摘要 摘要 廳堂客觀音質參量作為描述廳堂聲場特性的客觀物理量，一直是音質評價 和研究領域的重要內容。隨著廳堂音質研究的發(fā)展，為進一步揭示了主觀音質 和客觀聲場物理特性之間的關系，人們不斷提出各種新的音質參量。客觀音質 參量也從最初的以反映室內聲場中的能量一時間關系，發(fā)展到當今的能量一時 間一空間關系。特別是六十年代末以來，隨著“空間感這一新參量的提出， 針對廳堂中反射聲空間分布特性進行了大量的研究，并且提出了相應的客觀參 量如：側向反射因子( l f ) 、內耳相關系數(shù)( i a c c ) 等。這些參量對廳堂中聲場特 性的研究更加深入，同時也使廳堂音質的評價體系更加完整。目前對于空間感 的研究雖然還不成熟，主客觀參量之間的關系還有待進一步明確，如有人提出 用前后聲能比( f b r ) 以及左右聲能比( l r r ) 來描述空間感的分量l e v ( 包圍感) ，但 這些研究表明室內聲場中反射聲的空間分布是廳堂音質的重要特性。由于廳堂 中反射聲的能量一時間一空間分布較傳統(tǒng)的音質參量所需的聲場信息更加豐 富，對室內音質的測量技術提出了更高的要求。大多數(shù)音質參量如：混響時間、 響度、明晰度等均可通過傳統(tǒng)的單通道測量方法得到，而空間感音質參量由于 涉及反射聲的方向信息，所以傳統(tǒng)的音質測試方法無法滿足要求。雖然側向反 射因子( l f ) 中也考慮了不同反射聲方向的因素，但該參量并不能反映各反射聲 的方向。本論文在雙通道聲信號測量技術的基礎上，提出采用多傳聲器測量房 間中早期反射聲方向分布的兩種方法一時差法和聲強法，并從理論上分析了各 種方法所產生的測量誤差及參數(shù)設置如：信號采樣率、傳聲器布置、頻帶寬度 等對測試結果的影響。 在時差法測量中通過各傳聲器接收信號的時差分析確定反射聲的入射方 向。為減小由于反射聲在時域上重疊所產生的誤差，提高時域分辨率和測量精 度，本文提出了通過各接收通道信號的互相關分析確定反射聲時差的方法，并 采用信號的相干系數(shù)判斷測量的可靠性。在聲強法測量中，根據(jù)雙傳聲器聲強 矢量的測試原理，采用不在同一平面上的任意四傳聲器測量各方向上的聲強矢 量，經合成后得到接收位置上各時間段內反射聲的能量一方向分布。該方法由 于對傳聲器的布置位置無嚴格要求，因而更加適用于實際房間中的測量并可減 小由于傳聲器布置所產生的測量誤差。論文還提出了一種運用兩個全指向性傳 摘要 聲器模擬”8 ”字形指向性測量側向反射因子( l f ) 的新方法。論文中根據(jù)上述方法 設計了用于測量房間中早期反射聲方向分布及側向反射聲因子的實際測量系 統(tǒng)，通過消聲室中的實驗對比其可靠性得到了驗證并用于實際房間中的測量。 實際房間中由于早期反射聲在時域上的分布密度相對較小，運用本論文中 提出的方法可得到較為可靠的測試結果，但對于后期反射聲由于密度大，在時 域上可分辯范圍內重疊的概率大大增加，因而測量精度也隨之降低。所以如何 進一步提高反射聲之間的分辨率還有待于深入的研究。 關鍵詞：”8 ”字形指向性，側向反射因子，時差，聲強，早期反射聲方向分布 a b s t r a c t a b s t r a c t o b j e c t i v ea c o u s t i cp a r a m e t e ri s a l li m p o r t a n tm a t t e ri nt h ea r e ao fe v a l u a t i o n a n dr e s e a r c hf o ra c o u s t i c a lq u a l i t y , a n di t i sr e g a r d e da st h eo b j e c t i v ep h y s i c a l p a r a m e t e rf o rd e s c r i b i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o u n df i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n to f r e s e a r c h ，p e o p l eh a v ep r o p o s e dv a r i o u so b j e c t i v ep a r a m e t e r st of u r t h e rr e v e a l t h e r e l a t i o nb e t w e e ns u b j e c t i v ee v a l u a t i o na n do b j e c t i v ec h a r a c t e r i z a t i o no fs o u n df i e l d t h ei n i t i a lo b j e c t i v ep a r a m e t e r so n l yr e f l e c tt h er e l a t i o n sb e t w e e ne n e r g ya n dt i m ei n s o u n df i e l d ，b u tt h er e l a t i o n sw h i c hn e wo b j e c t i v ep a r a m e t e r sr e f l e c ti n v o l v et h e f a c t o ro fe n e r g y t i