如何使便攜產(chǎn)品產(chǎn)生空間音頻

提示:

.揚(yáng)聲器數(shù)量及其間距限制了便攜立體聲系統(tǒng)的聲場。

.空間音頻試圖人工重新制造出真實(shí)世界里聆聽聲音的體驗(yàn)，或者建立一個(gè)并不實(shí)際存在的感官空間環(huán)境。

.使用HRTF（人頭相關(guān)傳輸函數(shù)）信息，可以對(duì)雙耳的聲音做合成，使之仿佛來自聆聽者所處空間中的任一點(diǎn)。

.聲學(xué)波束形成功能使音波指向某個(gè)方向，而不是揚(yáng)聲器的典型輻射模式。

.通過一個(gè)揚(yáng)聲器陣列提供空間立體聲，需要一種有效的串?dāng)_抑制算法。

.很多方法都可以提供空間音頻，但對(duì)于一臺(tái)小型便攜設(shè)備上的任何合理尺寸，它們大部分都不適用。

一個(gè)立體聲音響系統(tǒng)所產(chǎn)生的聲場通常受制于揚(yáng)聲器的物理位置，并且聆聽者收到的音響事件受限于兩只揚(yáng)聲器的跨度。對(duì)于便攜式的小型音響系統(tǒng)，用戶感受到的立體聲聲場非常有限，幾乎就是單聲道。為克服這一限制，可以采用空間音頻發(fā)聲技術(shù)，擴(kuò)展立體聲聲場，獲得更好的串?dāng)_抑制，并增強(qiáng)某些空間定位性能。

空間音頻

自然狀態(tài)下，在你周圍發(fā)出的聲音本身就是有空間性的。聲源是整個(gè)空間中一個(gè)小區(qū)域中的某個(gè)點(diǎn)，不過也有一些聲源是發(fā)自廣闊的區(qū)域，如地震和山崩。聲音在環(huán)境中的各個(gè)物體上反射。你聽到的是雙耳的直射聲和反射聲，通過人的一些聽覺處理后，最終辨識(shí)出聲音。你可以對(duì)處理過的聲音作出一些判斷，用一些標(biāo)志確定它們的特性，如方向、位置、響度、背景、品質(zhì)、遠(yuǎn)近、音調(diào)、豐滿還是單薄。如果有兩個(gè)或更多聲源，也可以確定每個(gè)聲源相對(duì)于耳朵接收到的全部聲音的混合特性。

空間音頻這個(gè)詞匯表示用電子或機(jī)械方式做聲音的重現(xiàn)，它試圖人工地重新創(chuàng)造出聲音的真實(shí)世界聆聽體驗(yàn)。另外，它還試圖用人工改變?cè)佻F(xiàn)的聲音，創(chuàng)造出一種原來可能并不存在的感受空間環(huán)境。

空間音頻重現(xiàn)的原理很簡單：如果到達(dá)兩個(gè)耳鼓的重現(xiàn)聲波與某個(gè)位置上的真實(shí)聲源完全相同，則你會(huì)感受到重現(xiàn)聲仿佛來自該位置的一個(gè)音源。這與該聲源是否發(fā)自其它位置無關(guān)。到達(dá)耳朵的聲音數(shù)據(jù)經(jīng)過大腦處理，最終特定出有關(guān)聲音的各方面特性。

HRTF

耳朵的HRTF（人頭相關(guān)傳輸函數(shù)）描述了你從空間某個(gè)點(diǎn)接收和處理聲音的方式。頻響HRTF描述了人體匯集聲音信號(hào)的方式，以及耳廓（或外耳）與耳道在聲音到達(dá)耳蝸前過濾信號(hào)的方式。環(huán)形對(duì)稱的外耳（或耳廓）構(gòu)成了形狀特殊的天線，使經(jīng)過位置相關(guān)和頻率相關(guān)過濾的聲音到達(dá)耳鼓，尤其是較高頻率的聲音。

圖1 人頭相關(guān)傳輸函數(shù)考慮了聲波在不同時(shí)間進(jìn)入人耳，并且由于兩耳距離差而有不同強(qiáng)度，從而定位空間中的聲源。

