声音与听觉系列知识 Part 7 — 声场重构1

1、前言

声音的录制可以用入耳式微缩麦克风或者人工头来完成，后者更常见。

声音回放一般用耳机完成，因为这种方法可以保证录制的声音信号与耳朵完全对应。当然也可以用扬声器来回放声音，只是需要消除不必要的串扰，因为每一个扬声器放出来的声音会同时被两只耳朵接收到。

Binaural技术最大的问题是前方定位。在正前方的声源往往会被感知为在后方，或比原始声源位置更靠近听音者，有时声源位置复现在脑袋里面。有人认为出现这种问题是因为人耳和耳廓具有个体差异性。另外一种解释是：人可以通过细微的头部动作来判断声源位置是不是在正前方。向右转头，会使声源先到达左耳后到达右耳；向左转头会导致相反的结果。但是如果用耳机来回放声音，人转动头的同时，附着在头上的耳机也会同步转动，所以人无法通过耳机播放Binaural 3D声源来辨别声源位于正前方还是正后方。

2、声源方向判断因素

音乐会

相比在家用高保真设备，人们更愿意去现场听音乐会，不仅是因为现场的气氛更好，还因为现场音乐会可以给人带来真实的三维听觉体验。在现场不仅可以听到每一种乐器发出的直达声，还可以听到因天花板、墙面产生的反射声。这些声音传入人耳，勾画出一幅包含乐队、音乐厅及其声学特性的“图画”。如果音乐厅的声学处理得当，它对音乐体验的作用是积极的。要创造这幅“图画”，需要借助人耳系统判断声源方位和距离的能力。

音乐会现场，每一种乐器都是一个独立的声源，人耳听到的每一种乐器的声音都是由直达声和反射声共同组成的，这两种声音的共同作用，让人产生空间体验感。

判断声源方位的因素

人耳听觉系统通过以下信息来判断声源的方位：

• 谱因素

• 双耳间时间差

• 双耳间相位差

• 双耳间量级差

每一种信息对判断声音的方位和距离有不同的作用：

• 在频率小于1.5kHz的情况下，双耳间相位差是方向定位的主要因素；

• 在频率介于1.5kHz~4kHz之间时，双耳间时间差是方向定位的主要因素；

• 在频率大于4kHz~5kHz时，双耳间量级差是方向定位的主要因素；

• 在不存在双耳差时(例如中垂面内的声源)，耳廓等对声波的散射和反射引起的谱的变化，对方向定位起重要作用。

3、声源���离判断因素

判断声源距离示意图

虽然听觉系统对声源距离的定位能力没有方向定位能力好，但还是能对其作出适当的判断。但听觉系统对声源距离的定位是存在偏差的。

试验结果表明，一般情况下对远距离声源(r约大于1.6m)，距离感知变小(近)；而对近距离声源(r约小于1.6m)，感知距离变大(远)。因而实际的感知距离r’并不等于物理距离r。

Zahorik分析了不同研究给出的距离定位实验数据，并用数据拟合的方法得出平均上r'和r之间满足以下的压缩指数函数关系：

k是一个略大于1的常数，而α与各种因素包括实验的物理条件、受试者等相关，可能在较宽的范围内变化，平均来说α在0.4左右。

对声源距离定位是多种不同因素综合作用的结果。声音的主观响度感觉是声源距离定位的一个因素。主观响度是和声压大小密切相关的。在自由场的情况下，功率恒定的点声源产生的声压与距离成反比，也就是距离增加一倍，声压下降6dB(参考本系列知识中“厅堂声学”第一部分里介绍的反平方律)。因而听觉系统可以根据声音的响度判断声源的距离，高的响度对应近的距离。

但是声压与声源距离成反比的关系只是在自由场的情况下才成立，并且响度还和声源本身的性质(如辐射功率)有关，对声音信号的熟悉程度也影响利用响度判断声源的距离。因而一般情况下，主观响度只能提供对声源的相对距离信息，而不能提供绝对距离定位。

空气对声波的吸收所引起的高频衰减也是一个可能的声源距离定位因素。对于远距离的声源，空气吸收起到低通滤波器作用，从而改变了声波的频谱。但只有在声源距离非常远的情况下，空气的高频衰减对听觉的影响才是重要的。在普通房间尺度的距离下，完全可以忽略。并且对声源熟悉程度也影响利用高频衰减判断声源的距离。因而这也最多提供声源的相对距离信息。