m e s p a t i a ld i s t r i b u t i o n s i n c e ”s p a t i a li m p r e s s i o n ”w a si n t r o d u c e d i nt h el a t e19 6 0 s ，p e o p l eh a v em a d eal o to fr e s e a r c h e so nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f r e f l e c t i o n s ，w i t ht h e s er e s e a r c h e sm a n yr e l a t i v eo b j e c t i v ep a r a m e t e r sh a v eb e e n p r o p o s e d ，s u c ha sl a t e r a lf r a c t i o n ( l f ) a n d i n t e r - a u r a lc r o s sc o r r e l a t i o n ( i a c c ) ，t h e s e p a r a r n e t e r sm a k ea c o u s t i ce v a l u a t i o nm o r ec o m p r e h e n s i v e o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r sa n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o na r es t i l ln o tv e r yc l e a r s o m ep e o p l ep r o p o s e df b r ( f r o n tt ob a c ke n e r g yr a t i o ) a n dl r r ( 1 e f tt or i g h t e n e r g yr a t i o ) t od e s c r i b el e v ( 1 i s t e n e re n v e l o p m e n t ) ，w h i c h i so n eo ft h es e c o n d a r y p a r a m e t e r si ns p a t i a li m p r e s s i o n ，b u ta l l o ft h e s er e s e a r c h e si n d i c a t et h es p a t i a l d i s t r i b u t i o no fr e f l e c t i o n si st h ei m p o r t a n tp r o p e r t yo f a c o u s t i c a lq u a l i t y m o s to ft h e t r a d i t i o n a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sr e v e r b e r a t i o nt i m e ，s t r e n g t hi n d e x ，c l a r i t y , e t c ，c a nb e m e a s u r e dw i t hm o n o p h o n i c ，b u tn e wp a r a m e t e r s t h a tr e f l e c tt h er e l a t i o ni n e n e r g y - t i m e s p a t i a li n v o l v e dm o r ei n f o r m a t i o no fs o u n df i e l dc o m p a r e dt o t h e t r a d i t i o n a lp a r a m e t e r s ，t h em e t h o do fm o n o p h o n i cc a n tm e e tt h en e e d so fm e a s u r i n g d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o n ，s ot h e r ea r em o r er e q u e s t sf o rt h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y o fn e wd i r e c t i o n a lp a r a m e t e r s l a t e r a lf r a c t i o n ( l f ) i n c l u d e st h ei n f o r m a t i o no fr e f l e c t i o n s d i r e c t i o n ，b u ti t c a n n o td e s c r i b et h ed i r e c t i o no fe a c hr e f l e c t i o n o nt h eb a s eo fd i p l o p h o n i c ，t w o m e t h o d sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rf