多通路空间声的前方四扬声器局域Ambisonics信号馈给法*

典型的多通路空间声扬声器布置一般包含水平面左前、右前,高仰角左前上、右前上四个方向的扬声器。 本文提出一种利用该四个扬声器产生前方水平与垂直方向虚拟源的一阶局域Ambisonics 信号馈给法。该信号馈给法是通过对目标和重放声场进行球谐函数展开并取一阶近似得到。采用简化的头部模型和精确的头相关传输函数模型分析表明,一阶局域Ambisonics 信号馈给法可以产生合适的低频听觉定位因素,包括双耳时间差及其随头部转动的动态变化。虚拟源定位实验结果表明,该方法可以在扬声器布置的范围内,甚至在略超出扬声器布置的范围内产生不同方位角和仰角的虚拟源。因而本文的方法可用在多通路空间声重放中产生与图像配合的虚拟源定位效果。     

前方空间环绕声的四扬声器虚拟重放

考虑头部转动带来的动态因素对听觉垂直定位的贡献,提出了前方空间环绕声的四扬声器虚拟重放方法。4个扬声器分别布置在水平面左前、右前以及高仰角的左前上、右前上方向,并采用听觉传输信号处理的方法将多通路空间环绕声信号转换为4个扬声器的重放信号。以9.1通路空间环绕声虚拟重放为例,采用头相关传输函数对双耳声压及其包含的定位因素进行分析表明,该方法可以产生正确的双耳时间差及其随头部转动的变化,从而产生合适的侧向定位双耳因素和垂直定位的动态因素。而心理声学实验结果表明,该方法可以重放稳定的前方空间的水平和垂直虚拟源。因此,四扬声器布置结合听觉传输处理足以重放前方空间环绕声的垂直定位信息,实现多通路空间环绕声的向下混合与简化。      

两扬声器虚拟声重放的双耳声压控制与定位性能

在两扬声器虚拟声重放中,通过精确重构双耳声压而产生不同的空间听觉感知。其重放的定位性能应该是由双耳声压控制的代价和稳定性所共同决定的。过去研究主要对双耳声压控制的稳定性进行分析,并以此作为扬声器布置和信号处理的依据。该文研究表明仅对双耳声压的稳定性分析是不足以完全衡量扬声器虚拟声重放的定位性能的。进一步采用虚拟声信号处理滤波器响应平均功率对双耳声压控制的代价进行分析。结果表明,缩窄左右对称扬声器布置的张角或采用非对称扬声器布置会明显增加产生侧向目标虚拟源时的双耳声压控制代价。虚拟源(虚拟声像)定位实验表明,双耳声压控制代价增加会引起虚拟源定位缺陷。实际应用中,为了有效产生侧向虚拟源,应避免采用过窄张角(如立体声偶极)和非对称的扬声器布置。     

Ambisonics声捡拾与重放音色的双耳听觉模型分析与实验

提出用双耳听觉模型对空间声音色进行分析的普遍方法,并以Ambisonics为例进行了分析。Ambisonics是基于物理声场重构的空间声系统,其最终重构声场误差以及音色改变是由传声器捡拾和重放空间混叠误差共同引起的。采用修正的Moore双耳响度模型计算了Ambisonics重构声场的双耳响度级谱并和目标声场的情况比较,从而定量评价重构声场的音色改变。结果表明,在理想捡拾信号的情况下,无音色改变重放的上限频率和区域大小随Ambisonics的阶数而增加。而对于传声器阵列捡拾的情况,只要阵列的上限频率大于Ambisonics重放的上限频率,在重放的上限频率以下,传声器阵列空间混叠误差对最终重构声场及其感知音色的影响就可以忽略。在此基础上,提出了一种综合考虑捡拾与重放性能的Ambisonics系统优化设计方法。心理声学实验得到了和双耳听觉模型一致的结果,从而也验证了模型分析的有效性。      