4、双声道声音信号录制方法

Binaural技术录制与回放原理图

Binaural技术有多种实现方式。这些实现方式都包含声音录制和声音回放两部分。

声音录制可以用人工头，也可以用穿戴式双耳微缩麦克风。根据录制位置的不同，分为三种声音录制方法：

• 耳膜处录制；

• 开放耳道的入口处录制；

• 封闭耳道的入口处录制。

对比三种方法，均需要在耳道中的某点录制声音信号，以及测定从耳机到该点的传递函数。我们可以称这个点为“参考点”。对耳机传递函数的测定叫“耳机校准”。第三种方法还需要一个额外的均衡修正(如果使用开放式耳机就不需要此修正)。

备注：ACOUTEC在此处没有介绍三种方法的公式推导，感兴趣的同学可以参考Henrik写的论文《Fundamentals of binaural technology》，也可以联系文末的微信号索取。

实际上，声音录制的最直接方法是将微缩麦克风或探针麦克风放置在真人受试者的耳道入口或耳道内(距离耳膜1~2mm外)。该方法可在得到的双耳声信号中保留受试者的个性化生理特征。但真人受试者在测量过程中容易发生轻微的头部及身体的移动，也可能会在不自觉的产生一些噪声，这些都会影响测量结果。同时，将探针布置在耳膜附近，还很容易对受试者造成伤害。

人工头

人工头是采用特定的材料制成的、模仿真人的头部、外耳等生理结构的听觉仿真模型。它的尺寸和特征是根据一定人群的统计平均结果或按照某个“标准”的人设计的，所用材料的声学性质也与真人相似。通过放置在人工头耳道入口或耳道内的传声器进行测量即可得到双耳声信号。

微缩麦克风与佩戴方式

自从封闭耳道测量方法被提出以来，被广泛应用于真人受试者的测量，是最简便和安全的测量方法。用有弹性的材料(如硅胶)将一对微缩麦克风包裹后，再插入受试者的耳道，麦克风与耳道入口齐平(或略微靠内)，而弹性材料将自动将耳道入口封闭。

利用人工头和微缩麦克风录制原始声音信号各��优缺点，在实际应用中都有使用，各位同学可自行试验对比二者的区别。

5、声音回放

使用耳机回放时的声传输：(a)生理结构示意图 (b) 对应的类比模型

Binaural信号一般用耳机来回放，不仅可以保证每个声道只传输给一只耳朵，还可以保证回放不会受到听音环境的影响。用耳机回放也是目前国内汽车厂听音室的主要回放手段，是最容易实现的听音方式。

如果使用扬声器直接回放录制好的双声道声音信号，其方向属性将被破坏，原因是这种回放系统会引入串扰crosstalk。所谓的串扰是指右声道扬声器播放的声音不仅会传入右耳，还会传入左耳；左声道扬声器也有同样的问题。

研究表明串扰可以被消除，我们称带有串扰消除功能的系统为transaural系统或TRADIS(True Reproduction of AllDirectional Information by Stereophony)系统。

扬声器回放系统声传输示意图

用Precord,left和Precord,right表示录制下来的左耳和右耳的声压。M1表示录制时使用的麦克风的传递函数。Eloudspeaker,left和Eloudspeaker,right表示扬声器终端的信号。Pplayback,left和Pplaybackc,right表示听音参考点的声压信号。用H表示传递路径。有：

为了保证声场复现，需要满足：

因此，可以求出：

这是用扬声器回放双声道立体声的基本原理，谢菠荪教授在他的著作《头相关传输函数与虚拟听觉》第9章中有做详细的讲解，大家可以自行查阅，这里就不再赘述了。

备注：ACOUTEC在国内见了很多听音室内都配置了扬声器系统，但这些扬声器系统大多没有做串扰消除处理，因而这些听音室内的扬声器并不能真实还原声场。

6、结束语

OK。今天就为大家介绍到这里。下一期我们将为大家带来波场合成技术(WaveField Synthesis)，敬请期待。

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