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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( O. F) g3 P( U/ x6 h( R


; D& K# h1 T6 c, p1 t% E" K& h3 X完整的声音感知过程：
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2 r3 V& O9 s; C8 A& \5 |$ }/ L
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: g* [3 Q' t4 v1 c
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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1 W6 p# _  J7 k* j4 G+ L+ N
人头相关模型的传递函数可以将声压场转换为双耳响应。
  n/ N* A/ V: i5 B  t( W

6 O7 v! k. }# C
. \3 @' a/ G6 U3 q$ i& {8 t8 `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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$ C: e7 I+ [# p: s6 I! u

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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4 G- X2 r- l3 F
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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5 p/ ]2 {* x1 }3 R% B, ~3 ~  e
房间脉冲响应：
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/ [) C; d' [" u) c8 P- \2 j6 n



) A( J3 S% M* u2 v$ {时间包络曲线：

9 x& j8 p% x2 ^. X

2 ]+ V5 {8 l0 IRIR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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0 r8 }, w6 p, G
3 U/ o- o1 H: ~8 j" ]. u
外围生理听觉系统简化示意图：

1 g. k% V$ v3 d9 ~) d5 {% E5 P4 y) c
" e% B& |# K* S! p
9 r3 x# I$ n7 @2 l5 R

+ I# n9 f/ d: C
0 F1 b* T: O: ?3 M' s5 {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。

8 g; F( ?+ F% j' v" R2 x, D6 }! O4 z/ }

: K' L/ a- r+ j1 E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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7 W3 ?. r# Y& [+ @
) C0 w9 g4 K" m* i
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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4 r( c( m# t' x$ B. v6 k' }, B人头在声场中对声场分布的改变：220Hz,600Hz,1400Hz
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% R% _0 Q8 h9 H* S' [  ]
. S% f. g9 e, f# x: l
  F$ r+ B) G5 C; X7 _; N$ h( |+ ~
8 k& B" }9 u$ P) a0 `; R水平定位主要通过双耳时间差（ITD），双耳声级差（ILD）。
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8 l4 B2 r" l, {9 \! x$ m9 g  J

- W+ h3 Q+ N0 P9 g4 p7 _& d

* o' W) }+ f! K) S! x9 }
当然还有不同方向入射的声源频谱因素
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1 m1 D& a$ N( G0 b, ~


- {1 l; S! R" }9 T6 ~6 C( Z! N
* J$ q5 a. i( u+ E
: L- l. w9 Q: @2 l
6 E. W9 u3 R& \, KHRTF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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4 ~3 j" ~" S! ?" r" F5 N  A. }
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8 Z5 F) E( u% O2 r2 U, {
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1 v* p8 G+ h3 R0 v1 Q
, o  r8 f+ ^) C) @8 G% G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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+ H& t2 d% E3 U
* w+ S% ^8 F) d& m1 _) M; N

- N% L/ Y9 S4 B" {: B- R- L, H
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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室内声场的动态波动仿真建模
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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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6 _9 _. l- r4 k) R7 Y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。