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博文

空間聲原理

已有 3449 次閱讀 2019-10-21 13:41 |系統分類:科研筆記

除視覺外, 聽覺是人類感知外界信息的另一重要途徑。人類的聽覺中,除了對聲音的響度、音調和音色等主觀屬性的感覺外,還包括對聲音的空間聽覺,也就是對聲音空間屬性或特性的主觀感覺。在一定的條件下, 利用聲音空間屬性, 聽覺系統可以對聲源進行定位, 也可以產生對周圍聲學環境的空間印象。

 

空間聲的目的是重放聲場的空間信息, 給傾聽者產生特定的空間聽覺事件或感知。空間聲在影院和家用聲重放等文化娛樂領域,以及聽覺心理和生理、室內聲學設計、通信、互聯網與計算機、多媒體與虛擬現實、醫學等科學研究及工程技術領域有重要的應用。

 

空間聲已有100多年的發展歷史。20世紀30年代起,聲學與電子技術的結合使空間聲得到較大的發展并逐漸進入實際應用。而90年代初以來,計算機與數字信號處理技術的發展,更進一步推動了空間聲技術的快速發展。空間聲一直都是聲學、電子學的重要研究領域, 國際上對空間聲進行了大量的基礎研究與技術開發工作,已發展了多種基于不同物理和聽覺原理的空間聲系統與技術,許多技術也得到了廣泛應用。

 

近三十年,國際上未見有全面論述空間聲的專著。 本書系統地論述了空間聲的基本原理、方法與應用, 總結了國際上在該領域的研究成果和最新進展, 以及國際上和課題組的研究成果和最新進展。主要內容包括聲場與聽覺的基本原理、兩通路立體聲、多通路聲、Ambisonics、波場合成、雙耳虛擬聽覺重放、空間聲的信號檢拾、傳輸、評價與應用等,涵蓋了空間聲領域的主要研究內容, 并給出了約一千篇參考文獻。

 

本書讀者為從事該領域研究的科學工作者、研究生和技術工程師。本書能幫助他們掌握該領域的基本原理和前沿技術, 開展相應的研究或技術開發工作。

 

本文摘選自謝菠蓀 《空間聲原理》一書


《空間聲原理》系統地論述了空間聲的基本原理、方法與應用,總結了國際上在該領域的研究成果和最新進展,特別是總結了作者及其課題組在該領域的研究工作。全書共 16 章,內容涵蓋聲場與空間聽覺,各種空間聲系統的原理與分析方法,包括兩通路立體聲、多通路水平面與空間環繞聲、Ambisonics 與波場合成、雙耳與虛擬聽覺重放、空間聲信號的檢拾與合成、記錄與傳輸、空間聲客觀分析與主觀評價、空間聲的應用等。本書最后列出大約 1000 篇參考文獻,包括了該領域的主要基礎論文。本書的讀者對象為從事空間聲領域研究的科學工作者、研究生和技術工程師。本書能幫助他們掌握該領域的前沿技術,開展研究或技術開發工作。