o rm e a s u r i n gt h ed i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o no f e a r l yr e f l e c t i o n si nr o o m s ，n a m e l yt i m e d e l a ym e t h o da n d s o u n di n t e n s i t ym e t h o d t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em e a s u r e m e n te r r o r so ft h e s em e t h o d sa r ea n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y , s u c ha s ，s a m p l i n gf r e q u e n c y , l o c a t i o n so fm i c r o p h o n e s ，a n db a n d w i d t h ， e r e t h ed i r e c t i o no fr e f l e c t i o nc a nb eo b t a i n e db yt i m e - d e l a ya n a l y s i si nt i m e d e l a y i i i a b s t r a c t m e t h o d f o rr e d u c i n gt h ee r r o rc a u s e db yo v e r l a po fr e f l e c t i o n si nt i m ed o m a i n ，a n d i n c r e a s i n gt h ep r e c i s i o no fm e a s u r e m e n t ，t h ec r o s s c o r r e l a t i o na n a l y s i si se m p l o y e d i nt h ec a l c u l a t i o no ft i m e d e l a yo f e a c hr e f l e c t i o ni nm u l t i c h a n n e l s ；t h er e l i a b i l i t yo f t h em e a s u r e m e n tc a nb ee s t i m a t e db yc o h e r e n tc o e f f i c i e n t i ns o u n di n t e n s i t ym e t h o d ， a na p p r o a c hi sp r e s e n t e dt om e a s u r et h ed i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o no fe a r l yr e f l e c t i o n s w i t hf o u rm i c r o p h o n e st h a ta r en o to nt h es a m ep l a n e ，w h i c hi s b a s e do nt h e a p p r o a c ho fs o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n to nd i p l o p h o n i c t h i sa p p r o a c hh a sn o s t r i c tr e q u e s t so nt h el o c a t i o no fm i c r o p h o n e s ，s oi ti sm o r es u i t a b l ef o rt h e m e a s u r e m e n ti ns i t e ，a n di tc a l lr e d u c et h em e a s u r e m e n te r r o rd c r i v e df r o mt h e l o c a t i o no fm i c r o p h o n e s t h i sp a p e ra l s op r o p o s e san e wm e t h o dt om e a s u r el fw i t h t h ef i g u r e o f - e i g h td i r e c t i o n a lp a t t e ms i m u l a t e db yt w oo n l n i m i c r o p h o n e s a tl a s t ，a m e a s u r e m e n ts y s t e mi se s t a b l i s h e df o r o b t a i n i n gt h ed i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o no f r e f l e c t i o n sa n do b j e c t i v ep a r a m e t e r - - l fi nr e a lr o o m s 。