（声学专业论文）扩声系统虚拟监听技术的研究.pdf

摘要 摘要 控制室监听系统是演出场所固定安装扩声系统的子系统。当调音员在 控制室工作时，监听系统的声音是其调节扩声系统的依据。由于控制室 的位置不在听众席罩，而且现有的控制室监听系统的信号通常只是简单 的由凋音台上的监听总线直接拾取，没有包括厅堂的反射声，因此渊音 员所听到的声音与外面听众席上的声音是不同的，从而使调音员失去了 调音的依据。因此本文提出了一个新的观点：建立套可以让调音员听 到与外面听众席一样声音的虚拟监听系统是很有必要的。 受虚拟声和可听化技术的启发，并结合前人提出的使用人工头录放音 进行监听的方法，文章提出了通过测量厅堂内扩声系统扬声器到双耳的 房间脉冲响应( b r i r ) ，然后利用卷积运算的信号处理方法，建立套虚 拟监听系统。文章对虚拟监听系统的原理、信号流程等作了详细的说明， 并给出了耳机虚拟监听系统和双扬声器监听系统信号馈给的数学形式。 文中通过实验，在两个具有代表性的演出场所一广州友谊剧院和番 禺丽江明珠歌剧院对虚拟监听系统的效果进行了验证。通过测量得到 b r i r 并用信号处理的方法产生虚拟监听信号，然后将它们和人工头现场 录音得到的、相同节目的监听信号进行了主客观比较。实验结果表明， 两种信号具有相同的功率谱，并且在耳机重发时可得到相同的主观听觉 效果。因而基于b r i r 卷积技术的虚拟监听系统是可行的。 文中对影响虚拟监听系统重发精确性的因素进行了讨论，并指出了今 后进步研究的方向。 关键词：虚拟监听系统：声场；可听化；卷积；双耳房间脉冲 华南理】? 大学硕士学位论文 a b s tr a c t c o n t r o l l - r o o ma u d i om o n i t o rs y s t e mi st h es u bs ys t e mo fp e r m a n e n t i ns t a l l a t e ds o u n ds ys t e mi nt h ep e r f o r m i n gh o us e t h es o u n dc o m i n gf r o m a u d i om o n i t o rs y s t e mist h eb a s iso ft h es o u n d m a n so p e r a t i o n b e c a u s e c o n t r o l - r o o m sa r en o tl o c a t e di nt h ea u d i t o r i a ，a n dt h ea u d i os i g n a l t r a ns f e r e dt ot h em o n i t o rs y s t e misj us tl i n k e dt ot h es o l ob uso u t p u to f cons o l ew i t h o u ta n ym e s s a g eo f t h er e f l e c t i o ns o u n do ft h er o o m ，t h e s o u n d m a nc a nn o th e a rt h es a m es o u n da st h ea u d i e n c e w h i c hr e s u l t e di n t h a th ec a nn o tt u r nt h es y s t e ma c e u r a t e l ye i t h e r f o rt h i sr e a s o n ，t h is p a p e rg i v e san e wc o n c e p t ：i ti sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt ob u i i da v ir t u a la u d i om o n i t o rs y s t e mw h i c hc a nr e p r o d u c et h es a m es o u n da s a u d i t o r i at os o u n d m a n i n s p i r e db yt h et h e o r yo fv i r t u a ls o u n da n da u r a l i z a t i o nt e c h n o l o g y ， a n dc o n s i d e rw i t ht h em o n i t o rw a yu s i n gr e c o r d i n g ，t h i sp a p e rg i v e san e w w a yt h r o u g hw h i c han e wv i r t u a la u d i om o n i t o rs ys t e mc a nb eb u i l tb y m e a s u r i n gt h eb i n a u r a lr o o mi m p u l s er e s p o n s eo fp e r f o r m i n gh o us