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最熟悉的陌生詞--BEQ

2020-10-17 15:58:39·  來源：海德聲科 HEAD acoustics  
　
我們在工作中利用人工頭測量系統(tǒng)進(jìn)行接收方向的特性測量時，經(jīng)常會用到BEQ，即Binaural Equalizer（雙耳均衡器）。大家對于這個詞很熟悉了。每一個HEAD人工頭對
最熟悉的陌生詞--BEQ
 
我們在工作中利用人工頭測量系統(tǒng)進(jìn)行接收方向的特性測量時，經(jīng)常會用到BEQ，即Binaural Equalizer（雙耳均衡器）。大家對于這個詞很熟悉了。每一個HEAD人工頭對應(yīng)一組均衡濾波，在硬件配置BEQ Filter時可以根據(jù)測試要求設(shè)置Lin (Bypass)、FF、FF (no Torso)、ID、DF中的一個?？僧?dāng)談起為什么要加BEQ，這幾種濾波參數(shù)有什么區(qū)別時，往往這個詞又顯得比較的陌生。今天，我們就從聽覺生理到聽覺心理，再到人工頭測量系統(tǒng)層面來聊聊這個我們最熟悉的陌生詞 — BEQ。
 
 
最熟悉的陌生詞--BEQ1

人的聽覺生理系統(tǒng)

人耳的生理構(gòu)造包含外耳、中耳和內(nèi)耳。外耳包括耳廓和耳道，負(fù)責(zé)收集聲波，放大聲音和判斷聲源方向等；中耳包括鼓膜、聽小骨和咽鼓管，負(fù)責(zé)聲壓波形的放大和阻抗匹配，一定程度上可在高聲強(qiáng)下保護(hù)內(nèi)耳；內(nèi)耳包括前庭器和耳蝸，是能量轉(zhuǎn)換器，具有很強(qiáng)的信號處理能力。

 
耳廓負(fù)責(zé)聲音的聚集，作為一個反射面（鏡面）增強(qiáng)聲音中高頻部分的能量，衰減低頻聲。對于大于2kHz的聲音，耳廓的增益隨著頻率的升高而增加。耳道對聲音起修飾放大的作用，其共振效應(yīng)會使3kHz左右的聲音產(chǎn)生增益，傳導(dǎo)到鼓膜的聲音與外界的聲音在功率譜和相位譜上具有很大的差異。鼓膜是理想的壓力接收器，空氣中聲波的微小振動便可引起鼓膜的相應(yīng)振動。

耳朵結(jié)構(gòu)功能類比圖

聽覺心理：雙耳聽覺

人耳對聲源的定位

通過雙耳聽覺系統(tǒng)，人們能夠利用聽覺器官判斷聲源的空間方位，即聽覺定位。通常用雙耳接收到的信號差異即雙耳效應(yīng)來決定聲源的水平位置，而由外耳等對高頻信號的反射所引起的耳廓效應(yīng)來決定聲源的垂直位置。

 
聲源位于水平面上并偏離頭部正中垂直面時，主要通過耳間差異來定位。此時信號到達(dá)聽者雙耳的時間存在微小差異，從而引起雙耳時間差 (ITD, Interaural Time Difference)。盡管此差異很?。?0µs到1ms）甚至根本意識不到，但是大腦可以理解這些差異并獲得方位信息。另一方面，人頭的遮蔽效應(yīng)引起耳間聲壓級的差異，即雙耳強(qiáng)度差 (IID, Interaural Intensity Difference)。比如，靠近右耳的聲源會在右耳產(chǎn)生比左耳更高的聲壓級，這是由于頭部阻礙了入射聲波的傳播。這些聲壓級差也被大腦理解并用于聲源定位。雙耳時間差和強(qiáng)度差是聲音頻率范圍內(nèi)聲源定位的主要因素。

然而，當(dāng)一個聲源沿著正中面移動時，并不會引起明顯的耳間差異。但是，大腦仍舊可以對聲源進(jìn)行定位。這一能力基于對聲音的方向相關(guān)濾波 (Direction-dependent filtering)，主要由耳廓結(jié)構(gòu)、頭部、肩部以及軀干所引起，到達(dá)人耳的信號頻譜所產(chǎn)生的特定失真也會根據(jù)方向不同而有所差異。大腦會理解這些特定的頻譜差異并將某種失真歸屬于某個方位。

