malgré la complexité plus élevée - mieux maniable en pratique d'ingénieur. La méthode d'axes principals adaptative spectrale (SAPCA) convient aussi pour des analyses sismologiques dans la proximité d'epicentre, par exemple à l'analyse des processus de rupture et des effets de site topographiques. / Por todo el mundo, los terremotos fuertes son un alto riesgo potencial para los centros urbanos, que está, entre otros, enfrentado por métodos de diseño estructural antisísmico. Estos métodos son basa en asunciones y conocimiento fundamentado sobre la aceleración de tierra sísmica local; los límites son fijados, en el otro lado, por costes adicionales. Balance de los daños de temblores fuertes recientes - también en países industrializados - acentúe la necesidad del refinamiento adicional de conceptos y de métodos de diseño estructural resistente del terremoto. En este trabajo, una nueva aproximación de modelar estocástico de la carga sísmica se presenta, superando la presuposición generalmente de un proceso estocástico unidimensional y estacionario para la aceleración de tierra. La meta avisada es un modelo de la carga específico del sitio y de las ondas que, con la información sobre las invariantes físicas y geotécnicas, permite las aproximaciones transparentes y económicas, en diseño estructural antisísmico; pero por lo menos reduce el riesgo sísmico en la comparación a los métodos usados de diseño. Esos invariantes son la estructura regular del campo de las ondas sísmicas, así como las características de la resonancia de los estratos del suelo en el sitio local. El modelo propuesto de la carga representa el campo local de las ondas sísmicas como composición de los procesos parciales evolutivos estocásticos sobre las hachas principales variables-temporales, que corresponden a los trenes de las ondas con características específicas de la carga. Esas características de la carga son descritas en el dominio de la frecuencia y del tiempo así como en el dominio espacial por las funciones de la forma, que parámetros son especificas por los trenos generalizados de la onda sísmica y correlacionan fuertemente a las entidades sísmicas y geotécnicas. La contribución principal de este trabajo son los procedimientos nuevamente desarrollados de la valoración basados en la correlación, que sirven en el contexto de la especificación empírica de los parámetros de modelo para la práctica de construcción. El algoritmo de las Ejes Mayor de la Correlación Espectral-Adaptante (SAPCA) asegura la recogida óptima de los trenes espaciales de la onda transformando los datos registrados sobre componentes de la referencia. En el mismo tiempo - en la conexión con un algoritmo de la corrección para el ángulo del acimut del eje mayor/principal – SAPCA entrega los patrones asociados concisos en el curso del eje principal, que después se utilizan para identificar confiablemente las fases de la dominación para tres trenes generalizados de la onda. Dentro de esas fases de la dominación de la onda, los parámetros específicos de la onda del modelo de la carga se determinan. Además, un algoritmo se presenta para identificar las ondas de Rayleigh en solos mensuras de la aceleración del sitio. La suficiencia del aproximación que modela y la eficacia de los procedimientos de la valoración se verifican por medio de los datos del terremoto catastrófico a Northridge 1994. La aproximación non-estacionaria que modela propuesto describe con más exactitud las porciones de la carga del campo de la onda del terremoto fuerte subestimado en modelos estocásticos convencionales de la carga. Cargue las porciones que se dejan hacia fuera o modelado global hasta ahora se hace disponible para el análisis y modelar para la primera vez. El modelo estocástico gana la transparencia física con respecto a la carga más importante que genera efectos, y por lo tanto será - a pesar de una complejidad más alta - fácil de dirigir en práctica de la ingeniería. El método principal del eje también será útil para los análisis sismológicos en el campo cercano, p. e., para el análisis de los procesos de la ruptura y de los efectos topográficos del sitio. / Сильные землетрясения всемирно являются потенциально высоким риском для ур¬банизированных центров. Для уменшения сейсмического риска развивются методы