本書目錄

前言
第1章 聲場、空間聽覺與聲重放 1
1.1 空間坐標系統 1
1.2 聲場及其物理性質 3
1.2.1 自由場與簡單的聲源輻射 3
1.2.2 邊界的反射 6
1.2.3 聲源輻射的指向性 9
1.2.4 室內聲場的統計聲學分析 11
1.2.5 聲波的接收 14
1.3 聽覺系統與感知 18
1.3.1 聽覺系統與功能 18
1.3.2 聲音的聽閾與響度感知 22
1.3.3 掩蔽效應 23
1.3.4 臨界頻帶與聽覺濾波器 25
1.4 人工頭聽覺仿真模型與雙耳聲信號 26
1.4.1 人工頭聽覺仿真模型 26
1.4.2 雙耳聲信號與頭相關傳輸函數 28
1.5 空間聽覺 30
1.6 單聲源定位因素 32
1.6.1 雙耳時間差 32
1.6.2 雙耳聲級差 36
1.6.3 混亂錐和動態因素 38
1.6.4 譜因素 40
1.6.5 HRTF與方向定位因素的討論 43
1.6.6 距離定位因素 45
1.7 多聲源的合成定位與空間聽覺 47
1.7.1 兩揚聲器定位實驗 47
1.7.2 優先效應 51
1.7.3 部分相關與非相關聲源信號的合成空間聽覺 53
1.7.4 聽覺場景分析與空間聽覺 56
1.7.5 雞尾酒會效應 57
1.8 室內反射聲與聽覺空間印象 58
1.8.1 聽覺空間印象 58
1.8.2 室內聲學參數與聽覺空間印象 59
1.8.3 雙耳聲學參數與聽覺空間印象 61
1.9 空間聲的原理、分類與發展 63
1.9.1 空間聲的基本原理 63
1.9.2 空間聲的分類 65
1.9.3 空間聲的發展與應用 66
1.10 本章小結 71
第2章 兩通路立體聲的原理 73
2.1 兩通路立體聲的基本原理 73
2.1.1 通路聲級差與虛擬源定位公式 73
2.1.2 信號頻率的影響 78
2.1.3 通路相位差的影響 79
2.1.4 通路時間差與虛擬源定位 84
2.1.5 兩通路立體聲原理與局限性的討論 85
2.2 兩通路立體聲信號的檢拾與合成 88
2.2.1 XY檢拾 89
2.2.2 MS變換與MS檢拾 97
2.2.3 空間傳聲器對檢拾 105
2.2.4 近重合傳聲器對檢拾 108
2.2.5 多個點傳聲器和全景電位器技術 111
2.2.6 兩通路立體聲信號檢拾與合成的討論 114
2.3 兩通路立體聲與單通路聲信號的轉換 116
2.4 兩通路立體聲重放 117
2.4.1 兩通路立體聲的標準揚聲器布置 117
2.4.2 傾聽位置前后偏移對重放虛擬源的影響 118
2.4.3 傾聽位置左右偏移的影響與補償 120
2.5 本章小結 123
第3章 多通路環繞聲的基本原理與分析 125
3.1 多通路環繞聲的物理和心理聲學原理 125
3.2 多通路平面環繞聲的合成定位原理與分析方法 130
3.2.1 水平面多揚聲器合成虛擬源定位公式 130
3.2.2 疊加聲場的速度與能量定位矢量分析 133
3.2.3 有關水平面合成虛擬源定位公式的討論 140
3.3 多揚聲器重放部分相關與非相關信號 143
3.4 本章小結 144
第4章 均勻揚聲器布置的多通路平面環繞聲 146
4.1 分立四通路環繞聲的分析 147
4.1.1 四通路環繞聲概述 147
4.1.2 四通路環繞聲的分立-對信號饋給 148
4.1.3 四通路環繞聲的一階聲場信號饋給 152
4.1.4 分立四通路環繞聲的討論 156
4.2 其他均勻揚聲器布置的水平面多通路聲重放 157
4.2.1 六通路重放的分立-對信號饋給 157
4.2.2 一階聲場信號饋給與水平面M≥3通路重放 161
4.3 水平面聲場信號變換與Ambisonics 163
4.3.1 水平面一階聲場信號變換分析 164
4.3.2 水平面一階Ambisonics 168
4.3.3 水平面高階Ambisonics 174
