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“聲”臨其境的奧秘 | 空間音頻簡介

2021年03月10日

摘要：

近幾年來，空間音頻技術(shù)的應(yīng)用越來越廣。無論是今年春晚的“三維聲”技術(shù)，還是AirPods Max上面的“空間音頻”功能，或者是各個(gè)音樂APP上提供的虛擬空間算法都是空間音頻技術(shù)的應(yīng)用。關(guān)于這些功能的實(shí)現(xiàn)，我們需要知道的知識有：

1.人類如何感知聲音

2.如何處理聲音以騙過耳朵，使人似聲臨其境。?

1、有關(guān)人類分辨聲音方位

有關(guān)人類分辨聲音方位?

人耳對于單聲源的定位主要依賴于兩個(gè)重要參數(shù)，雙耳時(shí)間差(ITD)及雙耳強(qiáng)度差(ILD)。人耳接收單聲源聲音的示意圖如下：

根據(jù)上圖，由上示意圖易得雙耳時(shí)間差的表達(dá)式為：

圖片.png

其中c是聲速，r為頭的半徑。人耳通過這個(gè)時(shí)間差來計(jì)算聲波的相位差來定位聲源的方向。根據(jù)ITD的表達(dá)式可計(jì)算相位差為：

又由于當(dāng)相位差接近和大于π的時(shí)候，基于雙耳相位差判斷方向的方法開始出現(xiàn)不確定性，帶入φ=π，有ITD判斷的頻率上限為：

可見ITD更加適合判斷低頻聲音，而且ITD與每個(gè)人的身體特性，如頭的寬度等，也有關(guān)系。

之后討論雙耳強(qiáng)度差，雙耳強(qiáng)度差除了受到與聲源的距離影響之外，還受到頭部掩蔽現(xiàn)象的影響。

由聲學(xué)知識，我們可以認(rèn)為當(dāng)物體的尺寸為聲波波長的1/3左右時(shí)才開始發(fā)生散射。這樣的話，可以得到基于ILD的聲源定位的頻率下限：
圖片.png

其中d是頭部寬度，c是聲速。而且由于高頻的指向性更強(qiáng)，所以雙耳強(qiáng)度差(ILD)更適合高頻聲音的定位。

結(jié)合這上面的分析以及一些心理聲學(xué)的效應(yīng)，我們可以知道人類的聽覺系統(tǒng)如何對ITD與ILD進(jìn)行綜合的權(quán)衡以判斷方位，如下圖所示：

出自：David M. Howard / Jamie Angus. Acoustics and Psychoacoustics

2、有關(guān)人類判斷聲源距離

比起對方位的判斷，人類對于距離的判斷能力更差，且影響判斷的因素更復(fù)雜。主要影響因素有主觀響度感覺、高頻的衰減、頭部對聲音的影響、反射聲等。以下分別做簡單的解釋。

主觀響度感覺理解起來比較直觀。由于功率恒定的點(diǎn)聲源產(chǎn)生的聲壓與距離成反比，所以響度和距離存在一定對應(yīng)關(guān)系。但是值得注意的是，只有在自由場情況下，這個(gè)反比關(guān)系才能做到完全符合；其次這個(gè)判據(jù)還與聲源自身特性和聽者聽音經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，所以不能單獨(dú)作為判斷依據(jù)。

空氣對于高頻的衰減作用在聲源和接收者距離較大的時(shí)候才得以體現(xiàn)；頭部對于聲波的散射作用帶來的距離判斷則對應(yīng)于聲源和接收者較近的情況。

反射聲對于人對聲音的感知有很多影響。首先當(dāng)反射聲和直達(dá)聲不滿足優(yōu)先效應(yīng)的時(shí)候，房間反射聲會對聲音的定位產(chǎn)生干擾；其次室內(nèi)反射聲對于人耳對距離的判斷有著較大的影響，可以參考公式直達(dá)混相聲能密度的比值：

其中Ds是聲源的指向性因素；r是聲源到接收點(diǎn)的距離；s為總的吸聲面積；α為平均吸聲系數(shù)。

從式子中可以看出在理想條件下直達(dá)混響的聲能比是和距離成反比的，這也可以作為一個(gè)距離的判據(jù)。此外室內(nèi)反射聲也是“空間感”(Spatial Impression)的重要來源，室內(nèi)反射聲可以反應(yīng)出房間的尺度和性質(zhì)等等，是影響主觀聽感的一個(gè)重要因素。

3、頭部運(yùn)動(dòng)和頭中效應(yīng)

根據(jù)上一節(jié)的分析我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們完全正對和背對聲源的時(shí)候，僅憑ITD和ILD兩個(gè)參數(shù)是無法區(qū)分這兩種情況的，這時(shí)候就需要頭部的運(yùn)動(dòng)來區(qū)分。形象理解可看圖示：