ea n d u s i n gt h er e s u l t st oc o n v o l u t ew i t ha u d i os o u r c es i g n a l t h u st h eb a s i c t h e o r ya n ds i g n a lr o u t i n ga r ee x p o u n d e d ，a n dt h es i g n a lf e e d i n gf o r m u l ais g i v e n t h ee f f e c t o ft h ev i r t u a la u d i om o n i t o rs y s t e mb ye x p e r i m e n t sw a s e x a m i n e da tt h et w or e a lp e r f o r m i n gh o u s e - - g u a n g z h o uf r i e n d s h i pt h e a t r e a n dp a n y ul i j i a n gp e a r lo p e r ah o u s e h a v i n gm e a s u r e dt h eb r i r ，t h e v i r t u a lm o n i t o ra u d i os i g n a lc o m i n gf r o ms i g n a l p r o c es s i n gt e c h n o l o g i e s w a s p r o d u c e d ，a n dc o m p a r e do b j e c t i v e l y a n d s u b j e c t i v e l yw i t h t h e r e c o r d e ds i g n a lo fs o u n ds y s t e mb yu s i n ga r t i f i c i a lh e a d ，w h i c hh a v et h e s a m ec o n t e n t s t h e s ee x p e r i m e n t sp r o o f e dt h a tt h ev i r t u a lm o n i t o ra u d i o s i g n a la n dr e c o r d e ds i g n a lh a v es a m ep o w e rs p e c t r u ma n ds a m eh e a r i n gi n s u b j e c t i v eq u a l i t yi nl is t e n i n gt e s t ，f i n a l l y ，t h er e s u l t sw e r es u m m e du pa s t h a tt h ev i r t u a la u d i om o n i t o rs ys t e mw h i c hu s e sb r i rc o n v o l u t i o n t e c h n o l o g yisf e a s i b l e t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e dt h ef a c t o r sw h i c hw i l la f f e c tt h ea c c u r a c yo f v i r t u a la u d i om o n i t o rs y s t e ma n dg i v ead i r e c t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h a b s t r a c t k e y w o r d s ：v i r t u a l a u d i om o n i t o r s ys t e m ；s o u n df i e l d ；a u r a l i z a t i o n c o n v o i t l t i o n ：b r i r i l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 7 8 6 1 3 0 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：杰囊寺霹日期：移年( ) 月循 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于l 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：鸳铅日期：矽晦6 月f 厂日 导师签名： 两7 蔽卤 日期：2 。心年6 月f ( ，日 第一奄绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 声是广泛存在的一种自然现象，其实质是物体的振动所引起的机械波 舀：空气、水等各种传播物质里的传播过程。