DE10019984A1 - Three=dimensional virtual acoustic reality calculation method for simulation of acoustical events in signal processing system by placing sound sources and receivers in virtual space - Google Patents

Three=dimensional virtual acoustic reality calculation method for simulation of acoustical events in signal processing system by placing sound sources and receivers in virtual space

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DE10019984A1
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Abstract

The method involves using a VAR-3D technique, especially sound ray calculations for simulating or representing sound wave propagation and acoustics. A virtual space is created in an information processing system, and geometric points arranged on a global coordinate system. Surfaces are defined on the geometric points. Sound source objects and sound receiving objects (virtual microphones) are placed in the virtual space. Sequential sound rays are generated for the samples (pulses) resulting from the signal to be processed, and the propagation of the rays is calculated. The propagation calculation makes use of the technique mentioned in a specification of VAR3D, to calculate the acoustic conditions. The generated signal is obtained from the interface of the sound receivers. Independent claims are included for the use of a frequency selection and band allocation, the holding and organisation of data within a reality information object (RIO), and the simulation of resonance or natural modes in objects and bodies.

Description

Der Mensch nimmt zu etwa 50 Prozent seiner räumlichen Orientierung über den Gehörsinn auf.Humans absorb about 50 percent of their spatial orientation via the sense of hearing.

Dies geschieht aufgrund mehrerer gehörpsychologischer Verfahren.This happens due to several auditory psychological procedures.

Die 3-dimensionale Ortung von Schallquellen ist über das Erkennen von Phasenverschiebungen möglich, die sich durch unsere Kopfform, und den Sitz unserer Ohren ergeben.The 3-dimensional location of sound sources is about the detection of phase shifts possible, which result from our head shape and the fit of our ears.

Die Raumgröße wird zum größten Teil über die Schallreflektionszeiten erkannt, die sich in diesem Raum entwickeln (Hall).The size of the room is largely recognized by the sound reflection times that are in develop this space (Hall).

Diese beiden "Verfahren", tragen zum größten Teil zu unserer Orientierung bei.These two "procedures" largely contribute to our orientation.

Die Größe eines Raumes bestimmt sich für den Gehörsinn durch die "Halldauer". Das ist die Zeit die vergeht, bis die gesamte Energie die von der Schallquelle erzeugt wurde, sich durch Absorption "entladen" hat. In dieser Zeit wird die Schallwelle immer wieder von den Wänden dieses Raumes reflektiert, und erreicht somit, in immer abgeschwächterer Form, den Gehörsinn. Da der Mensch einen "lernfähigen" Gehörsinn besitzt, und sich ausschließlich in einer 3-dimensionalen räumlichen Umgebung aufhält, ist das Hören eines "Schalltoten" also unräumlichen Tonsignals äußerst unangenehm.The size of a room for the sense of hearing is determined by the "reverberation time". That is the Time that passes until all of the energy generated by the sound source passes through Has "discharged" absorption. During this time, the sound wave keeps coming off the walls this space reflects, and thus, in ever weakened form, reaches the sense of hearing. Since man has a "learning" sense of hearing, and only in one 3-dimensional spatial environment is the hearing of a "sonic dead" spatial sound signal extremely uncomfortable.

Aus diesem Grund werden in jedem Bereich der Tontechnik Systeme zur künstlichen Erzeugung, der Reflektionen (des Halles) verwendet.For this reason, systems for artificial production, of reflections.

Digitale Hallsysteme, die mit mathematischen Algorithmen arbeiten, haben sich weit verbreitet und durchgesetzt. Digital hall systems that work with mathematical algorithms have become widespread and enforced.  

Die zugrundeliegende Funktionsweise herkömmlicher Hallgeräte:
Das zu bearbeitende Signal (Tonmaterial), wird zunächst digitalisiert.
The basic function of conventional Hall devices:
The signal to be processed (sound material) is first digitized.

Es liegt nun abstrakt gesehen als eine Abfolge von Impulsen verschiedener Stärke vor. Für jeden zu bearbeitenden Impuls werden nun über einen mathematischen Algorithmus, zeitversetzte, sich stetig abschwächende Wiederholungen berechnet (Verdichtungsalgorithmus). Die Impulswiederholungen werden danach auf das zu bearbeitende Signal aufgerechnet.In abstract terms, it is now a sequence of impulses of different strengths. For each pulse to be processed, a mathematical algorithm time-delayed, continuously weakening repetitions are calculated (compression algorithm). The pulse repetitions are then added to the signal to be processed.

Der Algorithmus wird so gewählt, daß das entstehende Signal der Reflektionscharakteristik, eines aus der Realität gewählten Raumes so gut wie möglich entspricht.The algorithm is chosen so that the resulting signal of the reflection characteristic, corresponds as closely as possible to a room chosen from reality.

Nachteile dieser Technik der Hallerzeugung:
Da lediglich die Reflektionszeiten aufaddiert werden, findet keine tatsächliche räumliche Berechnung statt. Die Schallquelle befindet sich also zwangsläufig statisch im Mittelpunkt des Raumes. Weiterhin wird bei der Schallquelle keine Differenzierung hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik der Schallquelle erreicht. Es wird sozusagen Kugelförmig für alle Frequenzen abgestrahlt.
Disadvantages of this technique of Hall generation:
Since only the reflection times are added up, no actual spatial calculation takes place. The sound source is therefore inevitably static in the center of the room. Furthermore, the sound source does not differentiate in terms of the radiation characteristics of the sound source. It is emitted, so to speak, spherically for all frequencies.

In der natürlichen Umgebung, wird jedoch je höher die Frequenz ist, zunehmend gerichtet abgestrahlt.In the natural environment, however, the higher the frequency, the more it is directed emitted.