在我們聆聽耳機(jī)的時(shí)候，往往會覺得聲源在人頭內(nèi)部，這就是頭中效應(yīng)。很多研究認(rèn)為這是由于聲重放在雙耳產(chǎn)生錯(cuò)誤的空間信息而引起的。聽覺系統(tǒng)判斷方位其實(shí)就是利用以前聽音的經(jīng)驗(yàn)和接收到的聲音信號進(jìn)行對比，而當(dāng)聲重放無法提供正確的信息的時(shí)候，聽覺系統(tǒng)就會產(chǎn)生一種聲音在頭中的錯(cuò)覺。頭中效應(yīng)可以通過HRTF對原始信號進(jìn)行處理解決，也可以使用添加虛擬的反射聲進(jìn)行處理。但是后者有時(shí)候會造成方向定位錯(cuò)誤的問題。

4、有關(guān)信號處理

在現(xiàn)實(shí)的聽覺環(huán)境中，聲源發(fā)出的聲波經(jīng)過直達(dá)和環(huán)境反射的兩個(gè)途徑到達(dá)傾聽者，并且經(jīng)過頭、耳等等生理結(jié)構(gòu)的作用后到達(dá)雙耳。此外傾聽者的運(yùn)動(dòng)，對于耳機(jī)而言主要是頭部運(yùn)動(dòng)，對于音頻效果也十分重要。而虛擬聽覺信號處理即模擬不同物理?xiàng)l件下聲源到雙耳的傳輸過程。由此可知，如果想要把普通的音頻信號處理為可以“欺騙”人類耳朵的信號，就要處理上面提到的這幾個(gè)環(huán)節(jié)。處理的流圖如下：

這里對流程圖中的雙耳聲信號和頭部追蹤進(jìn)行介紹。

如果我們有環(huán)繞聲訊源，想通過耳機(jī)播放，就可以通過虛擬聲像的方法使用耳機(jī)獲得環(huán)繞聲的效果，原理示意圖如下：

可以看出該方法的處理過程為：將原先的聲源信號通過對應(yīng)的傳輸函數(shù)進(jìn)行處理之后疊加，之后計(jì)算出雙耳處的等效聲壓，以達(dá)到“以假亂真”的目的，左邊揚(yáng)聲器聲壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：圖片.png

需要注意的是，上文說到的方法需要訊源信號即為多通道錄制的聲音，這樣才能保證信號有完整的環(huán)繞聲信息，是“真環(huán)繞聲”。而目前一些“虛擬環(huán)繞聲”算法做的只是將立體聲信號經(jīng)過各種處理給人一種“環(huán)繞聲”的感覺。這種討好耳朵的做法是不可以改善聲像的重放定位的，但是可以給聽者一種主觀上更好的空間感與包圍感。這種“虛擬環(huán)繞聲”技術(shù)主要基于HRTF和虛擬反射聲來實(shí)現(xiàn)。

頭部跟蹤則是重放的另一個(gè)重點(diǎn)，而且由于新發(fā)布的AirPods Max搭載了這個(gè)功能，所以也是最近的熱點(diǎn)。在虛擬聽覺環(huán)境中采用頭部追蹤和動(dòng)態(tài)信號處理可以改善改善聲響定位和增加主觀真實(shí)感。這兩點(diǎn)在筆者試聽AirPods Max的時(shí)候得到印證，尤其是增加主觀真實(shí)感。

使用AirPods Max的試聽流行歌曲時(shí)候可以明顯感受到：在頭部運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，主唱的絕對位置是固定不變的。在這一點(diǎn)上，根據(jù)頭部運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)計(jì)算音頻信號的耳機(jī)可以給聽者一種更接近音箱的聽感。

完整的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)模型有三個(gè)自由度，包括左右、前后和上下（可以形象化理解為搖頭、伸頭、點(diǎn)頭）。根據(jù)三維模型，可以建立三維坐標(biāo)系A(chǔ)(r,θ,φ)，頭部傳感器可以實(shí)時(shí)獲取坐標(biāo)系的三個(gè)參數(shù)，同時(shí)HRTF也是(r,θ,φ)的連續(xù)函數(shù)，這樣的話就將頭部運(yùn)動(dòng)和HRTF參數(shù)對應(yīng)起來了。另外，在考慮環(huán)境反射聲的情況下，聽者的運(yùn)動(dòng)不僅改變了聲源和傾聽者之間的幾何關(guān)系，還改變了反射界面和傾聽者之間的幾何關(guān)系，所以我們需要將HRTF變?yōu)锽RIR進(jìn)行處理。

（本文轉(zhuǎn)自《21DB 聲學(xué)人》微信公眾號，如有侵權(quán)，請聯(lián)系小編?。?/span>

參考文獻(xiàn)：

1.謝菠蓀. 頭相關(guān)傳輸函數(shù)與虛擬聽覺

2.Brian C.J. Moore. An Introduction to the Psychology of Hearing

3.David M. Howard / Jamie Angus. Acoustics and Psychoacoustics