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1、嘲 离 簸穗 扬声 器与 传声 器 “ 以。匹 F i n e t r i n g 凹 岛 匐【 虹 囿响 【 6 0 ， 囿 电声技术新进展 ( 续完) 杨 军 ( 中国科学院声学研究所 噪声与振动重点实验室， 北京1 0 0 1 9 0 ) ( 上 接 2 0 1 4年 3 8卷 1期 2 2页 ) 3 2 虚拟低音增强 随着市场 上音 频重 放设 备 日趋小 型化 、 便携 化、 低功耗化 ， 人们对于小型扬声器的重放音质要 求越来越高。由于受尺寸和重量的限制， 小型扬 声器的低频重放能力比较差。均衡器是传统上解 决这一问题 的方法 ， 但是这样会 使系统耗能增 加 ， 效率降低 ， 使
2、重放信号产生严 重的畸变 ， 严重 的还 会损坏扬声器 系统 。与传统 的利用均衡器 提高低 频部分物理增益 的低频频带扩展方法不同， 虚拟 低音技 术利 用一 种被 称 为 “ 虚 拟音 调 ” 的听 觉现 象 。虚拟音调指人耳在基频 缺失 的情况 下可 以利 用基 频 的谐 波组 合 重建 基 频 信 号。1 9 4 0年 ， S c h o u t e首先把基频成分完全移除的复音产生的音 调基本不变这一 现象称 为“ 虚拟音调 ” 或 者“ 基频 缺失” 。1 9 8 0年 ， K i m e t a l 等 人发 现耳 蜗对 声 音信 号会产生非 线性 互调 失真 ， 他 指 出正是这
3、 种失 真 产生 了虚拟音调现象 。 1 9 9 9年 B e nT z u r 和 C o l l o ms 讨论 了一种通 过 电路的非线性产生低频谐波方案的可行 眭， 并重点分 析了如何保持处理后的输出信号和输人信号响度一 致， 随后 S h a s h o u a 和 G lo t t e r 给出的一种具体实现方 法 ， 这种技术被称 为 Ma x x B a s s 。其他类似 的技术还 有 S R S公司的 T r u B a s s 以及飞利浦公司的 U h r a B a s s 。 2 0 0 1 年 ， G a n等人提出了采用调制手段产生谐波的新 方法并且通过 D S
4、P处理器实现， 随后 ， 他们继续深入 研究了非线性谐波生成算法 ， 提出了采用高次多项式 拟合非线性函数产生谐波的方法， 以便灵活调整谐波 的次数 以及 各 次谐 波能量 的衰减规 律 ， 并 且 采用 R n o n l i n模型分析了不同的非线性谐波生成器对音质 的影响 。非线性谐波生成法( N L D ) 存在非线性畸 变和互调失真的问题 ， 这也是影响该方法音质表现的 主要 因素 。针对这一缺陷， 2 0 0 6年， B a i 等人 提 出 了基于相位声码器的虚拟低音增强算法 。该算法通 过短时傅里叶变换处理信号的低频成分， 提取出相 位和幅度 信息 ， 并 改变信号的瞬时频率
5、， 达 到产生 囊 投 投稿 网址 ： h t t p ： A u d i o E c n 综述 谐波的 目的。在此基础上 ， 国内的研究 者也进行 了 一系列研究 工作 ， 郭杰等人 改进 了相位合 成算 法， 引入了峰值匹配技术， 改善了原方法的音质。 周加成等人 。 。 研究 了虚 拟低音 的主观听感和谐波 成分的关系 ， 指出虚拟低音 的谐波成分 能量 以底数 为 0 5的指数 函数衰减时 ， 音质还原效果更好。需 要注意的是 ， 相位声码器存在如瞬态模糊 和混响效 应等音质缺陷， 原 因是相位声码器一个编码通道原 则上只能允许一个单频信号通过， 如果不满足这一 条件 ， 就会产 生调