Die Aufaddierung von Reflektionsimpulsen, auf das "trockene" Signal, bei der über eine "Verdichtungsgleichung" (mathematischer Algorithmus) die Reflektionen nachgeahmt werden, enthält also folgende Probleme und Schwachpunkte:
The addition of reflection pulses to the "dry" signal, in which the reflections are mimicked using a "compression equation" (mathematical algorithm), contains the following problems and weak points:

  • 1. schwerwiegender Nachteil: keine Beweglichkeit der Schallquelle oder des Schallauffängers (Mikrofon) sowie des Raumes.1. serious disadvantage: no mobility of the sound source or the sound receiver (Microphone) and the room.
  • 2. Keine Ortbarkeit der Schallquelle über die Reflektionszeiten. 2. No location of the sound source over the reflection times.  
  • 3. Undeutlicher und unrealistischer Klang des Nachhalls.3. Unclear and unrealistic reverberation sound.
  • 4. Kein räumlicher optischer Bezug für den Anwender. (Sieht nicht was er hört!)4. No spatial optical reference for the user. (Doesn't see what he's hearing!)
  • 5. Der Klangraum ist zwangsläufig immer ein leerer Würfel, der nur aus den Seitenwänden, Boden und Decke besteht.5. The sound space is always an empty cube that only comes from the side walls, Floor and ceiling exist.
  • 6. Der Klangraum enthält zwangsläufig nur ein "Wandmaterial" welches nur unvollkommen nachgebildet werden kann.6. The sound space inevitably contains only a "wall material" which is only imperfect can be replicated.
  • 7. Die Reflektionserzeugung findet "logisch" nur in einer Ebene statt, bleibt also immer 2- Dimensional.7. The reflection is "logically" only on one level, so it always stays 2- Dimensional.
  • 8. Natürliche Elemente der Akustik wie Beugung und Resonanz lassen sich nicht einfügen. 9. Dem Anwender stehen keine Möglichkeiten der kreativen Gestaltung des Raumes zur Verfügung.8. Natural acoustic elements such as diffraction and resonance cannot be inserted. 9. The user has no options for the creative design of the room Available.
  • 9. Das Arbeiten mit dieser Art der Hallerzeugung gestaltet sich umständlich und nicht realitätsbezogen, also abstrakt.9. Working with this type of Hall generation is cumbersome and not realistic, abstract.
3-dimensionale virtuelle Akustik Berechnung technische Beschreibung3-dimensional virtual acoustic calculation technical description

VAR3D ist eine Technologie, die auf digitalem Wege eine realistische Simulation von sämtlichen akustischen Phänomenen, innerhalb einer virtuell-Realistischen Umgebung, möglich macht.VAR3D is a technology that digitally simulates realistically all acoustic phenomena within a virtual-realistic environment, makes possible.

Wesentlichster Gedanke ist dabei, einem 3-dimensionalen virtuellen Raum, auf Grundlage einer 3-dimensionalen Simulation akustischer Gesetzesmäßigkeiten, unter Verwendung des Verfahrens der Schallstrahlenberechnung, akustische Eigenschaften zu geben.The most important idea is a 3-dimensional virtual space based on one 3-dimensional simulation of acoustic laws, using the method the sound beam calculation to give acoustic properties.

Der virtuelle Raum besteht dabei aus geometrischen Punkten in einem XYZ "globalen" Koordinatensystem, die über ein elektronisches Informationssystem (z. B. Computer) generiert und dargestellt werden. Über diese geometrischen Punkte werden Flächen definiert.The virtual space consists of geometric points in an XYZ "global" Coordinate system that is generated via an electronic information system (e.g. computer) and being represented. Areas are defined using these geometric points.

Aus den in der Form beliebigen Flächen, kann sich der Anwender seine "Welt" beliebig geometrisch visuell konstruieren (Einrichtungsgegenstände, Räume, Häuser etc.). Nun existiert ein geometrisches Modell aus Flächen und den dazugehörigen Punkten.The user can create his "world" from any surface construct geometrically and visually (furnishings, rooms, houses etc.). Now there is a geometric model of surfaces and the associated points.

Der Anwender hat nun die Möglichkeit jeder Fläche ein vorher erstelltes Material zuzuweisen. Das Material enthält die Information des Absorptionskoeffizienten (sowie weitere relevante Informationen). Das bedeutet eine Informationskurve, wieviel Energie der Schallwelle bei einer bestimmten Frequenz und einer bestimmten Materialstärke entzogen wird.The user can now assign a previously created material to each surface. The material contains the information of the absorption coefficient (as well as other relevant ones Information). That means an information curve, how much energy of the sound wave at one certain frequency and a certain material thickness is withdrawn.

Nächster Schritt ist das Einfügen von einer oder mehreren Schallquelle/n in den 3-dimensionalen virtuellen "Klangraum". The next step is to insert one or more sound sources into the 3-dimensional one virtual "sound space".  

Diese sind logische Objekte, dargestellt durch geometrische Punkte, oder nichtkugelförmige Schallquellen wie Flächen, oder aus Flächen zusammengesetzte Körper,
wobei der aus Flächen zusammengesetzte Körper am realitätsnächsten ist. Es lässt sich so zum Beispiel auch ein Lautsprecher konstruieren.
These are logical objects, represented by geometric points, or non-spherical sound sources such as surfaces, or bodies composed of surfaces,
where the body composed of surfaces is the closest to reality. For example, a loudspeaker can also be constructed in this way.

Weiterhin sind ein oder mehrerer Schallauffänger zu definieren, (ein virtuelles Mikrofon) und in den virtuellen "Klangraum" einzufügen.Furthermore, one or more sound collectors have to be defined (a virtual microphone) and in to insert the virtual "sound space".

Dieser kann wieder ein geometrischer Punkt, oder ein nichtkugelförmiger Schallauffänger wie eine Fläche, oder ein aus Flächen zusammengesetzter Körper sein.This can again be a geometric point, or a non-spherical sound absorber like a surface, or a body composed of surfaces.

Im Gegensatz zu der Schallquelle muß hier jedoch der "geometrische Punkt" einen gewissen Radius besitzen, um von Schallstrahlen überhaupt berührt zu werden.In contrast to the sound source, the "geometric point" must have a certain value Have a radius to be touched by sound rays at all.

Berechnung: (erster Schritt, Berechnung eines Impulses (einer einzigen Schallwelle))Calculation: (first step, calculation of an impulse (a single sound wave))

Die Gesetze der Schallausbreitung sind denen der Optik sehr ähnlich, betreffend der Reflektion sogar gleich.The laws of sound propagation are very similar to those of optics regarding reflection even the same.

