如何使便携产品产生空间音频

提示:

.扬声器数量及其间距限制了便携立体声系统的声场。

.空间音频试图人工重新制造出真实世界里聆听声音的体验，或者建立一个并不实际存在的感官空间环境。

.使用HRTF（人头相关传输函数）信息，可以对双耳的声音做合成，使之仿佛来自聆听者所处空间中的任一点。

.声学波束形成功能使音波指向某个方向，而不是扬声器的典型辐射模式。

.通过一个扬声器阵列提供空间立体声，需要一种有效的串扰抑制算法。

.很多方法都可以提供空间音频，但对于一台小型便携设备上的任何合理尺寸，它们大部分都不适用。

一个立体声音响系统所产生的声场通常受制于扬声器的物理位置，并且聆听者收到的音响事件受限于两只扬声器的跨度。对于便携式的小型音响系统，用户感受到的立体声声场非常有限，几乎就是单声道。为克服这一限制，可以采用空间音频发声技术，扩展立体声声场，获得更好的串扰抑制，并增强某些空间定位性能。

空间音频

自然状态下，在你周围发出的声音本身就是有空间性的。声源是整个空间中一个小区域中的某个点，不过也有一些声源是发自广阔的区域，如地震和山崩。声音在环境中的各个物体上反射。你听到的是双耳的直射声和反射声，通过人的一些听觉处理后，最终辨识出声音。你可以对处理过的声音作出一些判断，用一些标志确定它们的特性，如方向、位置、响度、背景、品质、远近、音调、丰满还是单薄。如果有两个或更多声源，也可以确定每个声源相对于耳朵接收到的全部声音的混合特性。

空间音频这个词汇表示用电子或机械方式做声音的重现，它试图人工地重新创造出声音的真实世界聆听体验。另外，它还试图用人工改变再现的声音，创造出一种原来可能并不存在的感受空间环境。

空间音频重现的原理很简单：如果到达两个耳鼓的重现声波与某个位置上的真实声源完全相同，则你会感受到重现声仿佛来自该位置的一个音源。这与该声源是否发自其它位置无关。到达耳朵的声音数据经过大脑处理，最终特定出有关声音的各方面特性。

HRTF

耳朵的HRTF（人头相关传输函数）描述了你从空间某个点接收和处理声音的方式。频响HRTF描述了人体汇集声音信号的方式，以及耳廓（或外耳）与耳道在声音到达耳蜗前过滤信号的方式。环形对称的外耳（或耳廓）构成了形状特殊的天线，使经过位置相关和频率相关过滤的声音到达耳鼓，尤其是较高频率的声音。

图1 人头相关传输函数考虑了声波在不同时间进入人耳，并且由于两耳距离差而有不同强度，从而定位空间中的声源。

HRTF是对不同距离和方向所接收声音的左耳和右耳脉冲响应（或人头相关脉冲响应）静态测量值的傅里叶变换。ILD（双耳声级差）和ITD（双耳时间差）都来自每只耳朵所听到的声音（图1）。

每个人的HRTF都有差异，因为有时听力与身体特性有明显差别。但是，多个HRTF测量的数据库采用了一般的分类法，如男性或女性，以及年轻人或老人，通常用于那些需要HRTF的消费音频应用。这种测量可能要花很多时间，因为人们不可能长时间地将自己的头部保持在一个固定位置，因而得到的是不确定数据。于是，有些HRTF数据的创建者仅对仿真头做测量，这种仿真头是按照人类平均人头与人耳而建立的模型，避免了头部运动的误差。

你的耳朵能以三个维度确定声音的方向，前/后、上/下，以及两侧，角分辨率约为3°，另外还可以估计出距离，因为你的大脑、内耳和外耳会使用来自一只耳朵的单音，并与两只耳朵收听到的立体声（或声差）作比较。在自然环境下，个人已经通过多次试错和终身体验，了解了自己声音定位能力的准确度（即他们的HRTF数据），并能有效地补偿自己身体的形态与构成。

通过对现有声音信号采用适当的过滤器，并将声音与HRTF信息想结合，可以合成似乎来自空间中任何点的声音，从而获得专门针对每只耳朵的左、右声道声音。与耳机用户所体验到左、右声道分离类似，每个耳朵都只听到它应该听到的声音。比较来说，通过耳机播放的立体声音频信号似乎被限制在两耳之间的一条线上。这种原立体声和空间音频之间的差异产生了3D声，或虚拟声。

音频串扰

当两只扬声器距离聆听者有一定距离时，建立一个空间声音效果要困难得多，因为耳朵可以听到来自任何声道的声音，从而产生音频串扰。采用破坏波干扰可以抑制掉无用的信号，实现串扰抑制。反波（或抑制波）发送给右耳，抑制掉不想要的左声道音频信号（图2）。同样，左耳也处理不想要的右声道信号。结果是获得了明显的左、右声道增强区，提升了声音在3D空间中的感觉。

图2 串扰抑制采用破坏波干扰法，抑制不需要的信号。

这种对每个声