4.3.4 水平面Ambisonics的討論與實施 182
4.4 本章小結 185
第5章 非均勻揚聲器布置的分立多通路平面環繞聲 186
5.1 伴隨圖像與通用聲重放系統概述 186
5.2 5.1通路環繞聲及其信號饋給分析 189
5.2.1 5.1通路環繞聲概述 189
5.2.2 5.1通路環繞聲的分立-對振幅信號饋給 190
5.2.3 5.1通路環繞聲的全局Ambisonics類信號饋給 196
5.2.4 前方三揚聲器信號的優化與局域Ambisonics信號饋給 203
5.2.5 通路時間差與5.1通路環繞聲虛擬源定位 205
5.3 其他通用的分立多通路平面環繞聲系統 206
5.4 低頻效果通路 210
5.5 本章小結 211
第6章 多通路三維空間環繞聲 212
6.1 多通路三維空間環繞聲的虛擬源定位分析 212
6.1.1 三維空間多揚聲器的合成虛擬源定位公式 212
6.1.2 三維聲場的速度與能量定位矢量分析 216
6.1.3 有關三維空間合成虛擬源定位理論的討論 218
6.1.4 與水平面合成定位公式的關系 219
6.2 中垂面和矢狀面兩揚聲器合成定位 222
6.3 基于振幅矢量的信號饋給 228
6.4 三維空間Ambisonics信號饋給與重放 230
6.4.1 三維空間Ambisonics的基本原理 230
6.4.2 三維空間一階Ambisonics重放的例子 235
6.4.3 水平面揚聲器布置和Ambisonics信號重放上方聲音信息 238
6.5 多通路三維空間環繞聲的一些發展與問題 239
6.5.1 一些多通路三維空間環繞聲系統 239
6.5.2 基于目標的空間環繞聲 243
6.5.3 多通路三維空間環繞聲的一些問題 246
6.6 本章小結 249
第7章 多通路環繞聲信號的檢拾與合成 250
7.1 多通路環繞聲信號檢拾與合成的基本考慮 250
7.2 5.1通路環繞聲信號的傳聲器檢拾技術 253
7.2.1 5.1通路環繞聲檢拾技術概述 253
7.2.2 5.1通路環繞聲信號的主傳聲器檢拾技術 253
7.2.3 前方三通路信號的傳聲器檢拾技術 260
7.2.4 環境聲信息的傳聲器檢拾及其與定位信息的組合 265
7.2.5 附加中心通路信號的檢拾 269
7.3 其他的多通路聲傳聲器檢拾技術 270
7.3.1 其他分立多通路聲的傳聲器檢拾技術 270
7.3.2 Ambisonics信號的檢拾 275
7.4 多通路環繞聲虛擬源定位信號的合成 276
7.4.1 虛擬源方向定位信號的合成方法 276
7.4.2 感知虛擬源距離與擴展的控制 278
7.4.3 運動虛擬源的合成 280
7.5 立體聲和多通路環繞聲中反射聲信息的合成 282
7.5.1 合成分立反射聲的延時算法 283
7.5.2 合成后期混響的無限脈沖響應濾波器算法 287
7.5.3 合成后期混響的有限脈沖響應與混合濾波器結構算法 293
7.5.4 信號的去相關處理方法 295
7.5.5 基于物理測量或計算的合成房間反射聲方法 297
7.6 多通路聲信號合成的方向聲頻編碼方法 299
7.7 本章小結 303
第8章 矩陣環繞聲與向下、向上混合 305
8.1 矩陣環繞聲系統 305
8.1.1 方形排列的矩陣四通路環繞聲系統 305
8.1.2 Dolby Surround系統 310
8.1.3 Dolby Pro-logic邏輯解碼技術 312
8.1.4 矩陣環繞聲與邏輯解碼技術的一些發展 314
8.2 多通路環繞聲信號的向下混合 319
8.3 環繞聲信號的向上混合 323
8.3.1 向上混合的基本考慮 323
8.3.2 前方通路信號的簡單向上混合 324
8.3.3 環境聲信息的簡單提取與增強 325
8.3.4 兩通路立體聲信號的模型與統計特性 326
