魏 彤 吳彥琴 桑晉秋 鄭成詩(shī) 李曉東

(1 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 北京 100190)

(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

多通道揚(yáng)聲器聲重放技術(shù)通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)揚(yáng)聲器布置和信號(hào)饋給而在一定的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生期望的聽(tīng)覺(jué)感知，以滿足聽(tīng)音者臨場(chǎng)感聽(tīng)音需求。該技術(shù)主要包括基于人耳感知特性的虛擬聲場(chǎng)重建和基于聲場(chǎng)合成特性的物理聲場(chǎng)重建，目前已廣泛應(yīng)用于電影院、音樂(lè)廳和會(huì)議室等諸多場(chǎng)合，其中有代表性的矩陣環(huán)繞聲技術(shù)包括5.1、7.1、9.1、22.2 通路系統(tǒng)等。分析表明，目前多通道揚(yáng)聲器聲重放技術(shù)主要側(cè)重于聲音的方向感、包圍感、音色等，對(duì)于聲音的距離感仍缺乏研究。

現(xiàn)有少量研究通過(guò)數(shù)量龐大的揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)聲源的物理聲場(chǎng)重建。Spors 等[1]采用頻譜相除法(Spectral division method，SDM)利用直線形揚(yáng)聲器陣列重放近場(chǎng)聲源，但是該方法無(wú)法合成全方位角的近場(chǎng)聲源。隨后，基于基爾霍夫-亥姆霍茲方程的波場(chǎng)合成(Wave field synthesis，WFS)技術(shù)和基于球諧函數(shù)的近場(chǎng)補(bǔ)償?shù)腍OA(Near-field compensated higher order ambisonics，NFC-HOA)

技術(shù)采用圓形揚(yáng)聲器陣列來(lái)合成全方位角的近場(chǎng)聲源。然而，此類方法要求揚(yáng)聲器數(shù)量龐大，成本高，復(fù)雜度高，且要求放音房間的混響時(shí)間短，在實(shí)際放音環(huán)境下難以達(dá)到理想的效果。

如何利用較少數(shù)量的揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聲源重放，可基于人耳感知特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。心理聲學(xué)研究結(jié)果表明，對(duì)于較遠(yuǎn)距離的聲源(距離受試者超過(guò)1 m)，受試者對(duì)距離感知主要依靠單耳因素，包括幅度、直達(dá)混響能量比及一些角度因素和譜因素[2]；對(duì)于較近距離的聲源(距離受試者小于等于1 m)，受試者的軀干、肩、頭等身體結(jié)構(gòu)對(duì)波陣面產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，在偏離中垂面的方向，會(huì)引起低頻段很高的雙耳聲級(jí)差(Interaural level differences，ILDs)[3]，并且為受試者提供了近場(chǎng)聲源距離感知的因素[4]。而頭相關(guān)傳遞函數(shù)(Head related transfer function，HRTF)能夠較完整反映上述的單耳因素和雙耳因素。基于HRTF的雙耳聲重放技術(shù)可通過(guò)HRTF 數(shù)據(jù)庫(kù)合成雙耳信號(hào)，在雙耳處實(shí)現(xiàn)聲壓信號(hào)重建[5-7]。早期HRTF的測(cè)量主要基于遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，主要包括1994年測(cè)量的MIT 庫(kù)和2000年測(cè)量的CIPIC 庫(kù)[8-9]。針對(duì)HRTF 測(cè)量復(fù)雜和耗時(shí)的問(wèn)題，董秋潔等[10]提出了一種利用雙揚(yáng)聲器的HRTF 動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，但對(duì)HRTF 的近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)較少；1998年，Duda 等[11]使用Bose Acoustimass 揚(yáng)聲器聲源近似點(diǎn)源完成了近場(chǎng)HRTF 的測(cè)量，然而普通揚(yáng)聲器在近場(chǎng)條件下無(wú)法滿足點(diǎn)源條件；2004年，Nishino 等[12]使用十二面體揚(yáng)聲器聲源近似點(diǎn)源完成了近場(chǎng)HRTF的測(cè)量，但是十二面體揚(yáng)聲器近似點(diǎn)源時(shí)，在一些頻率范圍內(nèi)存在較低的信噪比的問(wèn)題；2009年，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和北京大學(xué)合作采用KRMAR 人工頭測(cè)量了近場(chǎng)HRTF 數(shù)據(jù)庫(kù)[13]，該數(shù)據(jù)庫(kù)利用特殊的電火花作為激勵(lì)聲源，具有較好的全指向性和高信噪比；2018年，華南理工大學(xué)發(fā)布了不同距離的個(gè)性化近場(chǎng)HRTF數(shù)據(jù)庫(kù)[14]。