HRTF是對(duì)不同距離和方向所接收聲音的左耳和右耳脈沖響應(yīng)（或人頭相關(guān)脈沖響應(yīng)）靜態(tài)測量值的傅里葉變換。ILD（雙耳聲級(jí)差）和ITD（雙耳時(shí)間差）都來自每只耳朵所聽到的聲音（圖1）。

每個(gè)人的HRTF都有差異，因?yàn)橛袝r(shí)聽力與身體特性有明顯差別。但是，多個(gè)HRTF測量的數(shù)據(jù)庫采用了一般的分類法，如男性或女性，以及年輕人或老人，通常用于那些需要HRTF的消費(fèi)音頻應(yīng)用。這種測量可能要花很多時(shí)間，因?yàn)槿藗儾豢赡荛L時(shí)間地將自己的頭部保持在一個(gè)固定位置，因而得到的是不確定數(shù)據(jù)。于是，有些HRTF數(shù)據(jù)的創(chuàng)建者僅對(duì)仿真頭做測量，這種仿真頭是按照人類平均人頭與人耳而建立的模型，避免了頭部運(yùn)動(dòng)的誤差。

你的耳朵能以三個(gè)維度確定聲音的方向，前/后、上/下，以及兩側(cè)，角分辨率約為3°，另外還可以估計(jì)出距離，因?yàn)槟愕拇竽X、內(nèi)耳和外耳會(huì)使用來自一只耳朵的單音，并與兩只耳朵收聽到的立體聲（或聲差）作比較。在自然環(huán)境下，個(gè)人已經(jīng)通過多次試錯(cuò)和終身體驗(yàn)，了解了自己聲音定位能力的準(zhǔn)確度（即他們的HRTF數(shù)據(jù)），并能有效地補(bǔ)償自己身體的形態(tài)與構(gòu)成。

通過對(duì)現(xiàn)有聲音信號(hào)采用適當(dāng)?shù)倪^濾器，并將聲音與HRTF信息想結(jié)合，可以合成似乎來自空間中任何點(diǎn)的聲音，從而獲得專門針對(duì)每只耳朵的左、右聲道聲音。與耳機(jī)用戶所體驗(yàn)到左、右聲道分離類似，每個(gè)耳朵都只聽到它應(yīng)該聽到的聲音。比較來說，通過耳機(jī)播放的立體聲音頻信號(hào)似乎被限制在兩耳之間的一條線上。這種原立體聲和空間音頻之間的差異產(chǎn)生了3D聲，或虛擬聲。

音頻串?dāng)_

當(dāng)兩只揚(yáng)聲器距離聆聽者有一定距離時(shí)，建立一個(gè)空間聲音效果要困難得多，因?yàn)槎淇梢月牭絹碜匀魏温暤赖穆曇?，從而產(chǎn)生音頻串?dāng)_。采用破壞波干擾可以抑制掉無用的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)串?dāng)_抑制。反波（或抑制波）發(fā)送給右耳，抑制掉不想要的左聲道音頻信號(hào)（圖2）。同樣，左耳也處理不想要的右聲道信號(hào)。結(jié)果是獲得了明顯的左、右聲道增強(qiáng)區(qū)，提升了聲音在3D空間中的感覺。

圖2 串?dāng)_抑制采用破壞波干擾法，抑制不需要的信號(hào)。

這種對(duì)每個(gè)聲道內(nèi)聲音的附加處理是有必要的，它可以消除或減少串?dāng)_效應(yīng)，并考慮到聆聽者所處位置對(duì)聲音的可能影響，包括揚(yáng)聲器的角度與距離；不同年齡、性別或種族的耳朵靈敏度與形狀；頭部與軀干的尺寸與質(zhì)量；以及所處物理環(huán)境，包括是否存在反射或吸收材料。所有這些因素都決定了一名聆聽者能否以及如何精確地判斷出一個(gè)聲源位置。因此，用于揚(yáng)聲系統(tǒng)的空間音頻創(chuàng)建技術(shù)還必須包括聲學(xué)波束形成。

