Schallführungsdesign für Piezo-Buzzer. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Simulation von Piezobuzzern unterschiedlichen Typs gemeinsam mit der verwendeten Schallführung und Ansteuerungsschaltung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Piezobuzzer mit oder ohne Feedbackelektrode zu simulieren, darauf aufbauend eine auf maximalen Schalldruckpegel optimierte Schallführung zu entwerfen und letztendlich zu untersuchen, wie gut oft benutzte Methoden zur Schalldruckpegelmaximierung von Piezobuzzern geeignet sind. Dafür werden elektromechanische und elektroakustische Ersatzschaltbilder vorgestellt, deren Parameter berechnet und im Anschluss die Simulationen mit vorher durchgeführten Messungen verglichen. Anschließend wird auf Grundlage dieser Parameter eine Schallführung optimiert und deren Einfluss auf die elektrischen, mechanischen und akustischen Eigenschaften des Buzzers untersucht. Es wird weiterhin ein Ansatz vorgestellt, um den Schall möglichst effizient aus einem Gehäuse zu leiten, falls der Piezobuzzer nicht direkt an der Gehäuseoberseite angebracht werden kann. Ferner soll die beliebte und somit oft genutzte Hartley-Ansteuerungsschaltung auf ihre Eignung zum Betrieb eines Buzzers im Bereich des maximalen Schalldruckpegels untersucht werden. Die Ergebnisse zeigen Simulationsmodelle der zwei gängigsten Buzzertypen, welche mit Messungen validiert werden. Auf Grundlage des Optimierungsskriptes wird eine auf maximalen Schalldruck optimierte Schallführung berechnet und der Einfluss von Schallführung und Ansteuerungsschaltung auf die Eigenschaften des Buzzers untersucht. Weiterhin wird erläutert, wieso die verwendete Hartley-Ansteuerungsschaltung für den Betrieb eines Piezobuzzers mit Feedbackelektrode im Bereich des maximalen Schalldruckpegels nicht geeignet ist. Um die Testumgebung zu vervollständigen und die Arbeit mit den Python-Skripten zu erleichtern, wird ein Graphical User Interface für die Schätzung und Optimierung, sowie eine ausführliche Benutzeroberfläche im Simulationsprogramm LTspice erstellt.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Föderiertes Lernen ist ein neuer Ansatz im Bereich des maschinellen Lernens, der den Datenschutz gewährleistet, indem mehrere Geräte gemeinsam ein Modell erlernen, ohne lokale Daten auszutauschen. In dieser Arbeit werden verschiedene Fusionsalgorithmen zur Kombination von Modellen, die auf unterschiedlichen Geräten trainiert wurden, in einem einzigen globalen Modell untersucht. Dabei werden fünf Fusionsalgorithmen im Rahmen einer Datenklassifizierungsaufgabe bewertet: Federated Averaging (FedAvg), Federated Proximal (FedProx), Inverse Distance Aggregation (IDA), q-Fair Federated Averaging (qFedAvg), und Temporally Weighted Federated Averaging (TWFedAvg). Die Experimente berücksichtigen unterschiedliche Verteilungen von Kundendaten und verschiedene Grade von vergifteten Datendistributionen. Die Ergebnisse zeigen, dass FedAvg bei verschiedenen Datenverteilungen gute Leistungen erzielt, jedoch Schwierigkeiten hat, Probleme im Zusammenhang mit vergifteten Daten zu lösen. FedProx behandelt effektiv Probleme der Datenheterogenität und Systemheterogenität. IDA zeigt eine stabile Modellkonvergenz und hohe globale Modellgenauigkeit. qFedAvg verbessert die Leistung der schlechten performenden Geräte, sorgt für ein faireres Modell und kann unterschiedliche vergiftete Datendistributionen bewältigen. TWFedAvg ist sehr empfindlich gegenüber dem Rechenaufwand beim lokalen Lernen und weist eine schlechte Leistung in den Experimenten auf.
