应用双耳效应控制虚拟声像位置变化研究

宫明泉　熊婕　赖李华

摘 要：人们在现实声环境下听到的声信号由于经过了身体和耳廓等结构散射后相当于经过了一个滤波器组，而正是滤波后的声信号使人们产生了空间方位感。使用HRTF函数（即头相关变换函数，是模仿人耳处理声源信息的一种音效定位算法）对原始音频进行时域卷积处理可以使原始音频信号的声像位置产生可控的变化，即令人主观感觉到声源是在空间不断移动的。我们自主进行了实验设计，使用MATLAB软件和MIT HRTF数据库实现了对虚拟声像位置变化的控制，得到了可行程序和有效音频，然后完成了本项目处理所得音频与传统软件处理所得立体声的对比，此外还建立了有效的HRTF扩充数据库。

关键词：HRTF 虚拟声像 立体声

中图分类号：TB5 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）06-0-01

一、引言

人耳声源方位感的重要定位功能， 也是生物、医学和音乐等专业重要的物理教学内容.应用物理手段测量或演示双耳效应机理，有助于学生对双耳效应的深入理解。[1-2]

二、实验原理

在有声音存在的环境， 人们在听到声音的同时， 还感觉到声音来自何方， 大约距离， 这就是人耳的声源方位感在起作用.声源方位感是听觉器官对声音的音高、音强、音色、音长感觉之外的又一个感觉要素， 它涉及到复杂的生理学、心理学方面的问题， 其中的一些基本机理细节， 至今尚未十分明了.声源方位感是立体声技术的理论依据。[3]

HTF可行性原理：人们在现实声环境下听到的声信号由于经过了身体和耳廓等结构散射后相当于经过了一个滤波器组，而正是滤波后的声信号使人们产生了空间方位感。

HRTF函数（即头相关变换函数，是模仿人耳处理声源信息的一种音效定位算法）对原始音频进行时域分段卷积处理“模拟替代”人体自身的耳部结构使原始音频信号产生可控的环绕声效果，即令人主观感觉到声源是在空间不断移动的。通过分析研究HRTF函数嵌套处理声信号的原理及过程直接对自设计录音音频进行HRTF嵌套，实现虚拟听觉控制，并通过相关程序实现双声道wav音频的虚拟环绕声。

三、实验器材与实验方法

OKM-II professionell Originalkopf-Mikrofon（一款德系人头录音专用麦克风，以下简称麦克风）、声源（手机、平板）、计算机、（软件）matlab、（软件）audacity

1.实验步骤

1.1实验一步骤

1.1.1在matlab软件上编写环绕立体声处理程序，对选定单声道音频“Because of You.mp3”进行尝试处理。试听处理后音质效果。

1.1.2在自然混响室里进行人头录音，受试者耳戴OKM-II麦克风，保持静止状态（头部无摇晃，无转动），另一成员手持声源（手机），在受试者头部周围进行环绕。对比两段音频的效果。

1.2实验二步骤

1.2.1选择待处理的音频“情歌王.mp3”一部分，进行设计分段，使用音乐软件将其截取为5段并分别导出

1.2.2在自然混响室里进行人头录音。受试者耳戴OKM-II麦克风，保持静止状态（头部无摇晃，无转动）。在受试者左前（标記1）、右前（标记2）、右后（标记3）、左后（标记4），均45度方向放置4个声源，分别播放分段音频的4个阶段，播放顺序为：1-2-3-4，其中4号声源还负责播放第5段音频，播放位置换至测试者头部正上方。

1.2.3在matlab软件上编写静态立体声处理程序，对步骤2录制好音频处理。验证是否可以模拟出虚拟静态声像。

四、实验结果与数据分析

实验前准备阶段所得音频可以听出音像在听者右前方靠近正右方的方向

实验一预期结果虚拟声像可环绕听者360°移动，转速可控。

实验二预期结果可以模拟还原出真实声源（具有明显方位感）效果。

可以明显看出处理之后的音频左右声道的频谱不同，通过处理让完全相同的左右声道输出的声压、相位、频率都不相同，从而听者会感觉到方位感环绕感。

音频处理程序、HRTF数据库、处理的音频文件如有需要请联系17854295562@163.com

五、结束语

各大音乐软件（如QQ音乐，网易云音乐，酷狗音乐等）都在开发音乐特效，环绕即是其中的一种，作为一种普适性的立体声处理，这也是我们项目已经完成的部分之一，在人们对影音体验要求越来越高的今天，这种技术具有广阔的前景。

参考文献

[1]胡泽.音乐声学[ M] .1.北京：中国广播电视出版社， 2003：33-36 .

[2]齐娜，子厚.音响师声学基础[ M] .1.北京：国防工业出版社， 2006 ：53-54 .

[3]郝乃澜，凯杰，晓琳，书明。双耳效应机理教学实验设计.理实验，2010 06 ：30-6