應用雙耳效應控制虛擬聲像位置變化研究

宮明泉　熊婕　賴李華

摘 要：人們在現實聲環境下聽到的聲信號由于經過了身體和耳廓等結構散射后相當于經過了一個濾波器組，而正是濾波后的聲信號使人們產生了空間方位感。使用HRTF函數（即頭相關變換函數，是模仿人耳處理聲源信息的一種音效定位算法）對原始音頻進行時域卷積處理可以使原始音頻信號的聲像位置產生可控的變化，即令人主觀感覺到聲源是在空間不斷移動的。我們自主進行了實驗設計，使用MATLAB軟件和MIT HRTF數據庫實現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，然后完成了本項目處理所得音頻與傳統軟件處理所得立體聲的對比，此外還建立了有效的HRTF擴充數據庫。

關鍵詞：HRTF 虛擬聲像 立體聲

中圖分類號：TB5 文獻標識碼：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、醫學和音樂等專業重要的物理教學內容.應用物理手段測量或演示雙耳效應機理，有助于學生對雙耳效應的深入理解。[1-2]

二、實驗原理

在有聲音存在的環境， 人們在聽到聲音的同時， 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、音色、音長感覺之外的又一個感覺要素， 它涉及到復雜的生理學、心理學方面的問題， 其中的一些基本機理細節， 至今尚未十分明了.聲源方位感是立體聲技術的理論依據。[3]

HTF可行性原理：人們在現實聲環境下聽到的聲信號由于經過了身體和耳廓等結構散射后相當于經過了一個濾波器組，而正是濾波后的聲信號使人們產生了空間方位感。

HRTF函數（即頭相關變換函數，是模仿人耳處理聲源信息的一種音效定位算法）對原始音頻進行時域分段卷積處理“模擬替代”人體自身的耳部結構使原始音頻信號產生可控的環繞聲效果，即令人主觀感覺到聲源是在空間不斷移動的。通過分析研究HRTF函數嵌套處理聲信號的原理及過程直接對自設計錄音音頻進行HRTF嵌套，實現虛擬聽覺控制，并通過相關程序實現雙聲道wav音頻的虛擬環繞聲。

三、實驗器材與實驗方法

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

1.實驗步驟

1.1實驗一步驟

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

1.1.2在自然混響室里進行人頭錄音，受試者耳戴OKM-II麥克風，保持靜止狀態（頭部無搖晃，無轉動），另一成員手持聲源（手機），在受試者頭部周圍進行環繞。對比兩段音頻的效果。

1.2實驗二步驟

1.2.1選擇待處理的音頻“情歌王.mp3”一部分，進行設計分段，使用音樂軟件將其截取為5段并分別導出

1.2.2在自然混響室里進行人頭錄音。受試者耳戴OKM-II麥克風，保持靜止狀態（頭部無搖晃，無轉動）。在受試者左前（標記1）、右前（標記2）、右后（標記3）、左后（標記4），均45度方向放置4個聲源，分別播放分段音頻的4個階段，播放順序為：1-2-3-4，其中4號聲源還負責播放第5段音頻，播放位置換至測試者頭部正上方。

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

四、實驗結果與數據分析

實驗前準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

實驗一預期結果虛擬聲像可環繞聽者360°移動，轉速可控。

實驗二預期結果可以模擬還原出真實聲源（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，從而聽者會感覺到方位感環繞感。

音頻處理程序、HRTF數據庫、處理的音頻文件如有需要請聯系17854295562@163.com

五、結束語

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

參考文獻

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

[2]齊娜，子厚.音響師聲學基礎[ M] .1.北京：國防工業出版社， 2006 ：53-54 .

[3]郝乃瀾，凱杰，曉琳，書明。雙耳效應機理教學實驗設計.理實驗，2010 06 ：30-6