Schallreflektion an einer ebenen Fläche: "alpha" = "alpha 1" wobei "alpha" = einfallender Strahl, und "alpha 1" = reflektierter Strahl.Sound reflection on a flat surface: "alpha" = "alpha 1" where "alpha" = more incident Beam, and "alpha 1" = reflected beam.

Einfallender Strahl und reflektierter Strahl liegen auf einer Ebene.The incident beam and the reflected beam lie on one level.

Bei der VAR3D Technologie ist der Gedankenpunkt Grundlage, daß eine sich ausbreitende Schallwelle vereinfacht auch als Schallstrahl dargestellt werden kann. Da sich eine Schallwelle "grundsätzlich" kugelförmig ausbreitet, lässt sich das erste Beispiel wie folgt darstellen.With VAR3D technology, the point of view is the basis that a spreading Sound wave can also be represented in simplified form as a sound beam. Because there is a sound wave "Basically" spreads out spherically, the first example can be represented as follows.

Schritt 1Step 1 Betrachtung eines ImpulsesConsider an impulse

Vorgegeben ist ein würfelförmiger Raum der sich aus den acht geometrischen Eckpunkten und den auf die Eckpunkte definierten Flächen zusammensetzt, sowie eine Schallquelle (hier eine einfache Kugel) und ein Schallauffänger. A cube-shaped space is specified that consists of the eight geometric corner points and the areas defined on the corner points, and a sound source (here a simple ball) and a sound absorber.  

Alle Seiten des Würfels sind mit einem einheitlichen Absorptionsgrad versehen (der einer bestimmten Frequenz entsprechen würde).All sides of the cube are provided with a uniform degree of absorption (one certain frequency would correspond).

Von der Schallquelle wird nun (auf der gesamten Oberfläche der Kugel gleichmäßig verteilt (Kugelförmig) im 90° Winkel zur "Oberfläche") eine zu bestimmende Menge Schallstrahlen "ausgesendet".The sound source is now (evenly distributed over the entire surface of the sphere (Spherical) at 90 ° to the "surface") a quantity of sound beams to be determined "sent out".

Die Strahlen besitzen eine einheitliche "Energiemenge" in Form einer Variable E, die der "Energiemenge" (Lautstärke) des zu berechnenden Impulses entspricht.The rays have a uniform "amount of energy" in the form of a variable E, which the "Energy quantity" (volume) of the pulse to be calculated corresponds.

Über eine Kollisionsberechnung wird errechnet wo sich der Strahl mit einer Fläche berührt. Ist eine solche Berührung zustandegekommen, wird über das Gesetz der Reflektion der weitere Weg (Reflektionswinkel) des Strahls berechnet.A collision calculation is used to calculate where the beam touches a surface. If such a touch has come about, then the law of reflection the further path (angle of reflection) of the beam is calculated.

Bei jeder "Berührung" mit einer der Seitenwände des Würfels (des Raumes) wird der Variable E der Wert des Absorptionsgrades abgezogen.With each "contact" with one of the side walls of the cube (of the room) the variable E the value of the degree of absorption is subtracted.

Nach einer vom Absorptionsgrad abhängigen Menge von Berührungen, ist die "Energie" (Variable E) gleich null, womit die Reflektionsberechnung beendet wird.After a touch-dependent amount of touch, the "energy" (Variable E) equals zero, which ends the reflection calculation.

Innerhalb des Raumes befindet sich das virtuelle Mikrofon, in Form vom Schallauffänger. Der Schallstrahl legt einen vom Raum (Würfel) bestimmten Weg zurück. Dieser wird in der Variable W gespeichert und an jedem Berührungspunkt (beliebiges Objekt) berechnet.Inside the room is the virtual microphone, in the form of a sound absorber. The sound beam travels a path determined by the room (cube). This is in the Variable W saved and calculated at every point of contact (any object).

Wenn der "Einzugsbereich" des Schallauffängers von einem ankommenden Schallstrahl berührt wird, übergibt der Schallstrahl die Information, seiner Variable E, den Zeitpunkt seines Starts an der Schallquelle (Variable S), sowie den zurückgelegten Weg (Variable W) innerhalb eines bestimmten zu definierenden Protokolles.When the "catchment area" of the sound absorber is touched by an incoming sound beam the sound beam passes the information, its variable E, the time of its start at the sound source (variable S), as well as the distance covered (variable W) within one certain protocol to be defined.

Aus dem zurückgelegten Weg (Variable W), und der Laufzeit des Schalls, die anzugeben ist, (ca. 340 M/s in normaler Luft), wird die Dauer berechnet die der Schallstrahl "unterwegs" war. From the distance covered (variable W), and the duration of the sound, which must be specified (approx. 340 M / s in normal air), the duration is calculated that the sound beam was "on the way".  

Aus dieser Dauer ergibt sich sein "Platz" innerhalb des zeitlichen Verlaufs des zu bildenden Signals.This "space" results from this duration within the time course of the one to be formed Signal.

2. Schritt2nd step Frequenzabhängige Absorption (mehrerer Impulse, Klang mit verschiedenen Frequenzen)Frequency dependent absorption (multiple impulses, sound with different Frequencies)

Eine entscheidende akustische Eigenschaft im natürlichen Klangraum stellt die Absorption dar. Die Absorptionsstärke ist frequenzabhängig, (wodurch sich der Gehörsinn an Ihr orientiert), deshalb wird die Technologie der Frequenzselektion im VAR3D angewendet.Absorption is a crucial acoustic property in the natural sound space. The absorption strength is frequency-dependent (which means that your sense of hearing is oriented towards you), therefore frequency selection technology is used in the VAR3D.

Das zu bearbeitende Signal wird vor der eigentlichen räumlichen Berechnung in seinen Frequenzen analysiert. In einer zu definierenden Größe werden Frequenzbänder herausselektiert und die jeweiligen Samples (Impulse) mit einer Variablen versehen die ihre Frequenzzugehörigkeit enthält.The signal to be processed is before the actual spatial calculation analyzed in its frequencies. Frequency bands are of a size to be defined selected and provide the respective samples (impulses) with a variable Frequency membership contains.

Beispiel: ein Klang von einer Sekunde Dauer wird digitalisiert.Example: a sound lasting one second is digitized.