8.3.5 標度掩蔽分解方法 329
8.3.6 主成分分析分解方法 332
8.3.7 最小均方誤差分解方法 338
8.3.8 時域自適應最小均方誤差分解方法 340
8.3.9 更多通路的信號分解與向上混合 342
8.4 本章小結 343
第9章 多通路聲的物理聲場檢拾與重構分析 344
9.1 理想重放的逐級近似與Ambisonics 345
9.1.1 理想平面環繞聲的逐級近似 345
9.1.2 理想空間環繞聲的逐級近似 351
9.2 多通路聲場重構及空間譜域分析方法 353
9.2.1 多通路聲場重構的普遍表述 353
9.2.2 水平面圓周上次級聲源陣列布置的空間譜域分析 356
9.2.3 球面次級聲源陣列布置的空間譜域分析 361
9.3 Ambisonics重構聲場和驅動信號的空間譜域分析 365
9.3.1 水平面Ambisonics的重構聲場 365
9.3.2 空間Ambisonics的重構聲場 371
9.3.3 混合階遠場Ambisonics 375
9.3.4 近場補償高階Ambisonics 376
9.3.5 復雜聲源信息的Ambisonics編碼 384
9.3.6 Ambisonics空間譜域分析的一些特殊應用 387
9.4 有關Ambisonics的一些問題 389
9.4.1 Ambisonics的次級聲源布置與穩定性 389
9.4.2 Ambisonics聲場的空間變換 394
9.5 Ambisonics重構聲場的誤差分析 398
9.5.1 Ambisonics重構聲場的積分波陣面誤差 398
9.5.2 Ambisonics次級聲源陣列布置的空間譜混疊 402
9.6 多通路重構聲場的空間域分析 404
9.6.1 空間域分析的基本方法 404
9.6.2 重構聲場的誤差與虛擬源合成定位公式 405
9.6.3 多通路重構聲場的空間域多場點控制方法 408
9.7 多通路聲重放中室內反射的消除 414
9.8 多通路環繞聲信號的傳聲器陣列檢拾 416
9.8.1 水平面Ambisonics信號的環形傳聲器陣列檢拾 417
9.8.2 空間Ambisonics信號的球形傳聲器陣列檢拾 419
9.8.3 有關傳聲器陣列檢拾的討論 422
9.9 本章小結 425
第10章 波場合成聲重放系統 427
10.1 波場合成的基本原理與實現 427
10.1.1 基爾霍夫-亥姆霍茲積分與波場合成 427
10.1.2 次級聲源類型的簡化 430
10.1.3 水平面波場合成與直線形次級聲源陣列布置 432
10.1.4 有限長次級聲源陣列與空間截斷效應 436
10.1.5 分立次級聲源布置與空間混疊 437
10.1.6 水平面波場合成系統的實施及相關的問題 440
10.2 波場合成的嚴格理論 442
10.2.1 亥姆霍茲方程的格林函數 443
10.2.2 三維空間波場合成的嚴格理論 446
10.2.3 二維空間波場合成的嚴格理論 450
10.2.4 聚焦虛擬聲源的合成 454
10.3 波場合成的重構聲場分析 458
10.3.1 波場合成聲場的普遍表述與空間譜域分析 458
10.3.2 波場合成的空間混疊分析 461
10.3.3 波場合成與空間譜相除法 466
10.4 聲場重構方法的進一步討論 468
10.4.1 不同聲場重構方法之間的關系與比較 468
10.4.2 聲全息與重構聲場的進一步分析 470
10.4.3 聲全息重放與Ambisonics關系的進一步分析 475
10.4.4 波場合成與Ambisonics比較 477
10.5 非理想條件下波場合成的均衡處理 480
10.6 本章小結 482
第11章 雙耳與虛擬聽覺重放 484
11.1 雙耳與虛擬聽覺重放的基本原理 484
11.1.1 雙耳檢拾和重放 484