在自然界罩，除了爆炸、雷 声等人声响的现象之外，绝大部分的声源，其声功率都非常有限，因而 有效传播距离也是有限的。扩声系统是利用电子声频产品，将原始声旨 通过传声器用不同的拾音方式收录进来，然后经过各种各样的信号处理 如编辑、储存、均衡、放大等，再通过扬卢器将声音信号熏放出来，输 送到目标区域中去，让人们听到想听到的声音。其主要目的是卢音的放 大和传输。组成扩声系统的部件有很多，主要有：传声器、传声器前置 放火、调音台、延时器、均衡器、压缩限幅器、扬声器信号处理器、功 率放大器、扬声器等。 随着现代生活质量的提高，文化生活的需求越来越多。在国内，各种 歌剧院、体育场馆、会议中心、广播电视电台、音乐厅等文化娱乐设施 的纷纷建立，使扩声系统得到了广泛的应用，并且系统越来越高级、复 杂，功能也越来越多。 扩声系统能否发挥很好的作用，除了与扩声系统各种设备的质量、系 统的组成与功能等客观因素有关外，与系统的主观性因素一一调音员也 有莫大的关系，甚至占了过半的比重。影响调音员调音的因素有很多， 如调音员本身的听音习惯、艺术修养、系统的功能等，但最重要的凼素， 是调音员听到的声音一一即扩声系统反馈给调音员昕的声音。 对于在固定的场所里固定安装的扩声系统，调音员的位置一般都住控 制室内，而控制室的位置一般都处于听众席的外面，这样就不会对听众 有阻挡。因此，调音员与听众不是在同一室内宅问上。虽然有专门的监 听系统给调音员使用，但监听系统的信号只是简单的从调音台的s 0 l o 总线并接而来，基本上不带有与听众席里的声音有关的信息。冈此，渊 音员听到的声音，在声压、音色上与听众席上的声音是不一样的，这是 i 前世界上绝大部分带控制室的扩声系统的状况。 扩声系统是为了听众服务的，调音员应该代表听众的利益。作者由于 j ：作的关系，经常接触到不同演出团体的调音员，不管是国内的，还是 削外的，他们都对控制室内监听系统不能提供与外面听众席声场- 样的 华南理工大学硕士学位论文 声音感到遗憾。因此，每到一个厅堂演出，他们都有一个共同的习惯， 如果条件允许的话，都要把凋音台搬到听众席上，他们的共同目的，就 是要听到与听众听到的+ 样的声青。 本文从实际出发，通过研究实际的厅堂例子，来探讨如何用控制室监 听系统来模拟听众席声场，使调音员听到的声音与听众听到的1 样，从 而在实际演出当中提供调音员调节扩声系统的依据，具有重大的实际应 用意义。 1 。2 国内外研究综述 国内外的文献中，鲜见关于“厅堂内的固定安装扩声系统，其附属的 调音员监听系统应该具备可让调音员听到的与听众听到的一样的功能” 这种观点，到目前为止，也甚少看到与之有关的研究报道和成果。 要使调音员通过监听系统听到外部听众席的声音，这牵涉到声场的捡 拾或模拟和可听化问题。关于声场的模拟问题，国内外这方面的研究非 常的多，有基于物理模型的模拟技术，也有基于计算机模型的模拟技术。 其中，物理模型要模拟的只是厅堂本身的声学特性，与扩声系统无关。 计算机模拟技术发展得非常快，著名的软件有丹麦的o d e o n 和德国的 e a s e 软件，他们都是通过在计算机里建立厅堂的三维模型，设置模型各 表面的材料及其声学特性数据，并输入各种声源，然后用声线跟踪法与 虚声源法进行声场的模拟与研究。其中，o d e o n 软件与扩声系统无关， 其研究的目的是为了预测和设计未来厅堂的建筑声学特性【2 。e a s e 软件 则专门研究扬声器在厅堂里的表现，模拟或预测扬声器在厅堂里声场的 特性，主要的目的是帮助电声系统工程师设计好扬声器系统或对其进行 改进。e a s e 具有基于卷积技术的可听化功能，其原理是将在模型里产， i 的结合扬声器系统的双耳房间脉冲响应( b r i r ) ，与信号源进行卷积，然 后用耳机倾听效果】。其目的是预听扬声器系统在模型罩的声音，以判 别将来这个扬声器系统的效果例如清晰度等是否可以接受。e a s e 可听化 的效果是否真实，在很大程度上会受到模型及各种数据是否精确的影响。 荷兰m a r i n u sm b o o n e 和e d w i nn g v e r h e i j i e n 对w f s 波场合成声 重发系统( w a v e sf i e l ds y n t h e s i s ) 的研究【4 1 ，是采用传声器阵列技术，拾 取苴达声、早期反射声和后期混响声，然后利用多达1 2 8 路输出通路驱 动扬声器阵列重放。研究提到可以应用于音乐会、电影院等场合。但这 种方法需要非常强大的计算资源，重放系统的硬件在数量和品质方面要 求也很高，不易实现，因而也不适合用于监听系统。 2 第一章绪论 h e n r i km o l l e r 在其研究中【5 j ，提出可以用双耳录音技术，将人l ：头 放到厅堂中某个选定的位置，然后将现场录音信号输送到耳机给调音员 临听。这种方法在原理上是可行的，但在实际应用时却有较大的难度。 首先，如果前排或旁边听众刚好挡着录音传声器，就会破坏调音员的豁 听效果；其次，在人工头附近的听众大声喧哗时，也会破坏监听效果： 再者，由于人工头必须放置在听众座位上，很容易会受到损坏；最后， 现场录音的信噪比很低，会严重影响调音员对弱音信号的监听。