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如何使便携产品产生空间音频

Ken Boyce?? 德州仪器公司?? 2012年06月25日 ?? 收藏0
提示:

.扬声器数量及其间距限制了便携立体声系统的声场。

.空间音频试图人工重新制造出真实世界里聆听声音的体验,或者建立一个并不实际存在的感官空间环境。

.使用HRTF(人头相关传输函数)信息,可以对双耳的声音做合成,使之仿佛来自聆听者所处空间中的任一点。

.声学波束形成功能使音波指向某个方向,而不是扬声器的典型辐射模式。

.通过一个扬声器阵列提供空间立体声,需要一种有效的串扰抑制算法。

.很多方法都可以提供空间音频,但对于一台小型便携设备上的任何合理尺寸,它们大部分都不适用。

一个立体声音响系统所产生的声场通常受制于扬声器的物理位置,并且聆听者收到的音响事件受限于两只扬声器的跨度。对于便携式的小型音响系统,用户感受到的立体声声场非常有限,几乎就是单声道。为克服这一限制,可以采用空间音频发声技术,扩展立体声声场,获得更好的串扰抑制,并增强某些空间定位性能。

空间音频

自然状态下,在你周围发出的声音本身就是有空间性的。声源是整个空间中一个小区域中的某个点,不过也有一些声源是发自广阔的区域,如地震和山崩。声音在环境中的各个物体上反射。你听到的是双耳的直射声和反射声,通过人的一些听觉处理后,最终辨识出声音。你可以对处理过的声音作出一些判断,用一些标志确定它们的特性,如方向、位置、响度、背景、品质、远近、音调、丰满还是单薄。如果有两个或更多声源,也可以确定每个声源相对于耳朵接收到的全部声音的混合特性。

空间音频这个词汇表示用电子或机械方式做声音的重现,它试图人工地重新创造出声音的真实世界聆听体验。另外,它还试图用人工改变再现的声音,创造出一种原来可能并不存在的感受空间环境。

空间音频重现的原理很简单:如果到达两个耳鼓的重现声波与某个位置上的真实声源完全相同,则你会感受到重现声仿佛来自该位置的一个音源。这与该声源是否发自其它位置无关。到达耳朵的声音数据经过大脑处理,最终特定出有关声音的各方面特性。

HRTF

耳朵的HRTF(人头相关传输函数)描述了你从空间某个点接收和处理声音的方式。频响HRTF描述了人体汇集声音信号的方式,以及耳廓(或外耳)与耳道在声音到达耳蜗前过滤信号的方式。环形对称的外耳(或耳廓)构成了形状特殊的天线,使经过位置相关和频率相关过滤的声音到达耳鼓,尤其是较高频率的声音。

图1 人头相关传输函数考虑了声波在不同时间进入人耳,并且由于两耳距离差而有不同强度,从而定位空间中的声源。
图1 人头相关传输函数考虑了声波在不同时间进入人耳,并且由于两耳距离差而有不同强度,从而定位空间中的声源。

HRTF是对不同距离和方向所接收声音的左耳和右耳脉冲响应(或人头相关脉冲响应)静态测量值的傅里叶变换。ILD(双耳声级差)和ITD(双耳时间差)都来自每只耳朵所听到的声音(图1)。

每个人的HRTF都有差异,因为有时听力与身体特性有明显差别。但是,多个HRTF测量的数据库采用了一般的分类法,如男性或女性,以及年轻人或老人,通常用于那些需要HRTF的消费音频应用。这种测量可能要花很多时间,因为人们不可能长时间地将自己的头部保持在一个固定位置,因而得到的是不确定数据。于是,有些HRTF数据的创建者仅对仿真头做测量,这种仿真头是按照人类平均人头与人耳而建立的模型,避免了头部运动的误差。

你的耳朵能以三个维度确定声音的方向,前/后、上/下,以及两侧,角分辨率约为3°,另外还可以估计出距离,因为你的大脑、内耳和外耳会使用来自一只耳朵的单音,并与两只耳朵收听到的立体声(或声差)作比较。在自然环境下,个人已经通过多次试错和终身体验,了解了自己声音定位能力的准确度(即他们的HRTF数据),并能有效地补偿自己身体的形态与构成。

通过对现有声音信号采用适当的过滤器,并将声音与HRTF信息想结合,可以合成似乎来自空间中任何点的声音,从而获得专门针对每只耳朵的左、右声道声音。与耳机用户所体验到左、右声道分离类似,每个耳朵都只听到它应该听到的声音。比较来说,通过耳机播放的立体声音频信号似乎被限制在两耳之间的一条线上。这种原立体声和空间音频之间的差异产生了3D声,或虚拟声。

音频串扰

当两只扬声器距离聆听者有一定距离时,建立一个空间声音效果要困难得多,因为耳朵可以听到来自任何声道的声音,从而产生音频串扰。采用破坏波干扰可以抑制掉无用的信号,实现串扰抑制。反波(或抑制波)发送给右耳,抑制掉不想要的左声道音频信号(图2)。同样,左耳也处理不想要的右声道信号。结果是获得了明显的左、右声道增强区,提升了声音在3D空间中的感觉。

图2 串扰抑制采用破坏波干扰法,抑制不需要的信号。
图2 串扰抑制采用破坏波干扰法,抑制不需要的信号。

这种对每个声道内声音的附加处理是有必要的,它可以消除或减少串扰效应,并考虑到聆听者所处位置对声音的可能影响,包括扬声器的角度与距离;不同年龄、性别或种族的耳朵灵敏度与形状;头部与躯干的尺寸与质量;以及所处物理环境,包括是否存在反射或吸收材料。所有这些因素都决定了一名聆听者能否以及如何精确地判断出一个声源位置。因此,用于扬声系统的空间音频创建技术还必须包括声学波束形成。

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