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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( T/ C$ w3 r8 `0 |9 d/ m9 R


完整的声音感知过程：




- ~3 ^# V, A) p/ S/ V
6 R7 m3 W0 c/ v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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3 a' g7 x7 V9 A' c- E+ ^9 F4 T# q

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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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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。
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2 U/ `& S% z1 `7 V$ y2 ]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。



( {' V" l4 \4 ^) C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。
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. x8 R% z1 F  ^5 \; f* T6 O

房间脉冲响应：


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7 L' C' b5 i  y/ w* }

& E, A3 J% p6 ]0 x' U+ |* A& F+ i时间包络曲线：


0 K0 N/ c& q( |9 S1 F( O
! w* ~! y$ P* U/ w5 N5 r$ ZRIR只是声压的评估，本身并不携带关于声场方向性的信息。

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外围生理听觉系统简化示意图：
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! W9 P% h; o5 n; N! s" L
/ ?. L8 g7 ], k3 R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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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。
1 Y! m* {2 W" r3 C; b& f

* U7 a( H  {- a; O& d1 w
& H' X- f% D8 s  @5 N" C3 K
4 L, m$ }, @& v1 k" w


  x+ U* ]7 m+ w. M# _* R1 B$ z




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

5 v. o0 r# I: g3 M

5 j- A  m; Q' z6 d+ V* u
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)。



人头在声场中对声场分布的改变：220Hz,600Hz,1400Hz
! @5 m: \" U( e; @. J# Z



+ n: d1 L' n0 |. k3 p- }

: W+ h0 X9 v% u/ r: W7 q+ k, q5 L9 O9 }( o水平定位主要通过双耳时间差（ITD），双耳声级差（ILD）。

( i; X$ ?$ T# D0 `+ n, [! a
/ M3 v# p* P. O4 E


+ O7 `# g# ^3 u
$ t4 `4 T) @) P( t% v. V当然还有不同方向入射的声源频谱因素
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5 E3 {- b* E/ v6 R; N0 N




( X2 @2 X- j1 O" J9 G

HRTF和BIR是等效的。下图是45°是左右耳的BIR响应：
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# W8 k2 {( C2 p/ ]2 @0 d2 F9 @
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。

Beity

下图是一个音乐厅的离散化模型。

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人头的离散化模型
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$ S. t- y4 r# x/ W5 W5 b, A

- M! U. e& W7 ~7 H; K9 @

( {+ r8 |/ p; }; J+ d6 L7 u
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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  _* K1 I4 p: M4 z* Z

6 E7 v( y( h$ [/ \# E% j3 }7 L

5 k* x4 E( l6 m9 A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。

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& O/ G' o9 u6 Z5 I

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3 u. y' w! z1 u
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室内声场的动态波动仿真建模
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2 s. C# N+ K4 l  A- T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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- A5 c, E  G, h( M. Y$ u4 J+ J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。