Impact of Privacy Enhancement Technologies for Speech Content on Machine Learning Applications. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Da jedes Jahr mehr Vorschriften zum Thema Datenschutz erlassen werden und die Popularität moderner Ansätze des maschinellen Lernens (ML) in den meisten Bereichen rapide zunimmt, ist es von entscheidender Bedeutung, Lösungen zum Schutz der Privatsphäre und insbesondere der Privatsphäre von Sprachinhalten zu entwickeln, ohne die Leistung von maschinellen Lernverfahren mit berechtigtem Interesse stark zu beeinträchtigen. Ebenso wichtig ist es, das "richtige Werkzeug für die Aufgabe" zu wählen, d. h. die für eine bestimmte Situation am besten geeignete Privacy Enhancement Technology (PET). In dieser Arbeit schlagen wir ein neuartiges Evaluierungsprotokoll vor, mit dem der Einfluss von PET auf ein maschinelles Lernverfahren bewertet werden kann, während gleichzeitig die Verbesserungen der Privatsphäre sowohl in Bezug auf die Verschleierung von Inhalten als auch auf die Anonymisierung von Sprechern miteinbezogen werden. Um die Gültigkeit dieses Protokolls zu bewerten und zu zeigen, testeten wir zwei maschinelle Lernmodelle in Verbindung mit drei PET-Algorithmen. Anhand des vorgeschlagenen Protokolls konnten wir die Stärken und Schwächen der untersuchten PET-Algorithmen genau ermitteln und eine klare Empfehlung für verschiedene Anwendungsfälle aussprechen.
Untersuchung von Mikrofonsystemen zur Anwendung an Drohnenplattformen. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Drohnensysteme übernehmen bereits heute eine Vielzahl an Aufgaben auf unterschiedlichen Gebieten. Das Problem der zur Zeit eingesetzten Drohnensysteme ist deren nahezu ausschließlicher Einsatz zur Bildgebung, so verhindern z.B. nicht transparente Objekte eine Sichtung. Akustische Sensoren sind bisher noch nicht etabliert, da die Eigen- und Windgeräusche des Drohnensystems die Aufnahmen stören.Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Untersuchung verschiedener Mikrofonsysteme an Drohnenplattformen. Der Fokus liegt hierbei auf der Erzeugung einer geeigneten Richtcharakteristik des Mikrofonarrays, um die Drohnen- und Windgeräusche möglichst stark zu unterdrücken. Zunächst werden die Anforderungen des Betriebs von einem Mikrofonarray und einem Beamforming-Algorithmus an einer Drohnenplattform erläutert. Ein mögliches Anwendungsszenario der Waldbrandfrüherkennung mit Drohne und Mikrofonsystem bildet hierbei einen Schwerpunkt. Das Mikrofonsystem soll eine möglichst gerichtetete Empfindlichkeit für Geräusche senkrecht unter dem Drohnenkorpus erzeugen, ohne den sicheren Betrieb der Drohne zu gefährden. Darauf aufbauend erfolgt die Auswahl eines uniformen Rechteck-, Ring-, archimedischen Spiral- und eines nicht-uniformen Rechteckarrays in Kombination mit einem Delay-and-Sum Beamformer für eine nähere Untersuchung. Die ausgewählten Mikrofonsysteme werden simuliert, realisiert und untersucht auf deren Fähigkeit, seitliche Störgeräusche unterdrücken zu können. Das archimedische Spiralarray erreicht hierbei einen größeren Signal-Rausch-Abstand als das nicht-uniforme Rechteckarray. Aus diesem Grund wird nur eine Anpassung des archimedischen Spiralarrays vorgenommen. Im Anschluss daran erfolgt die Messung der azimutalen Richtcharakteristiken der prototypischen Mikrofonsysteme. Das uniforme Rechteck- und Ringarray zeigen im Gegensatz zu den Ergebnissen der Simulation eine stärkere Richtwirkung nach vorn als nach hinten und eine niedrigere Empfindlichkeit zu den Seiten. Abschließend werden die Prototypen unterhalb einer betriebenen Drohne evaluiert. Diese Arbeit zeigt, dass ein uniformes Rechteck-, Ring- und archimedisches Spiralarray in Kombination mit einem Delay-and-Sum Beamformer die Geräusche einer Drohne im Leerlaufbetrieb tendenziell ausreichend zur Aufnahme von Bodenbrandgeräuschen unterdrücken können.
Emulieren eines Kondensatormikrofons durch MEMS-Mikrofone. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
In dieser Arbeit wird die Emulation eines Kondensatormikrofons durch ein Array aus MEMS-Mikrofonen untersucht und teilweise durchgeführt. Verschiedene Vorbetrachtungen zu den Eigenschaften eines MEMS-Arrays, wie Amplitudengang, Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Richtcharakteristik finden statt. Es wird mittels eines Python Skripts ein FIR-Filter zur Anpassung der Amplitudengänge entworfen. Ein einzelnes MEMS-Mikrofon und ein zu emulierendes Kondensatormikrofon werden in einem reflexionsarmen Raum vermessen. Diese Daten dienen als Eingabe beziehungsweise als Referenz f̈ ur die Ausgabewerte des FIR-Filters. Des Weiteren werden verschiedene Beampattern von grundlegenden Array-Geometrien emuliert.