t h er e l i a b i l i t yo ft h i ss y s t e m i sv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t si na n e c h o i cc h a m b e n i nr e a lr o o m s ，t h ed e n s i t yo fe a r l yr e f l e c t i o n si nt i m ed o m a i ni sl o w , s ot h e m e a s u r e m e n tr e s u l t s 塒t l lm e t h o d sp r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nb er e l i a b l e b u tt h e d e n s i t yo fl a t er e f l e c t i o n si nt i m ed o m a i na l w a y sv e r yh i g h ，w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e t h ep r o b a b i l i t yo fo v e r l a po fr e f l e c t i o n s ，s ot h ep r e c i s i o no fm e a s u r e m e n tw i l lb e r e d u c e d t h ef u r t h e rs t u d yi s e x p e c t e do nh o wt o i n c r e a s et h er e s o l u t i o no f r e f l e c t i o n sf o rm o r er e l i a b l er e s u l t so fm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：f i g u r e o f - e i g h td i r e c t i o n a lp a t t e r n ，l a t e r a lf r a c t i o n ( l f ) ，t i m e d e l a y , s o u n di n t e n s i t y , d i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o no f e a r l yr e f l e c t i o n s i v 學位論文版權使用授權書 本人完全了解同濟大學關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定， 同意如下各項內容：按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版 本；學校有權保存學位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學校有權提供目錄檢索以及提供 本學位論文全文或者部分的閱覽服務；學校有權按有關規(guī)定向國家有 關部門或者機構送交論文的復印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學校可以適當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。 學位論文作者簽名：條秘 z ，z ，年j 月7 日 經指導教師同意，本學位論文屬于保密，在年解密后適用 本授權書。 指導教師簽名：學位論文作者簽名： 年月日年月日 同濟大學學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師指導下，進行 研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本學位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集 體，均已在文中以明確方式標明。本學位論文原創(chuàng)性聲明的法律責任 由本人承擔。 簽名：艤丟 咖6 年j 月7 日 第一章引言 第1 章引言 任何學科的發(fā)展除了依靠理論研究，還需要實驗與測量技術的支持。實驗與 測量不僅是驗證現(xiàn)有理論的工具，更是新理論發(fā)展的基石。 在室內聲學的研究中，一個重要的任務便是找到能夠準確反映廳堂音質好壞 的客觀參量，為廳堂的音質評價和聲學設計提供幫助和指導。從s a b i n e 首先提 出混響時間( r t ) 的概念以來，不斷有新的客觀參量被提出，比如清晰度( c ) 、早 期衰減時間( e d t ) 等，人們也試圖通過這些參量來解決廳堂中所存在的聲學問題， 然而結果卻差強人意，關鍵在于這些客觀參量僅從統(tǒng)計上反映了能量與時間的關 系，而忽視了反射聲方向對廳堂音質的影響。自m a r s h a ll 1 】1 3 j 和b a r r o n 2 】開始空 間感的研究以來，人們逐漸認識到反射聲方向的重要性，并在此基礎上提出了反 映空間感的客觀參量，比如側向反射因子( l f ) 等，雖然這些客觀參量并不能完全 反映空間感，但說明對廳堂音質的研究已從傳統(tǒng)的反射聲時間能量分析轉換 到對反射聲時間能量方向的分析。