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  来源:中国科普博览

  在影院望电影的时候,吾们能感受到声音从吾们的左边、右边、后边甚至是头顶传进吾们的耳朵,从而给吾们带来更益的听觉体验。这栽能够使声音具有空间倾向感的技术被称为环绕声技术,它能让听多体验到与现场几乎相反的声场。

  那么,如何才能实现这栽环绕声技术呢?隐微,最浅易的思路是,在吾们的耳朵周围放尽能够多的扬声器,云云迥异的扬声器重放的声音能够让人耳感答到声音来自迥异的位置,这也是电影院空间音频的设计思路。

  但是,对于幼我来说,云云会添大吾们的设备成本。与具有复杂音响设备的电影院纷歧样,吾们的耳机只用旁边两个扬声器也能够实现这栽终局。这栽用两个中听式耳机发出空间中肆意倾向声音的技术被称为虚拟环绕声技术,也被称为沉浸式空间音频技术,是吾们接下来要关注的重点。

图片来源:WWDC 2020图片来源:WWDC 2020

  空间音频的方针是为了让人耳对重放的声音有更实在的空间感。因此,要深入晓畅空间音频技术,最先必要吾们思考一个题目——人类是如何判定声音倾向的呢?

  人类双耳如何判定声音倾向

  行家都清新,吾们能够凭借一只耳朵来感受声音的响度、音协调音色。但是,倘若想辨别作声音的倾向,就要依赖两只耳朵了。因为在于两只耳朵才能够听出时间差和声级差。时间差是指声音抵达两只耳朵时间的前后差别,声级差则是两只耳朵听到声音能量的大幼差别。

  比如在下图场景中,声源在吾们的右边时,吾们的右耳会先听到声音,之后声音才会到达左耳。声波在空气中的传播距离越长,能量会越来越幼,因此右耳听到的声音能量要大于左耳。

图片来源:Google I/O图片来源:Google I/O

  那么仅仅依赖时间差和声级差这两个因素,就能够实现声源在三维空间中的定位吗?

  别发急,先望望下面这个场景。

  如下图场景,当声音从吾们的正前线和正后方发出的时候,到达双耳的时间差和能量差都是零。也就是说,当声音到达两耳的时间差和能量差都是零时,吾们无法区分声音是从正前线来的,照样正后方来的。

图片来源:Google I/O图片来源:Google I/O

  那么,题目又来了,双耳怎么辨别声音的前后倾向?原形上,声音从发出到被吾们的耳朵听到,经历了三个过程——传播过程、生理过程和生理过程。由于生理过程和生理过程几乎不能操控,在这边吾们仅仅关注传播过程。

  传播过程也称为物理过程,是指声源发出的声波经由介质到达耳廓,再议定耳道传递到鼓膜并引首其波动的过程。这是一个极其复杂的过程,人耳廓组织的迥异会使声波经由耳廓影响后形成的波形不尽相通。

  隐微,正前线声源的传播过程和正后方声源的传播过程是纷歧样的!由于吾们的耳朵并不是前后对称的。来自正前线的声音经过耳廓逆射,能够直接进中听道;而正后方的声音则必要绕过耳廓才能进中听道。也正是由于这栽迥异,吾们才能够分辨作声音来源的前后。

图片来源:Google I/O图片来源:Google I/O

  耳廓相等于一个给声音进走“添密”的设备,而吾们的大脑经过长时间的学习,已经十足掌握了这门“解密技术”,因此,能够万无一失地听作声源的前后方位。

  现在,吾们终于有了答案,双耳定位三维空间中声源的倾向依赖于耳廓的“添密”。

  耳机的虚拟环绕声

  更添科学地讲,添密声音的不光仅是耳廓,还有头部轮廓和肩膀等身体部位。由于这一系列的影响都与头部相关,因此这栽添密手段也被钻研人员称为:头相关函数(Head Related Transfer Function)。

  头相关函数能够理解成吾们头部对于声音的添密手段,这栽添密是针对迥异方位的。也正由于头部对于各个倾向上的声音添密手段纷歧样,吾们的大脑才能够解密作声音的倾向。

  为晓畅密迥异声源方位的添密手段,钻研人员能够议定测量或者计算得到迥异倾向的头相关函数,然后构成一个数据库。

图片来源:Veer图库图片来源:Veer图库

  吾们戴上耳机之后,声音便直接经由耳道,被鼓膜授与了。失踪了头部添密的过程,耳机内的声音听首来也就异国了倾向感。

  但是,随着声信号处理技术的发展,吾们能够议定在耳机内部置入电子设备,来模拟头部的添密过程。倘若吾们的电子设备与头相关函数的添密手段相反,那么经过电子设备添密之后的声音就能够被大脑解密出方位新闻,成功地“欺骗”大脑。

  正是基于云云的思路,工程师们开发了基于头相关函数数据库的空间音频手段。他们用数字电路来模拟整个的头相关函数数据库,然后对耳机内的声音进走特定倾向上的添密,云云,就能够让耳机内的声音听首来具有特定的倾向感。

图片来源:日本x片一级百科图片来源:日本x片一级百科

  举例来说,在一场实在的音笑会上,幼挑琴在听多的左边45°,钢琴在听多的右边45°,不论是幼挑琴的声音,照样钢琴的声音,都能够经过听多的头部进走添密,现场声音听首来就有很益的倾向感。

  倘若线上的不益看多也想议定耳机获得身临其境的体验,那么耳机内部的数字电路能够选择左边45°的头相关函数来添密幼挑琴的声音,右边45°的头相关函数添密钢琴的声音,云云就能够“欺骗”大脑,让耳机内的声音听首来也有很益的倾向感。

  由于这栽声音不是从实在的空间中发出来,而是议定信号处理云云一栽虚拟的手段“添密”出来的,因此被称为虚拟环绕声。

  近些年,随着耳机等可穿戴设备的行使越来越多,虚拟环绕声技术得到了大量的行使,也被科技公司称为沉浸式空间音频技术。

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