从声源到声音感知和房间中的声音传播

Beity

从声源到声音感知和房间中的声音传播
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5 B# p9 J8 k2 e

8 `4 N4 E: m+ G3 ^3 R: K
. P  k: K+ S) R0 |; P+ j5 d完整的声音感知过程：


( U1 c# K" D9 x5 V) }1 J


扬声器或者其他产生一个声源，声音通过房间/环境传播，绕过人头传入双耳，并听过生理听觉系统和中枢神经系统，从而感知到声音信号。分别牵涉到物理声学和心理声学。
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人头相关模型的传递函数可以将声压场转换为双耳响应。
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" \* p1 J5 g, W( u声源方向，房间/环境的几何形状，边界条件，头部尺寸和形状，听觉系统等都会对最终的声音感知造成影响。可以分别单独考虑，也需要整合起来一起考虑。

8 n) G$ K! e5 @: S1 J3 X
$ s; {) o# o' }- k' C
, R) c+ b% f9 M2 J/ b8 y大多数实际情况下，房间可以看成线性时不变系统，其空间传递函数可以使用脉冲响应RIR作为特征。



  ~; {$ y3 q: J, P一个1700m^3小型音乐厅的声学测试结果。其中声场的直接能量标记为黑色，早期反射能量标记为蓝色，蓝色之后的渐变属于混响场的建立过程。
# P- T! x& b. H8 i5 ^1 o* H
4 v5 S7 r1 R. s. `, }1 ~" v- ]6 t# {

房间脉冲响应：
/ x8 J' A9 S8 H
1 G% ^7 y7 `! f
! P' @5 V8 ^8 q" |

0 l# {" k2 a# z" V. V
时间包络曲线：

, [0 r# c5 I2 b5 O: R; ]

9 |: w0 V/ U5 n5 [RIR只是声压的评估，本身并不携带关于声场方向性的信息。
' _" j$ g# w  y. Q$ }" g

0 f( X$ s7 S9 }( o
外围生理听觉系统简化示意图：
) N2 e7 K6 }+ V% K/ L* o
4 ^5 \; p. z# \! G$ o

! g* @3 D2 [* g2 X: \5 m( S

! q- S, a" k& E) F3 @+ }3 B
声波通过耳廓，传到耳道，振动鼓膜。鼓膜推动锤骨-砧骨-镫骨，再将振动传递到耳蜗，从而转换为神经电信号，通过听觉神经传入大脑。

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; v% s; p$ T- n5 a0 D7 j- c
耳道是一个不规则形状的管，其平均尺寸大约是水平方向6.5mm，垂直方向9mm，长度约25mm到35mm。其谐振频率约在2-5kHz范围内。



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5 [& v: l" C) t. G2 ?( |1 w
4 C( u, r$ ?# e

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3 e9 N& N2 I' l* S! w
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8 |1 g! Z9 }: U% q% n耳蜗的横截面：人的听觉系统组成部分很多，还是比较复杂的
! F" d3 ~2 K" B7 v. m7 D

; r) Q) h$ D6 I9 P# v

RIR描述的是空间两个位置之间的传递函数。如果是人在听音，那么实际上有两个脉冲响应应该考虑，通常被称为双耳脉冲响应Binaural Impulse Response (BIR)。当在房间中测量时，被称为Binaural Room Impulse Response (BRIR)。
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人头在声场中对声场分布的改变：220Hz,600Hz,1400Hz
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1 ~: a! }# _% n& ~: M% i

' h" e  N, R$ _4 ^
/ u. n, D6 {6 R5 |

( k/ O$ ?, G3 u8 F/ }水平定位主要通过双耳时间差（ITD），双耳声级差（ILD）。
" d) I" r3 c7 f7 r* d9 i

6 @( m) H& w. J1 z4 X1 q& g

; l6 k2 s- w; Y+ F9 x3 b: y; Y
! C  v" t( ]# W( A4 @6 y
/ u# Z/ \* Q# h( U* ]当然还有不同方向入射的声源频谱因素


6 w+ d; @+ l& t0 I

' E4 O" V2 a3 ?1 {" w" ]

+ z0 D% g; w  D

  j4 z4 ]" G* M  w2 m7 @HRTF和BIR是等效的。下图是45°是左右耳的BIR响应：





0 @/ I% @, @+ L& D4 m0 p5 V对室内声场进行建模，一般可以通过射线追踪，或者波动声学进行求解计算。

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下图是一个音乐厅的离散化模型。
  N7 J/ [5 s6 f3 Q" ^
6 ~: W$ e- e1 M  B/ f- M" P4 e: Z8 \

6 q  k  |( r  l8 `$ d* S% N; C
/ y1 R, v9 w+ x! F  a
7 U5 u% X0 h( j( ]% ~
人头的离散化模型
9 T5 G) w: h- {4 {5 X- y  M

& R$ S: I( P- b8 }4 `
2 |6 i2 L0 n4 T4 k8 s+ {. K* Y
5 u9 v% d0 P3 j; v) W. d% A
7 i2 j$ W# @/ B
射线追踪，一般用于中高频，对低频的一些波动和衍射等现象计算准确度不够
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5 y# F& g# S( v1 M



( S1 e& ]) r( J0 U! L3 ~波动声学可以采用时域有限元法FETD，但计算量会比较大。用时域有限差分法FDTD，或间断有限元DG，比较多。

1 g' f8 X4 B; t9 v

& z. D7 F6 E9 p1 X





1 {- p, P2 E# z4 ~" @7 c室内声场的动态波动仿真建模



0 j3 h6 j% @. ~) l3 w
7 j6 o$ z! [- k1 A) ]


, n2 E$ I: y6 Y& }7 _) ?2 V4 n% f. j仿真在自由场和场景中存在障碍物声传播的差别

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2 l) U5 S5 [% @# S  z室内的声场仿真和研究对改善现有音箱产品的体验，以及后续的VR/AR都是很关键的。