Danach liegen bei einer Digitalisierungsrate von 48 000 Hz (48 000 Zahlenwerte pro Sekunde) 48 000 verschiedene Zahlenwerte = Samples vor. Diese werden nun als Impulse betrachtet.According to this, the digitization rate is 48,000 Hz (48,000 numerical values per second) 48,000 different numerical values = samples. These are now viewed as impulses.

Der Klang wird in unserem Beispiel in 15 verschiedene Frequenzbänder zerlegt.In our example, the sound is broken down into 15 different frequency bands.

Aufsteigend nach dem jeweiligen Frequenzband erhält nun jeder Sample/Zahlenwert innerhalb einer Variable F seine Frequenzbandzugehörigkeit. Ascending according to the respective frequency band, each sample / numerical value now gets within a variable F its frequency band membership.  

Bei der Schallstrahlenberechnung wir nun nicht mehr wie in Schritt 1 verallgemeinert die Absorption berechnet, sondern für jeden Schallstrahl wie folgt:
Jeder Schallstrahl enthält die Variable F, die angibt zu welchem Frequenzband er gehört. Über das Material, was der berührten Fläche zugewiesen wurde, kann nun aus der Absorbtionskoeffizienten-kurve ausgelesen werden, um wieviel "Energie" die Variable E des Schallstrahls reduziert wird, innerhalb des Frequenzbereiches den die Variable F des Schallstrahls angibt.
When calculating the sound beam, the absorption is no longer calculated as generalized in step 1, but for each sound beam as follows:
Each sound beam contains the variable F, which indicates which frequency band it belongs to. From the material that has been assigned to the surface touched, it can now be read from the absorption coefficient curve by how much "energy" the variable E of the sound beam is reduced within the frequency range that the variable F of the sound beam indicates.

3. Schritt3rd step SchallbeugungSound diffraction

Eine weitere wichtige akustische Eigenschaft, in Verbindung mit Körpern ist die Schallbeugung. Ist eine Fläche (eines Körpers) im Bezug auf die Wellenlänge der auf ihn einfallenden Schallwelle klein, "beugt" sich die Schallwelle um diese herum. Ist die Fläche groß genug, wird die Schallwelle reflektiert.Another important acoustic property in connection with bodies is sound diffraction. Is a surface (of a body) in relation to the wavelength of the incident on it Small sound wave, the sound wave "bends" around it. If the area is large enough, the sound wave reflects.

Für die unterste noch reflektierte Frequenz gilt: "Berechnung zur Schallbeugung"
For the lowest frequency still reflected applies: "Calculation for sound diffraction"

FU = Unterste noch reflektierte Frequenz
c = Schallgeschwindigkeit
d = Durchmesser des Reflektors
alpha = Einfallswinkel des Schallstrahls
a1 = Entfernung Reflektor → Schallquelle
a2 = Entfernung Reflektor Schallauffänger (Virtuelles Mikrofon)
FU = lowest frequency still reflected
c = speed of sound
d = diameter of the reflector
alpha = angle of incidence of the sound beam
a1 = distance reflector → sound source
a2 = distance reflector sound absorber (virtual microphone)

Schallbeugung wird innerhalb des 3D VAR über die Frequenzselektion berechnet.Sound diffraction is calculated within the 3D VAR using frequency selection.

In einer Vorberechnung der gesamten "geometrischen Szene", (gesamter virtueller Klangraum) wird vor der eigentlichen "Hallerzeugung" eine Selektion durchgeführt.In a precalculation of the entire "geometric scene", (entire virtual Sound space), a selection is made before the actual "reverb generation".

Alle Objekte die innerhalb eines zu bestimmenden relevanten Frequenzbereiches klein genug sind, um zu einer Schallbeugung zu führen, werden besonders gekennzeichnet (Programmtechnisches "FLAG").All objects that are small enough within a relevant frequency range to be determined to lead to sound diffraction become special marked (program technical "FLAG").

Im Zusammenhang mit der Variable F des ankommenden Schallstrahles wird, bei diesen besonders gekennzeichneten Objekten, die "Berechnung zur Schallbeugung" vorgenommen. Das Ergebnis dieser Berechnung ist entweder eine Schallbeugung, oder eine Reflektierung. Bei einer Schallbeugung, behält der ankommende Schallstrahl seine Richtung.In connection with the variable F of the incoming sound beam, with these specially marked objects, the "calculation for sound diffraction" made. The result of this calculation is either sound diffraction or reflection. In the case of sound diffraction, the incoming sound beam keeps its direction.

Die zu "überwindende" Oberfläche des Objektes, der Weg, den die Schallwelle auf Ihm, "außenherum" entlang gebeugt wird, wird in die "Weg-Laufzeitberechnung" aufgenommen.The surface of the object to be "overcome", the path the sound wave takes on it, If you bend "around", it is included in the "travel time calculation".

Schritt 4Step 4 Resonanz und nichtkugelförmige Schallquellen, sowie Schallausbreitung in anderen Medien als LuftResonance and non-spherical sound sources, as well as sound propagation in others Media as air

Weitere klangbestimmende Elemente der Akustik sind Eigenresonanz von Körpern, und nichtkugelförmige Schallquellen, sowie die Ausbreitung von Schallwellen in anderen Medien als Luft.Other sound-determining elements of acoustics are the natural resonance of bodies, and non-spherical sound sources, as well as the propagation of sound waves in others Media as air.

Nichtkugelförmige Schallquellen:
Über den als Schallquelle definierten Körper (Fläche), werden eine zu bestimmende Menge von Schallstrahlen gleichmäßig verteilt. Von dem so bestimmten Punkt wird im Einzelnen, jeder Schallstrahl im 90° Winkel zur Oberfläche ("abgeschickt") berechnet.
Non-spherical sound sources:
A quantity of sound beams to be determined is evenly distributed over the body (surface) defined as the sound source. From the point determined in this way, each sound beam is calculated at a 90 ° angle to the surface ("sent").

Somit wird ereicht, das die Schallquelle nicht aus einem geometrischen Punkt zu Orten ist. Diese nichtkugelförmigen Schallquellen, sind die im natürlichen Raum am häufigsten vorkommende Art von Schallquellen.It is thus achieved that the sound source is not from a geometric point to locations. These non-spherical sound sources are the most common in natural space occurring type of sound sources.