Extrapolation of microphone array recordings for arbitrary positions in the room. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Im Laufe des letzten Jahrzehnts hat das Interesse an virtueller bzw. erweiterter Realität (VR / AR) stark zugenommen. Für ein immersives Erlebnis ist es notwendig, virtuelle Schallquellen an beliebige Positionen im Raum platzieren zu können. Eine Möglichkeit zur Auralisierung von virtuellen Quellen ist es, Signale mit binauralen Raumimpulsantworten (BRIRs) zu falten und diese über Kopfhörer wiederzugeben. Die Aufnahme von BRIRs mit einem Kunstkopf zur Wiedergabe mit sechs Freiheitsgraden (6-DoF) über Kopfhörer führt zu einem hohen Aufwand, da für unterschiedlichste Kopfdrehungen und Positionen im Raum BRIRs gemessen werden müssen. Außerdem lassen sich vertikale Drehungen des Kopfes nur schwer damit umsetzen. Eine Möglichkeit, den Messaufwand zu reduzieren und Änderungen der Elevation zuzulassen, ist die Spatial Decomposition Method (SDM). Damit muss an jeder Position lediglich eine Messung durchgeführt werden. In der Vergangenheit wurde von Füg ein Algorithmus entwickelt, der Impulsantworten (IRs) so manipuliert, dass die Distanzwahrnehmung verändert wird. Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Algorithmus auf die SDM zu übertragen und zu erweitern, sodass Entfernungsänderungen auch für elevierte Quellen möglich sind. Dadurch muss nur noch eine Messung mit der SDM durchgeführt werden, um BRIRs für den gesamten Raum zu synthetisieren. Der entwickelte Algorithmus manipuliert systematisch die Anfangszeitlücke, die Direction-Of-Arrival Matrix und die Energie der IR. Die Evaluation erfolgt mithilfe von distanzabhängigen Raumakustikparametern sowie durch einen informellen subjektiven Wahrnehmungstest. Die Auswertung der Raumakustikparameter zeigt, dass gute Ergebnisse für Quellen erzielt werden, welche oberhalb oder in der Ebene des Empfängers liegen. Für Quellen unterhalb des Empfängers entstehen starke Abweichungen bei der Direct-to-Reverberant-Ratio (DRR). Hinsichtlich der subjektiven Wahrnehmung bleiben die Ergebnisse hinter den Erwartungen zurück. Die Richtungs- und Entfernungswahrnehmung der Synthese weicht nicht stark von den Messungen ab, aber die Klangfarbe der Synthese ist sehr deutlich verändert. Die Übertragung von Fügs Manipulationsalgorithmus auf die SDM ist nur teilweise gelungen bzw. untauglich für einen praktischen Einsatz. Anhand von weiteren zukünftigen Untersuchungen für andere Räume soll die Leistungsfähigkeit des Algorithmus verbessert werden.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Für die Qualitätsbewertung von Audiosystemen werden häufig nichtlineare Verzerrungen genutzt. Diese können mit einer Vielzahl von Methoden bestimmt werden. Die Auswahl der richtigen Messmethode ist ein grundlegendes Problem beim Vermessen von Systemen. Aus diesem Grund vergleicht die vorliegende Arbeit verschiedene Messmethoden zur Charakterisierung von nichtlinearen Verzerrungen. Für den Vergleich werden Methoden zur Bestimmung von THD, IMD, NCD und MTND betrachtet. Hierzu werden mehrere Messungen an verschiedenen Audiosystemen durchgeführt. Zudem wird die Reaktion der Messmethoden auf Parameterveränderungen in einem künstlichen System untersucht. In der Evaluation werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden aufgezeigt. Hierzu wird auch das Verhalten der Methoden bei schmalbandigen Verzerrungen und bei "Off-Axis"-Messungen betrachtet. Zudem werden die Verzerrungensangaben von Herstellern kritisch diskutiert. Zum Schluss wird eine Empfehlung für die Anwendungsgebiete der Methoden bzw. Kennzahlen gegeben.