隨著研究的發(fā)展，對相應的測量技術 也提出了更高要求，不僅要求能夠測量反映反射聲方向分布的客觀參量，而且還 能得到各反射聲的具體方向分布，從而為廳堂音質的研究提供幫助。 1 1客觀音質參量及相關測量技術的發(fā)展 1 1 1 客觀音質參量的基本測量 早在上世紀初s a b i n e 便提出混響時間( r t ) 作為評價廳堂音質的客觀物理參 量，其在數(shù)值上等于聲能從- 5 d b 衰減到一3 5 d b 所需時間的兩倍，長期以來混響時 間在廳堂音質評價和聲學設計中一直被作為最基本的客觀參量。 其傳統(tǒng)的測量方法是在聲場穩(wěn)定后停止聲源，通過聲能從一5 d b 衰減到一3 5 d b 所需時間計算混響時間，測量時使用一個全指向性傳聲器接收測點處的聲壓信 號。由于實際聲場的復雜性，通常要對多次測量的結果取平均，以此減小誤差； 此外各頻段測量需要分開進行，降低了測量效率，并且測量中容易受噪聲影響。 隨著數(shù)字信號技術的發(fā)展，s h r o e d e r 4 1 于1 9 6 5 年提出了混響時間的倒積分計算 法：對一個全指向性傳聲器測到的脈沖響應函數(shù)在時域上進行倒積分，根據(jù)得到 的聲能衰減曲線計算混響時間。該方法彌補了傳統(tǒng)測量中的不足，提高了測量的 效率和準確性。 很快人們便發(fā)現(xiàn)僅僅依靠混響時間這一單值很難對廳堂音質進行準確的描 第一章引言 述。b e r a n e k 5 1 在對7 6 個廳堂的調查后提出，影響廳堂音質的主觀評價參量主要 有七個，而混響時間只與其中的混響有關。以下列出了各主觀評價參量及其相對 應客觀參量( 表1 ) ： 主觀評價參量客觀參量 混響t 6 0 t 3 0 t 2 0 混響 e d t 音樂清晰度c 5 0 c 8 0 語言清晰度 d 5 0 響度 g 混響r 語言清晰度u 5 0 u 8 0 主觀評價參量客觀參量 語言清晰度s t i 舞臺支持 s t l 語言清晰度 s n r 語言清晰度a l c o n s 空間感 i a c c 空間感 l e 溫暖度b r 以上客觀參量幾乎都只反映了反射聲能在時域上的分布情況，因此通過單傳 聲器接收到的脈沖響應即可方便得到，這些客觀參量及其測量方法大都沿用至 今。然而由于此時對空間感的研究剛起步，因此反映空間感的客觀參量l f 與i a c c 無論是其與空間感的密切性還是測量的準確性都有待進一步加強。 1 1 2 反映空間感的音質參量測量 空間感作為評價廳堂音質的主觀參量之一，其研究始于上世紀六十年代末， m a r s h a l l 【l 】通過研究廳堂形狀與音質之間的關系后發(fā)現(xiàn)較窄的廳堂中經側墻反 射的聲能容易使聽眾產生被聲音包圍的感覺，也就是空間感。隨后b a r r o n 2 1 和 k e e t 6 1 分別提出了反映空間感的客觀物理參量一側向反射聲因子( l f ) 和雙耳相 關系數(shù)( e a a ) 。 l f ：下f m m f 3 , p l - 2 ( t 一) d t 1 1 1 【p 2 ( t ) d t 上式的物理意義為早期側向反射聲能與總聲能的比值，其中早期側向反射聲 能是指按入射聲方向余弦平方計權后的前8 0 m s 聲能。j o r d a n 7 】提出了l f 測量的 傳統(tǒng)方法，其采用”8 字形指向性傳聲器測量早期側向反射聲能，該方法也成 為目前l(fā) f 測量的標準方法【8 1 。其后k l e i n e r l 9 】提出運用兩個間距很小的全指向性 傳聲器可模擬”8 ”字形指向性，并以此測量l f c ( 與l f 類似，分子部分為按入射 聲方向余弦計權后的前8 0 m s 總聲能) 。 但是b e r a n e k 等f l o 】通過研究發(fā)現(xiàn)，i a c c 比l f 更能反映空間感。 i a c c = m a x o f i , ，l ( t ) i 1 1 2 2 第一章引言 巾r i ( t ) = fp r ( t ) p l ( t + o d t 孵( t ) d tf p l 2 ( t ) d t 】l ，2 1 1 3 i st s 協(xié) 其中p ，、p 。分別代表人工頭左右兩通道信號，分別由兩個全指向性傳聲器測 量得到，巾一( 百) 則為兩通道信號間的相干系數(shù)，以反映相似程度。 此后m o r i m o t o d h 提出，i a c c 只與空間感的分量a w s ( 視在聲源寬度) 有關， 而與另一個分量l e v ( 包圍感) 無關。m o r i m o t o 同時提出了描述l e v 的客觀參量一 一前后聲能比( f b r ) 和左右聲能比( l r r ) 。由于要對前后( 左右) 的入射聲能分 開計權，理想的測量應通過單邊”8 ”字形指向性傳聲器來進行。由于不存在單邊 ”8 ”字形指向性傳聲器，測量時常用心形指向性傳聲器代替【1 2 】，所測結果誤差很 大。最近o k u b o b 3 】提出運用五個全指向性傳聲器，通過對信號綜合獲得了較心形 更接近于單邊”8 ”字形的指向性，并用于f b r 和l r r 的測量。 相比較其它客觀參量( 混響時間、明晰度等) ，以上描述空間感的客觀參量考 慮了反射聲入射方向對廳堂音質的影響。但由于計算時是對能量求和，因此所得 結果只是一個單值，并不能充分反映反射聲的時間能量方向信息，從而 使這些客觀參量不能準確地反映空間感。