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作： 1 )提出并阐述以下的观点：厅堂内的固定安装扩卢系统，其附属调 音员监听系统应该具备可让调音员听到与听众听到一样声音的功能； 2 ) 对与监听系统有关的声场模拟和可听化技术进行讨论，提出虚拟 监听的原理，给出对扩声系统进行虚拟监听的实现方法和步骤，并给 出信号处理的方式，并从理论上对其进行分析； 3 ) 选择两个具有代表性的厅堂，对虚拟监听系统进i f - 了客观和主观 实验研究，以证明虚拟监听系统的可行性； 4 )探讨了虚拟监听所存在的问题及今后改进的方向。 华南理上人学硕士学位论文 第二章室内声场及其模拟和可听化技术 声场指的是声波在空间中存在的区域及在该区域上声波的分布特性 6 1 。根据声波的分布特性不同，有很多种不同的声场，如自由场、扩散 场、各种室内声场等，每种声场都有各自的物理和听觉特性。本章简 要地综述与室内扩声有关的室内声场及其模拟和可听化技术。 2 。1 自然声源情况下的室内声场 由于室内声场处于一个封闭的室内环境当中，环境对声音的影响就变 得十分重要。对室内任一受声点，除了声源的直达声外，还有一系列的 强度、到达时间、( 短时) 功率谱成份不同的反射声，这是室内声场的主 要特点。并且，室内不同的受声点的声波特性都不一样。但是对每个受 卢点，声波都由以下的几部分组成( 见图2 1 ) ： 直达声 ) 早期反射声 c 1 五f ：_ = = i = r = z 7 ：、 。 一 rt 、! 二：= ! 二 ：! ：! 。= 二7 、o 后期反射声 时间幛1 图2 1 房间脉冲响应的三个组成部分示意图 f i g u r e2 一le x a m p l eo ft h r e ep a r t so fr o o mi m p u l s er e s p o n s e 1 0 3 f l b均声压纽_ 9 8 d b均声压绂驾3 d b平均声雕缓z 8 5 d b 攫级d b ) 以1 0 0 h z 63 k h z 的平以1 2 5 4 褂 z 的平均声压以2 5 0 4 k h z 的平均声2 5 0h z - - 4 k h z e ( 其平 士 均声托级为o d b ，在此频级为0 d b ，存此频带内允压纽为0 d b 在此频带内均声压级为0 d b ，c ，9 拳传辅频率响m 带范围内允许 4 r i b ：许_ - s d b ( 音乐演出) 芦场不均匀度 1 0 0 h z ! i o d b ，1 1 0 4 和i k h z 9 4 k h z 叠d b 1 k h z 和4 k h z _ i o d b1 k h z d 4 k , q z 5 1 0 d b 63 k h ， ( d b ) 垡d b 总噪声级 n r 2 5州r 3 0姗3 0蛳3 5 2 5 室内声场的模拟 室内声场模拟是通过建立室内声场的数学模型或实验模型，从而分析 其物理特性，为声场重发打下基础。对未来的建筑而言，它具有声场特 性预测并指导室内建筑设计的实际意义；对现存建筑而言，为室内声学 特性的改良和虚拟的应用提供了依据。声场的模拟技术有很多种，丰要 区分为：物理模型模拟技术、波场合成模拟技术和计算机模型模拟技术 “。其中，物理模型模拟技术和波场合成模拟技术与本文所要讨论的没 有太大关系，现只对计算机模型模拟技术进行讨论。 2 5 1 计算机模拟声场的基本方法 目前广泛应用的计算机声学模拟技术，绝大部分是采用几何声学的方 法，如著名的o d e o n 、e a s e 等软件。它们在室内声学特性的模拟 ：， 其精确度都达到了较高的水平。 计算机声场模拟的基本方法是：根据目标建筑的设计图纸或实际情 况，在计算机里建立与目标建筑在内部结构上尽量接近的1 ：l 内部空间j 维模型，并定义每个内部空间三维平面的声学特性数据，使其与原室内 设计或实际内部环境各对应表面的声学特性尽量接近。然后，根据设计 或实际情况放置声源，并利用各种计算方法，如建立在几何声学基础上 的声线跟踪法和虚声源法，或与波动声学有关的有限元法或边界无法等， 1 0 第二章室内声场及其模拟和可听化技术 计算并获取模型内各受声点的声脉冲响应，得到各种声学特性，如总声 压级t o t a ls p l 、直达声压级d i re c ts p l 、快速语言传输指数r a s t i 、辅 音：损失率a 1c o f i s 、清晰度c c 侧向能量因子l f c 、早期衰变时间e d t 、 混响时| 日jt 。、t 。、t 。频率响应等，从而达到声场模拟的目的。 1 9 6 8 年k r o k s t a d 首次发表了室内声场计算机模拟的研究文献【l ”，这 是第一次基于声线跟踪法的研究。此后，更多的研究者投入到计算机声 场模拟的研究。到1 9 9 5 年，由v o r l a n d e r 组织并有至少1 3 种声场模拟软 件进行了一次声场模拟的比较【1 6 1 ，尽管只对1 0 0 0 h z 进行模拟比较，且 最后只有三种软件被认为得到了较好的模拟，但这次活动使计算机声场 模拟技术得到了更好的推广【1 7 】。到今天，计算机声场模拟已经具备了较 高的精度。