王 博 說

大家好，今天想和大家聊一下一個在聲學(xué)界受到越來越多關(guān)注的話題：聲場重構(gòu)。

大家都知道，在聲學(xué)領(lǐng)域，如何還原真實(shí)的聲場景日益引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。從物理實(shí)現(xiàn)的角度，利用揚(yáng)聲器陣列在特定環(huán)境中呈現(xiàn)真實(shí)的聲場分布，使人們仿佛身臨其境，感受真實(shí)的聲效和聲音品質(zhì)，這稱為聲場重構(gòu)。它在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的應(yīng)用價值。

為讓大家對這個主題有更多了解，我計劃推出一系列微信文章（此處應(yīng)有掌聲），為大家介紹聲場重構(gòu)相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用場景。

今天先為大家介紹系列中的第一個主題——聲場重構(gòu)技術(shù)之一：波場合成。

聲場重構(gòu)技術(shù)之一：波場合成

波場合成（Wave Field Synthesis, WFS）是一種利用揚(yáng)聲器陣列進(jìn)行空間聲場重構(gòu)的技術(shù)，它可以在聽音室內(nèi)一個廣泛的區(qū)域準(zhǔn)確重構(gòu)聲場的物理特性，例如，利用一個揚(yáng)聲器線陣列重構(gòu)多個聲源產(chǎn)生的聲場（圖1）。不同于傳統(tǒng)5.1或7.1聲道僅在聲場中心“皇帝位”再現(xiàn)真實(shí)聲場，WFS能夠在較大的區(qū)域再現(xiàn)真實(shí)聲場，當(dāng)人們移動到不同位置時，可以感受到現(xiàn)場不同位置的真實(shí)感覺。


圖1

1  理 論 基 礎(chǔ)

1988年荷蘭Delft University of Technology的A. J. Berkhout教授提出了WFS的理論框架。其基本原理是，如圖2，根據(jù)Kirchhoff-Helmholtz積分方程，曲面S包圍的內(nèi)部聲場可以由表面聲壓和法向質(zhì)點(diǎn)振速共同作用得到，如果在表面S上連續(xù)分布一系列單極子和偶極子聲源，其聲源強(qiáng)度正比于對應(yīng)的表面聲壓及法向質(zhì)點(diǎn)振速，即可重構(gòu)曲面S的內(nèi)部聲場，見式（1）。


圖2



式（1）中表示位于表面S上某個點(diǎn)聲源在曲面S包圍的內(nèi)部產(chǎn)生的聲場，稱為Green函數(shù)，是曲面S上聲壓，表示重構(gòu)的內(nèi)部聲場。

如果直接利用式（1）進(jìn)行聲場重構(gòu)，需要包含整個聽音區(qū)域的表面S上連續(xù)分布單極子和偶極子點(diǎn)聲源，實(shí)際中，可以使用封閉揚(yáng)聲器模擬點(diǎn)聲源，但偶極子聲源難以實(shí)現(xiàn)，因此需要移除式（1）中的偶極子項(xiàng)。傳統(tǒng)的WFS方法引入自由場Neumann Green函數(shù)，將平面Kirchhoff-Helmholtz積分簡化為Rayleigh第一積分，再進(jìn)一步將平面積分簡化為線積分，從而利用揚(yáng)聲器線陣列在平面聽音區(qū)域進(jìn)行聲場重構(gòu)。因此，早期的WFS理論局限于二維平面區(qū)域的聲場重構(gòu)，使用直線型揚(yáng)聲器陣列。

2008年，德國Sascha Spors教授重新梳理了WFS理論框架，得到了統(tǒng)一的適用于三維空間和二維平面的WFS理論公式，且揚(yáng)聲器陣列不再局限于直線型，



其中為揚(yáng)聲器陣列的輸入信號。

2  實(shí) 現(xiàn) 形 式

具體實(shí)現(xiàn)時，可以利用不同形式的傳聲器陣列采集聲場信息，如傳聲器線陣列、平面陣列、圓形陣列和球形陣列等。將聲場信息進(jìn)行相應(yīng)的變換和處理，例如平面波分解、圓諧函數(shù)和球諧函數(shù)分解，求解揚(yáng)聲器陣列信號，進(jìn)而重構(gòu)真實(shí)聲場，揚(yáng)聲器陣列的布置大多采用二維的直線、圓形或矩形等形狀，整個過程如圖3所示。