Ambisonics声捡拾与重放音色的双耳听觉模型分析与实验

提出用双耳听觉模型对空间声音色进行分析的普遍方法,并以Ambisonics为例进行了分析。Ambisonics是基于物理声场重构的空间声系统,其最终重构声场误差以及音色改变是由传声器捡拾和重放空间混叠误差共同引起的。采用修正的Moore双耳响度模型计算了Ambisonics重构声场的双耳响度级谱并和目标声场的情况比较,从而定量评价重构声场的音色改变。结果表明,在理想捡拾信号的情况下,无音色改变重放的上限频率和区域大小随Ambisonics的阶数而增加。而对于传声器阵列捡拾的情况,只要阵列的上限频率大于Ambisonics重放的上限频率,在重放的上限频率以下,传声器阵列空间混叠误差对最终重构声场及其感知音色的影响就可以忽略。在此基础上,提出了一种综合考虑捡拾与重放性能的Ambisonics系统优化设计方法。心理声学实验得到了和双耳听觉模型一致的结果,从而也验证了模型分析的有效性。     

头相关传输函数与虚拟听觉

头相关传输函数(HRTF)是自由场情况下点声源到双耳的声学传输函数,它包含了有关声源的主要空间信息,因而在双耳空间听觉的研究方面有非常重要的意义.作为HRTF的一个重要的应用,虚拟听觉则是近二十年发展起来的新技术,它利用HRTF进行信号处理,模拟出声波从声源到双耳的传输,从而在耳机或扬声器重放中虚拟出相应的空间听觉.虚拟听觉技术在有关听觉的科学实验、通信、多媒体与虚拟现实、家用声重放、室内声学设计等科学研究、工程技术、消费电子领域都有重要的应用价值.近十多年来,国际上有关HRTF和虚拟听觉技术的研究发展很快,已成为声学、信号处理、听觉等研究领域的热门与前沿课题,并已在众多的领域得到应用.     

5.1通路环绕声的耳机虚拟重放

提出了一种改进的5.1通路环绕声的耳机虚拟重放信号处理方法。在对现有的信号处理方法进行分析,指出它会产生不自然主观听觉效果后,通过理论和心理声学实验证明,采用HRTF信号处理、环绕声信号去相关等方法,在克服普通耳机声重放的“头中定位”的缺点、虚拟出多环绕扬声器效果的同时,并未带来新的不自然听觉效果。因此信号处理方法可增加听觉上的包围感,从而改善耳机重放的主观听觉效果。     

一种用于手持式播放装置的立体声扩展方法

手持式播放装置的一对立体声扬声器相对倾听者的张角窄、距离近,影响立体声重放效果。针对这类应用提出了一种立体声扩展方法,它采用远场和近场头相关传输函数(HRTF)设计听觉传输滤波器并将低频信号滤除。该方法适应了近距离扬声器重放并避免了窄张角扬声器布置带来的信号处理中过分的低频提升问题。该方法不但能改善重放性能,且对计算和存储量要求较低,适合于手持式播放装置的信号处理硬件配置。声像定位实验验证了该方法的效果。     

基于听觉感知特性的双耳音频处理技术*

自20世纪30年代引入立体声以来,人类对逼真的听觉体验一直进行着孜孜不倦的追求。双耳音频处理技术基于人耳听觉感知特性,利用计算机和数字信号处理等技术在听者双耳鼓膜处模拟出与真实场景相同的声压,以期给人以“身临其境”的体验,一直是音频信号处理领域的重要研究内容,特别是近两年随着虚拟现实等应用的蓬勃发展,得到更多关注。该文主要围绕双耳音频处理技术中所涉及的关键环节:双耳录音、双耳合成、耳机重放、扬声器重放、头跟踪等领域,以及相关典型应用场景进行较为系统的介绍,最后给出总结与展望。     

扬声器的特性不匹配对虚拟声像的影响

本文从理论和实验上探讨了扬声器的特性不匹配对重放虚拟声像的影响。结果表明,用两扬声器进行虚拟听觉重放时,在某些频率段和虚拟声像角度,两扬声器间很小的幅频特性差异或相频特性差异都足以对虚拟声像方向产生明显的影响。扬声器特性的差异对前方范围的声像影响较小,但对侧向范围的声像影响较大,因而两扬声器的特性不匹配也是导致虚拟听觉重放时侧向声像位置畸变的重要原因之一。而在实际应用中要特别注意两扬声器的特性匹配,或者要用信号处理的方法对两扬声器的特性进行校正。     

A Comparison on the Localization Performance of Static and Dynamic Binaural Ambisonics Reproduction with Different Order