基于HRTF 的雙耳聲重放技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。但該雙通道信號(hào)通過(guò)雙揚(yáng)聲器重放時(shí)，雙耳處聲場(chǎng)存在串音，從而模糊虛擬聲像的方位信息，干擾聆聽(tīng)者對(duì)虛擬聲像的判斷，降低重放效果[15]。針對(duì)這一問(wèn)題，1961年，Bauerd[16]提出了串聲消除系統(tǒng)(Cross-talk cancellation system，CCS)；1963年，Schroeder 等[17]將串聲消除系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用到研究之中。雙揚(yáng)聲器系統(tǒng)的串聲路徑可看作一個(gè)兩輸入兩輸出的系統(tǒng)，用2×2 的空間響應(yīng)傳遞矩陣表示。相應(yīng)的處理串音干擾的串音消除器(Cross-talk canceller，CTC)是直接測(cè)量或者建模得到的空間響應(yīng)傳遞矩陣的逆[17-18]，對(duì)輸入揚(yáng)聲器之前的信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波處理，從而消除系統(tǒng)的串音干擾。對(duì)基于串聲消除技術(shù)的虛擬立體聲聲場(chǎng)重放，Ward 等[19-21]使用參數(shù)加權(quán)的方法擴(kuò)大了聲場(chǎng)甜點(diǎn)區(qū)范圍，提高其魯棒性；Kirkeb 等[22]引入了最小二乘的方法求解CTC，同時(shí)提出了聲偶極子(Dipole)布放方式；Bai 等[23-25]針對(duì)CCS 在揚(yáng)聲器陣列和手機(jī)等實(shí)際重放系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)性的工作。但已有的雙揚(yáng)聲器串聲消除系統(tǒng)著重研究遠(yuǎn)場(chǎng)聲源的方向感、環(huán)繞感，尚未涉及近場(chǎng)聲源的重放及距離感研究。

本文以串聲消除原理為理論基礎(chǔ)，展開(kāi)雙揚(yáng)聲器配置下近場(chǎng)聲源不同方向、不同距離條件下虛擬聲源重放實(shí)驗(yàn)研究。研究了多種典型雙揚(yáng)聲器配置下的近場(chǎng)虛擬聲像的方向感知和距離感知效果，包括Dipole 配置、立體聲配置、環(huán)繞聲配置以及揚(yáng)聲器分別位于雙耳兩側(cè)以考察前后混淆現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)分兩部分依次展開(kāi)：實(shí)驗(yàn)一用于測(cè)試近場(chǎng)距離下的虛擬聲像方向辨別準(zhǔn)確性，分析方向辨別準(zhǔn)確區(qū)域和方向辨別模糊區(qū)域；實(shí)驗(yàn)二排除方向辨別模糊區(qū)域，在方向辨別準(zhǔn)確的區(qū)域內(nèi)，測(cè)試分析近場(chǎng)虛擬聲像的距離辨別效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在方向角判斷準(zhǔn)確的區(qū)域，受試者能夠較準(zhǔn)確地分辨聲源的不同距離，同時(shí)聲源在側(cè)方時(shí)受試者的距離判定結(jié)果更準(zhǔn)確。

