多通路空间声的前方四扬声器局域Ambisonics信号馈给法*

典型的多通路空间声扬声器布置一般包含水平面左前、右前,高仰角左前上、右前上四个方向的扬声器。 本文提出一种利用该四个扬声器产生前方水平与垂直方向虚拟源的一阶局域Ambisonics 信号馈给法。该信号馈给法是通过对目标和重放声场进行球谐函数展开并取一阶近似得到。采用简化的头部模型和精确的头相关传输函数模型分析表明,一阶局域Ambisonics 信号馈给法可以产生合适的低频听觉定位因素,包括双耳时间差及其随头部转动的动态变化。虚拟源定位实验结果表明,该方法可以在扬声器布置的范围内,甚至在略超出扬声器布置的范围内产生不同方位角和仰角的虚拟源。因而本文的方法可用在多通路空间声重放中产生与图像配合的虚拟源定位效果。     

两扬声器虚拟声重放的双耳声压控制与定位性能

在两扬声器虚拟声重放中,通过精确重构双耳声压而产生不同的空间听觉感知。其重放的定位性能应该是由双耳声压控制的代价和稳定性所共同决定的。过去研究主要对双耳声压控制的稳定性进行分析,并以此作为扬声器布置和信号处理的依据。该文研究表明仅对双耳声压的稳定性分析是不足以完全衡量扬声器虚拟声重放的定位性能的。进一步采用虚拟声信号处理滤波器响应平均功率对双耳声压控制的代价进行分析。结果表明,缩窄左右对称扬声器布置的张角或采用非对称扬声器布置会明显增加产生侧向目标虚拟源时的双耳声压控制代价。虚拟源(虚拟声像)定位实验表明,双耳声压控制代价增加会引起虚拟源定位缺陷。实际应用中,为了有效产生侧向虚拟源,应避免采用过窄张角(如立体声偶极)和非对称的扬声器布置。     

前方空间环绕声的四扬声器虚拟重放

考虑头部转动带来的动态因素对听觉垂直定位的贡献,提出了前方空间环绕声的四扬声器虚拟重放方法。4个扬声器分别布置在水平面左前、右前以及高仰角的左前上、右前上方向,并采用听觉传输信号处理的方法将多通路空间环绕声信号转换为4个扬声器的重放信号。以9.1通路空间环绕声虚拟重放为例,采用头相关传输函数对双耳声压及其包含的定位因素进行分析表明,该方法可以产生正确的双耳时间差及其随头部转动的变化,从而产生合适的侧向定位双耳因素和垂直定位的动态因素。而心理声学实验结果表明,该方法可以重放稳定的前方空间的水平和垂直虚拟源。因此,四扬声器布置结合听觉传输处理足以重放前方空间环绕声的垂直定位信息,实现多通路空间环绕声的向下混合与简化。      

5.1通路环绕声的虚拟重放系统

提出了一种改进的5.1通路环绕声虚拟重放系统及其信号处理方法。首先对5.1通路环绕声的虚拟重放声场进行了分析,指出现有的系统存在听音区域窄、声像位置畸变、重放音色改变等缺陷。在此基础上,通过理论分析提出将一对前方重放扬声器布置缩窄到士±15°、音色均衡的信号处理等措施,可较好地克服现有系统的缺陷,且信号处理也相对简单。心理声学实验验证了理论分析,证明系统可重放出整个前半平面(约±90°)的立体声像。因此所提出的系统及其扬声器布置是适合于电视和多媒体计算机的应用。     

人工头制式录声用扬声器重发

人工头制式录声技术的概念是众所周知的。但技术上必须用耳机重放。如果用扬声器重发,由于串扰使立体声效果损坏。串扰是指右耳听右扬声器的声音时也听到左扬声器的声音,反之左耳也如此。数字信号处理技术提供了可以加入人工串扰以抵消自然串扰的前景,从而保存用耳机重放所具有的立体声效果,如图1所示,其中X_l和X_r表示在两耳鼓膜处重发声压的两通路信号,下标l和r分别相应于左、右耳;Y_l和Y_4是输入扬声器的信号;Z_l和Z_r为用扬声器重发时耳膜处声压。H表示由Z到Z的转移函数。因此     

