混合阶Ambisonics声场与感知性能的研究

发布时间：2020-04-20 01:23

【摘要】：Ambisonics是一种对重放声场进行逐级近似的空间声重放系统。随着Ambisonics阶数的增加,重构声场的准确程度逐级增加,其感知性能也逐级改善,但系统的复杂程度也逐级增加。混合阶Ambisonics考虑了人类听觉对水平和垂直方向感知的精确度差异,采用相对高阶(L_(2D)阶)的空间谐波重放水平方向的声场空间信息,而采用相对低阶(L_(3D)阶)的空间谐波重放垂直方向的声场空间信息,从而实现系统复杂性与重放性能的合理折中。由于在阶数组合的选取上具有较高灵活度,在扬声器布置方案上具备多样性,混合阶Ambisonics作为Ambisonics的一个重要分支,近年来逐渐成为空间声的一个研究热点,在科学研究、民用娱乐等多个领域均有着重要的应用价值。作为二十一世纪初期出现的一种新发展的空间声重放系统,混合阶Ambisonics目前仍处于发展的初始阶段,尽管国际上已有部分课题组对此展开研究,但相关的报道依旧较少,且现有文献中也存在着许多不完善的地方。主要体现在:大部分的研究都停留在对混合阶Ambisonics重构声场物理性质的分析上,对其心理声学方面的分析较少,特别缺乏方向定位因素的心理声学分析、重放音色分析等方面的工作。实验方面,有关主观听觉实验中也大多以定位感知为主,对于重放音色的评估甚少涉及。另外,目前的研究只限于产生远场虚拟源的的情况,对产生不同距离的近场虚拟源方面未见有报道;而国内对于混合阶Ambisonics的研究则鲜有报道。为此,本文开展了一系列关于混合阶Ambisonics声重放的研究工作。考虑到混合阶Ambisonics必须采用非均匀扬声器布置,本文首先探讨了非均匀扬声器布置下的系统稳定性问题,从多种经典层式扬声器布置以及增加水平面扬声器数量两方面入手,采用数值分析的方法,通过分析扬声器方向矩阵的条件数,定性地评估了重放系统对细微误差的敏感程度。结果表明,基于分层式扬声器布置的混合阶Ambisonics声重放系统,其系统稳定性可通过对应的L_(3D)阶(较低阶数)空间Ambisonics的情况进行预测,当水平面扬声器数量M_H与L_(2D)阶(较高阶数)满足M_H≥(2L_(2D)+1)时,增加L_(2D)或扬声器数量M_H均会增加系统对误差的敏感度,但一般而言,系统的稳定性仍处于可接受范围内。该结果对混合阶Ambisonics声重放系统的优化与设计具有重要的参考价值。其次建立了空间声重放(包括空间Ambisonics和混合阶Ambisonics)的虚拟源定位的基本分析框架,并以实际搭建的29个扬声器布置为例,对空间Ambisonics声重放的中垂面合成定位进行了分析,分析结果表明Ambisonics声重放可以提供适当的低频动态因素,可实现中垂面上的合成定位,其中3阶空间Ambisonics声重放的中垂面定位效果近似单一实际声源的定位效果。虚拟源定位实验进一步验证了分析的有效性。该工作可认为是对Wallach关于垂直方向定位因素假设证明的一个有力补充。在实际的29个扬声器布置的基础之上,实现了国内首个混合阶Ambisonics声重放系统,通过对双耳声压误差的分析,进一步提出了混合阶Ambisonics声重放系统的设计指引:硬件条件许可的情况下,应当取其较低阶数为3,从而在尽量少增加系统复杂度的基础上,保证足够的空间方向分辨率。通过虚拟源定位实验,验证了该扬声器阵列确实可实现高至3/5阶混合阶Ambisonics声重放,有稳定的重放效果及合理的空间方向定位精度,较传统的空间Ambisonics声重放,混合阶Ambisonics声重放在水平面上有更好的定位性能,可以达到其设计的初衷。基于双耳响度级谱的分析方法,从理论上分析了水平面扬声器数量对混合阶Ambisonics声重放系统重放音色的影响,并通过主观评价实验加以验证。结果表明,当扬声器数量满足空间采样理论最低要求的前提下,在频率小于Shannon-Nyquist上限频率时,水平面扬声器数量对音色的影响可忽略;在频率大于这个上限频率时,水平面扬声器数量对音色的影响取决于目标虚拟源的方位角。对于侧向目标虚拟源,其音色的改变程度随扬声器数量的增加而减少,对于前方(或后方)虚拟源则呈现相反的结果。该结果一方面证实了双耳响度级谱可用于定量地分析音色的改变程度,另一方面也为混合阶Ambisonics声重放系统的设计提供了另一角度的考量。提出了近场补偿混合阶Ambisonics声重放的基本原理与设计思路,并以29个扬声器布置为例,对其进行了双耳声压重构误差的理论分析以及虚拟源距离感知实验。结果表明,3/5阶近场补偿混合阶Ambisonics声重放至少能够提供部分距离定位信息,实现对侧向虚拟源(非中垂面)的距离控制,也证实了空间3阶重放即可得到可靠的侧向声源定位,而其水平面声源距离感知精度较其他仰角声源高。此外,如信号中含响度因子,则系统的距离感知性能将进一步提升。该结果对系统的简化具有重要的指导意义。本文全面且深入地研究了混合阶Ambisonics声重放的方向及距离的定位感知性能和音色的变化情况,弥补了当前国内外对此研究的不足,也为今后的进一步研究及应用提供了重要的依据。
【图文】：

空间指向性,球谐函数

图 2-2 0 ~ 4 阶球谐函数的空间指向性图[69]Fig. 2-2 The spatial directivity pattern of 0 ~ 4 order spherical harmonics的方向为 Ωi= (θi, i)，信号(增益)为 Ei(ΩS)。如果球面半径满足远场条件，则每个扬声器发出的声波可近似看成平面波。对于空间任意场点(r, Ω) = (r, θ, )，其重放声

扬声器,扬声器布置,分层式,等角

(c) (d)图 2-3 四种分层式非均匀扬声器布置的结构示意图，a. 81 个扬声器等角布置，b. 50 个扬声器高斯布置，c. SCUT29，d. DTU29Fig. 2-3 The schematic diagram of 4 kinds of nonuniform layer-wise loudspeaker arrangement, a. 81louspeakers equiangular arrangement, b. 50 loudspeakers Guassian arrangement, c. SCUT29, d. DTU29
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN643

【参考文献】