空间声的研究与应用——历史、发展与现状

空间声的目的是通过电声的手段重放声音空间信息,给聆听者再现特定的空间听觉感知。它在文化生活、通信、多媒体和虚拟现实等方面以及航空、航天等领域都有重要的应用。国内对空间声的研究起步于1958年,五十多年来进行了大量的基础研究工作,是和国际上的发展前沿相接轨的。本文在回顾空间声的基本原理与分类、国际上空间声发展历史的基础上,侧重评述了国内空间声研究和应用的历史、发展与现状,并展望了今后的发展前景。     

稳态和动态虚拟听觉重放对近场距离感知的影响*

虚拟听觉重放是研究距离感知的一种重要工具,它可分为传统的稳态虚拟听觉重放和动态虚拟听觉重放。然而,稳态虚拟听觉重放经常会产生头中定位而影响距离感知的判断,从而影响最终的实验结果。过去的实验大多采用稳态虚拟听觉重放,因此其结论也存在较大的争议性结论。本文对比研究稳态和动态的虚拟听觉重放对绝对距离感知效果的影响。实验采用非个性化HRTF进行双耳合成,将分布在水平面0.20 m至1.00 m的七个距离、0°至180°的七个方位角下的信号通过耳机进行虚拟重放。心理声学实验结果表明,在稳态虚拟听觉重放条件下,受试者不同程度地报告了存在头中定位。而动态虚拟听觉重放系统能够利用动态因素,从而产生头外化的听觉感知。统计分析表明动态虚拟听觉重放下的距离感知效果与稳态重放存在明显的差异。由于动态虚拟重放更接近真实声源的感知效果,应选用这种方法作为实验工具。同时,在实际的空间声应用中,也应该采用动态虚拟听觉重放产生不同的距离感知。     

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.     

听觉障碍患者的空间听觉*

空间听觉是对声音空间属性或特性的主观感觉,包括对声源的定位、对环境反射声的主观感觉等。复杂声学环境下的语言获取也和空间听觉密切相关。听觉障碍通常会包括空间听觉能力的下降甚至缺失,影响语言的获取能力。人工听觉是治疗听觉障碍的手段,理想情况下应能恢复或改善患者的空间听觉能力。该文综述了听觉障碍患者的空间听觉及其人工恢复方面的研究、进展及存在的问题。     

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。      

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。     

听觉感知中的噪声特性语义描述及其分析

基于听觉感知的噪声语义描述是噪声声品质研究的基础性问题,已有研究未将语义描述与噪声来源、频谱特性以及产品运行状态等物理信息联系起来。该文分别针对飞机舱内噪声、车辆噪声和空气净化器噪声这3组典型噪声开展了主观评价实验,并通过多维尺度分析和主成分分析描述了3组噪声的语义空间,系统分析了不同类型噪声的描述词,同时解释了描述词与噪声物理属性之间的联系。研究发现：飞机舱内噪声、车辆噪声以及空气净化器噪声可以由4维、4维和3维语义空间进行描述;不同类型噪声在语义描述中具有共性与个性,3组噪声语义的主要维度均与嘈杂感相关,而噪声的个性描述词与其声源的物理属性密切相关;进行声品质建模及应用时,应同时考虑噪声共性和个性描述词对听觉感知的影响,采取有针对性的措施以提升产品声品质。该文从听觉感知的角度进行了噪声特性的语义描述和分析,研究结果可为产品声品质以及噪声控制研究提供帮助。     

个性化头相关传输函数的近似获取——现状和问题

虚拟听觉重放采用头相关传输函数(HRTF)合成双耳声信号,并用耳机重放,以产生所需的空间听觉事件。理想的虚拟听觉重放需要个性化HRTF。个性化HRTF可通过实验测量或数值计算相对地准确获得。然而,测量每个潜在使用者的高空间分辨率HRTF是困难的,而数值计算HRTF的频段往往受限于计算机性能。近年发展了多种HRTF的近似获取方法,并成为热门研究课题,但效果有待验证和提高。本文评述了个性化HRTF近似的研究进展,指出了存在的问题和今后的方向。     

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。      

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。     

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。      

冲击阻尼板的尺寸辨识与声线索提取

针对冲击板的物理属性辨识问题,研究了尺寸辨识的恒定声线索提取及其在听觉感知中所起的作用。设计并完成了三组主观评价实验,实验1分析了录音和合成声作为声刺激对尺寸辨识的影响。实验2和实验3分别针对铝板和木板的冲击声,通过不相似主观评价实验获得尺寸辨识的感知空间和对应力学空间维度,计算了不同声特征的信息精确度。最后,对比实验2和实验3的结果给出了尺寸辨识的恒定声线索,根据声线索与感知结果的相关性分析了听者的尺寸感知策略。结果表明,听者利用录音和合成声均获得了较好的尺寸辨识结果,且听者趋向于利用与尺寸有关的恒定声线索来完成感知任务,而忽略那些容易受其他声源属性影响的声信息。      