1 虛擬聲源的重放模型

1.1 模型建立

基于串聲消除的雙揚(yáng)聲器重放系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是改變揚(yáng)聲器的信號(hào)輸入，使得揚(yáng)聲器重放時(shí)的雙耳聲壓等于單聲源的情況，也稱這種方法為聽(tīng)覺(jué)傳輸方法[26]。因此，雙揚(yáng)聲器系統(tǒng)近場(chǎng)聲源的重放是通過(guò)調(diào)節(jié)兩路揚(yáng)聲器信號(hào)的饋給，使得揚(yáng)聲器重放的雙耳聲壓等于距離受試者1 m 范圍以內(nèi)的單聲源的情況。圖1給出了雙揚(yáng)聲器系統(tǒng)的近場(chǎng)聲源重放的示意圖，聲源信號(hào)S經(jīng)過(guò)兩個(gè)單輸入單輸出的系統(tǒng)，將幅度和相位調(diào)節(jié)后的信號(hào)輸入到左右兩揚(yáng)聲器播放，最后信號(hào)到達(dá)受試者雙耳產(chǎn)生與聲源信號(hào)S在近場(chǎng)情況下相同的效果。假設(shè)聲源信號(hào)S經(jīng)過(guò)預(yù)濾波器Hpre處理后形成兩揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)X，可表示為

圖1 雙揚(yáng)聲器系統(tǒng)近場(chǎng)聲源重放示意圖Fig.1 Diagram of near field source reproduction with dual speaker system

信號(hào)X經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器系統(tǒng)(系統(tǒng)包括聲卡、音箱)形成重放信號(hào)Y，假設(shè)揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為H0，則此過(guò)程可以表示為

揚(yáng)聲器重放信號(hào)Y經(jīng)空間傳播后到達(dá)受試者雙耳，形成雙耳信號(hào)E。則數(shù)學(xué)形式可表示為

另一方面，假設(shè)空間中某一單聲源位于圖中虛擬聲源V 的位置，產(chǎn)生信號(hào)S經(jīng)空間傳播后到達(dá)受試者雙耳，形成雙耳信號(hào)E′。則數(shù)學(xué)形式可表示為

要使得揚(yáng)聲器系統(tǒng)重放的聲像與單聲源產(chǎn)生相同的聽(tīng)覺(jué)效果，則需滿足條件E′=E。根據(jù)上述條件，將式(1)、式(2)代入式(3)，并結(jié)合式(4)可以得到

在實(shí)際應(yīng)用中，揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)通常會(huì)做均衡處理，從而實(shí)現(xiàn)兩揚(yáng)聲器系統(tǒng)的理想匹配。因此，在本文的研究中揚(yáng)聲器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)H0可以忽略，則式(5)可簡(jiǎn)化為

此時(shí)，預(yù)濾波器Hpre可以表示為

其中，H-1表示揚(yáng)聲器到受試者雙耳的系統(tǒng)傳遞矩陣的逆矩陣。

實(shí)際中布放的揚(yáng)聲器離受試者的距離一般在1.5 m以上(滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件)，因此需要選擇遠(yuǎn)場(chǎng)的傳遞函數(shù)HLL、HLR、HRR和HRL。根據(jù)重放虛擬聲源的位置信息，選擇近場(chǎng)的傳遞函數(shù)HVL和HVR。根據(jù)式(7)可以得到預(yù)濾波器Hpre。

1.2 模型求解

預(yù)濾波器Hpre的求解，核心問(wèn)題是對(duì)系統(tǒng)傳遞矩陣H進(jìn)行求逆，一般采用偽逆法。即使使用偽逆法，在某些頻率范圍也會(huì)出現(xiàn)病態(tài)問(wèn)題，通常在求逆過(guò)程中加入歸一化代價(jià)函數(shù)(Tikhonov 正則化)，使得逆矩陣逼近真實(shí)的系統(tǒng)傳遞矩陣的逆。那么，系統(tǒng)傳遞矩陣H的逆矩陣可以表示為[22，27]

其中，HH表示系統(tǒng)傳遞矩陣H的轉(zhuǎn)置矩陣，β表示正則化代價(jià)因子，用于限制濾波器增益和補(bǔ)償奇異值以保證該矩陣可逆，該參數(shù)可為常數(shù)或與頻率相關(guān)。如果β取值太小，式(8)的結(jié)果H-1在某些頻點(diǎn)上出現(xiàn)尖銳的峰值；反之，式(8)的結(jié)果相比于理想結(jié)果存在較大誤差。在實(shí)際的求逆過(guò)程中，一個(gè)精確的β值不是至關(guān)重要[22]，但是β要保證足夠的通道分離度，即串聲與直達(dá)聲之間的幅度比足夠小[27]。

