Aspects of room acoustics, vision and motion in the human auditory perception of space

Schutte, Michael (2021): Aspects of room acoustics, vision and motion in the human auditory perception of space. Dissertation, LMU München: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)

Abstract

The human sense of hearing contributes to the awareness of where sound-generating objects are located in space and of the environment in which the hearing individual is located. This auditory perception of space interacts in complex ways with our other senses, can be both disrupted and enhanced by sound reflections, and includes safety mechanisms which have evolved to protect our lives, but can also mislead us. This dissertation explores some selected topics from this wide subject area, mostly by testing the abilities and subjective judgments of human listeners in virtual environments. Reverberation is the gradually decaying persistence of sounds in an enclosed space which results from repeated sound reflections at surfaces. The first experiment (Chapter 2) compared how strongly people perceived reverberation in different visual situations: when they could see the room and the source which generated the sound; when they could see some room and some sound source, but the image did not match what they heard; and when they could not see anything at all. There were no indications that the visual image had any influence on this aspect of room-acoustical perception. The potential benefits of motion for judging the distance of sound sources were the focus of the second study (Chapter 3), which consists of two parts. In the first part, loudspeakers were placed at different depths in front of sitting listeners who, on command, had to either remain still or move their upper bodies sideways. This experiment demonstrated that humans can exploit motion parallax (the effect that closer objects appear faster to a moving observer than farther objects) with their ears and not just with their eyes. The second part combined a virtualisation of such sound sources with a motion platform to show that the listeners’ interpretation of this auditory motion parallax was better when they performed this lateral movement by themselves, rather than when they were moved by the apparatus or were not actually in motion at all. Two more experiments were concerned with the perception of sounds which are perceived as becoming louder over time. These have been called “looming”, as the source of such a sound might be on a collision course. One of the studies (Chapter 4) showed that western diamondback rattlesnakes (Crotalus atrox) increase the vibration speed of their rattle in response to the approach of a threatening object. It also demonstrated that human listeners perceive (virtual) snakes which engage in this behaviour as especially close, causing them to keep a greater margin of safety than they would otherwise. The other study (section 5.6) was concerned with the well-known looming bias of the sound localisation system, a phenomenon which leads to a sometimes exaggerated, sometimes more accurate perception of approaching compared to receding sounds. It attempted to find out whether this bias is affected by whether listeners hear such sounds in a virtual enclosed space or in an environment with no sound reflections. While the results were inconclusive, this experiment is noteworthy as a proof of concept: It was the first study to make use of a new real-time room-acoustical simulation system, liveRAZR, which was developed as part of this dissertation (Chapter 5). Finally, while humans have been more often studied for their unique abilities to communicate with each other and bats for their extraordinary capacity to locate objects by sound, this dissertation turns this setting of priorities on its head with the last paper (Chapter 6): Based on recordings of six pale spear-nosed bats (Phyllostomus discolor), it is a survey of the identifiably distinct vocalisations observed in their social interactions, along with a description of the different situations in which they typically occur.