антисейсмичной структурной конструкции. Эти методы построены на предположениях, которые требуют тщательного эмпирического знания характеристик местного сейсмического ускорения грунта. Предел состоит, с другой стороны, в дополнительных стоимостях строительства. Убытки от недавних сильных землетрясений - также в индустриально развитых странах – подчеркивают потребность более глубокого уточнения прин¬ципиальных схем и методов антисейсмичного строительства. Эта работа представляет новый подход стохастического сейсмического моде¬лирования нагрузки, развивающий обычное предположениe стационарного, одномерного стохастического процессa нa сейсмическое ускорение грунта. Целью будет создание модели нагрузки, которая указана по отдельности для специфических характеристик и сейсмических волн и местного положения, делающей возможным, путём использования информации о физических и геотехничес¬ких инвариантностях, и прозрачных и недорогих подходов в антисейсмичной структурной конструкции, но по крайней мере уменьшающей сейсмический риск, по сравнению с общими методами антисейсмичного строительства. Эти инвариантности являются закономерной структурой волнового поля также, как и свойствами резонан¬са слоёв грунта в месте постройки.. Предложенная модель нагрузки представляет местное волновое поле как составляющая стохастических подпроцессов развития на главных осях зависящих от времени, которые соответствуют волновым пакетам со специфическими характе¬ристиками нагрузки. Те эти характеристики нагрузки описаны в диапазонах частоты и времени также, как трёхмерного объёма функциями формы, параметры которых указаны по отдельности для различных обобщанных волновых пакетов u сильно соотносят от сейсмичес¬ких и геотехнических величин. Главны вклад работы – это новые процедуры оценивания, основанные на корреляции, которые служат в рамках эмпирической спецификации модельных параметров для практики строительства. Новый Aлгоритм Спектрально-Приспо¬собительных Главных Oсей Kорреляции (SAPCA) обеспечивает оптимальное заволакивание трёхмерных волновых пакетов преобразованием записанных данных сейсмического ускорения грунта на калибровочные компоненты на этих главных осях. В то же самое время - в связи с алгоритмом коррекции для угла простирания главной оси - SAPCA поставляет сжатые связанные волновые картины в ходе временно-изменчивых глав¬ных осей, которые в свою очередь использованы для надежного определения доминантных фаз для трёх обобщенных волновых пакетов. В этих фазах засилья отдельного волного пакета, определёны волново-специфические параметры модели нагруз¬ки. Дополнительно, показан алгоритм для идентификации и определения волн типа Релея при одиночной регистрации сейсмической ускорении грунта. Адекватность моделированного подходa и эффективность процедур оценивания подтвержены посредством данных сильного землетрясения Northridge 1994. Предложенный нестационарный подход моделировании описывает с большей точностью части нагрузки волного поля сильных землетрясений недооцененных в обычных стохастических моделях нагрузки. Части нагрузки не рассматривающиеся или слишком обобщаемые до сих пор, при новым подходе впервые можно будет учитывать и анализировать. Стохастическая модель приобретает физической прозрачностей по отношению к самым важным влияниям, которые производят нагрузку, и следовательно будет – несмотря на более высокую сложность – легка для того, чтобы применять её в практике инженерных расчётов. Mетод Главных Oсей также будет полезенно для сейсмологических анализов в близком поле, например, для анализа процессов повреждения и топографических влиянии местного положения.

Starke Erdbeben stellen weltweit ein hohes Risiko für urbane Zentren dar, dem unter anderem durch Methoden der aseismischen Bauwerksbemessung begegnet wird. Grundlage hierfür bilden Annahmen und Erfahrungswissen über die lokale seismische Bodenbeschleunigung, Grenzen sind hingegen durch die zusätzlichen Kosten gesetzt. Die Schadensbilanz der Starkbeben der letzten Jahre, auch in den Industrieländern, verdeutlicht die Notwendigkeit, die Konzepte und Methoden des erdbebensicheren Bauens weiter zu verfeinern. