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。     

环绕声重放中通路信号相关性与听觉空间印象

通过心理声学实验研究了5.1通路环绕声重放中前方左、右,以及左环绕、右环绕四个扬声器通路信号相关性与听觉空间印象之间的关系。结果表明,对前方左、右扬声器重放或左环绕、右环绕扬声器重放,都可以通过控制通路信号的相关系数在一定程度上改变前方或后方声像的宽度。对不同频率范围的信号,声像宽度与通路信号的相关系数之间的定量关系有所不同。但对一对侧向扬声器重放,基本上不能通过控制通路信号相关系数来改变声像的宽度,并且声像宽度很窄。对于前方和环绕两对扬声器同时重放,对粉红噪声和中心频率不大于1 kHz的倍频程信号,适当控制各扬声器对通路信号的相关系数可以获得较强的包围感;但是对中心频率为2 kHz和4 kHz的倍频程信号则无法获得包围感。进一步的理论计算和实验测量结果表明,重放声像宽度和双耳听觉互相关系数(IACC)并没有唯一对应的关系,这可能和IACC的计算方法有关。对于IACC的计算方法和适用性还需要进一步的实验验证。本文的结果将有助于实际的环绕声节目制作和评价。      

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。      

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。     

重放自由场虚拟源距离信息的动态双耳Ambisonics方法

双耳重放的目标之一是在耳机重放中产生不同方向和距离的虚拟源感知。本文研究了动态双耳Ambisonics重放自由场虚拟源方向和距离信息的简化信号处理方法。该信号处理方法包括两步:第1步是基于目标声场的球谐函数分解,合成采用扬声器的近场Ambisonics重放中逐级重构目标声场的信号;第2步是采用虚拟扬声器重放的方法,用动态头相关函数滤波处理将Ambisonics的扬声器重放信号转换为双耳重放信号并用耳机重放。进一步研究了动态双耳Ambisonics的阶数对定位效果的影响,为简化信号处理提供依据。对重放产生的双耳声压分析表明,5阶动态双耳Ambisonics重放足以提供听觉方向定位和距离感知的重要信息。同时心理声学的实验结果表明,结合声源距离相关的响度因素,5阶动态双耳Ambisonics重放可产生不同方向和1.0 m以下不同近场距离的自由场虚拟源的听觉感知。本文的方法仅需要固定距离的48个均匀空间方向的远场非个性化HRTF处理,实现了信号处理的简化。      

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。     

5.1通路环绕声的虚拟重放系统

提出了一种改进的5.1通路环绕声虚拟重放系统及其信号处理方法。首先对5.1通路环绕声的虚拟重放声场进行了分析,指出现有的系统存在听音区域窄、声像位置畸变、重放音色改变等缺陷。在此基础上,通过理论分析提出将一对前方重放扬声器布置缩窄到士±15°、音色均衡的信号处理等措施,可较好地克服现有系统的缺陷,且信号处理也相对简单。心理声学实验验证了理论分析,证明系统可重放出整个前半平面(约±90°)的立体声像。因此所提出的系统及其扬声器布置是适合于电视和多媒体计算机的应用。     

对5通路3/2环绕声系统缺陷的分析

本文利用环绕声重发的声像定位理论，对一种受到重视、很可能将被国际上广泛应用的通用环绕声系统—5通路3／2系统的声像特性进行了分析，并对系统进行了声像定位实验．理论和实验结果表明，按目前的信号馈给方式，系统可在倾听者前方产生稳定而明晰的声像；但在侧向和后方只能产生模糊和不稳定的声像（扬声器方向除外）；将别是在侧向，存在着一个声像的死区，并且对侧向和后方声像来说，听音区域片不宽阔，因而作为一种通用的系统，虽然将其用作伴随图像的重发时，可获得较好的效果；但用作不伴随图像的重发时，系统并不能很好地再观原声场的空间感。由于系统存在这种不容忽视的缺陷，文中着重强调应设法在这方面对系统加以改进     

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.     