Bei nichtkugelförmigen Schallquellen, werden die Materialeigenschaften des jeweiligen Objektes zur Berechnung eingesetzt (Absorbtion).With non-spherical sound sources, the material properties of the respective Object used for calculation (absorption).

Resonanz:
Fast jeder Körper in unserer realen akustischen Umgebung, hat durch seine Beschaffenheit, die Fähigkeit in sich selbst zu schwingen. So kann er also selbst als Schallquelle betrachtet werden.
Resonance:
Almost every body in our real acoustic environment has the ability to vibrate in itself due to its nature. So it can be viewed as a sound source itself.

Über die geometrischen und physikalischen Eigenschaften, die für das jeweilige Objekt zu definieren sind, wird das Resonanzverhalten des Objektes (Körper) ermittelt (berechnet). Das Resonanzverhalten wird in einer Frequenzkurve dargestellt, die dem Objekt über eine Variable R beigefügt ist (Resonanzfrequenzkennlinie).About the geometric and physical properties that apply to each object are defined, the resonance behavior of the object (body) is determined (calculated). The resonance behavior is shown in a frequency curve that the object over a Variable R is attached (resonance frequency characteristic).

Objekte die mit Resonanz "ausgestattet" sein sollen, werden durch den Anwender besonders gekennzeichnet.Objects that should be "equipped" with resonance become special by the user characterized.

Bei einer Berührung eines Schallstrahls mit einem solchen besonders gekennzeichneten resonanzfähigem Objekt, wird über die Variable F des Schallstrahls, die Absorptionskennlinie, sowie die Resonanzkennlinie und der Anregerkennlinie, der Wert der Variablen E (Energie) des Schallstrahls ermittelt.When a sound beam comes into contact with a specially marked one object capable of resonance is determined by the variable F of the sound beam, the absorption characteristic, as well as the resonance characteristic and the excitation characteristic, the value of the variable E (energy) of the Sound beam determined.

Die Anregerkennlinie spiegelt den Energiewert wieder, den der Körper benötigt, um die sich durch die Resonanzfrequenzkurve ergebenden Zustände annehmen zu können (Um in Eigenschwingung zu geraten).The excitation characteristic curve reflects the energy value that the body needs to be around to be able to assume states resulting from the resonance frequency curve (To in Natural vibration).

Im Zusammenhang mit der Variable E (Energie) des Schallstrahls, der Absorptionskennlinie, und der Energie/Anregerkennlinie ergibt sich der Wert "EO"(Energie des Objektes). In connection with the variable E (energy) of the sound beam, the absorption characteristic, and the energy / excitation characteristic curve results in the value "EO" (energy of the object).  

Schallausbreitung in anderen Medien als Luft.Sound propagation in media other than air.

Die Schallgeschwindigkeiten, also die Ausbreitungsgeschwindigkeiten, sind von Stoff zu Stoff in unserer natürlichen Umgebung verschieden.The speeds of sound, i.e. the speeds of propagation, vary from substance to substance different in our natural environment.

Dies spielt in einer Simulation lediglich eine untergeordnete Rolle, da der Mensch zum größten Teil Schallwellen über die Luft aufnimmt.This only plays a subordinate role in a simulation, since humans are the largest Partially absorbs sound waves over the air.

Der Schallstrahl, der sich durch ein Objekt bewegt, welches als ein anderes Medium als Luft definiert ist, wird als solches in seiner Richtung nicht beeinflusst.The sound beam moving through an object, which is a medium other than air as such is not affected in its direction.

Der zurückgelegte Weg der in der Variablen W gespeichert ist, wird jedoch mit der sich durch das Objekt vorgegebenen Ausbreitungsgeschwindigkeit berechnet, während er sich innerhalb des Objektes befindet.The distance covered, which is stored in the variable W, is, however, followed by the object's given rate of propagation is calculated while it is within of the object.

Tritt der Schallstrahl aus dem Objekt aus, so wird das Objekt als Schallquelle behandelt, mit den für die Schallquelle definierten Eigenschaften.If the sound beam emerges from the object, the object is treated as a sound source with the properties defined for the sound source.

Mit der Einfügung von Schallausbreitung in anderen Medien als Luft, in die Simulation und deren Beschreibung, sind alle relevanten Erscheinungen, die unseren Gehörsinn betreffen, dargestellt.With the insertion of sound propagation in media other than air, in the simulation and their description, are all relevant phenomena that affect our sense of hearing, shown.

Ein solches "logisches System", zur Simulation unserer (der Menschlichen) akustischen Umgebung ist ein virtuelles System.Such a "logical system" to simulate our (human) acoustic Environment is a virtual system.

Das bedeutet, es stellt eine Technologie dar, die auf informationsverarbeitenden elektronischen Systemen wie einem Computer zum Beispiel, angewendet werden kann.That means it represents a technology based on information processing electronic Systems such as a computer, for example.

Es lässt sich eine Software erstellen, ein auf einem Betriebssystem wie zum Beispiel Windows von Microsoft lauffähiges Programm, oder eine elektronische Hardwareumgebung, die diese Technologie nutzt um räumlichen Hall zu erzeugen (Hallgerät).Software can be created, one on an operating system such as Windows Microsoft executable program, or an electronic hardware environment that uses this technology to generate spatial reverberation (reverberation device).

Die VAR3D Technologie lässt sich so zum Beispiel auch als "Logig" auf einem Microchip realisieren. The VAR3D technology can also be used, for example, as "Logig" on a microchip realize.  

Schritt 5Step 5 DatenorganisationData organization

Da die Erzeugung von Computergenerierten Bildern mit Hilfe des Raytracings eine ähnliche Technologie als Grundlage benutzt, ist eine Verknüpfung dieser (und ähnlicher) "logischen" Informationen sehr bedeutend für die Zukunft.Since the generation of computer-generated images with the help of ray tracing a similar one Using technology as the basis is a combination of these (and similar) "logical" Information very important for the future.

