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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完整的声音感知过程：
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; J5 m6 R" ^! j1 J& B2 W! H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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, ^# v9 w  z: G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。



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。
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' z# n: [) C. @* M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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房间脉冲响应：
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& A8 F3 S+ {# n时间包络曲线：
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RIR只是声压的评估，本身并不携带关于声场方向性的信息。



外围生理听觉系统简化示意图：
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( c7 k, q- y% c) [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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1 X# x& n$ z6 `! X' u- w( D% g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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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
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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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水平定位主要通过双耳时间差（ITD），双耳声级差（ILD）。
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当然还有不同方向入射的声源频谱因素

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0 J: G- ~- A. N( l8 UHRTF和BIR是等效的。下图是45°是左右耳的BIR响应：

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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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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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1 [5 ?, v% e' ^- r! D6 K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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6 [; _3 f& D$ \9 }' {& X8 x- N( b室内声场的动态波动仿真建模

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7 ]# j, }/ s6 O# Z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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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。