11.1.2 虛擬聽覺重放 486
11.2 HRTF的獲取 488
11.2.1 HRTF的測量 488
11.2.2 HRTF的計算 491
11.2.3 HRTF的定制 493
11.3 HRTF的基本物理特性 494
11.3.1 遠場HRIR的時域特性 494
11.3.2 遠場HRTF的頻域特性 495
11.3.3 近場HRTF的特性 498
11.4 HRTF信號處理濾波器的設計 498
11.5 HRTF空間插值與基函數分解 501
11.5.1 HRTF空間插值 501
11.5.2 HRTF的空間基函數分解與空間采樣理論 503
11.5.3 HRTF空間插值與多通路聲信號饋給 507
11.5.4 HRTF譜形狀基函數分解與主成分分析 512
11.6 雙耳合成虛擬源信號處理的簡化 514
11.6.1 虛擬揚聲器方法 515
11.6.2 基函數線性分解方法 518
11.7 耳機-外耳傳輸特性均衡 520
11.7.1 耳機-外耳傳輸特性均衡的基本原理 520
11.7.2 耳機雙耳和虛擬聽覺重放的問題 525
11.8 雙耳聲信號的揚聲器重放 527
11.8.1 揚聲器重放雙耳聲信號的基本原理 527
11.8.2 兩揚聲器重放虛擬源的范圍 530
11.8.3 頭部運動與揚聲器重放虛擬源的穩定性 532
11.8.4 揚聲器重放的音色改變與均衡處理 533
11.9 立體聲和多通路環繞聲的虛擬重放 535
11.9.1 立體聲和多通路環繞聲的雙耳重放 535
11.9.2 立體聲虛擬源分布的擴展 539
11.9.3 多通路環繞聲的揚聲器虛擬重放 541
11.10 虛擬聽覺環境與動態實時繪制系統 545
11.10.1 室內反射聲的雙耳模擬 545
11.10.2 動態實時繪制系統 546
11.11 本章小結 549
第12章 空間聲重放的雙耳聲壓和聽覺模型分析 551
12.1 合成虛擬源與聽覺事件的雙耳聲壓物理分析 551
12.1.1 雙耳聲壓及定位因素的計算 551
12.1.2 合成定位的分析方法 556
12.1.3 聲級差型立體聲和多通路環繞聲的雙耳聲壓分析 558
12.1.4 時間差型立體聲的合成定位分析 564
12.1.5 非中心傾聽位置的合成定位分析 567
12.1.6 通路信號相關性與空間聽覺事件的分析 572
12.2 雙耳聽覺模型與空間聲重放分析 575
12.2.1 虛擬源側向定位模型與分析 576
12.2.2 虛擬源垂直與前后定位模型分析 579
12.2.3 雙耳響度模型與空間聲重放的音色分析 581
12.3 聲重放雙耳聲信號的測量與分析 586
12.4 本章小結 587
第13章 空間聲信號的記錄與傳輸 588
13.1 聲頻信號的模擬記錄與傳輸 589
13.1.145±/45±盤式記錄 589
13.1.2 磁性模擬記錄 591
13.1.3 模擬立體聲廣播 591
13.2 數字聲頻信號記錄與傳輸的基本概念 593
13.3 量化噪聲及其整形 596
13.3.1 量化信噪比 596
13.3.2 量化噪聲整形與 1bitDSD編碼 597
13.4 數字聲頻信號壓縮編碼的基本原理 600
13.4.1 數字聲頻信號壓縮編碼概述 600
13.4.2 自適應差分脈沖編碼調制 602
13.4.3 時-頻域感知壓縮編碼 604
13.4.4 矢量量化 608
13.4.5 空間聲頻編碼 609
13.4.6 譜帶復制 611
13.4.7 熵編碼 611
13.4.8 基于目標的聲頻編碼 612
13.5 MPEG系列壓縮編碼標準 613
13.5.1 MPEG-1壓縮編碼 613
13.5.2 MPEG-2 BC壓縮編碼 616
13.5.3 MPEG-2 AAC壓縮編碼 618
13.5.4 MPEG-4編碼 621