Reality Information Objects "RIO"Reality Information Objects "RIO"

Sogenannte abstrakte "Objekte" enthalten gleichzeitig optische und akustische sowie weitere unseren Sinnen zugängliche Informationen, innerhalb eines definierten Protokolls.So-called abstract "objects" contain optical and acoustic as well as others information accessible to our senses, within a defined protocol.

Ein solches Protokoll enthält die folgenden datentechnischen Informationen:
RIO = es handelt sich bei den folgenden Daten um ein "RIO Objekt".
Größe xxxx = enthält die Start und Endadresse im Speicher.
Type xxxx = enthält die Information in welcher Reihenfolge welche Informationen liegen.
Datatype xxxx = Enthält die Information welche Daten folgen.
Data xxxx = Enthält die Daten.
Such a protocol contains the following data technology information:
RIO = the following data is a "RIO object".
Size xxxx = contains the start and end address in the memory.
Type xxxx = contains the information in which order which information is.
Datatype xxxx = Contains the information which data follows.
Data xxxx = Contains the data.

Innerhalb der "Rio Objekte" werden Daten organisiert, die den menschlichen Sinnen zugänglich sind. Das bedeutet Daten, die für die Erzeugung von Sinnesreizen Verwendung finden, sowie Daten, die direkte Informationen für einen dieser Sinne enthalten. Die anzusprechenden Sinne können sein: Sehsinn, Gehörsinn, Geruchssinn und Tastsinn. Die entsprechenden Daten und Informationen können zum Beispiel optische oder akustische sein.Data is organized within the "Rio Objects" that is accessible to the human senses are. That means data that are used to generate sensory stimuli, as well Data that contain direct information for one of these senses. The senses to be addressed can be: sense of sight, sense of hearing, sense of smell and sense of touch. The corresponding data and Information can be optical or acoustic, for example.

Die VAR3D Technologie wird grundsätzlich mit "RIO" Objekten arbeiten, wenn es zur Haltung Verarbeitung und Speicherung von Informationen kommt. The VAR3D technology will basically work with "RIO" objects when it comes to keeping Processing and storage of information is coming.  

Aus der VAR3D Technologie ergeben sich somit folgende direkte Verbesserungen gegenüber der problembehafteten alten Verfahrensweise, mit mathematischen Algorithmen Hall zu erzeugen:
VAR3D technology results in the following direct improvements over the problematic old procedure of generating Hall using mathematical algorithms:

  • 1. Sowohl Schallquellen und Schallauffänger, als auch alle geometrischen Objekte, sind frei beweglich und in unbegrenzter Anzahl zu verwenden (Begrenzung durch das verwendete Informationssystem). Bewegungsabläufe können vom Anwender frei für jedes Objekt definiert werden.1. Both sound sources and sound absorbers, as well as all geometric objects, are free flexible and unlimited use (limited by the one used Information system). Movements can be freely defined by the user for each object become.
  • 2. Die Schallquellen sind bei entsprechender Anwendung der virtuellen Mikrofone (Schallauffänger) und Abhörsysteme, ortbar, sowohl über die Reflektionen des Raumes (Hall) als auch über die Schallstrahlen die direkt ohne Umweg auf den Schallauffänger treffen (Direktschall).2. The sound sources are with appropriate use of the virtual microphones (Sound absorbers) and listening systems, locatable, both via the reflections of the room (Hall) as well as via the sound beams that hit the sound absorber directly without detour (Direct sound).
  • 3. Es ergibt sich, je komplexer das geometrische Modell und alle weiteren Simulationsparameter gestaltet werden, ein realistischer und natürlich klingender Hall. Die Echtheit des Halls hängt somit lediglich von der Genauigkeit ab mit der der Anwender den Klangraum gestaltet.3. The more complex the geometric model and all the others are Simulation parameters can be designed, a realistic and natural sounding reverb. The authenticity of the hall depends only on the accuracy with which the user designed the sound space.
  • 4. Der Anwender kann je nach technischer Ausführung der entstehenden Produkte, eine Visualisierung zur Verfügung gestellt bekommen. Über diese hat er dann die Möglichkeit direkt den "Hallraum" zu sehen, und zu gestalten.
    Es wird somit für den Anwender ein direkter optischer Bezug zu dem, über den Gehörsinn erlebten, "Klang" des Raumes geboten.
    4. Depending on the technical design of the resulting products, the user can be provided with a visualization. Through this he has the opportunity to see and design the "reverberation room" directly.
    It provides the user with a direct visual reference to the "sound" of the room that is experienced via the sense of hearing.
  • 5. Der Anwender hat mit VAR3D vollkommen freie Möglichkeiten einen "Klangraum", eine akustische Umgebung zu gestalten. Er kann sich darauf konzentrieren, in der Realität vorhandene Dinge virtuell nachzuahmen - zu gestalten, oder sich mit der Schaffung völlig neuartiger akustischer Umgebungen beschäftigen. 5. With VAR3D, the user has completely free possibilities of a "sound space" design acoustic environment. He can focus on it in reality to virtually mimic existing things - to design, or to completely create new acoustic environments.  
  • 6. Die Materialien sind ebenso frei zu gestalten, und sind unabhängig von den vom Hersteller vorgegebenen Wandmaterialien.6. The materials are also free to design and are independent of those of the manufacturer given wall materials.
  • 7. Die VAR3D Technologie stellt eine der Realität gleichende Schallausbreitung zur Verfügung. In der Natur breiten sich Schallwellen grundsätzlich 3-dimensional aus.
    In dem alten Verfahren mit mathematischen Algorithmen, ist nur eine "logische" Ausbreitung 2-dimensional zu erreichen. Eine Ortung einer Schallquelle, oder von Körpern im Schallfeld, war mit diesem Verfahren nicht möglich.
    7. The VAR3D technology provides a sound propagation that is similar to reality. In nature, sound waves generally spread three-dimensionally.
    In the old method with mathematical algorithms, only a "logical" spread can be achieved in two dimensions. A location of a sound source, or of bodies in the sound field, was not possible with this method.
  • 8. Wichtige klangbestimmende Elemente wie Beugung von Schallwellen, und Resonanz waren innerhalb des alten Verfahrens nicht zu realisieren.8. Important sound-determining elements such as diffraction of sound waves and resonance were not to be realized within the old procedure.
  • 9. Ein realitätsbezogenes Arbeiten wird mit der VAR3D Technologie möglich.
    Dem Anwender stehen optisch und akustisch Objekte zur Verfügung, die ihm aus seiner täglichen Sinneserfahrung bekannt sind, wie Materialien, 3-dimensionale Körper, Schallquellen, und Virtuelle Mikrofone.
    9. Realistic work is possible with VAR3D technology.
    The user has optically and acoustically objects that are known from his daily sensory experience, such as materials, 3-dimensional bodies, sound sources, and virtual microphones.
  • 10. Wegen der Ähnlichkeit zum Raytracing für die Erzeugung von optisch erfassbaren Bildern, lassen sich beide Technologien verknüpfen.
    Das ist mit dem alten Verfahren der Erzeugung von Schallreflektionen auf Grundlage von mathematischen Algorithmen nicht möglich. Die durch VAR3D möglichen gewerblichen Anwendungen.
    10. Because of the similarity to ray tracing for the generation of optically detectable images, both technologies can be linked.
    This is not possible with the old method of generating sound reflections based on mathematical algorithms. The commercial applications possible through VAR3D.

