声音空间化技术在扬声器阵列上的应用

摘要：Ambsonic是声音空间化技术的一种，用来实现声音的高保真和精确定位回放。该文讨论了整个Ambsonic第一等级系统的编码器和解码器的设计，并且通过研究心理声学和两耳效应，对应用在规则扬声器阵列上的解码器的优化设计进行了描述。

关键词：声音空间化；Ambisonic；编码；解码；优化

中图分类号：TN762 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）22-5166-02

声音空间化回放技术现在广泛的应用在家庭影院，立体声电影院和立体声耳机上面。普通的音响回放系统只能进行对声音音色的还原，但对声音在原始3D空间内的位置，不能精确还原。而声音空间化技术则用来将处在3D空间中的声源信号，编码形成波形文件进行储存，并能在用户终端扬声器阵列上回放，精确的还原原始声场。所谓还原原始声场，不但能还原原始声音的音质，同时能精确还原声音的定位。声音空间化常见的技术包括双耳综合以及Ambisonic， Ambisonic技术主要应用在扬声器上，而双耳综合则应用在立体声耳机上面。

1 Ambisonic概述

Ambisonic是一种多声道编码解码系统，整个系统分为编码器和解码器两部分，它将原始声音编码进多个声音信号进行保存传输，最终将这些声道解码，在用户终端不同数量及摆放形状的扬声器阵列上回放。

Ambisonic技术分为多个等级，它根据不同等级，将原始声音编码进不同数目的声道。该技术旨在获得较大的“sweet spot”和360度全方位的同等精确度，所谓“sweet spot”，就是声音精确度不受听者位置影响的区域范围[1]。等级越高，“sweet spot”的区域则越大。该文主要研究其第一等级，称为B格式。

2 Ambisonic编码器

4 优化Ambisonic解码器

从上面公式可以看出，d取值不同，解码器的参数各不相同，性能也不相同。要优化解码器，需要考虑心理声学因素，所谓心理声学，与两耳效应及空间定位有关，并且对高频声波和低频声波，人双耳对声音的定位方法是两种不同的机制。

在低频段，双耳定位声音依赖于声波的速度，这里说的低频是指700HZ以下的频率，对这个频率带，声波长，两耳间收到的声音强度没有显著差别，但是两耳收到声音信号的时间有差别，所以声音定位依赖于两耳间的时间差[2]。

在中高频段，即700HZ以上频段，声音定位依赖于声音的强度。在这个频率带，声波短，头部会阻隔声波，导致距离声源较远的一端耳朵收到的声音强度会比较弱，所以定位的线索就是声音强度[2]。

根据心理声学，Gerzon提出了三个通用标准去衡量一个Ambisonic解码器的性能[3]：

不是所有的解码系统都能完美的符合该标准，针对规则的扬声器阵列和不规则摆放的扬声器阵列，解码器的优化方法是不同的。所谓规则的扬声器阵列，就是所有扬声器彼此之间的距离间隔相同且到中心点的距离相同，例如正方形，正五边形。规则扬声器阵列已经被证实可以使能量向量和速度向量在360度重叠，而对于非规则扬声器阵列，能量向量和速度向量仅仅在一些离散的方向点上重合。Ambisonic非常适用于规则扬声器阵列，Wiggins指出根据设计标准，最优化针对规则扬声器阵列的解码器，仅仅需要将rv和re最优化为1[4]。

根据解码公式，再结合性能标准公式，我们可以得出结论：通过调整指向性因数d在不同频率带的值，能够使rv =1 且使re的值达到最优化，从而使解码器能够同时满足高频和低频的定位要求。

为了同时满足低频和高频的定位标准，B格式信号被分离为高频低频两部分信号，因此需要在解码器前放置一个滤波器。所以整个解码器系统有两个解码器组成。对高频解码器，输入B格式4信道高频信号，扬声器的方位角以及合适的d值。对低频解码器，输入B格式4信道低频信号，扬声器的方位角以及合适的d值。但是两个解码器并不完全独立，最终，两个解码器的声音将被合并起来回放出去。

5 结束语

本文研究了声音空间化的技术之一——Ambisonic技术，用来实现在扬声器阵列：例如双声道立体声，5.1环绕声等设备上的高保真3D原始声音场回放。该文主要关注了第一级别Ambisonic的编码和解码，并且讨论了针对规则用户端扬声器阵列的解码器的优化原理。通过选取最优化的指向性因数的值，可以设计出最优化的解码器，实现原始3D声场的高保真回放。

参考文献：

[1] Gerzon M A. Ambisonic in multichannel broadcastion and video[J]. Journal of the Audio Engineering Society， 1985（33）： 859-871.

[2] Gerzon M A.Surround sound psychoacoustics[J].Wireless World， 1974（80）：483-486.

[3] Wiggins B.An Investigation into the Real-Time Manipulation and Control of Three-Dimensional Sound Fields[D].University of Derby，2004.

[4] Gerzon M A，Barton G J.Surround Sound Apparatus[J].United States Patent，1998（5）：757， 927.