环绕声重放中通路信号相关性与听觉空间印象

通过心理声学实验研究了5.1通路环绕声重放中前方左、右,以及左环绕、右环绕四个扬声器通路信号相关性与听觉空间印象之间的关系。结果表明,对前方左、右扬声器重放或左环绕、右环绕扬声器重放,都可以通过控制通路信号的相关系数在一定程度上改变前方或后方声像的宽度。对不同频率范围的信号,声像宽度与通路信号的相关系数之间的定量关系有所不同。但对一对侧向扬声器重放,基本上不能通过控制通路信号相关系数来改变声像的宽度,并且声像宽度很窄。对于前方和环绕两对扬声器同时重放,对粉红噪声和中心频率不大于1 kHz的倍频程信号,适当控制各扬声器对通路信号的相关系数可以获得较强的包围感;但是对中心频率为2 kHz和4 kHz的倍频程信号则无法获得包围感。进一步的理论计算和实验测量结果表明,重放声像宽度和双耳听觉互相关系数(IACC)并没有唯一对应的关系,这可能和IACC的计算方法有关。对于IACC的计算方法和适用性还需要进一步的实验验证。本文的结果将有助于实际的环绕声节目制作和评价。      

重放自由场虚拟源距离信息的动态双耳Ambisonics方法

双耳重放的目标之一是在耳机重放中产生不同方向和距离的虚拟源感知。本文研究了动态双耳Ambisonics重放自由场虚拟源方向和距离信息的简化信号处理方法。该信号处理方法包括两步:第1步是基于目标声场的球谐函数分解,合成采用扬声器的近场Ambisonics重放中逐级重构目标声场的信号;第2步是采用虚拟扬声器重放的方法,用动态头相关函数滤波处理将Ambisonics的扬声器重放信号转换为双耳重放信号并用耳机重放。进一步研究了动态双耳Ambisonics的阶数对定位效果的影响,为简化信号处理提供依据。对重放产生的双耳声压分析表明,5阶动态双耳Ambisonics重放足以提供听觉方向定位和距离感知的重要信息。同时心理声学的实验结果表明,结合声源距离相关的响度因素,5阶动态双耳Ambisonics重放可产生不同方向和1.0 m以下不同近场距离的自由场虚拟源的听觉感知。本文的方法仅需要固定距离的48个均匀空间方向的远场非个性化HRTF处理,实现了信号处理的简化。      

平板扬声器立体声重放的振动对比度控制方法*

利用激振器阵列通过振动对比度控制方法实现了在平板扬声器上重放立体声的声源局域化控制。首先利用激振器到测量点的导纳函数,最大化辐射区和整个平板振动区域的平均动能比值得到阵列的最优空间滤波器。然后分别计算最大化左右声道辐射区和整个振动区域平均动能比值的最优滤波器。最后将立体声信号分别通过对应辐射区最优滤波器滤波相加后,馈给激振器阵列激励平板在两辐射区辐射对应声道的信号。利用8个激振器控制0.48 m长、0.27 m宽、0.001 m厚铝板,在100 Hz～2000 Hz范围内,振动对比度的均值为12 dB。因此该方法可以获得较好的局域化控制效果,进而可以将左右声道的声源局域在平板扬声器的两侧。     

非中心倾听位置的立体声像分析

对非中心倾听位置的立体声像进行了理论和实验分析。结果表明,非中心倾听位置的声像定位结果和信号的频率有关。当倾听者偏离中心位置超过一定距离Xmax或信号频率超过某一上限fmax时,就有可能出现声像位置超出扬声器布置之外,从而破坏立体声的空间信息的情况。而Xmax和fmax是互成反比关系。缩小左右扬声器之间的张角或增加中置扬声器(如5.1通路系统)可扩大听音区域,提高声像的稳定性。     

5.1通路环绕声的耳机虚拟重放

提出了一种改进的5.1通路环绕声的耳机虚拟重放信号处理方法。在对现有的信号处理方法进行分析,指出它会产生不自然主观听觉效果后,通过理论和心理声学实验证明,采用HRTF信号处理、环绕声信号去相关等方法,在克服普通耳机声重放的“头中定位”的缺点、虚拟出多环绕扬声器效果的同时,并未带来新的不自然听觉效果。因此信号处理方法可增加听觉上的包围感,从而改善耳机重放的主观听觉效果。     

头部尺寸对虚拟声像定位的影响

本利用立体声像的相关理论分析方法，分析了用扬声器重发虚拟声时，倾听的头部尺寸对声像定位的影响。结果表明,当实际倾听的头部尺寸与虚拟声信号处理所用头部模型的尺寸有差别时，前方范围内的声像位置畸变较小，但侧向的声像位置畸变较大，因而本特别指出，倾听头部尺寸的不同是虚拟声重发时侧向的声像位置畸变的重要原因，声像定位实验证实了理论分析。     

Least squares approach in wavenumber domain for sound field recording and reproduction using multiple parallel linear arrays

A novel signal processing method is proposed for sound field recording and reproduction using multiple parallel linear microphone and loudspeaker arrays. In sound field recording and reproduction, the problem is how to calculate the transfer filters that transform the signals recorded by microphones into the driving signals of the loudspeakers. The proposed method is based on the spatial Fourier transform in the horizontal angle combined with the least squares (LS) approach in the elevation angle. In the proposed method, the signals recorded by each linear microphone array and those that drive each loudspeaker array are decomposed into the wavenumber domain by the spatial Fourier transform in the horizontal direction. The transfer filters are then calculated by the LS approach in the wavenumber domain. As a result, the size of the matrix of each transfer function in the wavenumber domain is much smaller than that of the conventional LS approach in the temporal frequency domain (LSTF), and well-conditioned stable transfer filters can be obtained with low computational cost without regularization. Computer simulation results show that the proposed method reconstructed a sound field around the control points as accurately as the conventional LSTF.     