Anwendung der Simulation von Akustik sind in vielen Bereichen denkbar, in vier Hauptbereichen jedoch zum Zeitpunkt der Anmeldung mit hoher Nachfrage umgeben, da eine relevante Umsetzung noch nicht existiert.Application of simulation of acoustics are conceivable in many areas, in four Main areas, however, are surrounded by high demand at the time of registration as a relevant implementation does not yet exist.

Diese vier Bereiche sind: Musikproduktion, Filmvertonung (speziell Mehrkanalformate wie Dolby Digital), Videospielanwendungen im 3D Bereich, Virtual Reality und somit die kommende Erscheinungsform des Internet.
Mögliche gewerbliche Anwendungen sind nicht nur auf die Erzeugung von realistischem Nachhall begrenzt, sondern umfassen, eine ganzheitliche Simulation der akustischen Phänomene.
These four areas are: music production, film dubbing (especially multi-channel formats such as Dolby Digital), video game applications in the 3D area, virtual reality and thus the upcoming form of the Internet.
Possible commercial applications are not only limited to the generation of realistic reverberations, but also include a holistic simulation of acoustic phenomena.

Im Bereich der Filmvertonung zum Beispiel, ist die Mehrkanalvertonung für das Medium DVD von großem Interesse. Es werden verschiedene Systeme angeboten um realistischen Nachhall in den Produktion verwenden zu können. Keines dieser Systeme jedoch ist "nichtstatisch", oder 3-Dimensional. Die Möglichkeit Schallquellen bewegen zu können, und weitere Möglichkeiten die die VAR3D Technologie verwirklichen kann, sind jedoch sehr gefragt. "Haupteinsatzgebiet" wird jedoch die Vital Realty und somit das Internet sein.In the area of film dubbing, for example, multichannel dubbing is for the medium DVD of great interest. Different systems are offered for realistic reverberation to be able to use in production. However, none of these systems is "non-static", or 3-dimensional. The ability to move sound sources, and more Possibilities that the VAR3D technology can implement are very much in demand. However, the "main area of application" will be the Vital Realty and thus the Internet.

Jeder der sich in virtuellen Räumen bewegen wird, wird die "Akustik" dieses Raumes wahrnehmen können, die auf der Grundlage der VAR3D Technologie erzeugt wird. Anyone who will move in virtual spaces will become the "acoustics" of that space perceive that is generated on the basis of VAR3D technology.  

AnwendungsbeispielApplication example

Eine Anwendung des VAR3D Systems wäre wie folgt denkbar.
19er Hallgerät,
zur Erzeugung realistischer wirkender virtueller akustischer Umgebungen, für ein Tonsignal, was vor der Bearbeitung mit VAR3D schalltot ist.
An application of the VAR3D system would be conceivable as follows.
19 Hall device,
to create realistic-looking virtual acoustic environments, for a sound signal that is anechoic before processing with VAR3D.

In dem klassischen 19 zoll Format, welches vorrangig in Tonstudioumgebungen eingesetzt wird, wird ein Metallgehäuse hergestellt, welches frontseitig zugänglich, die "Benutzerschnittstelle" in Form von Bedienelementen und Datensichtbildschirmen enthält. Weiterhin frontseitig befindet sich eine Geräteschnittstelle, zu einem oder mehreren Dateneingabegeräten.In the classic 19 inch format, which is primarily used in recording studio environments, a metal housing is produced which is accessible from the front, the "user interface" in Contains form of controls and data screens. Still located on the front a device interface to one or more data entry devices.

Auf der Rückseite des Gerätes befinden sich die Schnittstellen zur restlichen Tonstudioumgebung.The interfaces to the rest are on the back of the device Recording studio environment.

Als Schnittstellen werden Tonsignal-ein und ausgänge in analoger wie auch in digitaler Form realisiert. Weiterhin werden Datenbusschnittstellen realisiert, die zur Steuerung des Gerätes oder der Übertragung von Daten verwendet werden können.Audio signal inputs and outputs are used as interfaces in analog as well as digital form realized. Furthermore, data bus interfaces are implemented, which are used to control the device or the transfer of data can be used.

Innerhalb des Gerätes befindet sich für den Anwender nicht zugänglich das elektronische Informationssystem, in Form einer Platine, auf der elektronische Schaltelemente und Mikroprozessoren aufgelötet sind.The electronic is not accessible to the user within the device Information system, in the form of a circuit board, on which electronic switching elements and Microprocessors are soldered on.

Über ein Betriebssystem gesteuert, berechnen diese Mikroprozessoren, die zu berechnenden Daten.Controlled by an operating system, these microprocessors calculate the ones to be calculated Data.

Das Betriebssystem koordiniert die Daten-ein und Ausgabe, Haltung und Verwaltung innerhalb des Speichers. Innerhalb des Betriebssystems ist die VAR3D Technologie implementiert. Der Anwender hat die Möglichkeit, seine geometrischen Daten, über die Datenschnittstelle, einzuladen, und geringfügige Änderungen vorzunehmen. The operating system coordinates the data input and output, maintenance and management within of memory. VAR3D technology is implemented within the operating system. The user has the option of displaying his geometric data via the data interface, and make minor changes.  

