SOUND SYNTHESIS 音频后期

“3D音频”和“音频定向幅射”技术

发布于:2018-08-01 10:47:04 作者:点击:1370
“3D音频”和“音频定向幅射”技术

音频技术发展到今天,不管是单声道、多声道、立体声、杜比环绕还是人头音乐,以及3D音效技术……每项技术都是比较独立和成熟的。要想在现有的技术环境下提升一步,都是一次自我超越,本文与大家来聊一聊“3D音频”和“音频定向幅射”技术的相关知识。



3D音频技术 

随着软、硬件的不断发展,传统的双声道单层面立体声音场,已经不能满足人们的需要。为了得到更好的立体感受和空间感受,科学家借助数字化音频生成了一种全新的声音----模拟3D音效。

 

什么是 3D 音效?

 

简单来说,3D 音频是对声音最逼真的模拟技术,能让听众完全还原到与现场相似的声场。类似的叫法还有全景声方案、沉浸式音频。例如扬声器仿造头顶上有一架飞机从左至右飞过,你闭上眼睛听,就会感觉到头顶真的有一架飞机从左至右飞过,你能到完全听到逼真到 “现实” 的声音,但不是 “现实主义” 的。这就是3D音效。

 

实现原理

 

我们能够通过自己的能力在三维空间里面辨识音乐,即便我们的眼睛是闭着的,我们仍然能够指出来声源是在哪里。我们的大脑在辨认这些声音方面非常在行,耳朵就像是两个各自独立运作的耳机一样。这也意味着我们的大脑是通过多方面的线索来整合声音的信息,比如一个声音在到达我们左耳还有右耳的时间是不同的,这样就能方便大脑辨识这个声音的位置。想要把这种功能搬到喇叭或者耳机上面是一件非常困难的事。

 

日常生活中,我们用两只耳朵来听东西,从各处音源中获得信息,再通过人脑的计算来定位声音。计算机模拟人脑的3D音效计算,通过数字音源播放出来,让我们感到自己处身于虚拟的世界。

 

当前的环绕声基本上都是二维的,只有宽度和纵深度。3D音频增加了高度这个维度。以前的做法是增加音箱和声道,即基于多声道的架构,而3D音频采用的是独特的、基于目标物体本身在三维空间的位置的音频技术。基于物体的音频由动态置于三维空间内的各个声源组成。

 

3D音频的发展

 

其实早在十几年前,人们就已经开始着手发展3D音频了。如最早由傲锐推出的A3D 1.0 规范,就是一套互动的虚拟3D定位音效技术,它可在一套双道声道立体音频系统中营造出假三维效果。虽然这还只是一种伪3D技术,不过在当时来说,它开创了PC的三维音频新时代,具有划时代意义。而最近几年由于VR技术的兴起,更是助推了3D音频技术的发展,成为了新的前沿技术。

 

说到3D音效市场上的几匹“黑马”,典型代表有:FELIX & PAUL工作室与阿波罗工作室合作,改善了三星GearVR的3D声场互动体验;索尼PlayStation VR的SDK,提供自定义全息声效解决方案;国内Coolhear旗下的3D音效耳机通过算法得到了重构的3D音效,用两个喇叭就可以在耳机上实现全息3D声场。其中,Coolhear创始人李斌毫不讳言地说过:“3D音频才是未来音乐市场的主流”。


目前,3D 场景沉浸式音频正逐渐成为专业录音、混音和听音的选择标准。3D音频的未来会是如何, 目前还没有人知道,相信科技鬼才们迟早会突破现在的技术限制, 研发出完全沉浸音频。


音频定向辐射 

用专业术语简言之,“音频定向幅射”就是要控制重放的声束瞄准某个特定方向和覆盖范围。

我们平常听到的绝大多数音箱发出的声波都是360度辐射出去的,不同的频率、角度下,声波能量当然会有不同,只是常见的音箱在侧面、背面的声波能量比想象的要大得多,特别是低频,基本上是无方向性的;高频段方向性强一点,但在侧后方(45度/315度)也只是衰减3~6分贝左右而已。


 

因此,造成了两种结果:声波在空气中传播时极易衰减,传输距离较短,当可听声波到达受众时,往往声强变得很弱,影响了语音清晰度。同时,音箱传出来的声波几乎没有方向性,容易造成扰民问题。

 

那么,怎么样才能加强声音的指向性呢?目前常见的有四种方法:


1、利用聚音罩加强指向性


这最简单可行的方法之一,这种技术类似于灯罩,只要在高频扬声器上罩个大半球形的罩子(如下图),人在聚音罩下方即可清楚听到声音。



2、利用号角加强指向性

第二种方法是在喇叭单元前加上号角,尤其在中高频广播喇叭、歌舞厅里的专业音箱加上号角。号角音箱的低频没有变化,但是中高频的指向性增强了。中高频音箱基本上垂直、水平方向可以控制在100度以内,该角度以外可以衰减12dB以上。(传统的号角系统如下图:)

喉口到号角出口的中间和两边的距离不等,声音传播到的时间也不等(即出口部分的相位角差异很大),所以出口部分的波阵面趋向于以喉口为中心的球面波。但是加了号角的音箱即便是球面波,声波的扩散角也比普通扬声器小的多。

 

不过,现在的远程投射号角已经有了些改变(如上图)。将八字型号角的中间部分加了个菱型的塞子。号角中间的菱型塞子可以将高音在号角中间部分的声波做延时处理,使得声波从号角的喉口到号角的出口各部分的时间相等。这样,声波在该号角出口各部分的相位角是相同的,在号角的出口部分的波阵面也趋向于柱型。


3、使用“线性阵列”加强指向性


除了号角外,另外一个方法就是让音箱发出柱面波,用多只喇叭单元进行排列,广播音柱是比较容易见到的柱面波音箱,很显然,它的垂直指向性很强,但是水平指向性一般。如果想要增强水平指向性,可以采用“线性阵列”音箱或音柱,即将音箱或音柱排列成一行。再在这些中高音单元前加声学透镜,将音频信号数字化后进行分频及复杂的数字效果处理,然后转换为模拟信号分别对每个单元独立放大驱动。


4、使用超声波扬声器加强指向性


使用超声波扬声器来加强指向性,其原理是利用超声波的强指向性来实现定向声波传播的目的。


目前,国内有音响企业已经率先发布了基于超声波调制的定向扬声器阵列,很好地实现了声波的定向传播,可以用于室内扩声系统、厅堂扩声系统、公共广播系统和专用会议系统。

如图,是超声波扬声器与普通扬声器的区别,普通扬声器传播的信号是球面波,是向四面八方传输的,而且在传输的过程中会产生衰减。而超声波扬声器传播的信号是定向的,向夹角很小的同一个方向传输,在传输的过程中几乎不会发生衰减,信号到达受众时,可以自行解调,从而保证受众可以听到声音。

事实上,单个超声波扬声器的效果可能并不是太好,为了提升传播效果,可以由多个超声波扬声器组成阵列,向不同受众区域进行传播,会取得更好的效果。


以上内容来自艾维音响网

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