隨著空間感的發(fā)展，必然要對廳堂中反 射聲的時間能量方向信息進行測量，因此對測量方法提出了更高的要 求。 1 1 3 反射聲方向分布的測量 自上世紀八十年代末，人們提出了一系列方法用于測量廳堂中的反射聲時間 能量方向信息。這些方法均利用了數(shù)字信號處理技術，通過對采集到的 多通道聲壓信號進行分析得到入射聲的方向信息。按信號處理的方式不同，這些 測量方法主要分為以下三類： ( 1 ) 、虛聲源理論 y a m a s a k i 和i t o w 1 4 】、s e k i g u c h i ”】分別建立了廳堂虛聲源測量系統(tǒng)。在其 采用的實驗裝置中，四個全指向性傳聲器被放置于正四面體的四個頂點，通過反 卷積計算得到每一入射聲到達各接收點的具體時間，并以此計算該入射聲的虛聲 源位置。該方法不足之處在于當入射聲數(shù)量在時域上密度很大時，比如脈沖響應 中的后期反射聲，采用以上理論無法進行準確的計算。此外該測試系統(tǒng)中各傳聲 器彼此間距為1 7 c m ，而在實際測量中傳聲器間距越大，空間兩點的相關性就越 低【l6 1 ，因此當傳聲器間距為1 7 c m 時，各脈沖響應中的反射聲并不能做到一一對 應，此時計算將難以進行。由于以上不足，該測試系統(tǒng)只能用于分析幅度較大并 且時域分辨較為明顯的反射聲，從而限制了其適用范圍。 第一章引言 ( 2 ) 、三維聲強法 通過雙傳聲器可以測得空間某一方向上的聲強分量，也就是總聲能在該方向 上的投影。因此只要測量空間直角坐標系中沿三坐標軸方向上的聲強分量，便能 求出此時的總聲強矢量和入射聲能方向分布，該方法也被稱作為三維聲強法。g u y 和h b d o u l l 7 】i 【1 8 】1 1 明首先提出利用雙傳聲器分別測量三組聲強分量，并以此計算入射 聲方向分布。此后o g u r o 2 0 l 提出把四個傳聲器放置于空間正四面體的四個頂點， 也能測量三維聲強矢量。然而為了減小實際測量中的誤差，通常取較小的傳聲器 間距，因此以上測試方法對傳聲器相位匹配要求較高【2 ，且測量時各傳聲器要 按特定方式布置，從而給現(xiàn)場測試帶來了很大不便。 ( 3 ) 、傳聲器陣列 傳聲器陣列在聲學測量領域應用十分廣泛，在室內聲學中也常被用于測量復 雜的聲場信息【2 2 】【2 3 1 。其中g o v e r 2 4 1 1 2 5 】提出利用3 2 個全指向性傳聲器組成的球 形陣列測量入射聲能的方向分布的方法。其測量時把整個空間分成6 0 個立體角， 通過計算每個立體角中的入射聲能以此得到整個空間上方向分布。相比較其它測 量方法，傳聲器陣列的優(yōu)勢在于能夠獲取更多的聲場信息，從而增加了測量的可 靠性，但由于整個測試系統(tǒng)過于龐大，不方便于現(xiàn)場測量，因此該測試方法很難 得到普及。 1 2 本文研究內容 通過上節(jié)敘述，我們可以發(fā)現(xiàn)雖然評價廳堂音質的客觀參量還沒有得到完全 的統(tǒng)一，各參量之間的相互關系和獨立性還有待于進一步的研究，但研究的方向 已從傳統(tǒng)的時間一能量分析，發(fā)展到對時間一能量一方向分布特性的分析研究， 從而對測量技術也提出了更好的要求。本文的目的就是建立適合于實際房間測量 的反射聲時間一能量一方向分布特性測試系統(tǒng)，既能測量l f 等客觀參量，用于 廳堂音質評價；又能得到反射聲的時間一能量一方向分布，為空間感的研究提供 幫助。本文的研究內容主要有以下幾點： ( 1 ) 、建立適合于實際房間測量的脈沖響應函數(shù)測試系統(tǒng)，為本文所提出的各測 量方法提供實驗基礎。其中包括實驗裝置的選擇與調試，測試程序的編寫等。 ( 2 ) 、利用雙傳聲器模擬”8 ”字形指向性傳聲器，并在其基礎上測量側向反射因子 ( l f ) ，用于廳堂音質的評價。所做的工作包括該方法的理論推導、分析影響測量 誤差的因素、選擇合適的測試參量等。 ( 3 ) 、通過不在同一平面上的四個傳聲器，對接收到的脈沖響應進行時差分析， 得到房間中早期反射聲方向分布。其中采用互相關理論計算反射聲到達各接受點 的時差，本文將對這一方法的理論推導和可靠性進行詳細的分析，并在此基礎上 4 第一章引言 建立基于時差法的早期反射聲方向分布測試系統(tǒng)。 ( 4 ) 、通過不在同一平面上的四個傳聲器測量三維聲強矢量，并以此得到房間內 早期反射聲方向分布。本文將對測得的聲強矢量與反射聲實際入射方向之間的關 系進行詳細的討論，并在此基礎上建立基于三維聲強法的早期反射聲方向分布測 試系統(tǒng)。 第二章測量原理 第2 章測量原理 由于廳堂中聲場的復雜性，早期的測量方法很難得到準確的結果，因此給室 內聲學的研究帶來很大不便。s h r o e d e r 【4 j 于1 9 6 5 年提出了通過對廳堂中測到的 脈沖響應進行倒積分得到混響時間的方法，其克服了傳統(tǒng)測量方法的諸多不足， 比如容易受噪聲干擾、多次測量結果不穩(wěn)定等。由于該方法極大提高混響時間測 量的精度和效率，直至目前仍被廣泛采用。不僅如此，隨著室內聲學研究的發(fā)展， 反映廳堂音質的客觀參量不斷被提出，然而測量這些客觀參量最方便、有效的方 法還是通過脈沖響應函數(shù)，其已成為室內聲學測量中獲取聲場信息的最基本手 段。 本章首先介紹了脈沖響應函數(shù)的測量原理，在此基礎上建立了廳堂脈沖響應 函數(shù)測試系統(tǒng)。并介紹了通過接收到的脈沖響應進行空間感分析的一些基本方 法，其中包括如何測量側向反射因子( l f ) 以及反射聲方向分布，并把這些方法作 為以下各章內容的基礎。 