聲學(xué)波束形成

揚(yáng)聲器音頻重現(xiàn)中的聲學(xué)波束形成是指將音頻波指向某個(gè)方向的能力，而不是揚(yáng)聲器一般的輻射模式。理想的揚(yáng)聲器是一種處于無限反射板中的活塞式聲源組，它的輻射模式取決相對(duì)于揚(yáng)聲器振膜半徑的重現(xiàn)頻率。聲音波束的角度與揚(yáng)聲器活塞半徑和聲音波長之比有關(guān)。在低頻時(shí)，揚(yáng)聲器的聲音均勻地散播在揚(yáng)聲器前的所有方向上。因此，可以在屋子前面的幾乎任意地方放置低音炮，而能從屋子中的任何地方聽到相同質(zhì)量的低音。

隨著頻率的提高，揚(yáng)聲器前的輻射模式越來越集中，逐漸成為圍繞一根垂直于揚(yáng)聲器表面軸線的狹窄的錐形。在錐形內(nèi)聲壓級(jí)最強(qiáng)，而在錐形外則快速跌落。在一部高保真音箱前，兩邊來回移動(dòng)聆聽高頻聲，就可以測得這種效應(yīng)。

另外，實(shí)際揚(yáng)聲器都處于相對(duì)較小的有限箱體內(nèi)，而不是無限反射板。箱體邊緣會(huì)產(chǎn)生聲波的衍射，從而導(dǎo)致更加復(fù)雜的輻射模式。如果將揚(yáng)聲器置于一個(gè)開放的地方，只要聆聽位置處于與揚(yáng)聲器前立面垂直的軸線上，就可以正確地聽到所有重現(xiàn)頻率。

如果揚(yáng)聲器放在室內(nèi)，則聆聽位置就不再那么關(guān)鍵，因?yàn)閴Ρ诤图揖叨紩?huì)以各種角度反射聲波。盡管反射便于人們從各種位置的聆聽，但由于反射來自不同時(shí)間，攜帶了不同的原信號(hào)強(qiáng)度，因此獲得的聲音缺乏清晰度。

極端情況下的聲學(xué)波束成形方法嘗試將揚(yáng)聲器的聲音能量指向室內(nèi)環(huán)境中的某個(gè)角度。單揚(yáng)聲器的聲學(xué)波束成形是困難的，因此一般應(yīng)用都要使用兩個(gè)或更多的揚(yáng)聲器。采用多只揚(yáng)聲器也可以通過聲波能量的結(jié)合與破壞，創(chuàng)造出某種方向樣式。

在一個(gè)多揚(yáng)聲器陣列中，陣列的大小與形狀也使某種定向樣式成為可能。陣列通常是線性的，但也可以是2維陣列，如曲線、平面、圓，或這些類型的組合（圖3）。一般來說，在較高頻下更容易實(shí)現(xiàn)和辨別出空間效果。不過，一個(gè)有良好低頻響應(yīng)的大型陣列與揚(yáng)聲器也能在低頻端做出很好的方向性控制。

圖3 用揚(yáng)聲器陣列波束成形技術(shù)，聲波在期望的空間位置上產(chǎn)生有益的干涉。

陣列的尺寸與形狀部分地決定了實(shí)現(xiàn)所需空間效果要采用的技術(shù)。另外一個(gè)因素是陣列建立的目的。例如，畫中畫功能可以讓兩個(gè)觀看者看兩個(gè)電視頻道，但如果你想為電視機(jī)前端坐的幾個(gè)人都仿真出一個(gè)5.1環(huán)繞聲環(huán)境，就需要其它的技術(shù)。實(shí)際情況是，一個(gè)空間音頻系統(tǒng)可能必須同時(shí)支持兩種方法，并且可能還有一些其它方法，消費(fèi)者才能有愉悅的聆聽體驗(yàn)，而與電視節(jié)目的模式無關(guān)。

波束成形技術(shù)

機(jī)械的波束成形器是靠揚(yáng)聲器物理尺寸與位置來產(chǎn)生所需要的空間效果，而電子波束成形器則采用DSP，先對(duì)信號(hào)做處理，再將音頻信號(hào)提供給揚(yáng)聲器。根據(jù)不同應(yīng)用，可以將這些方法結(jié)合使用。

