【摘要】：Ambisonics是一種對重放聲場進(jìn)行逐級近似的空間聲重放系統(tǒng)。隨著Ambisonics階數(shù)的增加,重構(gòu)聲場的準(zhǔn)確程度逐級增加,其感知性能也逐級改善,但系統(tǒng)的復(fù)雜程度也逐級增加。混合階Ambisonics考慮了人類聽覺對水平和垂直方向感知的精確度差異,采用相對高階(L_(2D)階)的空間諧波重放水平方向的聲場空間信息,而采用相對低階(L_(3D)階)的空間諧波重放垂直方向的聲場空間信息,從而實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜性與重放性能的合理折中。由于在階數(shù)組合的選取上具有較高靈活度,在揚聲器布置方案上具備多樣性,混合階Ambisonics作為Ambisonics的一個重要分支,近年來逐漸成為空間聲的一個研究熱點,在科學(xué)研究、民用娛樂等多個領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用價值。作為二十一世紀(jì)初期出現(xiàn)的一種新發(fā)展的空間聲重放系統(tǒng),混合階Ambisonics目前仍處于發(fā)展的初始階段,盡管國際上已有部分課題組對此展開研究,但相關(guān)的報道依舊較少,且現(xiàn)有文獻(xiàn)中也存在著許多不完善的地方。主要體現(xiàn)在:大部分的研究都停留在對混合階Ambisonics重構(gòu)聲場物理性質(zhì)的分析上,對其心理聲學(xué)方面的分析較少,特別缺乏方向定位因素的心理聲學(xué)分析、重放音色分析等方面的工作。實驗方面,有關(guān)主觀聽覺實驗中也大多以定位感知為主,對于重放音色的評估甚少涉及。另外,目前的研究只限于產(chǎn)生遠(yuǎn)場虛擬源的的情況,對產(chǎn)生不同距離的近場虛擬源方面未見有報道;而國內(nèi)對于混合階Ambisonics的研究則鮮有報道。為此,本文開展了一系列關(guān)于混合階Ambisonics聲重放的研究工作。考慮到混合階Ambisonics必須采用非均勻揚聲器布置,本文首先探討了非均勻揚聲器布置下的系統(tǒng)穩(wěn)定性問題,從多種經(jīng)典層式揚聲器布置以及增加水平面揚聲器數(shù)量兩方面入手,采用數(shù)值分析的方法,通過分析揚聲器方向矩陣的條件數(shù),定性地評估了重放系統(tǒng)對細(xì)微誤差的敏感程度。結(jié)果表明,基于分層式揚聲器布置的混合階Ambisonics聲重放系統(tǒng),其系統(tǒng)穩(wěn)定性可通過對應(yīng)的L_(3D)階(較低階數(shù))空間Ambisonics的情況進(jìn)行預(yù)測,當(dāng)水平面揚聲器數(shù)量M_H與L_(2D)階(較高階數(shù))滿足M_H≥(2L_(2D)+1)時,增加L_(2D)或揚聲器數(shù)量M_H均會增加系統(tǒng)對誤差的敏感度,但一般而言,系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍處于可接受范圍內(nèi)。該結(jié)果對混合階Ambisonics聲重放系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計具有重要的參考價值。其次建立了空間聲重放(包括空間Ambisonics和混合階Ambisonics)的虛擬源定位的基本分析框架,并以實際搭建的29個揚聲器布置為例,對空間Ambisonics聲重放的中垂面合成定位進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明Ambisonics聲重放可以提供適當(dāng)?shù)牡皖l動態(tài)因素,可實現(xiàn)中垂面上的合成定位,其中3階空間Ambisonics聲重放的中垂面定位效果近似單一實際聲源的定位效果。虛擬源定位實驗進(jìn)一步驗證了分析的有效性。該工作可認(rèn)為是對Wallach關(guān)于垂直方向定位因素假設(shè)證明的一個有力補充。在實際的29個揚聲器布置的基礎(chǔ)之上,實現(xiàn)了國內(nèi)首個混合階Ambisonics聲重放系統(tǒng),通過對雙耳聲壓誤差的分析,進(jìn)一步提出了混合階Ambisonics聲重放系統(tǒng)的設(shè)計指引:硬件條件許可的情況下,應(yīng)當(dāng)取其較低階數(shù)為3,從而在盡量少增加系統(tǒng)復(fù)雜度的基礎(chǔ)上,保證足夠的空間方向分辨率。通過虛擬源定位實驗,驗證了該揚聲器陣列確實可實現(xiàn)高至3/5階混合階Ambisonics聲重放,有穩(wěn)定的重放效果及合理的空間方向定位精度,較傳統(tǒng)的空間Ambisonics聲重放,混合階Ambisonics聲重放在水平面上有更好的定位性能,可以達(dá)到其設(shè)計的初衷�；陔p耳響度級譜的分析方法,從理論上分析了水平面揚聲器數(shù)量對混合階Ambisonics聲重放系統(tǒng)重放音色的影響,并通過主觀評價實驗加以驗證。結(jié)果表明,當(dāng)揚聲器數(shù)量滿足空間采樣理論最低要求的前提下,在頻率小于Shannon-Nyquist上限頻率時,水平面揚聲器數(shù)量對音色的影響可忽略;在頻率大于這個上限頻率時,水平面揚聲器數(shù)量對音色的影響取決于目標(biāo)虛擬源的方位角。對于側(cè)向目標(biāo)虛擬源,其音色的改變程度隨揚聲器數(shù)量的增加而減少,對于前方(或后方)虛擬源則呈現(xiàn)相反的結(jié)果。該結(jié)果一方面證實了雙耳響度級譜可用于定量地分析音色的改變程度,另一方面也為混合階Ambisonics聲重放系統(tǒng)的設(shè)計提供了另一角度的考量。提出了近場補償混合階Ambisonics聲重放的基本原理與設(shè)計思路,并以29個揚聲器布置為例,對其進(jìn)行了雙耳聲壓重構(gòu)誤差的理論分析以及虛擬源距離感知實驗。結(jié)果表明,3/5階近場補償混合階Ambisonics聲重放至少能夠提供部分距離定位信息,實現(xiàn)對側(cè)向虛擬源(非中垂面)的距離控制,也證實了空間3階重放即可得到可靠的側(cè)向聲源定位,而其水平面聲源距離感知精度較其他仰角聲源高。此外,如信號中含響度因子,則系統(tǒng)的距離感知性能將進(jìn)一步提升。該結(jié)果對系統(tǒng)的簡化具有重要的指導(dǎo)意義。本文全面且深入地研究了混合階Ambisonics聲重放的方向及距離的定位感知性能和音色的變化情況,彌補了當(dāng)前國內(nèi)外對此研究的不足,也為今后的進(jìn)一步研究及應(yīng)用提供了重要的依據(jù)。
【圖文】：

