Page 6 - 《应用声学》2023年第1期
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有关不同扬声器布置双耳声压控制代价及其对重
0 引言
放虚拟源定位影响的报道。
虚拟声或虚拟听觉重放是一种空间声重放技 另外，过去许多工作主要针对扬声器相对倾听
者对称布置的情况。但在一些实际应用中，扬声器
术 [1] 。基于头相关传输函数 (Head related transfer
相对倾听者是左右非对称布置的 [14] 。这种非对称
function, HRTF)信号处理，虚拟声期望在耳机或扬
的布置可能会影响最终的重放效果。虽然过去也有
声器重放中重构目标声源产生的双耳声压，从而产
工作研究了对称扬声器布置重放时，倾听偏离中心
生期望的听觉感知。其中，与传统的多通路声比较，
倾听位置微小距离而引起的听声区域大小问题 [15] ；
采用扬声器的虚拟声重放的硬件结构相对简单，采
但专门涉及非对称扬声布置的虚拟声重放详细分
用一对前方的扬声器即有可能在中心倾听位置产
析较少，特别未见有针对非对称扬声器布置所产生
生前半水平面的虚拟源与听觉事件 [2] 。因而扬声器
的双耳声压控制与虚拟源定位缺陷问题的研究，相
虚拟声重放广泛地应用于不适宜布置多个扬声器
应的虚拟源定位实验的工作也较少。
的重放场合，如电视机、计算机及汽车内声重放，特
本文以两扬声器虚拟声重放为例，探讨了不同
别是用于将多通路环绕声信号转换为两扬声器或
张角对称扬声器布置和非对称扬声器布置的声压
少量扬声器重放 [3−4] 。
控制的代价和稳定性问题，并通过主观心理声学实
在物理上，采用扬声器的虚拟声重放等价于用
验研究其与虚拟源定位缺陷之间的关系。
若干扬声器 (最少两个) 对双耳声压进行控制，使其
尽可能接近目标声压 [5−6] 。因而最终重放性能应该 1 两扬声器虚拟声重放的原理
是由双耳声压控制的代价和稳定性所共同决定的。
代价是指扬声器是否能准确且高效地控制双耳声 由于前半水平面扬声器布置的虚拟声重放只
压，而稳定性是指双耳声压的控制对物理条件 (如 能产生前半水平面的虚拟源 [2] ，本文约定采用相对
倾听位置)小的改变是否稳定。 于倾听者头中心的水平面极坐标系统。倾听者的
过去对扬声器虚拟声重放稳定性已有许多研 头中心位于坐标系统的原点，水平面任一点的位置
究工作，并以此作为重放设计和评价的重要手段。 用坐标 (r, θ) 表示。其中，r 为水平点到原点的距离；
分析稳定性的常用方法是计算扬声器到双耳声学 −180 < θ 6 180 为水平方位角，θ = −90 、θ = 0 ◦
◦
◦
◦
传输矩阵的条件数 [7−8] 。普遍结果表明，稳定性和 和θ = 90 分别表示正左、正前和正右方。
◦
实际的扬声器布置、频率有关。过去的工作对不同 这里采用双耳声压控制的方法导出两扬声器
扬声器布置的虚拟声重放稳定性进行了分析，提 虚拟重放的信号 [5−6] 。如果目标声源和扬声器都位
出了各种改善稳定性的信号处理和扬声器布置方 于r > 1.0 m的远场距离，则它们到双耳的HRTF近
法，并取得一定的成效。Kirkeby 等 [9] 提出在信号 似和距离无关。事实上，当目标声源和扬声器到倾
处理中引入与频率有关的正则化系数来改善稳定 听者的距离大于 0.5 m 时，它们到双耳的 HRTF 随
性。Kirkeby 等 [10] 还提出采用张角为 10 的一对扬 距离变化已比较慢 [16] ，因而可以略去表示距离的变
◦
声器 (立体声偶极) 重放而改善中频稳定性的方法。 量r。如图 1 所示，两扬声器分别布置在倾听者前方
而 Takeuchi 等 [11] 提出采用 3 对不同张角的扬声器 θ 1 与 θ 2 的方位角。假定目标虚拟源和重放扬声器
进行分频段重放 (最佳源分布) 而改善重放稳定性 都位于远场距离，两扬声器到双耳的 4 个声学传输
的方法。另外，也有采用功率均衡抵消零极点而改 函数分别为 H L1 = H L1 (θ 1 , f)、H R1 = H R1 (θ 1 , f)、
善稳定性和音色的方法 [2,3,12] 。 H L2 = H L2 (θ 2 , f) 和 H R2 = H R2 (θ 2 , f)，其中 f 是
另一方面，双耳声压控制代价确定了扬声器虚 频率。再假定扬声器 1、扬声器 2 的信号分别为
拟声重放能否产生期望的听觉事件。但过去对这方 E 1 = E 1 (f)和E 2 = E 2 (f)，则两扬声器产生的双耳
面的研究工作较少。最近有工作对扬声器到双耳的 声压可用以下的矩阵公式表示：
声学传输矩阵的独立模态进行分析，并分析了双耳 P ′ H L1 H L2 E 1
L = . (1)
声压模态的控制效率 [13] ，但并未将分析结果和实际 P R ′ H R1 H R2 E 2
的虚拟源 (虚拟声像)定位效果相联系。目前也未见