本文取β= 0.005 作為求解逆矩陣過(guò)程中的正則化因子，客觀結(jié)果表明通道分離度足夠，雖然引入β值會(huì)帶來(lái)信號(hào)音色的輕微改變，但能滿足受試者測(cè)聽(tīng)定位實(shí)驗(yàn)的要求。接著將式(9)代入式(7)可求得預(yù)濾波器的形式為

將式(9)得到的結(jié)果Hpre代入式(1)可求得聲源信號(hào)S經(jīng)過(guò)預(yù)濾波器之后的信號(hào)X，即為揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)。

2 測(cè)聽(tīng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所的音頻聲學(xué)測(cè)聽(tīng)室中完成，室內(nèi)裝飾吸聲材料和吸聲板，尺寸為4.22 m×4.05 m×3.28 m，混響時(shí)間約為0.16 s，本底噪聲平均值為14.8 dB(A)。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)使用的揚(yáng)聲器為兩只Genelec 8030B 有源音箱，聲卡選用Antelope Orion 32，其中揚(yáng)聲器離受試者的距離為1.5 m，且聲卡與揚(yáng)聲器之間使用專業(yè)Canare 音頻線連接。實(shí)驗(yàn)中模擬聲源的信號(hào)為單通道click信號(hào)(圖3為信號(hào)片段的短時(shí)傅里葉功率譜)，信號(hào)頻率主要在2 kHz，采樣率為44.1 kHz。

在雙耳處輸入信號(hào)的計(jì)算中，選擇MIT 數(shù)據(jù)庫(kù)[8]中的HRTF 作為左右兩揚(yáng)聲器到受試者雙耳的傳遞函數(shù)，來(lái)代表傳遞函數(shù)HLL、HLR、HRR和HRL；選擇IOA-PKU數(shù)據(jù)庫(kù)[13]中的HRTF 來(lái)代表虛擬聲源到受試者雙耳的傳遞函數(shù)HVL、HVR，最后根據(jù)式(9)求得預(yù)濾波器。將click 信號(hào)通過(guò)預(yù)濾波器的處理，可以得到左右揚(yáng)聲器的輸入信號(hào)X。兩數(shù)據(jù)庫(kù)在測(cè)量HRTF時(shí)都是在全消聲室采用kemar 人工頭進(jìn)行測(cè)量，頭部的衍射和耳廓耳道的聲濾波特性近似一致，可以避免近遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)由于測(cè)量條件的較大差異帶來(lái)的負(fù)面影響。但由于兩數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)量環(huán)境、測(cè)量條件和測(cè)量方法存在一定差異，而且沒(méi)有采用個(gè)性化的HRTF，近遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)代入公式(9)后仍然會(huì)帶來(lái)一定的感知誤差。

圖2 音頻聲學(xué)測(cè)聽(tīng)實(shí)驗(yàn)室Fig.2 Audio acoustic listening test room

圖3 click 信號(hào)的短時(shí)傅里葉功率譜Fig.3 Spectrogram of click signal

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)聽(tīng)實(shí)驗(yàn)使用上文描述的測(cè)聽(tīng)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)器材。聽(tīng)力正常的6位受試者(3男3女)參加了測(cè)聽(tīng)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)雙揚(yáng)聲器的夾角大小展開(kāi)了不同的揚(yáng)聲器配置模式下的測(cè)聽(tīng)實(shí)驗(yàn)：