電子波束成形技術(shù)最初開發(fā)用于雷達(dá)應(yīng)用。它在音頻中的首次應(yīng)用出現(xiàn)在話筒陣列中，用于捕捉語音和音頻。這一領(lǐng)域中多年來的大量應(yīng)用產(chǎn)生了音頻波束成形算法。

話筒陣列波束成形的基本概念是：單獨(dú)調(diào)節(jié)陣列中每個(gè)單元所接收信號(hào)的相位與波幅，使聯(lián)合輸出可以獲得某個(gè)方向上的最大信噪比。這個(gè)概念類似于采用帶通濾波方式，在頻域中提取所需信號(hào)。但對(duì)話筒陣列的波束成形，工作是發(fā)生在空間域，通帶可以配置為各個(gè)方向?，F(xiàn)在已有很多廣為報(bào)道的波束成形技術(shù)，對(duì)某一技術(shù)的選擇通常取決于應(yīng)用的要求與約束。

雖然音頻波束成形廣泛應(yīng)用于音頻信號(hào)的捕獲，但它的音頻回放中的使用卻相對(duì)有限。一個(gè)主要的原因是，立體聲系統(tǒng)一直能提供相對(duì)良好的性能，對(duì)很多應(yīng)用來說，沒必要使用兩只以上的揚(yáng)聲器。但是，現(xiàn)在不斷縮小的便攜設(shè)備機(jī)械部件給立體聲回放帶來了重大挑戰(zhàn)。例如，由于揚(yáng)聲器尺寸減小導(dǎo)致輸出音量的損失，以及由于揚(yáng)聲器間距窄小而導(dǎo)致立體聲像的模糊不清，都是問題。

平板電視越做越薄，嚴(yán)重限制了揚(yáng)聲器錐體的振動(dòng)，從而降低了輸出音量等級(jí)以及音頻質(zhì)量?？朔@些限制的一種方法是使用一個(gè)小揚(yáng)聲器陣列，以增加整體音量，并使用音頻波束成形技術(shù)做出一個(gè)更好的聲場。很多其它方法也可以通過揚(yáng)聲器陣列系統(tǒng)創(chuàng)造出空間音頻，如WFS（波場綜合）和現(xiàn)場立體聲，但它們通常都需要十幾到數(shù)百只揚(yáng)聲器和大量的空間。因此，它們一般用于劇院和聽音室，而不適合于中小規(guī)模的揚(yáng)聲器陣列。

用于話筒陣列的波束成形技術(shù)可以很容易用于揚(yáng)聲器陣列應(yīng)用，因?yàn)榛胤呕旧鲜欠聪虻牟蹲竭^程。但是，全帶寬的音頻回放需要較語音更大的帶寬，因此需要在算法選擇和陣列結(jié)構(gòu)上做特殊的考慮。

通過一個(gè)揚(yáng)聲器陣列提供空間立體聲需要一種有效的串?dāng)_抑制算法。另外，揚(yáng)聲器陣列算法必須盡量地減小音頻回放時(shí)的失真，包括人工效果與聲音染色。挑戰(zhàn)是開發(fā)出適用于小型陣列的技術(shù)，它的主觀效果要好于只使用立體聲的情況，并且它以一種多只揚(yáng)聲器的方式應(yīng)用這些技術(shù)，不需要復(fù)雜的算法編程技術(shù)。

空間陣列放大器

德州儀器公司用LM48901來應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，這是其空間陣列音頻放大器系列中的第一款，用于揚(yáng)聲器陣列的實(shí)現(xiàn)，可使有空間約束的應(yīng)用產(chǎn)生出一種身臨其境的聲音體驗(yàn)。四聲道的D類LM48901音頻IC實(shí)現(xiàn)了分布式的電子波束成形算法，再加上采用HRTF數(shù)據(jù)做聲音布置，從而做出了波束成形揚(yáng)聲器陣列。

單只LM48901可以用于兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)揚(yáng)聲器的應(yīng)用。多只LM48901 IC的級(jí)聯(lián)可以設(shè)計(jì)出八個(gè)、12個(gè)和16個(gè)揚(yáng)聲器的陣列，提供更寬廣和更令人激動(dòng)的音頻體驗(yàn)。