Page 21 - 《应用声学》2020年第2期
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第 39 卷 第 2 期 魏彤等: 双扬声器近场声源重放实验研究 179
据库较少;1998 年,Duda 等 [11] 使用 Bose Acousti-
0 引言
mass 扬声器声源近似点源完成了近场 HRTF 的测
多通道扬声器声重放技术通过适当设计扬声 量,然而普通扬声器在近场条件下无法满足点源
器布置和信号馈给而在一定的区域内产生期望的 条件;2004 年,Nishino 等 [12] 使用十二面体扬声器
声源近似点源完成了近场 HRTF的测量,但是十二
听觉感知,以满足听音者临场感听音需求。该技术
主要包括基于人耳感知特性的虚拟声场重建和基 面体扬声器近似点源时,在一些频率范围内存在较
于声场合成特性的物理声场重建,目前已广泛应用 低的信噪比的问题;2009 年,中国科学院声学研究
于电影院、音乐厅和会议室等诸多场合,其中有代 所和北京大学合作采用 KRMAR 人工头测量了近
表性的矩阵环绕声技术包括 5.1、7.1、9.1、22.2 通路 场 HRTF 数据库 [13] ,该数据库利用特殊的电火花
系统等。分析表明,目前多通道扬声器声重放技术 作为激励声源,具有较好的全指向性和高信噪比;
主要侧重于声音的方向感、包围感、音色等,对于声 2018 年,华南理工大学发布了不同距离的个性化近
音的距离感仍缺乏研究。 场HRTF数据库 [14] 。
现有少量研究通过数量庞大的扬声器实现对 基于 HRTF 的双耳声重放技术具有实现简单、
近场声源的物理声场重建。Spors 等 [1] 采用频谱相 计算复杂度低等优点。但该双通道信号通过双扬声
除法 (Spectral division method, SDM) 利用直线形 器重放时,双耳处声场存在串音,从而模糊虚拟声像
扬声器阵列重放近场声源,但是该方法无法合成全 的方位信息,干扰聆听者对虚拟声像的判断,降低重
方位角的近场声源。随后,基于基尔霍夫 -亥姆霍 放效果 [15] 。针对这一问题,1961 年,Bauerd [16] 提
兹方程的波场合成 (Wave field synthesis, WFS) 技 出了串声消除系统(Cross-talk cancellation system,
术和基于球谐函数的近场补偿的 HOA(Near-field CCS);1963 年,Schroeder 等 [17] 将串声消除系统实
compensated higher order ambisonics, NFC-HOA) 现并应用到研究之中。双扬声器系统的串声路径可
技术采用圆形扬声器阵列来合成全方位角的近场 看作一个两输入两输出的系统,用2×2 的空间响应
声源。然而,此类方法要求扬声器数量庞大,成本高, 传递矩阵表示。相应的处理串音干扰的串音消除
复杂度高,且要求放音房间的混响时间短,在实际放 器 (Cross-talk canceller, CTC) 是直接测量或者建
音环境下难以达到理想的效果。 模得到的空间响应传递矩阵的逆 [17−18] ,对输入扬
如何利用较少数量的扬声器实现近场声源重 声器之前的信号进行预滤波处理,从而消除系统的
放,可基于人耳感知特性来实现。心理声学研究 串音干扰。对基于串声消除技术的虚拟立体声声场
结果表明,对于较远距离的声源 (距离受试者超过 重放,Ward 等 [19−21] 使用参数加权的方法扩大了
1 m),受试者对距离感知主要依靠单耳因素,包 声场甜点区范围,提高其鲁棒性;Kirkeb 等 [22] 引入
括幅度、直达混响能量比及一些角度因素和谱因 了最小二乘的方法求解 CTC,同时提出了声偶极
素 [2] ;对于较近距离的声源 (距离受试者小于等于 子 (Dipole) 布放方式;Bai 等 [23−25] 针对 CCS 在扬
1 m),受试者的躯干、肩、头等身体结构对波阵面产 声器阵列和手机等实际重放系统中的应用,进行了
生严重的影响,在偏离中垂面的方向,会引起低频 大量实验性的工作。但已有的双扬声器串声消除系
段很高的双耳声级差 (Interaural level differences, 统着重研究远场声源的方向感、环绕感,尚未涉及
ILDs) [3] ,并且为受试者提供了近场声源距离感知 近场声源的重放及距离感研究。
的因素 [4] 。而头相关传递函数(Head related trans- 本文以串声消除原理为理论基础,展开双扬声
fer function, HRTF)能够较完整反映上述的单耳因 器配置下近场声源不同方向、不同距离条件下虚拟
素和双耳因素。基于HRTF的双耳声重放技术可通 声源重放实验研究。研究了多种典型双扬声器配置
过 HRTF 数据库合成双耳信号,在双耳处实现声压 下的近场虚拟声像的方向感知和距离感知效果,包
信号重建 [5−7] 。早期HRTF的测量主要基于远场条 括 Dipole 配置、立体声配置、环绕声配置以及扬声
件下,主要包括 1994 年测量的 MIT 库和 2000 年 器分别位于双耳两侧以考察前后混淆现象。实验
测量的 CIPIC 库 [8−9] 。针对 HRTF 测量复杂和耗 分两部分依次展开:实验一用于测试近场距离下的
时的问题,董秋洁等 [10] 提出了一种利用双扬声器 虚拟声像方向辨别准确性,分析方向辨别准确区域
的 HRTF 动态测量方法,但对 HRTF 的近场测量数 和方向辨别模糊区域;实验二排除方向辨别模糊区