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur stochastischen seismischen Lastmodellierung vorgestellt, der über die übliche Annahme eines stationären, eindimensionalen Prozesses für die Bodenbeschleunigung hinausgeht. Ziel ist eine standort- und wellenspezifische räumliche Lastmodellierung, die durch Nutzung von Informationen über physikalische Invarianten eine transparente und kostengünstige aseismische Bauwerksbemessung erlaubt, zumindest aber das Risiko gegenüber gebräuchlichen Bemessungsmethoden reduziert. Solche seismischen und geotechnischen Invarianten sind die gesetzmäßige Struktur des seismischen Wellenfeldes sowie die Resonanzeigenschaften der Bodenschichtung am Standort. Das vorgeschlagene Lastmodell bildet das Wellenfeld am Standort als Komposition stochastischer evolutionärer Teilprozesse auf zeitveränderlichen Hauptachsen ab, die zu Wellenzügen mit jeweils spezifischer Lastcharakteristik korrespondieren. Diese Lastcharakteristik wird sowohl im Frequenz- und Zeitbereich als auch räumlich durch wellenspezifische Formfunktionen beschrieben, deren Parameter stark zu seismischen und geotechnischen Größen korrelieren. Schwerpunkt der Arbeit sind neuartige, korrelationsbasierte Schätzverfahren zur empirischen Spezifikation der Modellparameter für die Baupraxis. Das spektraladaptive Korrelations-Hauptachsenschätzverfahren (SAPCA) sichert die optimale Erfassung der räumlichen Wellenzüge durch Transformation der Messung auf Referenzkomponenten. Gleichzeitig liefert es - in Verbindung mit einem Korrekturverfahren für den Streichwinkel der Hauptachse - prägnante, assoziierte Hauptachsenverlaufsmuster, anhand derer Dominanzphasen für drei verallgemeinerte Wellenzüge zuverlässig identifiziert werden können. Innerhalb dieser Dominanzphasen werden die wellenzugspezifischen Parameter des Lastmodells bestimmt. Außerdem wird ein Algorithmus angegeben, um Rayleighwellen in Einzelmessungen zu identifizieren. Die Eignung des Modellansatzes und die Effizienz der Schätzverfahren werden anhand von Starkbebenmessungen des Northridge-Erdbebens 1994 verifiziert. Mit dem vorgestellten nichtstationären Modellansatz werden in herkömmlichen stochastischen Lastmodellen unterschätzte Lastanteile des Starkbebenwellenfeldes genauer abgebildet. Bisher unterschlagene oder pauschal modellierte Lastanteile werden erstmals der Analyse und Modellierung zugänglich gemacht. Das stochastische Modell wird bezüglich der wichtigsten lastgenerierenden Effekte physikalisch transparent und dadurch - trotz höherer Komplexität - in der Ingenieurpraxis besser handhabbar. Die Hauptachsenmethode (SAPCA) eignet sich auch für seismologische Analysen im Nahbereich, etwa zur Analyse von Bruchprozessen und topographischen Standorteffekten. / Strong earthquakes are a potential high risk for urban centres worldwide, which is, amongst others, confronted by methods of aseismic structural design. This is based on both assumptions and thorough knowledge about local seismic ground acceleration; limits are set, on the other side, by additional costs. Damage balance of recent strong quakes - also in industrialized countries - emphasize the need for further refinement of concepts and methods of earthquake resistant structural design. In this work, a new approach of stochastic seismic load modelling is presented, letting go the usual presupposition of a stationary, one-dimensional stochastic process for ground acceleration. The goal is site and wave specific load modelling, using information about physical and geotechnical invariants, which enables transparency and low cost approaches in aseismic structural design, but at least reduces seismic risk in comparison to common design methods. Those physical and geotechnical invariants are the structure of the seismic wave field according to physical laws as well as resonance properties of the soil strata at the local site. The proposed load model represents the local wave field as a composition of stochastic evolutionary sub-processes upon time-variant principal axes, which correspond to wave trains with specific load characteristics. Those load characteristics are described in the frequency and time as well as in the spatial domain by wave-specific shape functions, whose parameters strongly correlate to seismic and geotechnical entities. Main contributions of the work are newly developed estimation procedures based on correlation, which serve in the framework of empirical specification of the model parameters