基于 L-曲线参数优化的均匀声场重建算法

为了得到最小二乘法声场重建问题的稳定解,通常需要引入Tikhonov正则化方法。然而正则化程度取决于正则化参数的选择。针对这一问题,提出了一种基于L-曲线法参数选择的均匀声场重建算法。该算法根据重建误差与扬声器功率计算得到L-曲线,该曲线上曲率最大的点所对应的参数值作为Tikhonov正则化参数的选值。确定正则化参数后可进一步得到扬声器权系数以及重建均匀声场。针对不同正则化参数取值方法,对控制区域进行均匀声场重建以及重建性能仿真。仿真结果及实验表明,L-曲线法实现了重建误差与扬声器驱动信号功率之间的平衡。     

扬声器的特性不匹配对虚拟声像的影响

本文从理论和实验上探讨了扬声器的特性不匹配对重放虚拟声像的影响。结果表明,用两扬声器进行虚拟听觉重放时,在某些频率段和虚拟声像角度,两扬声器间很小的幅频特性差异或相频特性差异都足以对虚拟声像方向产生明显的影响。扬声器特性的差异对前方范围的声像影响较小,但对侧向范围的声像影响较大,因而两扬声器的特性不匹配也是导致虚拟听觉重放时侧向声像位置畸变的重要原因之一。而在实际应用中要特别注意两扬声器的特性匹配,或者要用信号处理的方法对两扬声器的特性进行校正。     

Objective and subjective analysis of effects of listening angle on crosstalk cancellation in spatial sound reproduction

A comprehensive study was conducted to explore the effects of listening angle on crosstalk cancellation in spatial sound reproduction using two-channel stereo systems. The intention is to establish a sustainable configuration of crosstalk cancellation system (CCS) that best reconciles the separation performance and the robustness against lateral head movement, not only in theory but also in practice. Although crosstalk can in principle be suppressed using multichannel inverse filters, the CCS does not lend itself very well to practical application owing to the fact that the sweet spot is being so small. Among the parameters of loudspeaker deployment, span angle is a crucial factor that has a profound impact on the separation performance and sweet spot robustness achievable by the CCS. This paper seeks to pinpoint, from a more comprehensive perspective, the optimal listening angle that best reconciles the robustness and performance of the CCS. Two kinds of definitions of sweet spot are employed for assessment of robustness. In addition to the point source model, head related transfer functions (HRTF) are employed as the plant models in the simulation to emulate more practical localization scenarios such as the high-frequency head shadowing effect. Three span angles including 10, 60, and 120 deg are then compared via objective and subjective experiments. The Friedman test is applied to analyze the data of subjective experiments. The results indicate that not only the CCS performance but also the panning effect and head shadowing will dictate the overall performance and robustness. The 120-deg arrangement performs comparably well as the standard 60-deg arrangement, but is much better than the 10-deg arrangement.     

直接辐射式扬声器系统的低频效率计算公式*

效率是扬声器系统的重要性能指标,然而常用的标称效率在低频范围并不适用。本文研究直接辐射式扬声器系统的低频效率,推导了基于TS参数的低频效率计算公式。针对封闭式扬声器系统和倒相式扬声器系统,开展实验验证,结果表明本文提出的计算公式得到的低频效率与实验测量得到的低频效率较为相符。进一步对比分析低频效率和标称效率,结果表明低频效率能够适用于低频,能准确地展示扬声器系统参数对效率的影响。利用本文提出的计算公式,有助于进一步优化提升扬声器系统的低频效率。     

Experiments on the active control of transformer noise

This paper describes an experiment which demonstrates how a useful degree of active noise control can be achieved with ordinary sound amplification and reproduction equipment. A loudspeaker positioned next to a large pair of noisy electricity transformers was made to mimic their noise but in antiphase. The aim of the study was to investigate the degree to which the “antisound” would cancel a disturbing noise heard in a nearby office. Some 20 decibels of control was achieved very easily for the 100 Hz component of the noise but the higher frequency sound could only be controlled in localized patches. The experiment suggests that sounds of discrete frequencies of less than 100 Hz are relatively easily controlled with unsophisticated audio equipment, but that useful control of higher frequency elements is much more difficult.