目前，计算机声场模拟代表软件主要有丹麦技术大学的 o d e o n 软件和德国a h n e r t 博士的e a s e 软件等，前者主要是对建筑本身 声场的模拟和研究，后者的侧重点则在电声方面，模拟或预测扬声器在 厅堂里声场的特性，主要的目的是帮助电声系统工程师设计好扬声器系 统的特性或对其进行改进。 2 5 2 计算机模型模拟技术的优点 计算机模型声场模拟的优点有很多： ( 1 ) 方便快捷、费用低。不管是模型的建立，还是模型的修改，所 需要的时阳_ j 都非常短，且不需要浪费任何材料、也不需要很多的人员， 节省了费用。例如很多声学设计软件都与a u t o c a d 兼容，可以直接导入 a u t o c a d 的三维模型( d x f 文件格式) ，非常方便快捷； ( 2 ) 模型的修改和资料的存储非常方便，且可以同时保留多种方案， 以进行不同的比较和选择； ( 3 ) 声源和建筑表面材料的种类非常多，声源方面如全方向性卢源、 线声源、面声源、甚至各种品牌的专业扬声器等。材料方面，除了各种 理想化的材料外，还有很多厂家的材料库。声源库和材料库都是开放的， 用户可以建立和积累自己的材料库，非常方便； ( 4 ) 计算结果快且多种多样，并对实际有很好的指导意义。由于是 理论计算，只有软件允许，可以进行任何的声学计算，且很快就可以得 出结果。 2 5 3 计算机模型模拟技术的缺点 虽然计算机模型声场模拟技术有很多优点，但也有许多限制 华南理t 大学硕士学何论文 ( 1 ) 模型的精确性影响声场的结果。模型的精确性包括模型在结构 和形体方面是否精确、现存的各种数据库数据是否精确等。其中，数据 库的数据是否精确对结果的影响最大。作者曾就使用e a s e 声学设计软 件应注意的几卜问题发表过文章【l8 1 ，讨论了影响e a s e 计算结果精确度 的几个问题，如混响时间的计算方法对精确度的影响、扬声器的相位对 于涉计算的影响、线性扬声器阵列计算算法对计算结果的影响、边界材 料的精确性对a u r a 及e a r s ( e a s e 的两个功能) 计算结果的影响等。 现举其中一例，在e a s e 所使用的扬声器数据库中，所有的扬声器均只 有幅频特性而没有相频特性，相频特性的获取必须要假设扬声器是最小 丰日位系统，然后经过h i l b e r t 变换计算出来。但这并不能代表实际情况， 并且会直接影响到多个扬声器直达声干涉计算时干涉的分布结果。e a s e 之所以没有扬声器的相频数据，主要是由于同一型号的所有扬声器，驯 使其幅频特性一样，相频特性也会不同，而e a s e 扬声器数据库不可能 根据每个扬声器而建立，只能一个型号提供一组数据。同样，材料库方 面的情况也有点类似，即使是材料的吸声系数这一项，不同的测量方法 和施工方法都会对最终的结果产生影响； ( 2 ) 即使计算机的模拟已经达到了很高的精度，但目前的技术，用 数学还不能准确的模拟出声学上扩散、衍射、绕射等自然现象。材料的 扩散、透射、衍射等数据的测量、采集本身就非常困难，准确性就更不 用说了。如果模型里有形状特别的扩散体等材料，其声学特性就非常难 以定义； ( 3 ) 计算机模拟在自然声的模拟方面还非常缺乏，但在物理模型模 拟上就很容易获得，主要是因为缺乏准确的各种自然声的声学特性数据。 自然声的音色的获取和重放很简单，录放音就可以了。但自然声的指向 特性却很难获取，主要是自然声的可重复性很差，几乎每次都不- 一样， 例如小提琴的演奏，即使拉相同的曲子，但每次的声音肯定都不相同。 指向性的不明确，直接影响了计算机在自然声声场的分布情况； ( 4 ) 计算机模型模拟技术目前还不能模拟出整个声频频域的声场， 主要受限于数据库( 包括扬声器和建筑材料) 缺乏低于1 2 5 h z 和高于 4 0 0 0 h z 的频段上的声学特性数据。 1 2 第一章室内声场及其模拟和可听化技术 2 6h r t f 与b r i r 2 6 1 双耳听觉 人类听觉系统对声音的定位丰要依靠声音到达双耳的时间筹i t d f 】n t e r a u r a lt i m ed i f f e r e n c e s ) 、双耳声级差 i l d ( i n t e r a u r a l l e v e l d i f f e r e n c e s ) 以及积累的听音经验等因素，其中i t d 和i l d 的影响是主要 的h 9j 2 ”。低于1 5 k h z 的频段，i t d 对声像的判定起优势作用，人于 1 5 k h z 时，i l d 对声像的判定逐渐起主要作用【2 ”。产生i t d 和i l d 的原 因主要是声源到双耳的距离和角度的不同，以及耳廓的反射、人的躯t 到双耳的反射、头部对声音的衍射作用等。 2 6 2 头相关传输函数h r t f 双耳处的声波以及由此带来的定位因素由h r t f ( h e a dr e l a t e d t r a n s f e rf u n c t i o n ) 决定，h r t f 是声源的方位和频率的函数，其频域定义 为( 在自由场条件下) ： fhh。l=：hhl。(。