6、制效果 ， 而且相位声码器无法保 证相位的横向一致性。L a r s e n等人提出的基于频谱 峰值追踪的虚拟低音增强技术， 以及 H i l l 等人提出 的基于瞬态和稳态分离 的虚拟低音增强方法 ， 本质 都是对信号进行预分解 ， 采取合适的方法处理不同 成分的信号 ， 最大限度减小上面的技术所带来的的 音质损伤。 作者在 N L D算 法 的基础 上 引入 自适 应 陷波 技术 ( Ad a p t i v e No t c h F i l t e r ，A NF ) ， 提 出 了基 于 频 率追踪 的非线性器件 虚拟低 音增 强算法 ， 降低 了 N L D的非 线性 失 真 ， 取
7、得 了更 好 的低 音 感 知 效果 。心 理 声 学 主 观 听 音 实 验 结 果 如 下 所 示 。 图 1 2和 图 1 3分 别是 低 频感 知 效果 和 音质 损 伤 程度 的测试结果。实验采用隐藏参考和基准的多刺 激法 ( M u l t i s t i m u l i w i t h t h e H i d d e n R e f e r e n c e a n d A n c h o r ，M U S H R A) 作为测试手段。 生 篁 塑 鲞 蔓 塑 回 n 扬 芦器 与 传 声嚣 凹翊岛 圈k 0 ， 囿 6 响闶 嘟寓蕊 感 l 【 o i ne r i ng 综上所
8、述 ， 以 Ma x x B a s s 为代表的非线性器件虚 拟低音增强法用模拟 电路实现 ， 处理速度快 ， 但对 于 电路结 构有着严 格要求 ， 不利 于算法 移植和推 广 ； 以 N L D为代表的非线性函数谐波生成虚拟低音 算法实现简单 ， 但是非线性畸变明显 ， 失真较大 ； 以 相位声码器为代表的时频分析算法失真控制较好， 等响度控制更精确 ， 但是计算量大 ， 系统延迟 明显 ， 并且相位声码器在处理宽频信号时 ， 会产生瞬态模 糊现象。由此可见 ， 基于时频分析 的相位声码器技 术擅长处理谐波成分丰富且平稳 的音乐 ， 比如弦乐 器 ； 而基于非线性谐 波产生 的方法适合处
9、理频谱较 窄且变化快的音乐 ， 比如打击乐器。因此需要针对 应用的场合 以及处理 的对 象来综合考虑选取何种 方法 。 3 3 立体声增强技术 随着 3 D技术的发展 ， 人们对 3 D音频技术 的需 求越来越高， 目前消费类 电子产品的声频播放设备一 般为双通道系统 ， 而适H j 于消费类电子设备的音源多 为立体声 ， 因此当用双通道系统播放立体声音源时 ， 需采用信号处理技术对立体声音源进行处理， 以提高 人耳对声音的感知能力。对立体声信号的处理 ， 主要 体现在立体声声像展宽和感知距离动态调整两方面 ， 下面分别进行阐述。 解相关技术是一种经典 的声像展宽方法 ， 它将 一路信号分解为
10、具有低相关性的多路信号进行重放 ， 以降低双耳听觉互相关系数 ( I n t e r A u r a l C r o s s C o r r e 1 a t i o n ， I A C C ) ， 从而获得声像展宽的听感。该方法的 物理依据是 ： 一个宽阔的声源可以分解为若干个空间 分离的点源， 若这组点源具有高相关性 ， 听者只能感 知到位于这组点源重心的一个狭窄声像 ， 若这组点源 具有低相关性 ， 听者可以感受到与原来的宽阔声源接 近的宽阔声像。解相关方法并不是创造物理上正确 囹 生 蔓 塑 鲞 蔓 的声像 ， 而是运用心理声学作用来获取一个扩散的、 宽 阔的声像 ， 因此该方法极大地降
11、低了计算复杂度 ， 具有很强的实用性。 目前一种经典的解相关方法是 1 9 9 5年 由 K e n d a l l 提出的， 将单通道信号与两个具有随机噪声型相 频响应的滤波器做卷积来获得立体声重放信号， 即通 过一组具有低相关性的随机相位相频响应来产生一 组具有低相关性的滤波器 ， 最终获得低相关性的立体 声输出信号。在耳机和扬声器重放中， 这种方法均可 以实现一定的声像展宽效果， 其展宽程度与具体的声 音 内容有关 。 在上述方法中， 两个随机相频响应的相关系数接 近于零 ， 使得输出的立体声信号相关性也很低 ， 在听 感上表现为用耳机重放时感知声像在左右耳附近。 为了使立体声信号的相关
