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[交流分享] 影音科普:完整的声音感知过程分享

2021-1-7 16:33:27 2247 0 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

夏天小风扇 楼主

2021-1-7 16:33:27

完整的声音感知过程:1 K& b- H: B. C7 p
& A  A6 |8 a  P* v
1(1).jpg 3 ]6 J& S' p+ t

; g( J+ `/ o& c* 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。
! I; S; ]. s2 A  u
1 ~5 J3 d$ X/ N/ q4 I 2(1).jpg , {4 f) [8 J* K' {  t' u. f9 `7 d' _0 C
: W, R/ {8 ]! g9 l
人头相关模型的传递函数可以将声压场转换为双耳响应。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。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。
3 @' H$ ]! }4 d& ]7 q2 ?6 e( X/ Y5 Q+ _4 h3 S" a; [* y, f
房间脉冲响应:) z' G' R% R( _8 V% @3 E
3(1).jpg 6 ?7 S' E$ v! {' ~1 ^

6 D; ~: A- @  c- v, y2 r3 _1 r) g+ M时间包络曲线:
, M3 h1 C' L4 n6 }' R5 v$ i! Y 4(1).jpg
  g/ [% I6 N% {" }. ]9 z- ^; |. t5 v" q
RIR只是声压的评估,本身并不携带关于声场方向性的信息。+ x& P. J" n+ I+ V" r/ _8 C% ?
外围生理听觉系统简化示意图:
" p9 R3 y* X& A# B
" ?/ E. k& d' a( \- l+ E 5(1).jpg ( c, M, h! h: |3 O5 j3 o; z

- P  p) d0 s( b8 F! K# j# e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。
  e/ Q+ m! g8 ~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。! V+ f9 P. {% S, h! P* x  p

1 D; _; d0 L; Y- B5 z% @) Y 6(1).jpg $ M) E5 W& J, F
- w8 e  }) [5 O0 g% g5 f$ {, D5 m6 `
7(1).jpg
- _- x5 r% F: h, z: _* v
  Y: ^+ }5 K+ e. v" v0 ~- ^% ~ 8(1).jpg
+ j% Z" x  B  T" d2 n  e! S7 `9 l; A) E- @9 [
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% L) L7 Z8 X1 G" \
9(1).jpg ' O" N5 @! N( C1 [

8 A) e0 Z4 u# Z' YRIR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)。2 K( X* C* a# X# Z/ f! m! }8 Y
% x: _; @% H: z+ Y3 m
人头在声场中对声场分布的改变:220Hz,600Hz,1400Hz
1 c, ?% r& G% ~7 n: E  F 10.png
7 l6 y6 f) w5 B" U! W2 N: h% K' D* g& D* C& P
水平定位主要通过双耳时间差(ITD),双耳声级差(ILD)。" B7 A4 W' D/ l' \4 q- x; v9 x

: [! _. c, a+ \8 D; I8 M人听觉系统的单声源定位
5 m7 c! Y# q, c6 d: Q7 ? 11.png 7 K; ]# ^# j/ \- `' f
% Q4 M) ~% S  \3 V$ Z- t$ ?( O
当然还有不同方向入射的声源频谱因素+ C. D" ?) b6 h/ q* ^
12(1).jpg * u( @# M5 f1 l0 I1 @' D. y. d
HRTF和BIR是等效的。下图是45°是左右耳的BIR响应:
: h. N: k$ ?) c; t% M  x 13(1).jpg 3 Q2 `% @5 M& z' g* T- U
: z/ h! _' h9 R$ \$ X
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。, {4 u" N0 |2 c. `2 A
, |5 `$ v  o0 w9 V4 e
下图是一个音乐厅的离散化模型。0 U. M9 f$ r% p: ^, D/ u, J
14.png + _9 o4 E9 p% Y0 n5 s3 u
6 x* p+ K! c2 w" H7 \5 {* d
人头的离散化模型5 ^9 B1 [* Z3 P
15.png & p, Z1 f% h# @5 M
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。3 s) K) o, g; S/ F0 C- l
640.gif
- J/ q! w6 ^: d* F3 P. `) L" x$ N( q5 B
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。* T9 W* I& }0 C* Z4 L; ]
17(1).jpg
, X2 e  V5 l% k, i7 |- o+ g% K+ }
6 V3 A- D8 E) q/ A1 `/ D  b, B4 ? 18(1).jpg 3 P) i5 ]9 V4 X( m2 n6 J8 W
5 O; ]3 {3 r4 t/ Y) L! k
19(1).jpg : v! n; z+ H* l4 F

. B- a* j1 v. e4 _  \8 q* A仿真在自由场和场景中存在障碍物声传播的差别: z. g, P" i+ O& F9 R7 j4 d! F0 F& q
/ |/ p8 w, T8 ]
21(1).jpg ' e3 c. g( {: s- I- H9 |
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。
' e  F5 P# J' ~6 ^: T: x
6 @+ }. [7 a0 V' p+ |6 J% ~2 o& N' w" @
原文出处: 声学号角
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