o口,，f驴k,，r,g蛾o, ( 2 一1 ) 上式中，p o 代表人头不存在时中心位置处的复数声压振幅，p l 、p r 分别是简谐点声源在人头左、右耳道入口处所产生的复数声压，0 、o 分别代表声源对应与人头中心位置的水平和垂直方位角，r 代表声源到人 头中心位置的距离，6 0 是对应的角频率，a 是对应的人头等效半径，h 。、 h n 分别代表了声源到双耳的传输函数，由定义可知它们包含了声源的方 位和频率信息2 1 1 。 h r t f 的时域形式是头相关脉冲响应h r i r ，即h r t f 频域形式的傅立 时反变换： 它们表示声源到双耳的( 自由场) 脉冲响应。而式( 2 1 ) 也可以用时 域卷积的形式表示为： 堡r 最一r = = 由 彩 = 肛肛 。一新。一幼 华南理i 大学硕十学位论文 j p ，2 岛( 口，帆，。) + p 。( 2 3 ) p ，= h r ( 臼，妒，r t ，a ) 4 p o 在自由场条件下，h r t f 或h r i r 包含了声源的方位信息，h r i r 的长 度一般只有几毫秒。h r t f 或h r i r 可通过理论计算或实验测量得到 2 1 l f 2 2 1 。 2 6 3 双耳房间脉冲响应b r i r 如果将h r i r 推广到包含房间反射声的情况，也就是包含声源经房问 的反射再到达双耳的脉冲响应o5 1 ，这时候的h r i r 通常称为双耳房间脉冲 响应b r i r ( b i n a u r a lr o o mi m p u l s er e s p o n s e ) ，其长度与房间脉冲响应同 数量级。b r i r 与声源的位置、房间、人头特性及其位置、角度等因素有 关。 b r i r 的获取方法：( 1 ) 直接测量。由于用真人的测量目前有一定困 难，一般用人工头测量。( 2 ) 计算获取。在上文所述的计算机模型里进 行，般先计算人头的接收中心点的房间脉冲b r i r ，然后根据人头与声 源的相对位置和角度，调用对应的头相关传输函数h r t f 计算获得。 2 7 虚拟声与可昕化 利用声场的捡拾( 记录) 与重发技术可将原声场的特性重发出来，给 倾听者一种类似于原声场的主观听觉感受。利用捡拾、记录重发技术r u 对现存的不同厅堂的主观特性进行分析与评估。 而上面提到的声场的模拟，可以让我们预知未来建筑的声学( 物理) 特性，避免可能存在的声学缺陷。但在实际的生活当中，某些声学指标 如混响时间r t 6 0 等相同的建筑，在实际的听感上却不同的例子有很多。 因此，声场模拟之后如能进行可听化，就不仅仅在物理指标上进行了模 拟，而且能在主观感觉上让人听到未来建筑的声音，这是非常吸引人的。 2 7 1 人工头捡拾与重放系统 在各种的声场的记录与重发技术中，人工头录音与重放系统最常用于 室内声学的分析与评估。通过放置在人工头双耳处的一对传声器在原声 场进行捡拾，得到双耳声信号，并对其进行记录、放大等，并用一对耳 机进行重发，即可给倾听者再现原声场的主观听觉特性。 1 4 第二章室内声场及其模拟和可听化技术 2 7 2 虚拟声与可听化的基本原理 虚拟声是利用人工信号处理的方法模拟m 双耳声信号，并对其进行重 发的技术。由( 2 - 3 ) 式，当把单通路时域声频信号eo ( t ) 与一对自由场 头相关脉冲响应h 。、h ，进行卷积： h ( t ) = h f ( 0 ，妒r t ，a ) 8 e o ( t )，。 【e ，( f ) = h ，( 口，妒，r ，t ，a ) 4 e o ( r ) 模拟出一对双耳声信号e ，、e ，并馈一对耳机进行重发，那么双耳处的声 压将匝比于( 0 ，m ，r ) 处单声源的情况，从而在听觉上产生相应的声像。 注意，虚拟声不同于整个声场的大范围的模拟重发技术，只是针对倾听 者的单点模拟技术 2 2 l 。 如果将( 2 4 ) 式的自由场h r i r 换成带有房间反射声信息的双耳房 间脉冲响应b r i r ，e 。( t ) 采用在消声室内录制的干信号，那么将在倾听中 产生对房间声学特性的主观感觉。当信号处理用的b r i r 是通过对某现存 房间的测量而得到时，即可产生该房间内的声音主观听觉感受。而当b r i r 是通过室内声场的计算机模拟技术而得到的，即可在房间的设计阶段预 测出该房间内的声音主观听觉感受，这就是双耳可听化技术的基本原理。 它对室内声学和扩声系统的设计有很大的帮助。 2 7 3 虚拟声的重发系统 虚拟声的重发系统有耳机重发和扬声器重发两种。 采用耳机重发时，由于耳机一外耳耦合所组成系统的声学传输特性 影响( 频率响应不是平直的) ，重发时会对虚拟声信号产生声染色，因 此必须要对耳机重发系统进行音色均衡。设耳机到左、右耳鼓膜的脉冲 响应分别为h 。k t ) 、h 。( t ) ( 可通过测量得到) ，采用它们的逆脉冲响应h 。】 “( t ) 、h 。( t ) 进行补偿，则对应于式( 2 4 ) ，经过耳机补偿后的双耳信 号为： l 巳( f ) = h t ( 9 ，办r ，t ，口) + ( f ) + 嵋1 ( f )，。、 【e ，( t ) = i ( 鼠妒，r ，t ，a ) + e o ( t ) 4 吃- ，1 0 ) 虚拟声或可听化所产生的双耳声信号也可用一对扬声器重发。