聲場中方向相關(guān)和方向無關(guān)的變化

如上所述，要實現(xiàn)聲源定位，大腦不僅需要耳間差異信息，也需要聲信號的方向相關(guān)變化信息。這一變化由處于聲場中人的物理結(jié)構(gòu)（耳廓、頭部以及肩部）所引起。

除了方向相關(guān)變化外，由耳甲腔和耳道引起的變化則與聲源的方位無關(guān) (Direction-independent)。方向相關(guān)變化是基于衍射和反射，而方向無關(guān)變化則由共振所引起。

下圖則說明了聲信號的不同變化及各自的主要起因：

 
人工頭測量系統(tǒng)錄音與均衡

人工頭測量系統(tǒng)錄音

經(jīng)過上文的閱讀，我們了解到聽覺系統(tǒng)依據(jù)耳間差異及聲信號變化確定合理的聲源空間定位。那么，對于聲音錄制來講，只有保留了這些信息的錄音，才能夠在回放時重現(xiàn)聲源的空間方位。顯然，單一麥克風(fēng)錄音是無法做到的，而立體聲麥克風(fēng)錄音僅包含時間差和強(qiáng)度差信息，卻無法采集到了人頭遮蔽效應(yīng)的信息，只能進(jìn)行粗略的定位。因此，完全的聲場空間重現(xiàn)只能用人工頭錄音來實現(xiàn)。

HEAD acoustics GmbH從1982年發(fā)布HMS I 人工頭至今，歷經(jīng)38載，人工頭產(chǎn)品經(jīng)過了一代又一代的升級和完善。
 
人工頭錄音的均衡

人工頭錄音的回放系統(tǒng)應(yīng)保證聽音者的聽音感受如置身于原始聲環(huán)境中一般，如下圖所示。為滿足此要求，我們需要對錄音信號進(jìn)行均衡。

 
 
均衡接口

為了兼容傳統(tǒng)的測量技術(shù)（標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)錄音）方式來分析人工頭錄音信號，必須提供一個恰當(dāng)?shù)慕涌凇EAD acoustics將聽覺精確重現(xiàn)聲信號的總均衡Htotal分成了兩部分：錄音均衡Hrecord和回放均衡Hplayback。由此，在兩步之間建立了一個滿足上述需求的接口。在接口處，人工頭錄音信號僅經(jīng)過了錄音均衡Hrecord濾波，以使其與傳統(tǒng)的麥克風(fēng)錄音相當(dāng)。下圖展示了因分析目的而將均衡一分為二的示意圖：
 
三種錄音的均衡

為保證信號在接口點處與傳統(tǒng)麥克風(fēng)錄音相當(dāng)，不同的聲場采用不同的錄音均衡Hrecord。HEAD acoustics的人工頭測量系統(tǒng)提供以下三種錄音均衡：自由場 (FF, free field) 、擴(kuò)散場 (DF, diffuse field) 以及方向非相關(guān) (ID, Independent of direction)。

自由場和擴(kuò)散場都是規(guī)范化的聲場環(huán)境，在實際生活中并不太常見。ID均衡僅除去了傳輸函數(shù)中由共振引起的方向非相關(guān)的成分。而FF和DF均衡，同時也從信號中除去了方向相關(guān)的失真。FF和DF均衡是通過大量的測量確定的，而ID均衡則是基于數(shù)學(xué)計算得出的。HEAD acoustics已申請了ID均衡的專利。

下圖是確定自由場均衡測量的一個簡單示例：

 
下圖展示了三種均衡的頻率曲線：
 
用FF均衡，自由場中人工頭對前方聲源的錄音信號可以與相應(yīng)的傳統(tǒng)麥克風(fēng)錄音相當(dāng)。而DF均衡則可用于均衡人工頭在擴(kuò)散場中對四面八方入射聲的錄音。對于既非自由場又非擴(kuò)散場的聲場環(huán)境，應(yīng)采用ID均衡。如果誤用了均衡，則會與原始聲場條件相左，削弱拾音信號，造成分析錯誤。

至此，我們從聽覺生理到聽覺心理，再到人工頭測量系統(tǒng)逐層遞進(jìn)地了解了BEQ均衡濾波中FF、DF和ID的由來及其差別，也清楚了為什么要加BEQ。那么，您是不是對BEQ 這個詞及其內(nèi)涵有了更多的認(rèn)識，也更熟悉了呢。
 
 
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