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從聲源到聲音感知和房間中的聲音傳播(圖解)

來源:聲學號角     作者:辜磊    編輯:小月亮    2020-10-14 19:13:25     加入收藏

揚聲器或者其他產(chǎn)生一個聲源,聲音通過房間/環(huán)境傳播,繞過人頭傳入雙耳,并聽過生理聽覺系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng),從而感知到聲音信號。分別牽涉到物理聲學和心理聲學。

  完整的聲音感知過程:

  揚聲器或者其他產(chǎn)生一個聲源,聲音通過房間/環(huán)境傳播,繞過人頭傳入雙耳,并聽過生理聽覺系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng),從而感知到聲音信號。分別牽涉到物理聲學和心理聲學。

  人頭相關模型的傳遞函數(shù)可以將聲壓場轉換為雙耳響應。

  聲源方向,房間/環(huán)境的幾何形狀,邊界條件,頭部尺寸和形狀,聽覺系統(tǒng)等都會對最終的聲音感知造成影響??梢苑謩e單獨考慮,也需要整合起來一起考慮。

  大多數(shù)實際情況下,房間可以看成線性時不變系統(tǒng),其空間傳遞函數(shù)可以使用脈沖響應RIR作為特征。

  一個1700m^3小型音樂廳的聲學測試結果。其中聲場的直接能量標記為黑色,早期反射能量標記為藍色,藍色之后的漸變屬于混響場的建立過程。

  房間脈沖響應:

  時間包絡曲線:

  RIR只是聲壓的評估,本身并不攜帶關于聲場方向性的信息。

  外圍生理聽覺系統(tǒng)簡化示意圖:

  聲波通過耳廓,傳到耳道,振動鼓膜。鼓膜推動錘骨-砧骨-鐙骨,再將振動傳遞到耳蝸,從而轉換為神經(jīng)電信號,通過聽覺神經(jīng)傳入大腦。

  耳道是一個不規(guī)則形狀的管,其平均尺寸大約是水平方向6.5mm,垂直方向9mm,長度約25mm到35mm。其諧振頻率約在2-5kHz范圍內(nèi)。

  耳蝸的橫截面:人的聽覺系統(tǒng)組成部分很多,還是比較復雜的

  RIR描述的是空間兩個位置之間的傳遞函數(shù)。如果是人在聽音,那么實際上有兩個脈沖響應應該考慮,通常被稱為雙耳脈沖響應Binaural Impulse Response (BIR)。當在房間中測量時,被稱為Binaural Room Impulse Response (BRIR)。

  人頭在聲場中對聲場分布的改變:220Hz,600Hz,1400Hz

  水平定位主要通過雙耳時間差(ITD),雙耳聲級差(ILD)。

  當然還有不同方向入射的聲源頻譜因素

  HRTF和BIR是等效的。下圖是45°是左右耳的BIR響應:

  對室內(nèi)聲場進行建模,一般可以通過射線追蹤,或者波動聲學進行求解計算。

  下圖是一個音樂廳的離散化模型。

  人頭的離散化模型

  射線追蹤,一般用于中高頻,對低頻的一些波動和衍射等現(xiàn)象計算準確度不夠

  波動聲學可以采用時域有限元法FETD,但計算量會比較大。用時域有限差分法FDTD,或間斷有限元DG,比較多。

  室內(nèi)聲場的動態(tài)波動仿真建模

  仿真在自由場和場景中存在障礙物聲傳播的差別

  室內(nèi)的聲場仿真和研究對改善現(xiàn)有音箱產(chǎn)品的體驗,以及后續(xù)的VR/AR都是很關鍵的。

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