圖3

由于WFS的基本假設(shè)是自由場環(huán)境，房間壁面的聲反射會降低聲音品質(zhì)和聲音的空間感，所以需要房間補(bǔ)償以消除聽音室產(chǎn)生的影響。傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法是對房間脈沖響應(yīng)IR求逆，然后對揚(yáng)聲器信號進(jìn)行預(yù)濾波。缺點(diǎn)是只能對幾個IR測量點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，其他地方會變差。另一種方法是利用平面波分解計算房間補(bǔ)償濾波器，該方法對整個揚(yáng)聲器包圍的內(nèi)部區(qū)域都有效。

另外，揚(yáng)聲器的實(shí)際布置是離散的，這會導(dǎo)致空間混疊，造成重構(gòu)聲源位置的不準(zhǔn)確和聲染色。揚(yáng)聲器的間距決定了重構(gòu)頻率的上限，一般揚(yáng)聲器的間隔在10 - 30cm，空間混疊頻率大約為1000Hz附近。揚(yáng)聲器陣列是有限長的，這也會造成截斷誤差，導(dǎo)致準(zhǔn)確重構(gòu)的區(qū)域也是有限的。當(dāng)揚(yáng)聲器按照直線或曲線布置時，并不能正確感知到垂直方向的聲源，這對于3D視聽場合，如游戲、視頻和3D電影是不利的。

3  實(shí) 際 應(yīng) 用

1993年荷蘭Delft University of Technology建立了第一個基于WFS的實(shí)驗(yàn)室（圖4），并應(yīng)用于學(xué)校的禮堂。

隨后WFS技術(shù)廣泛應(yīng)用于電影院、禮堂、音樂廳等場所，如德國Ilmenau電影院，使用192個揚(yáng)聲器再現(xiàn)電影的聲音場景（圖5），于2003年投入使用。一批研究團(tuán)體共同合作，于2001年成立了歐盟“CARROUSO”項(xiàng)目，即Creating, Assessing, andRendering in Real Time of High-Quality Audio-Visual Environment in MPEG-4Context，將WFS格式標(biāo)準(zhǔn)化。

自2000年以來，WFS系統(tǒng)在世界各地獲得了成功的應(yīng)用。最近，美國Rensselaer Polytechnic Institute搭建了便攜式模塊化的WFS系統(tǒng)，總共558個揚(yáng)聲器，其間距縮短至5.8 - 2.9cm，獲得了更高的空間混疊頻率和更真實(shí)的音效。


圖4


圖5

在商業(yè)領(lǐng)域，德國IOSONO（現(xiàn)在是Barco Audio Technologies）和Sonics Emotion提供基于WFS的3D音頻系統(tǒng)的產(chǎn)品及服務(wù)。除了大型公共場所，小型WFS系統(tǒng)的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，包括虛擬現(xiàn)實(shí)、3D游戲和視頻會議等。

在HBK，我們推出了8601-U型SimSound系統(tǒng)，它是一套多通道的聲場重構(gòu)系統(tǒng)，可配置為不同的揚(yáng)聲器配置，例如n.1通道系統(tǒng)和WFS系統(tǒng)，連接到NVH駕駛模擬器，能夠重放高品質(zhì)真實(shí)聲場景，從而獲得對虛擬環(huán)境的真實(shí)感受。


圖6


# 參 考 文 獻(xiàn)
1. Berkhout A J, Vries D D, Vogel P. Acousticcontrol by wave field synthesis[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1993, 93(5): 2764-2778.

2. Spors S, Rabenstein R, Ahrens J. The theory ofwave field synthesis revisited[J]. 124th AES Convention, 2008.

3. 圖1來自于IRCAMWave Field Synthesis-Homepage

4. 圖4圖片來自于Wave FieldSynthesis ( WFS ) – система волнового синтеза пространственногозвуковоспроизведения | ProSound (ixbt.com)

5. 圖5來自于Karlheinz Brandenburg, Sandra Brix,Thomas Sporer, Wave Field Synthesis: Basics and Applications, 2009.