for the building practice. The Spectral-Adaptive Principal Correlation Axes (SAPCA) algorithm ensures an optimal covering of the spatial wave trains by transforming the recorded data onto Reference Components. At the same time - in connection with a correction algorithm for the strike angle of the principal axis - it delivers concise associated patterns in the course of the principal axis, which are in turn used to reliably identify dominance phases for three generalized wave trains. Within those wave dominance phases, the wave specific parameters of the load model are determined. Additionally, an algorithm is presented to identify Rayleigh waves in single site acceleration records. Adequacy of the modelling approach and efficiency of the estimation procedures are verified by means of strong motion records from the 1994 Northridge Earthquake The proposed non-stationary modelling approach describes with more accuracy load portions of the strong motion wave field underestimated in conventional stochastic load models. Load portions which are left out or lump-sum modelled so far are made available for analysis and modelling for the first time. The stochastic model gains physical transparency with respect to the most important load generating effects, and hence will be - despite higher complexity - easy to handle in engineering practice. The Principal Axis method will also be useful for seismological analyses in the near field, e.g., for the analysis of rupture processes and topographic site effects. / Des séismes forts sont un gros risque potentiel pour des centres urbains dans le monde entier, qui est, entre autres, confronté par des méthodes de conception aséismique de bâtiments. Ceci est fondé sur des hypothèses et la connaissance profonde au sujet de l'accélération séismique au sol locale. Limites sont placées, de l'autre côté, par des coûts additionnels. Les dommages des séismes forts récents, aussi dans les pays industrialisés, soulignent la nécessité de raffiner plus loin les concepts et les méthodes de conception aséismique de bâtiments. Dans cette oeuvre, une nouvelle approche à la modélisation stochastique de la charge séismique est présentée, qui renonce la présupposition habituelle d'un processus stationnaire et unidimensionnel pour l'accélération de sol. L'objectif est une modélisation spatiale de charge, spécifique d'ondes et de site, qui, par l'utilisation des informations sur des invariantes physiques, permet une mesure de bâtiment asismique transparente et économique, au moins toutefois réduit le risque par rapport aux méthodes de mesures courantes. De tels invariants séismiques et géotechniques sont la structure du champ des ondes séismiques déterminé par les lois de la physique et les qualités de résonance de la stratification de sol locale. Le modèle de charge proposé décrit le champ des ondes au site comme composition des sous-processes évolutionnaires stochastiques sur les axes principales variables dans le temps, qui correspondent aux trains des ondes qu'ont une caractéristique de charge respectivement spécifique. Cette caractéristique de charge est décrit dans le domaine temporel et de fréquence et aussi bien que spatial par les fonctions de forme spécifique d'ondes dont les paramètres corrèlent fortement à des dimensions séismiques et géotechniques. Une priorité d'oeuvre sont des nouvelles procédures d'estimation, pour la spécification empirique des paramètres de modèle pour la pratique de construction, qui se basent sur la sur la corrélation de croix de composante. La procédure adaptative spectrale d'estimation d'axes principals de corrélation (SAPCA) assure la saisie optimale des trains des ondes spatiaux par la transformation des enregistrements sur des composantes de référence. En même temps - en relation avec une procédure de correction d'angle égal d'axe prin¬ci¬pal - il livre des concises schémas associés de cours d'axes principals, au moyen de ceux peut être identifié fiable des phases de dominance pour trois trains généralisés des ondes. Dans ces phases de dominance, les paramètres du modèle de charge spécifiques pour chaque train des ondes sont déterminés. En outre, un algorithme est indiqué, pour identi¬fier des ondes de Rayleigh dans un enregistrement individuel de l'accélération de sol. La