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。     

《人工听觉——新视野》

正听觉让我们可以进行言语交流、音乐欣赏、感受环境等声音感知活动。在正常的听觉通路中,声音的机械振动主要通过耳廓、耳道、鼓膜和听骨链的传导进入耳蜗,振动信号在耳蜗中被转换为神经电信号,电信号被听觉神经系统逐渐上传至中枢,经处理形成听觉。当听觉通路受到破坏时,听觉功能就会产生损伤。大多数听力受损者的听觉通路是在机械振动传导环节出了问题,他们可以通过佩戴助听器来获得声学放大,进而得到听力补偿。然而,对于很多重度以上感     

中西方典型乐器音高响度与音色明亮度的研究

为了客观地评价民族乐器与西洋乐器在听觉感知方面的差异,本文利用15种典型的中西方乐器声样本,建立了与音色、响度和音色明亮度有关的15种乐器的感知空间模型,通过这些模型可以预测不同乐器在音高、响度一定时,音色明亮度的感知情况。此外,根据已建立的感知空间模型分别对比弹拨乐器、拉弦乐器和不同类型的吹奏乐器中三种听觉感知属性的变化差异。结果表明,对于中西方典型乐器,音色明亮度随响度的增加而增大,但是响度对音色明亮度的影响程度受到音域和响度范围的影响。民族乐器的音色明亮度随音高的增加而增大,但是西洋乐器的音色明亮度并没有随音高的增加而发生明显的变化。     

水下噪声音色属性回归模型及其在目标识别中的应用

通过对声音的主观评价与客观分析而建立的主观感受数学模型,在许多领域都有重要的应用. 本文采用多元线性回归分析手段对水下噪声音色属性建立回归模型,提取音色特征并改善水下目标的识别效果. 首先,在前期水下噪声音色属性主观评价实验的基础上,将构成音色属性空间的5个成分的评价分值作为回归分析中的因变量,提取大量与听觉感知相关的听觉特征作为自变量;然后,通过相关分析和改进的逐步筛选法,挑选出反映音色属性的“最优”自变量子集;最后,利用向后剔除回归分析和水下目标识别实验,确定适当的音色模型,并通过假设检验证明该线性模型不仅正确有效,而且能改善水下目标识别效果.     

节律性时间期待和空间期待对听觉目标辨别的影响

合理的推断和预期是加快辨别听觉目标的关键。通过听觉目标辨别的反应时任务,研究了听感知过程中节律性时间期待和空间期待对声音目标辨别的影响。实验中,听觉序列中各声音以规律或不规律的时间节奏、沿有序或随机的空间方位呈现,形成四种期待条件:时间和空间期待兼备、只有时间期待、只有空间期待和没有期待。被试对声音序列末尾随机呈现的听觉目标尽快做按键反应。结果发现:（1）节律性时间期待显著加快被试对目标声音的反应速度;（2）空间期待对目标辨别速度的促进作用仅在时间非规律条件下发生。可见,在辨别听觉目标时,听者优先使用时间期待,并在无有效时间预测信息时使用空间期待,以促成对声音目标的最优知觉加工。      

现代嗓声科学系列讲座之三(上)——有关的心理声学

在前面我们曾说过,嗓音链的另一端为嗓声的接受与感知,即嗓声的听觉方面。在这一个专题中,我们要介绍关于听觉的三个方面。一、一些与嗓声有关的心理量和物理量的关系;二、一些重要听觉理论;三、介绍(主要是近些年来的)一些嗓声感知实验的研究结果。因为国内对于言语声的感知研究已有较多介绍,而声乐声的感知研究的文献却罕见;又因为本嗓声讲座主要对象是艺术噪声的教育、医学和工程界,我们将以介绍声乐声的感知为主。关于听觉系统的解剖生理,即人耳对声接受的通道方面这里从略。     

骨导超声听觉感知进展与研究*

骨导超声听觉感知是超声振动通过头骨传导产生听觉感知的一种特殊现象。本文首先介绍了骨导超声听觉感知研究领域的国内外发展现状,在此基础上设计了一套骨导超声听觉感知测试系统,并完成了系统的软、硬件平台实现。利用该系统,分别对听力正常和听力障碍被试者进行了主观测试,围绕单频超声感知效果及单频可听声、汉语语音由超声载波调制后的感知效果开展研究,比较了多种不同调制方式下的主观感知效果,并分析了空气传导声对实验结果的影响。