A Bayesian Modeling Approach to Situated Design of Personalized Soundscaping Algorithms

Effective noise reduction and speech enhancement algorithms have great potential to enhance lives of hearing aid users by restoring speech intelligibility. An open problem in today’s commercial hearing aids is how to take into account users’ preferences, indicating which acoustic sources should be suppressed or enhanced, since they are not only user-specific but also depend on many situational factors. In this paper, we develop a fully probabilistic approach to “situated soundscaping”, which aims at enabling users to make on-the-spot (“situated”) decisions about the enhancement or suppression of individual acoustic sources. The approach rests on a compact generative probabilistic model for acoustic signals. In this framework, all signal processing tasks (source modeling, source separation and soundscaping) are framed as automatable probabilistic inference tasks. These tasks can be efficiently executed using message passing-based inference on factor graphs. Since all signal processing tasks are automatable, the approach supports fast future model design cycles in an effort to reach commercializable performance levels. The presented results show promising performance in terms of SNR, PESQ and STOI improvements in a situated setting.

Distributed Acoustic Sensing Based on Coherent Microwave Photonics Interferometry

A microwave photonics method has been developed for measuring distributed acoustic signals. This method uses microwave-modulated low coherence light as a probe to interrogate distributed in-fiber interferometers, which are used to measure acoustic-induced strain. By sweeping the microwave frequency at a constant rate, the acoustic signals are encoded into the complex microwave spectrum. The microwave spectrum is transformed into the joint time–frequency domain and further processed to obtain the distributed acoustic signals. The method is first evaluated using an intrinsic Fabry Perot interferometer (IFPI). Acoustic signals of frequency up to 15.6 kHz were detected. The method was further demonstrated using an array of in-fiber weak reflectors and an external Michelson interferometer. Two piezoceramic cylinders (PCCs) driven at frequencies of 1700 Hz and 3430 Hz were used as acoustic sources. The experiment results show that the sensing system can locate multiple acoustic sources. The system resolves 20 nε when the spatial resolution is 5 cm. The recovered acoustic signals match the excitation signals in frequency, amplitude, and phase, indicating an excellent potential for distributed acoustic sensing (DAS).

Distributed Acoustic Sensing Based on Coherent Microwave Photonics Interferometry

A microwave-photonics method has been developed for measuring distributed acoustic signals. This method uses microwave-modulated low coherence light as a probe to interrogate distributed in-fiber interferometers, which are used to measure acoustic-induced strain. By sweeping the microwave frequency at a constant rate, the acoustic signals are encoded into the complex microwave spectrum. The microwave spectrum is transformed into the joint time-frequency domain and further processed to obtain the distributed acoustic signals. The method is first evaluated using an intrinsic Fabry Perot interferometer (IFPI). Acoustic signals of frequency up to 15.6 kHz were detected. The method was further demonstrated using an array of in-fiber weak reflectors and an external Michelson interferometer. Two piezo-ceramic cylinders (PCCs) driven at frequencies of 1700 Hz and 3430 Hz were used as acoustic sources. The experiment results show that the sensing system can locate multiple acoustic sources. The system resolves 20 nε when the spatial resolution is 5 cm. The recovered acoustic signals match the excitation signals in frequency, amplitude, and phase, indicating an excellent potential for distributed acoustic sensing (DAS).

An Acoustic Source Localization Method Using a Drone-Mounted Phased Microphone Array

Currently, the detection of targets using drone-mounted imaging equipment is a very useful technique and is being utilized in many areas. In this study, we focus on acoustic signal detection with a drone detecting targets where sounds occur, unlike image-based detection. We implement a system in which a drone detects acoustic sources above the ground by applying a phase difference microphone array technique. Localization methods of acoustic sources are based on beamforming methods. The background and self-induced noise that is generated when a drone flies reduces the signal-to-noise ratio for detecting acoustic signals of interest, making it difficult to analyze signal characteristics. Furthermore, the strongly correlated noise, generated when a propeller rotates, acts as a factor that degrades the noise source direction of arrival estimation performance of the beamforming method. Spectral reduction methods have been effective in reducing noise by adjusting to specific frequencies in acoustically very harsh situations where drones are always exposed to their own noise. Since the direction of arrival of acoustic sources estimated from the beamforming method is based on the drone’s body frame coordinate system, we implement a method to estimate acoustic sources above the ground by fusing flight information output from the drone’s flight navigation system. The proposed method for estimating acoustic sources above the ground is experimentally validated by a drone equipped with a 32-channel time-synchronized MEMS microphone array. Additionally, the verification of the sound source location detection method was limited to the explosion sound generated from the fireworks. We confirm that the acoustic source location can be detected with an error performance of approximately 10 degrees of azimuth and elevation at the ground distance of about 150 m between the drone and the explosion location.

