声源定位及立体声的实现

molopjay1 · 发表于 2016-6-27 09:16:20

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？快速注册

x

　　1声源定位机理

　　人类对声音的感觉除了声音的三要素：强度、音调和音色之外，还有声源的方向和距离信息，即声音空间印象。下面就声源方向和距离信息的判断机理分别进行讨论。

　　1.1声源方向定位

　　研究表明，人耳对声源方向的定位主要是由于人体（头部、躯干以及耳廓等）对声波的散射作用，从而使得双耳接收到的声波信号产生差异，包括双耳声级差、双耳时间差。这些声波的双耳差异是声波信号本身（声源方向和声信号频率成分）以及人体物理参数（头部尺寸等）的函数。人类在成长发育过程中，通过对所在生活环境中声音方向的听觉感知，并结合视觉、触觉等其他知觉方式，对各种方向产生的声波双耳差异函数进行收集、反馈及印证，最终形成一个声音方向的数据库。进一步的研究表明这些声波双耳差异函数在不同频率范围时对方向的定位起不同作用。

　　1)在频率小于1.5kHz时，由于声波波长比人头尺寸大，声波会绕过人头到达与声源异侧的耳朵，这时双耳时间差（相延时）是方向定位的主要因素，图1是双耳时间差和水平方向角的关系。

　　2)在频率1.5-4.0kHz时，由于声波波长与人头尺寸相差较小，人头对声波的障碍逐渐起作用，双耳声级差和时间差（包络延时）共同对方向定位起作用。

　　3)在频率4~5kHz时，此时声波波长比人头尺寸小，人头对声波的障碍起主导作用，双耳声级差是方向定位的主要因素。

　　

　　4)在空间中存在一些双耳时间差和声级差都相同的点的集合，因为该集合的空间表现为圆锥的底，所以称为“混乱锥”，如图2。对混乱锥的区分主要是利用耳壳对声波的散射所引起的梳状滤波效应，这种效应主要体现在频率为5-6kHz的情况下，见图3，该效应还在中垂面的定位有重要的作用。

　　

　　5)听音过程中（特别是中低频情况下），听者头部不自觉地微小转动所引起的双耳声级差和时间差的改变有助于区分前后镜像声源的位置。

　　由此可见，声波双耳差异函数并非方向定位的唯一依据，单耳信息如耳廓引起的声波散射和听音时头部的微小转动也为方向定位提供依据。

　　1.2声源距离定位

　　目前对声源距离的判断机理虽有不少研究，但其中大部分只是定性而非定量的研究，这与实际中入耳对声源距离的感知只是较模糊的远近概念而非精确的物理距离有关。现有的研究总结出声源距离感知的因素主要有：声源在人耳处产生的直达声响度以及环境提供的反射声，下面具体说明:

　　1)声源在人耳处产生的直达声响度与声压级成正比并受信号频谱影响，这种影响的规律见图4的等响曲线，反应了入耳对不同频率的响度灵敏度不同，中频灵敏度高，高频和低频灵敏度低。声源与人耳间的距离越近，其在人耳处产生的直达声压级越高，响度也越高，声源的空间印象也就越近。声源在人耳处产生的直达声压级与两者间的距离存在一个精确的数量关系，同一声源与人耳间的距离每增加一倍，直达声压级就减小6dB，这个规律在立体声制作中经常应用到。另外，直达声的响度还受其频率成分的影响，主要表现为：声波在远距离传播时，由于空气吸收引起高频损失。这种损失是远距离声源判断的重要依据。

molopjay1 · 发表于 2016-6-27 09:18:37

2)环境的反射声包括早期反射声和混响声。这些反射声和直达声再加入时间因素，才能为距离判断提供依据。首先，在建筑声学设计时为观众席提供尽量多、尽量强的早期反射声，因为早期反射声会使得观众感觉声源变近了，这些早期反射声与直达声的时间间隔越短，感觉声源距离越近。第二，直达声与混响声的能量比值关系（直达混响比）会影响声源的感觉距离。在音乐厅中（近似扩散声场），直达声随着听音者与声源的距离变小而变大，混响声不变，因此直达混响比变大，反之亦然。这个规律在HIFI音响中亦有应用，在HIFl的听音环境中少有做强吸声装修的听音室，音箱的摆放一般也是与墙有一定的距离，此时，由后墙提供的反射声有助于实现听音节目源的空间感。

声音的距离判断除依据上述两个因素，在近距离判断中还受声波双耳差异函数信息影响。近距离声源判断的极限情况——耳语声，耳语声虽然响度不大，但仍会有声源就在耳边的感觉，这种现象除了与耳语声的低频缺失有关，还与耳语声的双耳声级差和双耳时间差同时达到了极大值有关。

2 立体声技术
随着心理声学、信号处理和计算机技术的发展，人们能更好地利用声源定位的心理声学的规律进行立体声的声像定位。下面就立体声声像定位的实现进行讨论。

2.1声源方向的立体声实现
在双通路立体声节目的录制中，声像定位信息的实现方法有以下三种：将单通路信号通过全景电位器(Pan-pot)人工产生；采用不同指向性的组合传声器拾音技术（如XY型、MS型等）得到；还可通过虚拟声技术实现。在拾音声场放置人工头，将传声器放置在人工头的耳朵处拾取声音信号得到立体声信息，或用单声道的声源信号与对应方向的人头相关脉冲响应(HRIR)进行卷积得到（在网络上有麻省理工学院基于KEMAR人工头测量的HRIR数据库；华南理工大学有针对中国人样本测量HRIR数据库），上述方法可见图5。

