Wykonanie pomiarów charakterystyk akustycznych głowy i ich weryfikacja

Zmysł słuchu odgrywa znaczącą rolę w codziennym życiu człowieka. Ważną jego
cechą jest istnienie mechanizmów pozwalających na lokalizację położenia źródła dźwięku
w przestrzeni. Systemy dźwięku przestrzennego wykorzystujące głośniki rozmieszczone dookoła słuchacza, nie znajdują zastosowania w niektórych aplikacjach. Istnieją jednak
metody wytwarzania dźwięku przestrzennego za pomocą słuchawek stereofonicznych.
Rozwiązanie tego typu znalazło zastosowanie m.in. w urządzeniu wspomagającym osoby
niewidome w samodzielnym poruszaniu się, opracowanym w Instytucie Elektroniki
Politechniki Łódzkiej. W celu uzyskania efektu dźwięku przestrzennego w słuchawkach
stereofonicznych należy zastosować specjalne filtry cyfrowe umieszczone w torze
dźwiękowym. Filtry te modelują zjawiska akustyczne związane z interakcja fal
dźwiękowych z ciałem słuchacza, a w szczególności z jego torsem, głowa i małżowinami
usznymi. Współczynniki tych filtrów są definiowane przez charakterystyki akustyczne
głowy HRTF (ang. Head-Related Transfer Function). Charakterystyki te sa unikatowe dla
każdego człowieka, zatem najlepszym sposobem ich uzyskania jest indywidualny pomiar.
Celem niniejszej pracy jest wykonanie pomiarów charakterystyk HRTF dla grupy
osób i ich weryfikacja odsłuchowa. Charakterystyki zebrano dla 12 osób, przy czym dla 5
z nich procedura pomiarowa została wykonana trzykrotnie. Zgromadzone dane posłużyły
do wykreślenia widm amplitudowych HRTF dla poszczególnych osób i wybranych
lokalizacji źródła dźwięku. W celu weryfikacji zmierzonych charakterystyk wykonano
testy odsłuchowe z udziałem 5 osób – ochotników, dla których pomiary HRTF
przeprowadzono trzykrotnie. Z uwagi na ścisłą zależnosc charakterystyk HRTF od budowy
ciała słuchacza, zebrano także wybrane dane antropometryczne uczestników badan, które
przedstawiono w postaci fotografii z umieszczona na ciele skala pomiarowa oraz
liczbowego wyniku pomiaru kata odstawania małżowiny usznej wyrażonego w stopniach.
Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić wysoka powtarzalność
uzyskiwanych wyników pomiarów charakterystyk HRTF. Uwidoczniły także wyraźne
zróżnicowanie charakterystyk HRTF dla poszczególnych osób, co potwierdza unikatowość
tej cechy człowieka. Analiza wyników testów odsłuchowych, wykonywanych z użyciem
zebranych wcześniej charakterystyk HRTF, wykazała dużą poprawność wskazań
lokalizacji źródła dźwięku postrzeganego przez słuchacza.

Sense of hearing is of great importance in everyday life of a human. Its significant
feature is an ability to locate sound sources in space. Popular spatial sound systems are
based on multiple loudspeakers surrounding the listener but due to their size cannot be
employed in a number of applications. However, there are techniques available which
allow to create spatial sounds using stereophonic headphones. This technical solution was
applied in an electronic travel aid for the blind developed in Institute of Electronics at the
Technical University of Łódz. A way to generate spatial sounds on stereophonic
headphones is through the use of special digital filters in audio signal path which emulate
the acoustic phenomena introduced into the sound wave by interaction with the human
body, especially torso, head and the ear pinnae. Those filter’s frequency characteristics are
defined by HRTFs (Head-Related Transfer Functions). HRTFs are unique for every
person, so the best method to receive them is personalized measurement.
The purpose of the thesis was to carry out measurements of HRTFs on a group of
people and to verify them through the localization verification trials. The characteristics
were measured for 12 persons, for 5 out of them the measurement procedure was repeated
three times. In order to confirm the measured HRTFs verification trials were carried out for
5 volunteers. HRTFs differ from person to person. For this reason anthropometric
measurements were done. Collected data are presented as photos taken with a scale on
volunteer body and as pinna flare angle measured in degrees.
The conducted studies have indicated a high repeatability of HRTFs measurement
results. They also showed differences between characteristics for particular persons thus
proving uniqueness of individual HRTFs functions. Verification trials have shown that
incorporation of personal HRTFs into the stereophonic sound path have enabled accurate
location of sound sources by the volunteers taking part in the trials.