13.5.5 MPEG參數化空間聲與聯合語言、聲頻編碼 622
13.5.6 MPEG-H3D聲頻標準 626
13.6 Dolby系列的壓縮編碼技術 630
13.6.1 Dolby Digital壓縮編碼技術 630
13.6.2 Dolby壓縮編碼技術的擴展 634
13.7 DTS系列壓縮編碼技術 638
13.8 MLP無損壓縮編碼技術 641
13.9 ATRAC壓縮編碼技術 643
13.10 中國聲頻信號壓縮編碼技術與標準 644
13.11 聲頻信號的光盤記錄 646
13.11.1 光盤的結構、存儲原理與分類 646
13.11.2 CD及其聲頻格式 648
13.11.3 DVD及其聲頻格式 651
13.11.4 SACD及其聲頻格式 655
13.11.5 藍光光盤及其聲頻格式 655
13.12 數字聲音廣播與數字電視的聲音 657
13.12.1 數字聲音廣播與數字電視聲音概述 657
13.12.2 Eureka-147數字聲頻廣播 658
13.12.3 數字調幅廣播 660
13.12.4 帶內同頻廣播 661
13.12.5 數字電視的聲音 661
13.13 聲頻信號的計算機記錄與傳輸 662
13.14 本章小結 663
第14章 空間聲重放的聲學條件 665
14.1 空間聲重放的聲學條件概述 665
14.2 聽音室的聲學設計與考慮 666
14.3 揚聲器布置與特性 669
14.3.1 聽音室內主揚聲器的布置 669
14.3.2 主揚聲器特性 671
14.3.3 低頻管理與次低頻揚聲器的布置 672
14.4 信號電平與監聽聲級的校準 675
14.5 空間聲重放條件的標準或指引 677
14.6 空間聲重放的耳機與雙耳虛擬監聽 682
14.7 影院空間聲重放的聲學條件與設計 682
14.8 本章小結 686
第15章 空間聲主觀評價和心理聲學實驗 688
15.1 空間聲主觀評價的心理聲學實驗概述 688
15.2 空間聲主觀評價的內容與屬性 692
15.3 主觀對比與選擇實驗評價 695
15.3.1 主觀對比與選擇實驗及其分析方法 695
15.3.2 主觀對比與選擇實驗的例子 697
15.4 高質量空間聲系統小質量損傷的定量評價方法 698
15.5 中等質量空間聲系統的定量評價方法 700
15.6 虛擬源定位實驗 702
15.6.1 虛擬源定位實驗的基本方法 702
15.6.2 虛擬源定位實驗結果的初步分析 703
15.6.3 虛擬源定位實驗的一些結果 706
15.7 本章小結 708
第16章 空間聲的應用及相關的問題 710
16.1 商用影院、家用和汽車內的空間聲重放應用 710
16.1.1 空間聲在商用影院的應用及相關問題 710
16.1.2 空間聲在家用重放的應用及相關問題 715
16.1.3 汽車內的空間聲重放及相關問題 718
16.2 虛擬現實、通信、多媒體和移動播放設備的應用 719
16.2.1 虛擬現實的應用 719
16.2.2 通信與信息系統的應用 721
16.2.3 多媒體的應用 723
16.2.4 移動和手持產品應用 724
16.3 空間聽覺與心理聲學科學實驗的應用 725
16.4 聲場可聽化的應用 728
16.4.1 室內聲場的可聽化 728
16.4.2 可聽化技術的其他應用 731
16.5 空間聲在醫學的應用 732
16.6 本章小結 734
參考文獻 735
附錄A 球諧函數 794
附錄B 主觀評價與心理聲實驗數據的一些統計分析方法 800
Abstract(英文摘要) 806
Contents(英文目錄) 807
《現代聲學科學與技術從書》已出版書目 819


(本期編輯:王芳)


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