2 1 脈沖響應函數(shù)的測量 早期測量脈沖響應通常使用電火花等作為激勵信號，此時傳聲器接收到的聲 壓信號即可認為是脈沖響應函數(shù)，不需要再進行信號處理。該方法對設備要求簡 單，測量過程也十分簡便，但受客觀條件所限，不能保證每次發(fā)出的電火花具有 相同的頻率響應，從而使測量的可重復性不高。 隨著數(shù)字信號測量系統(tǒng)的發(fā)展和普及，基于互相關理論的脈沖響應函數(shù)測量 法，由于其可重復性高、受噪聲影響小，所得結果更加穩(wěn)定和準確，因此已成為 測量廳堂中脈沖響應函數(shù)的主要方法。 2 1 1 測量原理1 4 l 在線性時不變系統(tǒng)中，輸入信號x ( t ) ，輸出信號y ( t ) 以及系統(tǒng)響應g ( t ) 之 間存在以下關系： y ( t ) = x ( t ) 幸g ( t ) 其中木f | 弋表卷積運算，因此上式可表示為： y ( t ) = ，x ( t - 下) g ( t 燦 6 2 1 1 2 1 2 第二二章測量原理 此時把輸入信號x ( t ) 與輸出信號y ( t ) 進行互相關，得到： r 科( f ) = ，x ( t ) y ( t + r ) 甜 2 1 3 由2 1 2 、2 1 3 得到： r 科( t ) = j x ( t ) 【f x ( t + 【一t ) g ( t ) ( h 】d 。 = j 【j x ( t ) x ( t + t 一t ) d z 】g o m 2 1 4 上式中f x ( t ) x ( t + , c - , 0 d t 為x ( t ) 的自相關函數(shù)r 。( t 。一下) ，因此可表示為： r 叫( r ) = f r 聰( t 一t ) g ( 百) d t = r 。( f ) 水g ( r ) 根據(jù)原理：g ( t ) = 6 ( t ) 唪g ( t ) 2 1 5 2 1 6 即任何信號與單位沖擊函數(shù)6 ( t ) 的卷積仍為原信號，因此當r 。( t ) = a ( t ) 時 得到： r 。( t ) = g ( t ) 2 1 7 此時輸入信號x ( t ) 與輸出信號y ( t ) 之間的互相關函數(shù)即為所在系統(tǒng)的響應 g ( t ) 。在聲學測量中，輸入信號x ( t ) 為揚聲器所發(fā)出的激勵信號，y ( t ) 為在某 一點接收到的聲壓信號，因此可以得出以下結論：只要測量時的激勵信號其自相 關函數(shù)為單位沖擊函數(shù)6 ( t ) ，使激勵信號與接收到的聲壓信號在整個時域上作 互相關運算，即能得到測試房間的脈沖響應函數(shù)。 2 1 2 聲源信號的選擇 根據(jù)上節(jié)所述原理，互相關法測脈沖響應函數(shù)的前提是激勵信號的自相關函 數(shù)必須為單位沖擊函數(shù)，然而實際情況下激勵信號的自相關函數(shù)只能近似為單位 沖擊函數(shù)。滿足上述要求的激勵信號包括白噪聲、m l s ( 最大偽隨機噪聲) 、掃頻 信號等，在這些信號中掃頻信號的自相關函數(shù)更接近于單位沖擊函數(shù)，因此所得 的脈沖響應函數(shù)的信噪比較高。本文即采用線性掃頻信號作為聲源，并通過與接 收到的聲壓信號進行互相關得到脈沖響應函數(shù)。以下對影響測量結果信噪比的因 素進行分析。 對于不同頻率的正弦或余弦信號，存在以下關系： 7 第二章測量原理 。 i c of l = f 2 r w d 2 1 s i n ( 2 t f f , 8 i n 2 7 【f 2 一下) 】d t 2 1 0 f 1 f 2 2 j 8 l 由上式可以推測到，掃頻信號的自相關函數(shù)為近似單位沖擊函數(shù)，因此滿足 互相關法測量的前提條件；對于兩個時問長度相同的掃頻信號，頻帶更寬者其自 相關函數(shù)更接近單位沖擊函數(shù)，所得結果的信噪比也較高；如果測量時噪聲與聲 源信號具有共同的頻率成分，將降低所得脈沖響應函數(shù)的信噪比。 2 1 3 脈沖響應函數(shù)測試系統(tǒng) 本文根據(jù)相關法原理，建立了廳堂脈沖響應測試系統(tǒng)( 圖2 。1 ) 。測量時首先 由p c 生成聲源信號，d a 轉換后經功放放大，并通過揚聲器發(fā)出；同時傳聲器 開始接收測點處的聲壓信息，經a f d 轉換后與聲源信號作互相關運算，所得結 果即為脈沖響應函數(shù)。 圖2 1 脈沖響應函數(shù)測試系統(tǒng) 整個測試系統(tǒng)由以下三部分組成： ( 1 ) 、基于l a b v i e w 編寫的脈沖響應測試系統(tǒng)程序 其主要作用包括生成聲源信號、對聲源信號和接收到的聲壓信號進行互相關 計算等。圖2 2 為所編寫的脈沖響應測試系統(tǒng)程序前面板。該程序提供了四種聲 源信號，包括線性掃頻、對數(shù)掃頻、白噪聲以及m l s ，并可自由選擇其長度及 頻率范圍以滿足不同的測量需求。 ( 2 ) 、n i 公司p c i - 6 2 5 1 數(shù)據(jù)采集卡 用于對信號進行a d 、d a 轉換，當數(shù)據(jù)精度為1 6 b i t 時采樣率最高可達 1 2 5 m s ，并可同時進行1 6 通道的數(shù)據(jù)采集。 8 第二章澍量原理 ( 3 ) 、聲噩信號的輸出與接收裝置 包括功放、揚聲器、 i 2 英寸電容傳聲器等。 