空间声重放技术

空间声重放技术

空间声技术综合了物理声学，听觉生理和心理，电子技术，信号处理，音乐艺术等跨学科领域。声场的物理和听觉分析是空间声的科学基础。信号处理，电子技术，电声设备是实现空间声的技术手段。

空间声分拾音技术和重放技术。下面主要讨论的是空间声重放技术。

空间声重放技术有三种常用的基本原理和思路：

1. 物理声场的精确重构

2. 心理声学和物理声场的近似重放

3. 双耳声信号的精确重放

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物理声场的精确重构

 

从纯物理声场的方面，声场由在空间和时间上分布的p(x,y,z,t)决定。 在两个相同的物理声场中，空间听觉感知应该是完全相同的。

 

所以，如果能在一定空间区域内实现物理声场的精确重构，即想办法产生一个与目标声场一致或者接近的物理声压分布，则可以听到期望的声音空间信息。    
 

 

 

 

常用的方式是波场合成。这种方式形成的空间听觉真实自然，区域较宽，效果 不随听音位置变化。但系统非常复杂，需要很多个信号通路和扬声器系统。

心理声学和物理声场的近似重放

这种方式重放的物理声场和目标的声场并不相同，只是一种粗略的近似。但同时利用特定的心理声学原理，在一定程度上可以得到与目标声场类似的空间听觉感受。即利用心理声学原理“欺骗”人的听觉系统。

常用的立体声，以及多通路5.1/7.1环绕声等都是基于这个原理。在少量扬声器的情况下，利用声源合成定位原理，可以形成不同方向的虚拟声源。利用一定的空间声算法，也可以产生类似室内发射声导致的声源扩展，以及被声音包围的感觉。

但是这种方式，感知的效果随听音位置变化。这也是为啥会有所谓的“皇帝位”。

其优势是系统相对比较简单，所以在实际产品中被广泛应用。

一般把

• 重放前方一定角度范围声音的叫立体声系统

下图是1kHz声场中声压的分布图

其虚拟声源的左右移动（声像偏转）主要通过调整：

• 两个通路信号幅度比值

• 两个通路相位差
  

• 重放水平面空间声音信息的叫平面环绕声系统

  
  

  

• 重放三维空间声音信息的叫三维空间环绕声系统
  

双耳声信号的精确重放

在声场中，最终声音信号都是转换为双耳的声信号而被感知到的。所以直接在双耳处精确重放声信号，也可以重现声音的空间信息。

记录和重放双耳信号只需要两个独立的信号通路，系统比较简单，而且基本不受听音环境的影响。处理得到的话可以得到比较真实自然的空间听觉感受。常用的方式是直接用仿真人头对声源进行录音。当然也可以根据HRTF进行转换。

感兴趣的朋友可以用耳机在一个相对安静的环境听下下面这段音频。如果闭上眼听会更好。应该可以听到声源在不同方向不同距离运动。

但用耳机进行双耳重放声信号也存在一定的缺陷。

• 每个人的人头部尺寸，外耳结构，心理都是有个体差异的。

• 虚拟声源的镜像方向错误，前后混乱，仰角畸变等。

• 头中定位，虽然不会像耳机直接重放常规立体声信号那样，感觉声源完全出现在头内，但也会经常出现在头部表面，而不是外面，造成不自然的听觉感受。

• 用耳机听音缺乏之前谈过的一些人常用的定位因素，比如双耳时间差，双耳声级差。

• 也缺乏耳廓带来的频谱因素，以及人头转动带来的声源定位感。而这一点正是Airpods pro准备加入的空间音频想要解决的问题。根据人头部转动，动态实时计算，使得虚拟声源位置不变。  当然这个计算量是相当大的，耳机芯片的性能和功耗都不够，需要借助手机芯片。但也存在延时的问题，需要对计算模型进行一定的简化和近似。