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。     

改进的5.1通路环绕声三扬声器虚拟重发系统

提出一种改进的5．1通路环绕声的三扬声器虚拟重发系统。本文首先指出,现有的两扬声器虚拟重发存在听音区域窄、声像稳定性差等缺陷。通过理论分析和心理声实验证明,采用一对布置在前方±30°的全频带扬声器和一个前方0°的高频中置扬声器组成5．1通路环绕声虚拟重发系统,不但可提高重发声像的稳定性,且扬声器布置实际可行,信号处理相对简单。因此所提出的虚拟系统及其扬声器布置是适合于电视和多媒体计算机的应用。     

Equalization filter design for downfiring flat television speakers

Many loudspeakers in newer flat television systems are mounted on the bottom of the television, with their diaphragms facing downward, so as to be hidden inside the TV frame. This kind of loudspeaker installation, called downfiring, induces relatively large reflections from the walls of a room. The increased reflections inevitably change the impulse response of the loudspeakers, which leads to a perceptible distortion in sound quality. In this study, an equalization procedure to resolve the distortion due to downfiring loudspeakers is presented. The change in the early-arriving sound from the room reflections was analyzed, and the specific experimental environment was set up to measure the early reflections for designing a single-channel equalization filter. The inverse technique for the single-input multiple-output (SIMO) system was applied such that both the magnitude and phase responses from downfiring loudspeakers can be equalized at multiple listener positions. We also investigated the possible equalization range in space and time, for which the single-channel filter can work effectively. The performance of the filter designed for the equalization range was then demonstrated by experiments. The experiments were performed using a flat television mock-up installed in a reflective environment. For the performance evaluation of the proposed method, we employed two different measures that can represent the magnitude and phase distortions: the mean squared error of the magnitude and an energy decay curve. The experimental results demonstrate that the single-channel filter can reduce the early reflections from a downfiring loudspeaker by a considerable amount.     

Acoustical performance of an electrostrictive polymer film loudspeaker

A new type of loudspeaker that generates sound by means of the electrostrictive response of a thin polymer film is described. Electrostrictive polymer film (EPF) loudspeakers are constructed with inexpensive, lightweight materials and have a very low profile. The films are typically silicone and are coated with compliant electrodes to allow large film deformations. Acoustical frequency response measurements from 5 x 5 cm (planar dimensions) prototype EPF loudspeakers are presented. Measurements of harmonic distortion are also shown, along with results demonstrating reduced harmonic distortion achieved with square-root wave shaping. Applications of EPF loudspeakers include active noise control and general-purpose flat-panel loudspeakers.     

紧凑型双单元声系统的波束形成研究

紧凑型扬声器系统的空间感增强是目前便携式移动电声设备面临的一个重要难题。该文基于拓宽视在声源宽度以增强空间感的理念,进行了紧凑型扬声器系统的波束形成研究。该文基于圆柱形刚性障板的声学特性,利用两只扬声器单元设计了紧凑型双单元声系统,分别利用基于相位对齐的最小均方误差算法实现左/右声道的波束形成和利用最小均方误差算法并设计半空间指向性的目标实现虚拟中央声道的波束形成。通过分析波束宽度和扬声器单元的工作状态验证了波束形成效果符合目标设计。考虑到实际使用情况,一方面,该文利用边界元方法仿真分析了有限长障板对扬声器单元指向性以及波束形成的影响,仿真结果表明有限长障板会使得单元整体的指向性变宽,该结果更有利于声系统实现目标;另一方面,该文基于有限元仿真的条件实际设计了双单元声系统,通过实验测量进一步验证了算法的性能。     

Directional perception of distributed sound sources

The perception of spatially distributed sound sources was investigated by conducting two listening experiments in anechoic conditions with 13 loudspeakers evenly distributed in the frontal horizontal plane emitting incoherent noise signals. In the first experiment, widely distributed sound sources with gaps in their distribution emitted pink noise. The results indicated that the exact loudspeaker distribution could not be perceived accurately and that the width of the distribution was perceived to be narrower than it was in reality. Up to three spatially distributed loudspeakers that were simultaneously emitting sound could be individually perceived. In addition, the number of loudspeakers that were indicated as emitting sound was smaller than the actual number. In the second experiment, a reference with 13 loudspeakers and test cases with fewer loudspeakers were presented and their perceived spatial difference was rated. The effect of the noise bandwidth was of particular interest. Noise with different bandwidths centered around 500 and 4000 Hz was used. The results indicated that when the number of loudspeakers was increased from four to seven, the perceived auditory event was very similar to that perceived with 13 loudspeakers at all bandwidths. The perceived differences were larger in wideband noise than in narrow-band noise.