圖23 為使用該測試系統(tǒng)測到的一個脈沖響應函數(shù)，由圖所示其信噪比較 高，完全能夠滿足本文所需的測量要求。 圖2 2 脈沖響應函數(shù)測試系統(tǒng)程序 圖23 脈沖響應函數(shù) 2 2 反射聲方向分布的基本測量方法 本節(jié)的內容是關于如何利用接收到的脈沖響應分析反射聲方向信息包括側 向反射因子( l f ) 的測量以及反射聲方向分布的計算。本節(jié)介紹了一些基本的測量 方法，作為以下各章內容的基礎。 2 21 測量反映空間癌的音質參量 第二章測量原理 反映空間感的客觀參量主要為側向反射因子( l f ) 和雙耳相關系數(shù)( i a c c ) 。其 中i a c c 通過對兩個全指向性傳聲器接收到的脈沖響應進行相關計算即能得到； 而l f 的測量有所不同，需要借助”8 ”字形指向性傳聲器，并有多種實現(xiàn)方式，本 節(jié)將對此進行介紹。 自b a r t o n l 2 】提出側向反射因子( l f ) 的概念以來，l f 一直被作為反映空間感 的主要客觀參量。l f 的定義為： l f 8 。：面i p l ( t ) d t 2 2 1 l p 2 ( t ) d t 其物理意義表示為早期側向反射聲能與早期總聲能的比值，上式分子部分代 表早期側向反射聲能，測量時通過”8 ”字形指向性傳聲器接收到的脈沖響應得到； 分母部分代表前8 0 m s 入射的總聲能，由一全指向性傳聲器測量得到。該測量方 法由j o r d a n 7 】最早提出，目前已作為l f 測量的基本方法。該方法的基本思想是 通過傳聲器固有的指向性對入射聲能進行計權，以反映入射聲的方向性。 ( a ) l 瑚 i i e i 姍 側 孽o 3 0 0 1 0 i ，0 0 ( b ) 卜一 o 舯om，010 0 ，l s 時間( s ) ( c ) 圖2 4 合成前后的脈沖響應 ( a ) 、脈沖響應p 1 ( t ) ；( b ) 、脈沖響應p 2 ( t ) ：( c ) 、合成后脈沖響應( p 1 ( t ) 一p 2 ( t ) ) 2 1 0 第二章測量原理 為了使測量更為方便和普及，k l e i n e r 9 】提出運用兩個間距很小的全指向性 傳聲器可代替”8 ”字形指向性傳聲器，并用其進行l(wèi) f 和l f c 的測量。倪其育1 2 7 】 也采用類似的干涉理論測量縮尺模型中的l f 。 以上事實說明通過兩個全指向性傳聲器也能得到含有反射聲方向信息的聲 壓信號。如圖2 4 所示，p 1 ( t ) 、p 2 ( t ) 相減后形成的脈沖響應其形狀與p 1 ( t ) 、 p 2 ( t ) 相差很大，造成這一現(xiàn)象的原因是合成后各反射聲的幅值隨其入射方向發(fā) 生變化，從而使新的脈沖響應包含了反射聲方向信息。本文在此基礎上提出了一 種由兩個全指向性傳聲器模擬”8 ”字形指向性的新方法，其理論推導及誤差分析 詳見第三章。 2 2 2 反射聲方向分布的測量 近二十年來，人們提出了多種不同的反射聲方向分布測量方法，其中時差法 和三維聲強法是兩個較為常用的測試理論，本節(jié)將對這兩個理論進行簡單的介 紹。 2 2 2 1 時差法測量早期反射聲方向分布 在反射聲為平面波的情況下，時域分析是計算其入射方向的最直觀途徑。 y a m a s a k i 和i t o w 1 4 j 、s e k i g u e h i 1 5 1 等最早提出了通過時域分析得到入射聲方向信 息的測量方法。測量時四個傳聲器被放置于正四面體的四個頂點，通過反射聲到 達各頂點的時間即可知道其聲源( 虛聲源) 位置。 本文的測量目的是得到廳堂中的早期反射聲方向分布，而不是各反射聲的虛 聲源位置，因此測量時不必知道反射聲到達每一接收點的具體時間，只需知道其 經過不同接收點的時差。其基本思想如下： a t 圖2 5 反射聲時差分析示意圖 當一反射聲經過相距為d 的兩個傳聲器時，所得兩個脈沖響應如圖2 5 所示。 從圖中可以看到，該反射聲在這兩個脈沖響應中存在明顯的時差t 。在反射聲 第二章測量原理 為平面波的情況下，相應的聲程差為t c ，并且聲程差與傳聲器間距d 、入射方 向與傳聲器連線的夾角0 滿足余弦關系： c o s e ：坐2 2 。2 d 因此通過測量反射聲到達兩傳聲器的時差，即能求出其入射方向與傳聲器連 線的夾角?；谝陨蠒r差原理，本文提出了運用不在同一平面上的四個傳聲器測 量早期反射聲方向分布的方法，第四章將對該方法的理論推導和測量過程進行詳 細的介紹。 2 2 2 2 聲強法測量早期反射聲方向分布 上世紀九十年代初，g w 和a b d o u 【1 7 1 【1 8 1 【1 9 1 、o g u r o 【2 0 】等提出利用三維聲強 原理測量廳堂中反射聲方向分布，并建立了各自的實驗裝置用于實際廳堂的測 量。以下對三維聲強原理進行簡單的介紹： 聲強作為一個矢量，其物理意義為總入射聲能在某一方向上的分量，該方向 即為聲強測量時兩傳聲器的連線方向。因此只要知道某一反射聲在空間直角坐標 系中各坐標軸方向上的聲強分量i x 、i y 、i z ，即能通過下式得到該反射聲的具體 入射方向。 總聲強幅值：i = 、i 。+ i y 十i ： 2 2 3 反射方向與各坐標軸夾角：e ；= a r c c o s ( i i i )( i 表示其中一坐標軸) 2 2 4 圖2 6 反映了總聲強幅值與某一方向上聲強分量之間的關系。 根據(jù)三維