(1)揚(yáng)聲器夾角為10°(聲偶極子)；

(2)揚(yáng)聲器夾角為60°(標(biāo)準(zhǔn)立體聲)；

(3)揚(yáng)聲器夾角為180°(揚(yáng)聲器與中垂面的夾角為直角)；

(4)揚(yáng)聲器夾角為220°(標(biāo)準(zhǔn)5.1聲道中的環(huán)繞聲道)。

實(shí)驗(yàn)分兩部分依次展開(kāi)，分別進(jìn)行對(duì)虛擬聲源方位角和距離的判定。

實(shí)驗(yàn)一安排受試者進(jìn)行虛擬聲源方位角的判定，以確定虛擬聲源方向判定的準(zhǔn)確區(qū)域和模糊區(qū)域。虛擬聲源方位角的判定在虛源距離等于20 cm、75 cm兩種情形下完成。圖4給出了在4種不同的揚(yáng)聲器配置模式下需要受試者辨別的虛擬聲源的方向(用虛線表示)。當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為10°時(shí)，如圖4(a)所示，要求每位受試者辨別水平面全方位采樣間隔為30°的虛擬聲源的方向。在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)員隨機(jī)重放圖4(a)中虛線所示的不同方向的虛擬聲源，并要求受試者將感受到聲源的方向與圖4(a)中虛線所示的12個(gè)方向?qū)?yīng)并反饋給實(shí)驗(yàn)員，實(shí)驗(yàn)員隨即記錄反饋結(jié)果。

根據(jù)初步的測(cè)聽(tīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖4(b)～圖4(d)三種配置下受試者對(duì)在左半平面和右半平面的虛源感知定位具有近似對(duì)稱性。因此為了減少受試者的疲勞感對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，圖4(b)～圖4(d)三種配置下要求每位受試者完成右半平面采樣間隔為15°的虛擬聲源的方向角判定。在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)員隨機(jī)重放上述不同方位的虛擬聲源，并要求受試者將感受到聲源的方向與圖4(b)～圖4(d)中虛線所示的13個(gè)方向?qū)?yīng)并反饋給實(shí)驗(yàn)員，實(shí)驗(yàn)員隨即記錄反饋結(jié)果。要求每位受試者連續(xù)完成虛擬聲源距離等于20 cm、75 cm 兩種情形下的測(cè)聽(tīng)，在此過(guò)程中，受試者每完成一種距離情形下的測(cè)聽(tīng)之后，安排5 min 時(shí)間的休息。當(dāng)受試者完成實(shí)驗(yàn)一虛擬聲源方位角的判定之后，安排15 min 時(shí)間的休息，以便排除測(cè)聽(tīng)疲勞對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的影響。

圖4 實(shí)驗(yàn)一揚(yáng)聲器配置模式及虛源待測(cè)方位角示意圖Fig.4 Schematic diagram of loudspeaker configuration and virtual source azimuth to be measured for Experiment One

實(shí)驗(yàn)二安排受試者進(jìn)行聲源距離的判定。在實(shí)驗(yàn)中，受試者可以用聲源在肩部、肘部或手部去衡量感知的聲源距離，實(shí)驗(yàn)員隨后記錄判定結(jié)果，根據(jù)每位受試者的肩部、肘部和手部的實(shí)際距離將判定結(jié)果等效為測(cè)量距離。這種方式對(duì)距離的判定更精確，因?yàn)闆](méi)有限定受試者必須把感知距離判定成2 cm、50 cm 和75 cm 幾個(gè)離散距離選項(xiàng)。因此，在實(shí)驗(yàn)之前，需要完成對(duì)每位受試者的肩、肘、手3 個(gè)位置的距離的測(cè)量。表1給出參加實(shí)驗(yàn)的受試者肩、肘、手3個(gè)位置的測(cè)量距離。

表1 受試者肩部、肘部、手部距離的測(cè)量結(jié)果Table1 The shouder length，elbow length and hand length

根據(jù)實(shí)驗(yàn)一受試者對(duì)虛擬聲源方位角的判定結(jié)果，當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為180°(圖4(c))時(shí)，受試者出現(xiàn)嚴(yán)重的前后混淆現(xiàn)象(如圖6(e)、圖6(f)所示)。因此，在實(shí)驗(yàn)二測(cè)聽(tīng)辨別距離時(shí)，只測(cè)聽(tīng)另外3 種配置下受試者對(duì)虛擬聲源距離的感知，即揚(yáng)聲器之間夾角為10°、60°和220°三種情況(圖5)。圖5給出了在3 種不同的揚(yáng)聲器配置模式下方位角判斷準(zhǔn)確的區(qū)域內(nèi)需要受試者判斷的虛擬聲源的距離(用×表示)。當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為10°時(shí)，如圖5(a)所示，在虛擬聲源方位角為0°、30°、60°、300°和330°五種情形下，要求受試者感知實(shí)際距離為20 cm、50 cm 和75 cm 的虛擬聲源的距離。當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為60°時(shí)，如圖5(b)所示，在虛擬聲源方位角為0°和30°的情形下，要求受試者感知實(shí)際距離為20 cm、50 cm和75 cm 的虛擬聲源的距離。當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為220°時(shí)，如圖5(c)所示，在虛擬聲源方位角為120°、150°和180°三種情形下，要求受試者感知實(shí)際距離為20 cm、50 cm 和75 cm 的虛擬聲源的距離。圖5(b)和圖5(c)兩種揚(yáng)聲器配置模式在預(yù)實(shí)驗(yàn)中的聲像感知效果呈左右近似對(duì)稱性，且為減少受試者疲勞，實(shí)驗(yàn)僅測(cè)試了虛源在右側(cè)的區(qū)域。