qualification de l'approche de modèle et l'efficience des procédures d'estimation sont vérifiées au moyen d'enregistrements de tremblement fort du séisme á Northridge 1994. Avec l'approche de modèle non-stationnaire présentée, tels des parts de charge du champ des ondes sismiques forts sont décrites plus précisément qui sont sous-estimées dans les modèles de charge stochastiques habituels. Des parts de charge q'ont été supprimés ou modelées forfaitairement jusqu'ici, sont rendues accessibles à l'analyse et à la modélisation pour la première fois. Le modèle stochastique devient physico-transparent concernant les effets les plus importants, produisants une charge sur le bâtiment, et ainsi - malgré la complexité plus élevée - mieux maniable en pratique d'ingénieur. La méthode d'axes principals adaptative spectrale (SAPCA) convient aussi pour des analyses sismologiques dans la proximité d'epicentre, par exemple à l'analyse des processus de rupture et des effets de site topographiques. / Por todo el mundo, los terremotos fuertes son un alto riesgo potencial para los centros urbanos, que está, entre otros, enfrentado por métodos de diseño estructural antisísmico. Estos métodos son basa en asunciones y conocimiento fundamentado sobre la aceleración de tierra sísmica local; los límites son fijados, en el otro lado, por costes adicionales. Balance de los daños de temblores fuertes recientes - también en países industrializados - acentúe la necesidad del refinamiento adicional de conceptos y de métodos de diseño estructural resistente del terremoto. En este trabajo, una nueva aproximación de modelar estocástico de la carga sísmica se presenta, superando la presuposición generalmente de un proceso estocástico unidimensional y estacionario para la aceleración de tierra. La meta avisada es un modelo de la carga específico del sitio y de las ondas que, con la información sobre las invariantes físicas y geotécnicas, permite las aproximaciones transparentes y económicas, en diseño estructural antisísmico; pero por lo menos reduce el riesgo sísmico en la comparación a los métodos usados de diseño. Esos invariantes son la estructura regular del campo de las ondas sísmicas, así como las características de la resonancia de los estratos del suelo en el sitio local. El modelo propuesto de la carga representa el campo local de las ondas sísmicas como composición de los procesos parciales evolutivos estocásticos sobre las hachas principales variables-temporales, que corresponden a los trenes de las ondas con características específicas de la carga. Esas características de la carga son descritas en el dominio de la frecuencia y del tiempo así como en el dominio espacial por las funciones de la forma, que parámetros son especificas por los trenos generalizados de la onda sísmica y correlacionan fuertemente a las entidades sísmicas y geotécnicas. La contribución principal de este trabajo son los procedimientos nuevamente desarrollados de la valoración basados en la correlación, que sirven en el contexto de la especificación empírica de los parámetros de modelo para la práctica de construcción. El algoritmo de las Ejes Mayor de la Correlación Espectral-Adaptante (SAPCA) asegura la recogida óptima de los trenes espaciales de la onda transformando los datos registrados sobre componentes de la referencia. En el mismo tiempo - en la conexión con un algoritmo de la corrección para el ángulo del acimut del eje mayor/principal – SAPCA entrega los patrones asociados concisos en el curso del eje principal, que después se utilizan para identificar confiablemente las fases de la dominación para tres trenes generalizados de la onda. Dentro de esas fases de la dominación de la onda, los parámetros específicos de la onda del modelo de la carga se determinan. Además, un algoritmo se presenta para identificar las ondas de Rayleigh en solos mensuras de la aceleración del sitio. La suficiencia del aproximación que modela y la eficacia de los procedimientos de la valoración se verifican por medio de los datos del terremoto catastrófico a Northridge 1994. La aproximación non-estacionaria que modela propuesto describe con más exactitud las porciones de la carga del campo de la onda del terremoto fuerte subestimado en modelos estocásticos convencionales de la carga. Cargue las