Abstract

Das menschliche Gehör trägt zum Bewusstsein dafür bei, wo sich schallerzeugende Objekte im Raum befinden und wie die Umgebung beschaffen ist, in der sich eine Person aufhält. Diese auditorische Raumwahrnehmung interagiert auf komplexe Art und Weise mit unseren anderen Sinnen, kann von Schallreflektionen sowohl profitieren als auch durch sie behindert werden, und besitzt Mechanismen welche evolutionär entstanden sind, um unser Leben zu schützen, uns aber auch irreführen können. Diese Dissertation befasst sich mit einigen ausgewählten Themen aus diesem weiten Feld und stützt sich dabei meist auf die Testung von Wahrnehmungsfähigkeiten und subjektiver Einschätzungen menschlicher Hörer/-innen in virtueller Realität. Beim ersten Experiment (Kapitel 2) handelte es sich um einen Vergleich zwischen der Wahrnehmung von Nachhall, dem durch wiederholte Reflexionen an Oberflächen hervorgerufenen, sukzessiv abschwellenden Verbleib von Schall in einem umschlossenen Raum, unter verschiedenen visuellen Umständen: wenn die Versuchsperson den Raum und die Schallquelle sehen konnte; wenn sie irgendeinen Raum und irgendeine Schallquelle sehen konnte, dieses Bild aber vom Schalleindruck abwich; und wenn sie gar kein Bild sehen konnte. Dieser Versuch konnte keinen Einfluss eines Seheindrucks auf diesen Aspekt der raumakustischen Wahrnehmung zu Tage fördern. Mögliche Vorteile von Bewegung für die Einschätzung der Entfernung von Schallquellen waren der Schwerpunkt der zweiten Studie (Kapitel 3). Diese bestand aus zwei Teilen, wovon der erste zeigte, dass Hörer/-innen, die ihren Oberkörper relativ zu zwei in unterschiedlichen Abständen vor ihnen aufgestellten Lautsprechern auf Kommando entweder stillhalten oder seitlich bewegen mussten, im letzteren Falle von der Bewegungsparallaxe (dem Effekt, dass sich der nähere Lautsprecher relativ zum sich bewegenden Körper schneller bewegte als der weiter entfernte) profitieren konnten. Der zweite Teil kombinierte eine Simulation solcher Schallquellen mit einer Bewegungsplattform, wodurch gezeigt werden konnte, dass die bewusste Eigenbewegung für die Versuchspersonen hilfreicher war, als durch die Plattform bewegt zu werden oder gar nicht wirklich in Bewegung zu sein. Zwei weitere Versuche gingen auf die Wahrnehmung von Schallen ein, deren Ursprungsort sich nach und nach näher an den/die Hörer/-in heranbewegte. Derartige Schalle werden auch als „looming“ („anbahnend“) bezeichnet, da eine solche Annäherung bei bedrohlichen Signalen nichts Gutes ahnen lässt. Einer dieser Versuche (Kapitel 4) zeigte zunächst, dass Texas-Klapperschlangen (Crotalus atrox) die Vibrationsgeschwindigkeit der Schwanzrassel steigern, wenn sich ein bedrohliches Objekt ihnen nähert. Menschliche Hörer/-innen nahmen (virtuelle) Schlangen, die dieses Verhalten aufweisen, als besonders nahe wahr und hielten einen größeren Sicherheitsabstand ein, als sie es sonst tun würden. Der andere Versuch (Abschnitt 5.6) versuchte festzustellen, ob die wohlbekannte Neigung unserer Schallwahrnehmung, näherkommende Schalle manchmal übertrieben und manchmal genauer einzuschätzen als sich entfernende, durch Schallreflektionen beeinflusst werden kann. Diese Ergebnisse waren unschlüssig, jedoch bestand die Besonderheit dieses Versuchs darin, dass er erstmals ein neues Echtzeitsystem zur Raumakustiksimulation (liveRAZR) nutzte, welches als Teil dieser Dissertation entwickelt wurde (Kapitel 5). Abschließend (Kapitel 6) wird die Schwerpunktsetzung auf den Kopf gestellt, nach der Menschen öfter auf ihre einmaligen Fähigkeiten zur Kommunikation miteinander untersucht werden und Fledermäuse öfter auf ihre außergewöhnliches Geschick, Objekte durch Schall zu orten: Anhand von Aufnahmen von sechs Kleinen Lanzennasen (Phyllostomus discolor) fasst das Kapitel die klar voneinander unterscheidbaren Laute zusammen, die diese Tiere im sozialen Umgang miteinander produzieren, und beschreibt, in welchen Situationen diese Lauttypen typischerweise auftreten.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Graduate School of Systemic Neurosciences (GSN)
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Juli 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Grothe, Benedikt