Nur hören, was man hören will

Schallsignale besser filtern

Am Institut für Schallforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) haben Forscher um Peter Balazs mathematische Methoden zur besseren Filterung von Schallsignalen aus Umgebungsgeräuschen entwickelt und in eine Open Source Toolbox für Anwender umgesetzt.

Bild: Die Filterwirkung des menschlichen Kopfes wird im Labor des Instituts für Schallforschung mit einem Lautsprecherbogens und einem drehbaren Sessel gemessen. Foto: Institut für Schallforschung
Um ein möglichst gutes Hörergebnis zu erzielen, müssen Hörgeräte oder Handys zwischen Sprache und störenden Umgebungsgeräuschen - wie zum Beispiel Verkehrslärm - unterscheiden und die unerwünschten Signalteile "herausfiltern". Die Filterung von akustischen Signalen ist daher eine wesentliche Forschungsaufgabe in der digitalen Signalverarbeitung. Verschiedene mathematische Methoden kommen dabei zu Einsatz. Bisher gehen die meisten Filter von zeitlich konstanten Bedingungen aus. Dies entspricht jedoch nicht der Realität. Umgebungsgeräusche verändern sich laufend: So ist der Verkehr nicht immer gleich stark, der Verkehrslärm schwillt an und wieder ab.

Akustische Signale zeitabhängig filtern

Am Institut für Schallforschung der ÖAW haben Peter Balazs und seine Kollegen im Rahmen des internationalen Projekts "Frame Multiplier: Theory and Application in Acoustics" mathematische Methoden entwickelt, die akustische Signale zeitabhängig filtern können. Projektpartner waren die Universität Wien, die Université de Provence, das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) sowie die Université Catholique de Louvain.

Im Mittelpunkt der Forschung standen so genannte Frame-Multiplikatoren. Frames zerlegen den Verlauf von Tonsignalen in einzelne Teile. Ziel ist eine Darstellung der Schallsignale, mit deren Hilfe die relevante Information leichter erkannt werden kann, wie zum Beispiel eine Darstellung, die der Wahrnehmung des menschlichen Gehörs so nahe wie möglich kommt. "Das Konzept der Frames erlaubt im Vergleich zum herkömmlichen mathematischen Konzept der Basen eine differenziertere Signalverarbeitung, da dadurch etwa verhindert wird, dass sich zu viel Schallinformation auf einen Darstellungs-Punkt konzentriert", erklärt Projektleiter Peter Balazs.

Für die Konstruktion von zeitabhängigen Filtern können dann die Frame-Multiplikatoren eingesetzt werden. Mit ihnen lassen sich gewünschte Filtereffekt leichter erzielen. Bei den Frame-Multiplikatoren wird das Ergebnis der Darstellung durch Multiplikation verstärkt oder abgeschwächt. Danach wird das Ergebnis wieder in ein Schallsignal zurückgerechnet.

Open Source Toolbox für Anwender

Im Rahmen des Projekts wurden die mathematische Theorie der Frame-Multiplikatoren und deren Anwendungen in der Akustik weiterentwickelt. "Diese Verbindung zwischen Theorie und Anwendung war ein zentraler Punkt unseres Projekts", betont Balazs. Damit wurde die Grundlage für zukünftige Anwendungen von Frame-Multiplikatoren im täglichen Leben gesetzt. Diese sind breit gestreut. Sie reichen von der Entwicklung besserer Handys und Hörhilfen bis zur Messung der Absorption von Lärmschutzwänden. "Daher war es uns besonders wichtig, für die verschiedenen potenziellen Anwender benutzerfreundliche Umgebungen zu entwickeln", so Balazs, der erst kürzlich für seine Arbeit an innovativen Methoden der akustischen Modellierung mit dem START-Preis des Wissenschaftsfonds (FWF) ausgezeichnet worden war. Die Algorithmen wurden in eine Open-Source Toolbox für die Mathematik-Software MATLAB sowie in das am Institut für Schallforschung entwickelte System Stx (http://www.kfs.oeaw.ac.at/stx) integriert.

Das Projekt "Frame Multiplier: Theory and Application in Acoustics" startete 2008 und wird vom Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds (WWTF) gefördert. Zum diesjährigen Projektabschluss findet vom 29. bis 30. August 2011 am ÖAW-Institut für Schallforschung ein Abschlussworkshop statt.


Das Programm zum Abschlussworkshop
Weitere Informationen zum Projekt
ÖAW-Presseinformation zum START-Preis


Kontakt:
Dr. Peter Balazs
Institut für Schallforschung
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Wohllebengasse 12-14, 1040 Wien
T +43 1 51581-2510
peter.balazs@oeaw.ac.at
www.kfs.oeaw.ac.at



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