Sound reproduction from laser-driven pulsed acoustic sources

Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται νέα ευρήματα σχετικά με την αναπαραγωγή ήχου από ακουστικές πηγές πλάσματος παραγόμενου από λέιζερ. Διερευνώνται θεμελιώδη θέματα φυσικής της οπτοακουστικής μετατροπής μέσω πλάσματος λέιζερ, καθώς και η αξιοποίησή της στην ανάπτυξη συστημάτων αναπαραγωγής ήχου. Παρουσιάζεται μια συνδυαστική προσέγγιση βασισμένη σε πείραμα, φυσική μοντελοποίηση και επεξεργασία σήματος για τη μελέτη και περιγραφή της ηχητικής εκπομπής σφαιρικών, παντοκατευθυντικών αλλά και κυλινδρικών, κατευθυντικών πηγών ήχου πλάσματος λέιζερ. Αναπτύσσεται ένα νέο φαινομενολογικό μοντέλο που επιτρέπει την εκτίμηση του συχνοτικού φάσματος των ηχητικών κυμάτων που παράγουν οι ακουστικές πηγές πλάσματος από το προφίλ του θερμικού φωτός που εκπέμπεται από τον διεγερμένο όγκο του αερίου, αναδεικνύοντας με σαφή τρόπο τη συσχέτιση μεταξύ δευτερογενούς οπτικής και ηχητικής εκπομπής που ακολουθεί τη διάσπαση αερίων από λέιζερ. Οι προβλέψεις του μοντέλου επιβεβαιώνονται από την καλή συμφωνία τους με τα αποτελέσματα σχετικών ακουστικών μετρήσεων. Επίσης, αναπτύσσεται ένα ακουστικό μοντέλο βασισμένο στο κλασικό μοντέλο ακουστικής γραμμής (line source) που υπολογίζει την ακουστική εκπομπή των νημάτων πλάσματος στον τρισδιάστατο χώρο συναρτήσει της χωρικής κατανομής της εναποτιθέμενης οπτικής ενέργειας. Αποδεικνύεται ότι η γεωμετρία του πλάσματος και η κατανομή της αξονικής πίεσης μπορούν να προσδιοριστούν από το χωρικό προφίλ της φωτεινής εκπομπής του νήματος πλάσματος. Οι προβλέψεις του μοντέλου επικυρώνονται μέσω σύγκρισης με ακουστικές μετρήσεις, δείχνοντας πολύ καλή συμφωνία. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι βασικές αρχές καινοτόμου τεχνολογίας αναπαραγωγής ήχου από λέιζερ, ενώ περιγράφεται και αξιολογείται πειραματικά πρωτότυπος οπτοακουστικός μετατροπέας πλάσματος λέιζερ. Ο μετατροπέας επιτυγχάνει αναπαραγωγή ηχητικών σημάτων διαμορφωμένων μέσω διαμόρφωσης ΣΔ ενός ή πολλών bit, οι οποίες μετατρέπονται σε ροές ακουστικών παλμών απευθείας στον ατμοσφαιρικό αέρα ή πάνω σε μεταλλικούς στόχους. Το πρωτότυπο έχει εύρος ζώνης 1kHz, το οποίο επαρκεί για να αποδείξει την λειτουργία του συστήματος, ενώ αποδεικνύεται επίσης ότι η επίτευξη λειτουργίας στο πλήρες ακουστικό εύρος συχνοτήτων είναι εξαρτάται μόνο από τις προδιαγραφές του λέιζερ. Παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα από την αναπαραγωγή δοκιμαστικών ηχητικών σημάτων, όπως μεμονωμένα ή πολλαπλά ημίτονα, καθώς και πραγματικά ηχητικά σήματα ομιλίας και μουσικής. Επιπλέον, αναπτύσσεται ένα υπολογιστικό μοντέλο προσομοίωσης οποιουδήποτε συστήματος αναπαραγωγής ήχου πλάσματος λέιζερ βασισμένου σε διαμόρφωση ΣΔ, συναρτήσει των παραμέτρων του λέιζερ και της διαμόρφωσης. Το μοντέλο λαμβάνει ως είσοδο το αρχικό ηχητικό σήμα και προβλέπει το αναπαραγόμενο σήμα μέσω συνέλιξης της ΣΔ αναπαράστασής του με το προφίλ πίεσης ενός ακουστικού παλμού πλάσματος λέιζερ. Οι προβλέψεις του μοντέλου επιβεβαιώνονται μέσω σύγκρισης με τις πειραματικές μετρήσεις. Τέλος, παρουσιάζεται η έως τώρα πρόοδος στην ανάπτυξη ενός πλήρους φυσικού μοντέλου περιγραφής της εναπόθεσης ενέργειας μέσω διάσπασης αερίων από λέιζερ, ενώ αναπτύσσεται και μια νέα μέθοδος για την πρόβλεψη των συχνοτικών φασμάτων των σημάτων διαμόρφωσης εύρους παλμού ομοιόμορφης δειγματοληψίας που προέρχονται από τυχαία σήματα εισόδου.