圖 2-2 0 ~ 4 階球諧函數(shù)的空間指向性圖[69]Fig. 2-2 The spatial directivity pattern of 0 ~ 4 order spherical harmonics的方向為 Ωi= (θi, i)，信號(增益)為 Ei(ΩS)。如果球面半徑滿足遠(yuǎn)場條件，則每個揚聲器發(fā)出的聲波可近似看成平面波。對于空間任意場點(r, Ω) = (r, θ, )，其重放聲

(c) (d)圖 2-3 四種分層式非均勻揚聲器布置的結(jié)構(gòu)示意圖，a. 81 個揚聲器等角布置，b. 50 個揚聲器高斯布置，c. SCUT29，d. DTU29Fig. 2-3 The schematic diagram of 4 kinds of nonuniform layer-wise loudspeaker arrangement, a. 81louspeakers equiangular arrangement, b. 50 loudspeakers Guassian arrangement, c. SCUT29, d. DTU29
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN643

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

1 謝菠蓀,師勇,謝志文,管善群;5.1通路環(huán)繞聲的虛擬重放系統(tǒng)[J];聲學(xué)學(xué)報;2005年03期

2 謝菠蓀;6.1通路通用平面環(huán)繞聲系統(tǒng)的研究[J];聲學(xué)學(xué)報;2001年06期

3 谷紀(jì)義，謝菠蓀;兼容主體聲重發(fā)系統(tǒng)的研究[J];電聲技術(shù);1996年08期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉陽;Ambisonics聲重放系統(tǒng)的穩(wěn)定性與音色的研究[D];華南理工大學(xué);2014年

2 張承云;虛擬聽覺環(huán)境實時繪制系統(tǒng)平臺研究[D];華南理工大學(xué);2012年

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本文編號：2633974