Untersuchung zum Lautstärkeverhalten gerichteter Schallquellen in objektbasierter Auralisation. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Die Richtwirkung ist eine wichtige akustische Eigenschaft von Schallquellen. Diese kann in objektbasierten 3D-Audiowiedergabesystemen durch verschiedene Methoden reproduziert werden. Diese Arbeit untersucht das Lautstärkeverhalten virtueller gerichteter Schallquellen bei deren Rotation im kopfhörerbasierten 3D-Audiowiedergabesystem VIPRA, welches auf der Wellenfeldsynthese basiert. Die Reproduktion der Richtwirkung erfolgt in der VIPRA-Portalmethode durch eine Lautstärkeinterpolation zwischen Punktschallquellen. Auf Basis der vorhandenen Implementierung wird eine angepasste Berechnungsmethode erarbeitet und implementiert. Diese hat das Ziel, den Lautstärkeverlauf bei Rotation zu homogenisieren. Zur Evaluation der Methoden werden reale Schallerzeuger mit einem Mikrofonarray aufgenommen und in das System eingebunden. Anschließend werden die Methoden anhand Klangfärbung, Reproduktion der Richtcharakteristik und dem Lautstärkeverlauf bei Rotation verglichen. In einem informellen Hörtest wird die minimale Wiedergabeauflösung der neuen Implementierung untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die neue Implementierung die bisher auftretenden Sprünge im Lautstärkeverlauf minimiert. Dadurch wird eine bessere Reproduktion der Richtcharakteristik ermöglicht. Der Hörtest gibt Hinweise darauf, dass virtuelle gerichtete Schallquellen, unabhängig von der Richtungsauflösung der Wiedergabe, als natürlich wahrgenommen werden können. Die minimale Richtungsauflösung hängt von der Art der Schallquelle sowie der Anwendung ab. Die VIPRA-Portalmethode sollte in weiterführenden Forschungsarbeiten mit anderen Verfahren zur Reproduktion der Richtwirkung verglichen werden. Diese Vergleiche sollten sowohl analytisch als auch in formellen Hörtests durchgeführt werden.
Evaluation des Standes der Technik zum transparent Schalten von In-Ear-Kopfhörern. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Moderne Kopfhörer und Hearables können immer mehr Funktionen erfüllen, die dem Träger mehr Komfort oder Unterstützung im Alltag bieten sollen. Bei offenen oder halboffenen Kopfhörern wird zum Beispiel der von außen auftretende Schall mit Active Noise Cancellation unterdrückt. Bei geschlossenen Kopfhörern ist aber genau dieser Schall manchmal erwünscht, um wichtige Signale von außen, trotz der geschlossenen Bauweise, wahrnehmen zu können. Diese Funktion, Schall durch die Kopfhörer wahrzunehmen, wird durch sogenannte Hear-Through Algorithmen ermöglicht. Der Fokus dieser Arbeit liegt darauf, einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik zu In-Ear Hearables mit Hear-Through Funktionalität zu geben, wie diese konstruiert sein sollten und wie Übertragungsfunktionen zwischen den Mikrofonpositionen und dem Trommelfell definiert werden. Aufgrund der geringen Distanz zwischen dem Lautsprecher und den Mikrofon eines Hearables können vermehrt Rückkopplungen auftreten. Drei Rückkopplungsfilterverfahren werden vorgestellt, von denen zwei, die Prediction Error Methode und ein differentielles Mikrofon Array, auf ihren Einfluss auf die räumliche Wahrnehmung mittels einer Simulation untersucht werden. Diese verändern das auditive Ereignis unterschiedlich stark und können somit die auditive Richtungs- und Umgebungswahrnehmung negativ beeinflussen.
Einfluss des Kopfhörermodells auf reale und virtuelle Schallquellen in Augmented Acoustics Anwendungen. - Ilmenau. - 37 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Arbeit wird der Einfluss des Kopfhörermodells auf reale und virtuelle Schallquellen in Augmented Acoustics Anwendungen untersucht. Dazu wurden binaurale Impulsantwortmessungen mit einem Kunstkopf durchgeführt. Acht Modelle wurden physikalisch und perzeptiv untersucht. Die physikalische Analyse zeigt die Eigenschaften des Kopfhörers und ihre Auswirkungen auf das reale Schallfeld. Auch der Effekt der Neupositionierung wurde berücksichtigt. Um den Einfluss auf das externe Schallfeld perzeptiv zu untersuchen, wurde ein Multi-Stimulus Test mit versteckter Referenz- und Anker mit 15 Testpersonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass verschiedene Arten von Kopfhörern unterschiedliche Auswirkungen auf reale und virtuelle Schallquellen haben und dass die Neupositionierung Variationen im Frequenzspektrum verursacht.