應(yīng)用雙耳效應(yīng)控制虛擬聲像位置變化研究

宮明泉　熊婕　賴?yán)钊A

摘 要：人們在現(xiàn)實(shí)聲環(huán)境下聽到的聲信號由于經(jīng)過了身體和耳廓等結(jié)構(gòu)散射后相當(dāng)于經(jīng)過了一個(gè)濾波器組，而正是濾波后的聲信號使人們產(chǎn)生了空間方位感。使用HRTF函數(shù)（即頭相關(guān)變換函數(shù)，是模仿人耳處理聲源信息的一種音效定位算法）對原始音頻進(jìn)行時(shí)域卷積處理可以使原始音頻信號的聲像位置產(chǎn)生可控的變化，即令人主觀感覺到聲源是在空間不斷移動(dòng)的。我們自主進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用MATLAB軟件和MIT HRTF數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了對虛擬聲像位置變化的控制，得到了可行程序和有效音頻，然后完成了本項(xiàng)目處理所得音頻與傳統(tǒng)軟件處理所得立體聲的對比，此外還建立了有效的HRTF擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫。

關(guān)鍵詞：HRTF 虛擬聲像 立體聲

中圖分類號：TB5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）06-0-01

一、引言

人耳聲源方位感的重要定位功能， 也是生物、醫(yī)學(xué)和音樂等專業(yè)重要的物理教學(xué)內(nèi)容.應(yīng)用物理手段測量或演示雙耳效應(yīng)機(jī)理，有助于學(xué)生對雙耳效應(yīng)的深入理解。[1-2]

二、實(shí)驗(yàn)原理

在有聲音存在的環(huán)境， 人們在聽到聲音的同時(shí)， 還感覺到聲音來自何方， 大約距離， 這就是人耳的聲源方位感在起作用.聲源方位感是聽覺器官對聲音的音高、音強(qiáng)、音色、音長感覺之外的又一個(gè)感覺要素， 它涉及到復(fù)雜的生理學(xué)、心理學(xué)方面的問題， 其中的一些基本機(jī)理細(xì)節(jié)， 至今尚未十分明了.聲源方位感是立體聲技術(shù)的理論依據(jù)。[3]

HTF可行性原理：人們在現(xiàn)實(shí)聲環(huán)境下聽到的聲信號由于經(jīng)過了身體和耳廓等結(jié)構(gòu)散射后相當(dāng)于經(jīng)過了一個(gè)濾波器組，而正是濾波后的聲信號使人們產(chǎn)生了空間方位感。

HRTF函數(shù)（即頭相關(guān)變換函數(shù)，是模仿人耳處理聲源信息的一種音效定位算法）對原始音頻進(jìn)行時(shí)域分段卷積處理“模擬替代”人體自身的耳部結(jié)構(gòu)使原始音頻信號產(chǎn)生可控的環(huán)繞聲效果，即令人主觀感覺到聲源是在空間不斷移動(dòng)的。通過分析研究HRTF函數(shù)嵌套處理聲信號的原理及過程直接對自設(shè)計(jì)錄音音頻進(jìn)行HRTF嵌套，實(shí)現(xiàn)虛擬聽覺控制，并通過相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)雙聲道wav音頻的虛擬環(huán)繞聲。

三、實(shí)驗(yàn)器材與實(shí)驗(yàn)方法

OKM-II professionell Originalkopf-Mikrofon（一款德系人頭錄音專用麥克風(fēng)，以下簡稱麥克風(fēng)）、聲源（手機(jī)、平板）、計(jì)算機(jī)、（軟件）matlab、（軟件）audacity

1.實(shí)驗(yàn)步驟

1.1實(shí)驗(yàn)一步驟

1.1.1在matlab軟件上編寫環(huán)繞立體聲處理程序，對選定單聲道音頻“Because of You.mp3”進(jìn)行嘗試處理。試聽處理后音質(zhì)效果。

1.1.2在自然混響室里進(jìn)行人頭錄音，受試者耳戴OKM-II麥克風(fēng)，保持靜止?fàn)顟B(tài)（頭部無搖晃，無轉(zhuǎn)動(dòng)），另一成員手持聲源（手機(jī)），在受試者頭部周圍進(jìn)行環(huán)繞。對比兩段音頻的效果。

1.2實(shí)驗(yàn)二步驟

1.2.1選擇待處理的音頻“情歌王.mp3”一部分，進(jìn)行設(shè)計(jì)分段，使用音樂軟件將其截取為5段并分別導(dǎo)出

1.2.2在自然混響室里進(jìn)行人頭錄音。受試者耳戴OKM-II麥克風(fēng)，保持靜止?fàn)顟B(tài)（頭部無搖晃，無轉(zhuǎn)動(dòng)）。在受試者左前（標(biāo)記1）、右前（標(biāo)記2）、右后（標(biāo)記3）、左后（標(biāo)記4），均45度方向放置4個(gè)聲源，分別播放分段音頻的4個(gè)階段，播放順序?yàn)椋?-2-3-4，其中4號聲源還負(fù)責(zé)播放第5段音頻，播放位置換至測試者頭部正上方。

1.2.3在matlab軟件上編寫靜態(tài)立體聲處理程序，對步驟2錄制好音頻處理。驗(yàn)證是否可以模擬出虛擬靜態(tài)聲像。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備階段所得音頻可以聽出音像在聽者右前方靠近正右方的方向

實(shí)驗(yàn)一預(yù)期結(jié)果虛擬聲像可環(huán)繞聽者360°移動(dòng)，轉(zhuǎn)速可控。

實(shí)驗(yàn)二預(yù)期結(jié)果可以模擬還原出真實(shí)聲源（具有明顯方位感）效果。

可以明顯看出處理之后的音頻左右聲道的頻譜不同，通過處理讓完全相同的左右聲道輸出的聲壓、相位、頻率都不相同，從而聽者會(huì)感覺到方位感環(huán)繞感。

音頻處理程序、HRTF數(shù)據(jù)庫、處理的音頻文件如有需要請聯(lián)系17854295562@163.com

五、結(jié)束語

各大音樂軟件（如QQ音樂，網(wǎng)易云音樂，酷狗音樂等）都在開發(fā)音樂特效，環(huán)繞即是其中的一種，作為一種普適性的立體聲處理，這也是我們項(xiàng)目已經(jīng)完成的部分之一，在人們對影音體驗(yàn)要求越來越高的今天，這種技術(shù)具有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

[1]胡澤.音樂聲學(xué)[ M] .1.北京：中國廣播電視出版社， 2003：33-36 .

[2]齊娜，子厚.音響師聲學(xué)基礎(chǔ)[ M] .1.北京：國防工業(yè)出版社， 2006 ：53-54 .

[3]郝乃瀾，凱杰，曉琳，書明。雙耳效應(yīng)機(jī)理教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).理實(shí)驗(yàn)，2010 06 ：30-6