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




完整的声音感知过程：

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1 h4 J# o) H4 E! Z3 z2 \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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7 r% X& O7 c% L/ [9 j  h+ a$ |' }
# T: v% b( c" s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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( W8 l. d, q% L
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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  t" s0 @" u* \7 a" ]" K
* J1 l) q' I# ~1 O" v3 V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 z1 v) {3 f! L# Y5 y* n$ m* y* c* {5 q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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+ y/ }: c) g& R, }; G# M3 E

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9 ]1 H  s( u. \# T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。
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/ _+ ?7 t& D% d" s3 t, S( X外围生理听觉系统简化示意图：
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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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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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9 ~/ b* Y& x. U0 P

6 u: s, ~$ E9 t* C$ e5 O9 C* @) t


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$ |! }) y9 d5 o. _9 C2 h; w0 e

5 W0 c2 D" z7 h! h$ D0 x, T$ W+ z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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0 A& a) Q: u: Q7 d, @
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/ _. m; y. I! n& g水平定位主要通过双耳时间差（ITD），双耳声级差（ILD）。
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2 g9 |! O8 J+ f7 \4 y( w9 y当然还有不同方向入射的声源频谱因素

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3 _( m: x8 `3 }* x. k# S

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HRTF和BIR是等效的。下图是45°是左右耳的BIR响应：
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: A. Q# n4 i1 |: W

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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 C3 b; l9 i/ v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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" F) S' \8 L8 @+ J) i* n/ a7 J


1 a' H" F- t7 ~- `% m0 E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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( r+ h& G9 j! U2 A7 e

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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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2 s, ]4 A* o; i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。