Das Gerät berechnet nun, auf das von außen kommende schalltote Signal, alle vom Anwender definierten akustischen Gesetzesmäßigkeiten und gibt, in einer vom Anwender definierten Weise, das berechnete Signal auf seinen Signalausgängen aus.The device now calculates all from the anechoic signal coming from outside User defined acoustic laws and gives, in one by the user defined way, the calculated signal on its signal outputs.

Der Anwender kann dynamisch seine Schallquellen oder Schallauffänger mit Hilfe des an die frontseitige Geräteschnittstelle angeschlossenen Dateneingabegerätes, im virtuellen Raum bewegen.The user can dynamically adjust his sound sources or sound absorbers with the help of the data input device connected to the front device interface, in virtual Move space.

Claims (4)

"VAR-3D" 3-Dimensionale "Virtuelle Akustik Berechnung" ist die Simulation von Akustik und weiteren physikalischen Vorgängen, die den Bereich der Akustik betreffen, auf einem informations- bzw. signal­ verarbeitenden System, gekennzeichnet durch, die Anwendung der in VAR3D beschriebenen Verfahren, besonders die Anwendung des Verfahrens der (Schall) Strahlenberechnung zur Simulation- bzw. Darstellung von Schallwellenausbreitung, sowie Akustik. Auf einem informationsverarbeitenden System wird ein virtueller Raum erzeugt, indem über ein globales Koordinatensystem geometrische Punkte organisiert werden. Auf diese geometrischen Punkte werden Flächen definiert. Innerhalb eines zu konstruierenden virtuellen Raumes werden dann Schallquellenobjekte sowie Schallauffängerobjekte eingefügt. Es werden nun nacheinander, für die durch das zu verarbeitende Signal entstehenden Samples (als Energiewert betrachtet → Impuls), Schallstrahlen generiert und in ihrer Ausbreitung berechnet. Während der Ausbreitungsberechnung kommt es zum Einsatz der in der Beschreibung des VAR3D erläuterten Verfahren, zur Berechnung der akustischen Gesetzesmäßigkeiten. Über die Schnittstelle der Schall­ auffänger wird das generierte Signal zur Verfügung gestellt. "VAR-3D" 3-Dimensional "Virtual Acoustic Calculation" is the simulation of acoustics and other physical processes that affect the area of acoustics on an information or signal processing system, characterized by the application of the methods described in VAR3D , especially the application of the method of (sound) radiation calculation for the simulation or representation of sound wave propagation, as well as acoustics. A virtual space is created on an information processing system by organizing geometric points via a global coordinate system. Areas are defined on these geometric points. Sound source objects and sound absorbing objects are then inserted within a virtual space to be constructed. Sound beams are now generated one after the other for the samples generated by the signal to be processed (considered as energy value → impulse) and their spread is calculated. During the propagation calculation, the procedures explained in the description of the VAR3D are used to calculate the acoustic laws. The generated signal is made available via the interface of the sound absorbers. 1. Die Anwendung des Verfahrens der Frequenzselektion und der Frequenzbandzuweisung; auf zu bearbeitende Impulse bzw. Schallstrahlen, innerhalb einer Simulation von Akustik und weiteren physikalischen Vorgängen, die den Bereich der Akustik betreffen, - auf einem informations- bzw. signal-verarbeitenden System -, welches hauptsächlich das Verfahren der Strahlenberechnung zur Simulation bzw. Darstellung von Schallwellenausbreitung sowie Akustik verwendet, gekennzeichnet durch:
die Einbindung der Frequenzbandinformation (z. B. VARIABLE F) in die Informationseinheit des zu berechnenden Schallstrahls, die für die Berechnung von Beugung, Absorbtion und Resonanz benötigt wird.
1. The application of the procedure of frequency selection and frequency band allocation; on impulses or sound beams to be processed, within a simulation of acoustics and other physical processes that affect the area of acoustics, - on an information or signal processing system - which mainly uses the method of radiation calculation to simulate or display Sound wave propagation and acoustics used, characterized by:
the integration of the frequency band information (e.g. VARIABLE F) in the information unit of the sound beam to be calculated, which is required for the calculation of diffraction, absorption and resonance.
2. Das Halten und Organisieren von Daten innerhalb eines "Rio" "Reality Informations Object" ("Realitäts Informationen Objekt") gekennzeichnet durch, das gleichzeitige Halten und Speichern von Daten und Informationen, - die für ein Simulationssystem, welches die für die Daarstellung einer virtuellen Realität benötigten Daten und Informationen errechnet verwendet werden können -, innerhalb eines vordefinerten Formates auf einem informations- bzw. signalverarbeitenden System. 2. Keeping and organizing data within a "Rio" "Reality Information Object" marked by, the simultaneous holding and storage of data and information, - The one for a simulation system, which for the representation of a data and information required for virtual reality can be used -, within a predefined format an information or signal processing system.   3. Das Simulieren von Resonanz bzw. Eigenschwingungen von Objekten und Körpern innerhalb einer Simulation von Akustik, auf einem informations- bzw. signalverarbeitenden System, gekennzeichnet durch,
  • - das Anwenden von Energiewertinformationen, in Verbindung mit einem Objekt - innerhalb eines Systems zur Simulation von akustischen Gesetzesmäßigkeiten auf einem informations- bzw. signalverarbeitenden System -, sowie Resonanzfrequenzinformationen und Absorptionsfrequenzinformationen.
  • - Weiterhin wird die Simulation von Resonanz dadurch gekennzeichnet, daß ein Objekt innerhalb einer Simulationsumgebung durch "Energiezufuhr" über, für das Objekt definierte Eigenschaften, in eine simulierte Schwingung gelangt und somit wieder Energie abgibt.
3. The simulation of resonance or natural vibrations of objects and bodies within a simulation of acoustics, on an information or signal processing system, characterized by
  • - The use of energy value information in connection with an object - within a system for simulating acoustic laws on an information or signal processing system - as well as resonance frequency information and absorption frequency information.
  • - Furthermore, the simulation of resonance is characterized in that an object within a simulation environment comes into a simulated oscillation by "energy supply" via properties defined for the object and thus emits energy again.
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