Ambisonics is a series of spatial sound reproduction system based on spatial harmonics decomposition and each order approximation of sound field. Ambisonics signals are originally intended for loudspeakers reproduction. By using head-related transfer functions (HRTFs) filters, binaural Ambisonics converts the Ambisonics signals for static or dynamic headphone reproduction. In present work, the performances of static and dynamic binaural Ambisonics reproduction are evaluated and compared. The mean binaural pressure errors across target source directions are first analyzed. Then a virtual source localization experiment is conducted, and the localization performances are evaluated by analyzing the percentages of front-back and up-down confusion, the mean angle error and discreteness in the localization results. The results indicate that binaural Ambsonics reproduction with insufficiently high order (for example, 5-10 order) is unable to recreate correct high-frequency magnitude spectra in binaural pressures, resulting in degradation in localization for static reproduction. Because dynamic localization cue is included, dynamic binaural Ambisoncis reproduction yields obviously better localization performance than static reproduction with the same order. Even a 3-order dynamic binaural Ambisoncis reproduction exhibits appropriate localizations performance.     

On the externalization of virtual sound images in headphone reproduction: a Wiener filter approach

In-head localization of sound images is a critical problem in headphone reproduction. The paper investigates the degree of externalization in terms of the distance of auditory images for various synthesis and reproduction cases. An effective binaural headphone system was constructed by way of binaural synthesis using head-related impulse responses and individual headphone equalization using Wiener filter theory. The headphone system designed had an average reproduction performance error of 2.4% for five subjects with a random noise input, and was used to perform some subjective tests with a set of virtual sources equally spaced and distanced from the center of each subject's head in the horizontal plane. The effects of individual and nonindividual binaural syntheses and those of equalized and nonequalized reproductions were separately investigated. In the tests, each subject was instructed to indicate the distance of auditory images. The results obtained demonstrate that individual equalization is important for externalization, and individual synthesis is important for consistent distance perception. Thus, a combined use of both individual equalization and individual synthesis resulted in externalized sound images of a consistent distance.     

Analysis with binaural auditory model and experiment on the timbre of Ambisonics recording and reproduction

A scheme for analyzing the timbre in spatial sound with binaural auditory model is proposed and the Ambisonics is taken as an example for analysis.Ambisonics is a spatial sound system based on physical sound field reconstruction.The errors and timbre colorations in the final reconstructed sound field depend on the spatial aliasing errors on both the recording and reproducing stages of Ambisonics.The binaural loudness level spectra in Ambisonics reconstruction is calculated by using Moore's revised loudness model and then compared with the result of real sound source,so as to evaluate the timbre coloration in Ambisonics quantitatively.The results indicate that,in the case of ideal independent signals,the high-frequency limit and radius of region without perceived timbre coloration increase with the order of Ambisonics.On the other hand,in the case of recording by microphone array,once the high-frequency limit of microphone array exceeds that of sound field reconstruction,array recording influences little on the binaural loudness level spectra and thus timbre in final reconstruction up to the highfrequency limit of reproduction.Based on the binaural auditory model analysis,a scheme for optimizing design of Ambisonics recording and reproduction is also suggested.The subjective experiment yields consistent results with those of binaural model,thus verifies the effectiveness of the model analysis.     

头部尺寸对虚拟声像定位的影响

本利用立体声像的相关理论分析方法，分析了用扬声器重发虚拟声时，倾听的头部尺寸对声像定位的影响。结果表明,当实际倾听的头部尺寸与虚拟声信号处理所用头部模型的尺寸有差别时，前方范围内的声像位置畸变较小，但侧向的声像位置畸变较大，因而本特别指出，倾听头部尺寸的不同是虚拟声重发时侧向的声像位置畸变的重要原因，声像定位实验证实了理论分析。     

一种5.1通路环绕声的动态双耳重放方法

为改善5.1通路环绕声的双耳重放性能,提出一种基于低价头踪迹跟踪模块的动态双耳重放方法。头踪迹跟踪模块通过单片机采集磁传感器、加速度传感器的输出数据,计算出倾听者头部水平方向信息,并将其经USB接口传给计算机进行动态双耳声信号合成。心理声学实验表明,本文提出的方法可以消除虚拟声源前后混乱和头中定位现象,提升5.1通路环绕声双耳重放的虚拟声源定位性能。