圖5 實(shí)驗(yàn)二揚(yáng)聲器配置模式及虛源待測(cè)距離示意圖Fig.5 Schematic diagram of loudspeaker configuration and virtual source distance to be measured for Experiment Two

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 方位角判定結(jié)果分析

在揚(yáng)聲器夾角不同的情況下，圖6根據(jù)6 位受試者的測(cè)聽(tīng)結(jié)果分別繪制了虛源距離為20 cm 和75 cm時(shí)的角度辨別散點(diǎn)圖。如圖6所示，橫軸表示目標(biāo)方位角，縱軸表示判斷方位角，虛線表示方位角判斷的理想結(jié)果，圓點(diǎn)的大小代表所有受試者角度判斷結(jié)果的重合次數(shù)。圓點(diǎn)越大判定結(jié)果重合的次數(shù)越多，也表明受試者對(duì)該方位的虛擬聲源的角度感知結(jié)果越一致。

圖6(a)和圖6(b)分別給出了受試者在揚(yáng)聲器夾角為10°時(shí)，對(duì)距離為20 cm和75 cm的虛擬聲源方位角的測(cè)聽(tīng)結(jié)果。從兩圖中可知，大部分受試者可以準(zhǔn)確判定前半水平面的虛擬聲源，但對(duì)于正前方和正后方的虛擬聲源，受試者存在嚴(yán)重的前后混淆現(xiàn)象。對(duì)于右側(cè)區(qū)域的虛擬聲源，受試者基本將其判定為30°或者60°方向的虛擬聲源，但似乎結(jié)果存在較大的離散性(例如最為明顯的120°方向，散點(diǎn)分散度很高)。然而，對(duì)于左側(cè)區(qū)域的虛擬聲源，受試者完全將其判定為300°或者330°方向的虛擬聲源，結(jié)果集聚性很強(qiáng)。這說(shuō)明偶極子布放方式重放的聲像左側(cè)區(qū)域比右側(cè)區(qū)域明顯。

圖6(c)和圖6(d)分別給出了受試者在揚(yáng)聲器夾角為60°時(shí)，對(duì)距離為20 cm和75 cm的虛擬聲源方位角的測(cè)聽(tīng)結(jié)果。從兩圖中可知，當(dāng)重放虛擬聲源位于前半水平面時(shí)，受試者基本都能準(zhǔn)確判定其位置。當(dāng)重放虛擬聲源位于后半水平面時(shí)，受試者將實(shí)際的后方虛擬聲源判定為前方虛擬聲源，出現(xiàn)后前混淆問(wèn)題。當(dāng)重放虛擬聲源位于揚(yáng)聲器夾角區(qū)域之外時(shí)，受試者很難區(qū)別這個(gè)區(qū)間的虛擬聲源的具體方向。因此，本文稱這個(gè)區(qū)間為方向辨別模糊區(qū)間。比較兩圖可知，當(dāng)虛擬聲源距離增大時(shí)，受試者的方向辨別模糊區(qū)間變小。

圖6 實(shí)驗(yàn)一受試者方位角測(cè)聽(tīng)結(jié)果Fig.6 Results of the azimuth localization in Experiment One