porciones que se dejan hacia fuera o modelado global hasta ahora se hace disponible para el análisis y modelar para la primera vez. El modelo estocástico gana la transparencia física con respecto a la carga más importante que genera efectos, y por lo tanto será - a pesar de una complejidad más alta - fácil de dirigir en práctica de la ingeniería. El método principal del eje también será útil para los análisis sismológicos en el campo cercano, p. e., para el análisis de los procesos de la ruptura y de los efectos topográficos del sitio. / Сильные землетрясения всемирно являются потенциально высоким риском для ур¬банизированных центров. Для уменшения сейсмического риска развивются методы антисейсмичной структурной конструкции. Эти методы построены на предположениях, которые требуют тщательного эмпирического знания характеристик местного сейсмического ускорения грунта. Предел состоит, с другой стороны, в дополнительных стоимостях строительства. Убытки от недавних сильных землетрясений - также в индустриально развитых странах – подчеркивают потребность более глубокого уточнения прин¬ципиальных схем и методов антисейсмичного строительства. Эта работа представляет новый подход стохастического сейсмического моде¬лирования нагрузки, развивающий обычное предположениe стационарного, одномерного стохастического процессa нa сейсмическое ускорение грунта. Целью будет создание модели нагрузки, которая указана по отдельности для специфических характеристик и сейсмических волн и местного положения, делающей возможным, путём использования информации о физических и геотехничес¬ких инвариантностях, и прозрачных и недорогих подходов в антисейсмичной структурной конструкции, но по крайней мере уменьшающей сейсмический риск, по сравнению с общими методами антисейсмичного строительства. Эти инвариантности являются закономерной структурой волнового поля также, как и свойствами резонан¬са слоёв грунта в месте постройки.. Предложенная модель нагрузки представляет местное волновое поле как составляющая стохастических подпроцессов развития на главных осях зависящих от времени, которые соответствуют волновым пакетам со специфическими характе¬ристиками нагрузки. Те эти характеристики нагрузки описаны в диапазонах частоты и времени также, как трёхмерного объёма функциями формы, параметры которых указаны по отдельности для различных обобщанных волновых пакетов u сильно соотносят от сейсмичес¬ких и геотехнических величин. Главны вклад работы – это новые процедуры оценивания, основанные на корреляции, которые служат в рамках эмпирической спецификации модельных параметров для практики строительства. Новый Aлгоритм Спектрально-Приспо¬собительных Главных Oсей Kорреляции (SAPCA) обеспечивает оптимальное заволакивание трёхмерных волновых пакетов преобразованием записанных данных сейсмического ускорения грунта на калибровочные компоненты на этих главных осях. В то же самое время - в связи с алгоритмом коррекции для угла простирания главной оси - SAPCA поставляет сжатые связанные волновые картины в ходе временно-изменчивых глав¬ных осей, которые в свою очередь использованы для надежного определения доминантных фаз для трёх обобщенных волновых пакетов. В этих фазах засилья отдельного волного пакета, определёны волново-специфические параметры модели нагруз¬ки. Дополнительно, показан алгоритм для идентификации и определения волн типа Релея при одиночной регистрации сейсмической ускорении грунта. Адекватность моделированного подходa и эффективность процедур оценивания подтвержены посредством данных сильного землетрясения Northridge 1994. Предложенный нестационарный подход моделировании описывает с большей точностью части нагрузки волного поля сильных землетрясений недооцененных в обычных стохастических моделях нагрузки. Части нагрузки не рассматривающиеся или слишком обобщаемые до сих пор, при новым подходе впервые можно будет учитывать и анализировать. Стохастическая модель приобретает физической прозрачностей по отношению к самым важным влияниям, которые производят нагрузку, и следовательно будет – несмотря на более высокую сложность – легка для того, чтобы применять её в практике инженерных расчётов. Mетод Главных Oсей также будет полезенно для сейсмологических анализов в близком поле, например, для анализа процессов повреждения и топографических влиянии местного положения.