Pan-pot、XY型以及MS方法得到的录音信号，其对应的处理和重放技术是声级差型立体声。下面以双扬声器实验为例对其进行讨论，两个扬声器左、右对称布置在倾听者的前方（一般为@。=±300），馈给两个扬声器的信号分别为L、R，利用下式就可以得到相应的声像方向0I:sin @1= o

上式就是立体声技术中著名的正弦公式，只适用于低频情况(频率小于700 Hz)。从中可以看出只需改变左、右通路信号(L、R)的相对幅度比，就可以在前方产生不同方向的声像，但由于正弦公式只适用于低频情况，对于频率大于700 Hz的情况，上式需要乘以一个因子(约1.4)，但这也只是定性适应，对不同频谱的信号的定量结果不尽相同，因此声像定位会受到信号频谱的影响，对于宽频带信号会出现声像展宽、声像模糊等情况。若要产生扬声器界外立体声，要使其中一路信号反相，这样处理会使得声像自然度变差，同样也有声像展宽甚至难以定位的情况，利用正弦公式进行处理还会在非中心倾听位置产生声像漂移（向距离听音者近的扬声器漂移）的现象，所以只有两个通路的立体声存在着一定的缺陷。上述缺陷可通过增加立体声重放的独立通道数得到改进，如采用现在广泛使用的5.1或7.1环绕声系统，见图6和图7。尽管如此，通路数的增加并不能完全解决问题，有研究表明在采用5.1通路系统时，在侧向47。-90。的范围仍然存在着声像死区，而7.1通路系统所增加的扬声器是摆置在听音者后方，并不能有效地解决声像死区的缺陷。

听觉传输技术(TrarisauraIX见图9)就是利用扬声器重放虚拟声，在左（右）耳处录制的信号如果直接送到左（右）通路的扬声器，会使得原来只给左（右）耳的信号也送到右（左）耳，这种现象称为串声(crosstalk),因此录音信号在送到扬声器之前，需要先进行串声消除处理。经过听觉传输技术后再通过传统的双通路扬声器系统重放，可比声级差型立体声更好地实现声音方向信息，在听音者前方半平面的信息可完全再现，而后半平面的方向信息的重放则仍有困难，但若是在伴随图像的听音时，由于视觉与听觉的联觉作用，后半平面的方向信息也可部分得到重放。听觉传输技术的另外一个优点是减少了各声像之间的掩蔽作用，使得听音时声像更为明晰。由于虚拟声只采用两个扬声器就较好地重放方向信息，因此其在多媒体、电子游戏以及虚拟现实中已得到广泛应用。但它并非就是完美的重放技术，串声消除处理相当于对原录音信号引入一个无限脉冲响应滤波器(IIR滤波器)，而nR滤波器的相位特性是非线性的，会使原录音信号产生相位畸变，这也是虚拟声在 HIFI音响中应用较少的原因。中国目前对虚拟声重放技术研究取得较多成果，在《应用声学》2006年第1期发表的“虚拟声音色均衡信号处理方法的主客观分析”121文中提到的“功率均衡”方法就可以校正IIR滤波器产生的相位畸变。也许在不久的将来虚拟声也可以在l-nFI中广泛地使用。

2.2声源距离信息的立体声实现
立体声中的声源距离信息一般被称为空间感。在1.2中提到的空间感因素有两个：直达声响度和环境反射声。其中直达声响度的大小变化引起声源的空间感印象在运动声源和乐队中不同位置乐器的录制中经常使用，如汽车行驶的声音，可通过现场录制实现，但在无法现场录制时，则可通过连续增大或减小声音幅度来实现，此时需注意的一点是还要对远处的声音进行高频衰减。另外，环境反射声特别是直达混响比在综艺节目和乐队的录制中常有应用，如主持人在讲话时，电视镜头一般取近、中景，此时在视觉上主持人是比较近的，对应的声音处理的直达混响比应该相应较大，而舞台音效和掌声出现一般会采用全景镜头，此时在视觉上比较远的，因此其声音处理的直达混响比就应该比较小。

3 结论
声源的听觉定位机理是立体声制作的基础。听觉定位主要有两方面：方向和距离。两者的听觉机理并不一致，方向的判断依据主要是双耳信息如双耳声级差和双耳时间差，而距离判断则主要是根据单耳信息如直达声的响度和环境反射声。

尽管目前的各种立体声的重放系统都存在一定的缺陷，但是由于入耳听觉的分辨率在各个方位是不一致的，水平面的分辨率高于垂直面，前半平面高于后半面，正前方高于侧面，因此在实际的制作处理中，对不同方向的声音处理要求不一样，水平面前方的声像的方向和距离处理要求更为精细。在伴随图像的听音时，由于视觉与听觉的联觉作用，立体声重放处理的缺陷得到一定的改善。而目前基于视觉与听觉的联觉作用的心理研究和应用较少，该领域的进一步研究成果有利于减少伴随图像的立体声节目(AV节目)的信息容量并提高听音效果。而与距离判断相关的心理声学的进一步研究也有助于立体声节目声像距离的实现，而不只是定性地由录音师的习惯决定。

帐号		自动登录	找回密码
密码			快速注册

[资讯] 声源定位及立体声的实现

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。