圖6(e)和圖6(f)分別給出了受試者在揚(yáng)聲器夾角為180°時(shí)，對(duì)距離為20 cm 和75 cm 的虛擬聲源方位角的測(cè)聽(tīng)結(jié)果。從兩圖中可知，當(dāng)重放虛擬聲源位于前半水平面時(shí)，受試者前后混淆問(wèn)題嚴(yán)重。當(dāng)重放虛擬聲源位于后半水平面時(shí)，混淆問(wèn)題減弱。其中重放虛擬聲源位于90°時(shí)，受試者都能準(zhǔn)確判定其方位角。比較兩圖可以看出，當(dāng)虛擬聲源距離增大時(shí)，受試者的測(cè)聽(tīng)結(jié)果的準(zhǔn)確度提高。

圖6(g)和圖6(h)分別給出了受試者在揚(yáng)聲器夾角為220°時(shí)，對(duì)距離為20 cm 和75 cm 的虛擬聲源方位角的測(cè)聽(tīng)結(jié)果。從兩圖中可知，當(dāng)重放虛擬聲源位于后半水平面時(shí)，受試者基本都能準(zhǔn)確判定其位置。當(dāng)重放虛擬聲源位于前半水平面時(shí)，受試者基本完全將前方虛擬聲源判定為關(guān)于前平面對(duì)稱的后方虛擬聲源，出現(xiàn)前后混淆問(wèn)題。比較兩圖，當(dāng)虛擬聲源距離增大時(shí)，受試者的測(cè)聽(tīng)結(jié)果準(zhǔn)確度提高。

對(duì)于前后混淆現(xiàn)象，文獻(xiàn)[6]中指出，耳廓對(duì)聲波的反射和散射所引起的譜因素對(duì)前后方向的聲源定位非常重要。但耳廓引起的譜因素極具個(gè)性化特征，且僅對(duì)高于5 kHz～6 kHz 的高頻聲波有效，而且由于頭部偏移耳廓難以帶來(lái)穩(wěn)定可靠的定位因素。而對(duì)于1 kHz～2 kHz 以下的低頻情況，HRTF 是近似前后對(duì)稱的，難以分清前后。由于上述原因非個(gè)性化HRTF極易產(chǎn)生前后混淆現(xiàn)象。

總之，當(dāng)虛源與揚(yáng)聲器同處于前半水平面或同處于后半水平面時(shí)，受試者可以準(zhǔn)確判定虛擬聲源的方向；當(dāng)重放虛擬聲源位于揚(yáng)聲器夾角之外時(shí)，受試者無(wú)法準(zhǔn)確判定虛擬聲源的方向；當(dāng)虛擬聲源距離增大時(shí)，受試者的測(cè)聽(tīng)結(jié)果準(zhǔn)確度提高。

3.2 距離判定結(jié)果分析

在揚(yáng)聲器夾角為10°、60°和220°的情況下，圖7～圖9根據(jù)受試者對(duì)于不同方向虛擬聲源距離的感知結(jié)果繪制了散點(diǎn)圖。其中，橫軸表示目標(biāo)距離，縱軸表示判定距離，虛線表示距離判定的理想結(jié)果，圓點(diǎn)代表每位受試者對(duì)虛擬聲源距離的判定結(jié)果。圖7～圖9顯示的主觀距離判定是受試者感知的實(shí)際結(jié)果，而不是把距離判定成離散的某幾個(gè)目標(biāo)距離，一定程度上可以更準(zhǔn)確地衡量受試者的實(shí)際距離感知。由于不同受試者肩部、肘部、手部的測(cè)量長(zhǎng)度存在相同的情況，因此對(duì)于感知距離結(jié)果重合的情況采用較大的圓點(diǎn)表示。

圖7 揚(yáng)聲器夾角10°，受試者虛源距離測(cè)聽(tīng)結(jié)果Fig.7 The angle between the two speakers is 10°，and the results of the distance localization

圖8 揚(yáng)聲器夾角60°，受試者虛源距離測(cè)聽(tīng)結(jié)果Fig.8 The angle between the two speakers is 60°，and the results of the distance localization

圖9 揚(yáng)聲器夾角220°，受試者虛源距離測(cè)聽(tīng)結(jié)果Fig.9 The angle between the two speakers is 220°，and the results of the distance localization