但由丁 每个扬声器都可以同时发声给双耳，而不是用在重放左通路信号的扬声 器只给左耳听到( 右通路相同) ，从而引起左、右通路信号在重放时相互 之间的串扰，如下图立体声信号作双扬声器重放时的h 。和h l ，在听感 上引起混乱，左右不分，声像模糊等不好的效果，这种情况就必须在重 放前预作串音消除处理，为此，加入串音消除网络【c 2 3 】，如下图2 3 华南理工大学硕士学何论文 的c l l 、c2 1 、c l2 、c 2 2 。并令 旧= 百考面而匕 只要能准确测量出h l l 、h 。h ，i 和h l ， 且重放系统可以不完全对称。 一日一 ( 2 6 ) j 就可以完全消除串声干扰， 图2 3 扬声器重发与串声消除 f i g u r e2 - 3r e p r o d u c t i o ns y s t e mb yl o u d s p e a k e r sw i t hc r o s s t a l k c a n c e l 如左右对称，假设： h = h 。= a 1 h 。= 巩= 叭 旧= 寿匕 此时，馈给两个扬声器的信号分别是： 耻冀 。， = 等等 。 一般而言，在系统对称、房间反射可以忽略的情况下，a 和1 3 的取值 通常取人头对应于左( 或右) 扬声器角度的h r t f 的左耳和右耳数据。 1 6 8 2 )7 2 1lj 0 侈盯 第二章宦内声场及其模拟和可听化技术 2 8 本章小结 本章藩先讨论了自然声源下声场的特性和各种物理量与主观感觉的 关系，然后详细的论述了室内扩声声场的特点，包括评价室内声场的各 种指标及其物理意义，并指出本文所要研究的对象不是以自然声源为主 的声场，而是以扩声系统为主的整个声学系统( 房间+ 扩声系统) 的声 场。本章还详细地讨论了虚拟声的原理，并介绍了有关的背景知识如 h r t f 、h r i r 等，最后讨论了双耳可听化技术的原理及应用，为下文灭 于虚拟监听系统的讨论做铺挚。 1 5 华南理工大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章虚拟监听系统 如上一章所述，室内扩声声场及其主观的听觉效果是由房间的建声特 性和扩声系统的电声特性共同决定。监听的目的是实时地监测室内扩声 的主观听觉效果，及时发现存在的问题，以便采取相应的调整或措施。 提供监听功能的电声系统就叫做监听系统，它可作为室内扩声系统的 个组成部分。 理想的监听系统应能如实地反应出室内扩声的主观听觉效果。为此， 监听系统应具有趣好的电声性能，其各种失真应很小( 可忽略) ，以保证 在重发时不会对输入信号产生声染色，从而改变了原信号的音色，失去 了监听的意义。 对于扩声系统而言，监听的对象应有两种，一是对所有输入的音源信 号进行，二是对扩声系统在听众席里的声音进行。 本章在简要地论述了传统监听系统的缺陷后，提出了虚拟监听系统的 基本原理及设计方法。 3 2 传统监听系统的缺点 到目前为止，除了流动演出之外，世界上绝大部分的影剧院、音乐厅、 会议厅等各种固定演出场合，其调音员都不能直接坐在听众席晕调节声 音，而是设置有专门的系统控制室给调音员使用，里面配置了专门的监 听系统。这些监听系统的组成都很简单，一般由音频信号放大器和声音 重发器件两者组成。信号的馈给也比较简单。一一般都直接由调音台的 s o l o 监听总线拾取，中间没有任何类似均衡、延时等信号处理设备，见 图2 - 2 。对于第一种监听对象一一音源信号，监听系统可以很完美的完成 监听的任务，只要简单的按下调音台上对应的输入通路的p f l 预监听键 就可以了。但对于第二种监听对象一一扩声系统在昕众席上产生的声音， 则没有达到监听的目的。因为在这种情况下，即使传声器可以拾取到厅 堂返回来的声音信号，但由于演员或乐器离传声器很近，且正对传声器， 这时传声器拾取的直达声信号相比于其他反馈回来的信号( 如由扬声器 传到传声器的信号，或其他反射声) 来说幅度大得多，反馈回来的信号 1 8 第三章虚拟监听系统 就几乎听不到了。因此，调音员所监听到的声音，主要是单纯的扩声系 统内的“干”信号，厅堂的声学特性几乎没有，至于听众席卢场的空间 感、清晰度等指标就更加无从表现。这种监听系统只能起到“听”的作 刚，但没有“监”的功能，这方面是目前所有固定演出场所的控制窜扩 声峨听系统的共同的通病。 扩声系统是服务于听众的，调音员也是为听众服务的，这是一个非常 重要的原则。调音员的工作是操作扩声系统使听众能听到最满意的声音。 如果凋音员听不到扩声系统的声音，调音员就无从调音，因此这罩存在 着个反馈的过程，即扩声系统必须反馈给调音员一个声音，调音员才 有调节系统声音的依据，这就是监听系统存在的必要性。但监听系统反 馈给调音员的声音是否与听众所听到的声音一样，却是其中的关键。举 一个简单的例子：听众厅旱听众所听到的声音在声压上已经够了，也很 舒服了，但由于调音员所听到的监听系统的声音很小，因此丽使调音员 作出把系统的声音再调大的决定并付诸实施，最后的结果是听众厅的声 音声压太大，在听感上感到不舒服。因此，凋音员的这个决定是错误的， 其根源在于监听系统的错误信息。 调音员所听到的声音有两种情况，要根据调音员所在的位置米确定。 