12、性可以调节， 可以在滤波器 设计中引入可调参数 k因子。在 K e n d a l l 方法的基础 上还衍生出了更为精细的时域细分方法和频域细分 方法 ， 比如逐帧更新随机相频响应的动态方法、 分频 段解相关的子带方法 、 周期性地加入原信号的时变方 法。K e n d a l l 的解相关法还有一些简化版本 ， 比如用 相位具有互补关系 的一组滤波器分别对左右信号滤 波， 设计具有某种特殊相位关系的滤波器做左右信号 的解相关。 立体声像展 宽的 目的是使声像 宽度 的听 觉感 知与视觉感知一致 ， 而声像感知距离控制 的 目的则 在于使得声像在扬声器 和听者之 间动态移 动以增 加声场的“
13、亲切感 ” ， 它 们是空 间声像感 知 的两个 方 面。 早期的研究 者通过控制直达 声和混 响声 的 比 值以及 模 拟 早 期 反 射 声 来 控 制 声 像 距 离感 知。 K e n d a l l 提出了一种简单易行的实现方法 ， 即用两个 具有常数相位差 的全通 滤波器对单通道音 频信号 做滤波( 相位差 为 0时感 知声像在扬声器端 ， 相位 差为 时感知声像在听者端 ， 相位差在 0与 耵之 间 时感知声像在扬声器与 听者之 间) ， 通 过控制滤波 器的固定相位差 的变化 即可控制声像 的感知距离 变化。 感知距离动态调整技术的一个基本实现方案是 先对立体声信源做预分解 ，
14、 利用相关性分解出定向成 分和环境成分 ， 再根据定向成分与环境成分的能量 比 控制滤波器的固定相位差取值 ， 最终使得感知声像距 离随立体声信源的成分变化而动态变化。 声 投 投稿 网址 ： h t t p ： A u d i o E c n 爨 扬 声 器 与 传 声 器 凹 p 囿 固 闶 圈 6 响 喻 立体声声像展宽和感知距离动态调整相结合 的立体声增强技术可 以显著提高声音感知能力 ， 在 智能电视 、 智能终端 等电子设备上有着广泛 的应用 前景。 3 4 人工混响 在某一特性的声学环境中， 双耳接 收到的声音 包括直达声 、 早期反射声和后期混响声三部分。直达 声反应声源的方向
15、， 早期反射声主要有空间的几何和 材料特性决定 ， 后期混响脉冲呈现出按指数衰减的高 斯噪声特性。精确的建模某个空间的脉冲响应需要 知道该空间的几何特性和声学参数 ， 且计算复杂度非 常高。不同的声 学环境 ( 音 乐厅 、 歌 剧 院、 客 厅、 森 林 ) 具有不同的混响 ， 声源的感知是与环境密切相关 的。人工混响被广泛的用于音乐和电影的后期制作 、 立体声增强 、 3 D游戏等等。 产生混响最直接的方法是测量该声学空间声源 到听者的脉 冲响应 ， 用“ 干净” 的输入信号直接卷积 所测量的脉冲响应 。该方法的计算复杂度很高 ， 其应 用受到限制。 基于信号处理的人工混响器是 S c h
16、 r o e d e r 等人在 1 9 6 1 年首先提 出来的， 该混 响器是利用 4个梳状滤 波器并联， 再级联 2个全通滤波器。梳状滤波器用来 模拟空间的反射 ， 全通滤波器用来增减混响的密度。 M o o r e r 推进了 S c h r o e d e r 的工作， 考虑到声信号不同 频率的混响时间不同， 高频信号的混响时间要短于低 频信号 ， 因而他在梳状滤波器 中引入了低通滤波器来 模拟这 一 声 学 特 性， 因此 产 生 的混 响更 加 真 实。 S c h r o e d e r 的工作为第一代商用数字混响器提供 了基 础， 现在的很多免费软件使用了该算法。总体而言， S c h r o e d e r 混响器具有很低的计算 复杂度 ， 需要较少 的内存空间， 但是该混响器产生的
