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
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