一是调音员直接就在听众席里调音，这种情况常见于各种流动演出的场 合，而这时候调音员所听到的直接就是扩声系统本身在听众席上所表现 的声音，是很直接而真实的，这时候监听系统反而变得不那么重要了， 甚至不必要了。另一种情况是调音员在独立的扩声系统控制室罩，听不 到现场听众席的声音情况，只能靠监听系统监听，这时候监听系统是否 能真实的反映外面听众席的情况将直接影响到调音员的判断。 综上所述，能让控制室里的调音员真实的听到与听众听到一样的声音 对扩声的效果是至关重要的，但目前所用的监听系统不能达到这要求。 3 3 采用人工头的监听系统 h m o i l e r 提出将人工头捡拾与重放系统( 见上一章2 7 节) 用于监听。 也就是采用人工头拾取听众席的声音并直接用耳机重发j 。从理论上说， 这种方法能让控制室里的调音员真实地听到与听众一样的声音，且原理 也较简单也可以作现场的实时监听。但人工头必须占用听众的一席， 现场的设备也很容易被破坏，而且传声器的捡拾会受到周围环境的制约， 如有昕听众刚好坐在旁边并长时间阻挡传声器时，声音不能汇确的被录 音传声器拾取，这时就失去了监听的意义。另外，当周围的听众所产生 1 9 华南理工大学硕十学位论文 的噪卢( 如大声讲话) 也会严重干扰调音员的感觉，因此信噪比很低 监听效果不稳定。 3 4 虚拟监听系统及其实施原理 3 4 1 基本原理 列室内扩声，如图2 5 所示，输入的声频信号经调音台、各种信号处 理器( 如效果器) 、功放后，馈给( 可能多个) 扬声器重发，直达的声音 和经过房间反射的声音( 还可能包括经过捡拾传声器反馈到电声系统输 入的声音) 传到倾听者的双耳，如果略去电声系统的非线性失真，同时 略去电声系统一些非线性部件( 如压限器) 的影响，电声一一建声所组成 的是一一个线性系统，输入声频信号到( 特定倾听位置) 双耳的传输过程可以 用相应的一对时域脉冲响应h l ( t ) 、hr t ) 来表示，当输入声频信号为o o ( t ) 时，听众席上的倾听者的双耳声压为： lp f ( f ) = 啊( f ) 4 e o ( f ) i p ，( f ) = 矗，( f ) 4 e o ( f ) 其中符号“s ”表示卷积运算。借鉴上一章2 7 节的可听化技术，如果通 过实验测量得到h i ( t ) 、h ，( t ) ，将e o ( t ) 分别与它们进行卷积运算，所得信 号馈给一对耳机重发，那么双耳声压将与听众席上的倾昕者的双耳声压 相等，因而可得到相同的主观听觉效果。由于h l ( t ) 、h ，( t ) 的测量是在扩声 系统打开的情况下进行的，所以检测所得的脉冲响应就包括了建筑本身 和扩声系统的特性。这就是本论文所提出的虚拟监听系统的基本原理。 3 4 2 虚拟监听系统的实施过程 虚拟监听系统的实施框图如下图3 一l 。 下图中，实时多通路卷积器和多通路延时器的每个输入和输出通路的 增益均可调，以达到调节监听系统的音量，使得调音员使用虚拟监听系 统时所听到的音量与外面听众席上选定点的音量一样。 多通路延时器的一个重要作用是调节虚拟监听系统中各声道的延时 时间，使得各声道到达调音员双耳的相互时间差与各扬声器组到达听众 席选定点处的相互时间差相同。 第三章虚拟监听系统 话筒等 输入信 号i 曛 选定测犀点 数括阔用l 用h j 法、k a i v 难r a l - i数据调用 _ l 头利晕番扬声器绢b r i r 卜一 及相对延时 选取监听耳机 井测量结合 工头后的脉冲 响心 选取髓，堑生壁 听方式 测量左右监听 扬声器分别到 艰耳的传输响 频率均衡ll 引入串声消除 数据调用 扩声系 统调啬 台 多通路实 时卷税器 多通路 延时器o oo o 监听扬芹器 图3 1 虚拟监听系统的实施过程 f i g u r e3 - 1t h ep r o c e s so fv i r t u a la u d i om o n i t o rs y s t e m 3 4 3 听众席上测量点的选取原则 由于不可能在控制室里模拟出整个听众席的卢场，且考虑到实际应用 的情况，调音员的工作位置一般都固定在调音台的附近，所以只模拟出 听众席里某个特定位置的双耳声压就可以了。当然，这个位置必具有代 表性，能反映出听众席扩声系统的声音特性。因此，这个位置应处丁整 个听众席扩声系统的中轴线上，同时位于左、右两组或左、巾、右三组 j ：扬声器组的覆盖区域的中心点上，这个位置无论在声压、频率响应、 声像感觉上都是最好的。 2 l 华南理i 人学硕十学位论文 3 4 4 虚拟监听系统信号的馈给形式 。实际的扩声系统，由于场地的复杂程度不，扩声系统的设计不 司， 其扬卢器组的数量就不会仅仅固定在只有l 、r 两个声道。当声道的数量 超过2 个时，根据演出的复杂程度和调音员的调音习惯，传声器等输入 信号在输出通道的分配组合就变得非常复杂。有些信号可能会输送给所 有的扬声器组，但某些信号可能只输送给部分或单个扬声器组，这种情 况下，听众听到的声音不仅仅是有和无这么简单，还牵涉到该声音足从 哪个扬声器组出来的问题，即该声音的空间方位的感觉问题。对于专业 的调音台，其不同通路的输出信号本身就是不同通路输入信号的组合， 且输出信号的