Auralisation describes the process of generating and presenting audible sound using computer programs and audio hardware. Since the result is perceived naturally by the human’s auditory system, a demonstration by means of auralisation is easily comprehensible and does neither require background knowledge nor expertise. Producing auralisation under real-time constraints increases the implementation demands significantly. Real-time auralisation is required in applications that respond to user interaction, for example, in interactive Virtual Reality (VR) environments. Dynamically moving sound sources and receivers evoke a change in the perceived sound, and the corresponding result must be provided as quickly as possible. A feeling of immersion can be created if the response time of the system does not exceed perceptual thresholds and thus enables a plausible scene presentation. To achieve this emotional state, real-time auralisation must comply with the expected physical behaviour.

The realisation of a real-time auralisation application for outdoor environments represents a promising addition to current noise assessment procedures. It also delivers the foundation for the auditory modality in outdoor VR scenarios, which can server as as an audio-video tool for perception-related scientific investigations.

In the past, auralisation has gained much attention in room acoustics. An attempt to transfer the established concepts and approaches to outdoor environments reveals two systemic deficiencies.

Firstly, room acoustic simulations are commonly based on Geometrical Acoustics (GA), which determines reflected sound rapidly and with high accuracy, but struggles to incorporate diffracted sound. In most urban settings, however, the transmission of sound from a noise source to a receiver contains a significant contribution of both reflected and diffracted components. Furthermore, dynamic virtual environments are time-variant. Traditional realisations often neglect this characteristic, treating an acoustic environment as temporarily static on a frame-by-frame basis. Adaption to dynamic events is implemented by transition of sequences of time-invariant simulations, which is contradictory to the highly dynamic nature of outdoor scenarios.

To address these two misconceptions, a real-time auralisation system is suggested that attaches increased importance to fast geometric diffraction simulations and is based on an audio rendering network that reflects the time-variant nature of dynamic outdoor sound propagation.

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Zusammenfassung in deutscher Sprache:

Echtzeit-Auralisierung von Außenlärm-Szenarien

Auralisierung beschreibt den Prozess der Erzeugung und Präsentation hörbaren Schalls mittels Computerprogrammen und Audio-Hardware. Weil das Resultat durch den menschlichen Hörapparat auf natürlichem Wege wahrgenommen wird, ist eine Demonstration durch Auralisierung unmittelbar verständlich und benötigt weder Hintergrundwissen noch Erfahrung. Eine solche Auralisierung unter Echtzeitbedingungen durchzuführen erhöht die Anforderungen an die Implementierung
beträchtlich. Echtzeit-Auralisierung wird in Anwendungen benötigt, die auf Benutzereingaben reagieren, zum Beispiel, in interaktiven Umgebungen der Virtuellen Realität (VR). Sowohl dynamische, bewegte Schallquellen als auch Empfängerbewegungen rufen eine Änderung des wahrgenommenen Schalls hervor und erfordern, dass eine entsprechende Anpassung so schnell wie möglich bereitgestellt wird. Das Gefühl der Immersion kann erzeugt werden, wenn die
Reaktionszeit des Systems perzeptive Schwellen unterschreitet und die Präsentation plausibel erscheint. Um diesen emotionalen Status zu erreichen, muss Echtzeit-Auralisierung mit dem erwarteten, physikalischen Verhalten übereinstimmen.

In der Vergangenheit hat die Auralisierung viel Aufmerksamkeit im Bereich der Raumakustik erfahren. Der Versuch, die etablierten Verfahren auf Außenlärm-Szenarien zu übertragen weist zwei systemische Defizite auf. Zum einen basieren Raumakustik-Simulationen üblicherweise auf dem Prinzip der Geometrischen Akustik (GA), welche zwar reflektierten Schall schnell und präzise bestimmen kann, jedoch erheblichen Mehraufwand bei der Integration von gebeugtem Schall benötigt. In vielen urbanen Situationen besteht die Lärmimission allerdings zu einem maßgeblichen Anteil aus reflektiertem und gebeugtem Schall. Darüber hinaus sind dynamische virtuelle Umgebungen zeitabhängig. Traditionelle Realisierungen vernachlässigen diesen Aspekt und behandeln eine virtuelle Umgebung als Zeitfolge, bei der jeder Abschnitt kurzzeitig als stationär erachtet wird. Die Adaption dynamischer Ereignisse erfolgt dann mittels Überblendungen dieser Sequenzen von zeitinvarianten Simulationen, welche den Grundsatz einer hochdynamischen Außenlärm-Situation nicht widerspiegelt.

Um diesem widersprüchlichen Ansatz zu begegnen wird ein Echtzeit-Auralisierungssystem vorgestellt, welches einerseits der schnellen Beugungssimulation gesteigerte Wichtigkeit beimisst und andererseits auf einem Netzwerk digitaler Audio-Verarbeitungseinheiten basiert, das die zeitvariante Natur von Schallereignissen in üblichen Außenlärm-Situationen berücksichtigt.