當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為10°時(shí)，距離感知散點(diǎn)圖如圖7所示。其中，圖7(a)表示虛源位于0°方向時(shí)不同受試者虛源距離的判斷結(jié)果，從圖中可看出受試者對(duì)0°方向虛擬聲源的距離感較差。當(dāng)虛擬聲源的方向偏離0°時(shí)，受試者對(duì)不同目標(biāo)距離的虛擬聲源定位準(zhǔn)確度明顯提高，其中最明顯的為側(cè)方聲源，即60°方向和300°方向。將右側(cè)與左側(cè)的測(cè)聽(tīng)結(jié)果對(duì)比，可以看出受試者對(duì)左側(cè)虛擬聲源的感知距離較近。

當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為60°時(shí)，距離感知散點(diǎn)圖如圖8所示。其中，圖8(a)表示虛源0°方向時(shí)不同受試者虛源距離的判斷結(jié)果，從圖中可看出受試者對(duì)0°方向虛擬聲源的距離感較差，所有受試者都存在多次判斷錯(cuò)誤的情況，尤其當(dāng)虛擬聲源的目標(biāo)距離為20 cm 時(shí)，受試者完全無(wú)法正確判定。圖8(b)表示虛源30°方向不同受試者虛源距離的判斷結(jié)果，從圖中可看出受試者對(duì)30°方向虛擬聲源的距離判定結(jié)果分布更靠近圖中理想虛線兩側(cè)，大部分受試者可以正確感知目標(biāo)距離為20 cm 處的虛擬聲源，所有受試者可以正確感知目標(biāo)距離為75 cm的虛擬聲源?？傮w而言，受試者對(duì)稍遠(yuǎn)距離聲源和側(cè)方聲源的距離感知更準(zhǔn)確。

當(dāng)揚(yáng)聲器夾角為220°時(shí)，距離感知散點(diǎn)圖如圖9所示。其中，圖9(a)表示虛源120°方向時(shí)不同受試者虛源距離的判斷結(jié)果，從圖中可看出受試者對(duì)120°方向的虛擬聲源距離感較好，判定結(jié)果分布靠近圖中理想虛線兩側(cè)；圖9(b)表示虛源150°方向時(shí)不同受試者虛源距離的的判斷結(jié)果，從圖中可看出大部分受試者可以正確判斷不同距離的虛源，相比120°方向虛擬聲源的判定結(jié)果，其結(jié)果更偏離于理想虛線兩側(cè)；圖9(c)表示虛源180°方向時(shí)不同受試者虛源距離的判斷結(jié)果，相比于120°和150°方向虛擬聲源的判定結(jié)果，圖9(c)中受試者的判定結(jié)果最偏離于理想虛線兩側(cè)，受試者存在多次判斷錯(cuò)誤的情況。因此，受試者對(duì)側(cè)方虛擬聲源的距離感優(yōu)于180°方向虛擬聲源的距離感，其中對(duì)120°方向的虛擬聲源的距離感最好，基本可準(zhǔn)確區(qū)分不同距離的虛源。同樣說(shuō)明受試者對(duì)側(cè)方聲源的距離感更準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本文基于不同距離的HRTF，通過(guò)串聲消除的方法實(shí)現(xiàn)在多種典型的雙揚(yáng)聲器配置下近場(chǎng)虛擬聲源的重放，并對(duì)其完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)聽(tīng)研究。測(cè)聽(tīng)結(jié)果表明該雙耳合成技術(shù)存在前后混淆現(xiàn)象，一對(duì)前方左右揚(yáng)聲器布置難以產(chǎn)生后半水平面范圍的虛擬源，一對(duì)后方左右揚(yáng)聲器不能產(chǎn)生前半水平面的虛擬源。但在方位角判斷準(zhǔn)確的方向上，可對(duì)虛擬源感知距離進(jìn)行控制，特別是當(dāng)方向角越偏離中垂面時(shí)，對(duì)感知距離控制的準(zhǔn)確度越高。該測(cè)聽(tīng)結(jié)果也驗(yàn)證了所采用的近場(chǎng)HRTF數(shù)據(jù)庫(kù)的有效性。如何在雙揚(yáng)聲器重放近場(chǎng)聲源時(shí)增強(qiáng)距離控制準(zhǔn)確度也值得進(jìn)一步研究。