上期我們深入講解了波場(chǎng)合成技術(shù) (WFS) 及其在電影院、歌劇院、體育場(chǎng)館等娛樂(lè)場(chǎng)所的空間聲重放應(yīng)用。相信大家還記得，WFS 雖然能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量聲場(chǎng)重構(gòu)，但需要幾百通道的揚(yáng)聲器陣列，堪稱聲學(xué)領(lǐng)域的 "土豪級(jí)" 系統(tǒng)。

那么，有沒(méi)有更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用、部署更靈活的三維聲場(chǎng)重構(gòu)方案呢？

今天，我們就來(lái)系統(tǒng)介紹另一種主流的聲場(chǎng)重構(gòu)技術(shù) ——高階 Ambisonics (HOA)。從基本原理、采集方法、重構(gòu)技術(shù)到工業(yè)與商業(yè)應(yīng)用，一文講透這項(xiàng)正在改變聲學(xué)體驗(yàn)的核心技術(shù)。

一、什么是 Ambisonics？從一階到高階的進(jìn)化

Ambisonics 是由牛津大學(xué) Michael Gerzon 在 1970 年代開(kāi)創(chuàng)的三維空間聲場(chǎng)重構(gòu)技術(shù)。它的核心思想是：將聽(tīng)音者置于一個(gè)虛擬 360° 球面的中心，完整記錄并重現(xiàn)來(lái)自球面各個(gè)方向的聲音，而非傳統(tǒng)立體聲僅有的前方兩個(gè)聲道，從而帶來(lái)更加可信、沉浸式的空間聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。

一階 Ambisonics (FOA)：基礎(chǔ)版 3D 聲

最初，Gerzon 等人利用無(wú)指向性和 8 字形傳聲器，采集聲場(chǎng)的零階和 3 個(gè)正交方向的一階信息，得到 4 路信號(hào) (W, X, Y, Z)，也就是我們常說(shuō)的B-format 格式。這種系統(tǒng)被稱為一階 Ambisonics (FOA)，目前已廣泛應(yīng)用于 VR 游戲、360° 視頻等消費(fèi)級(jí)場(chǎng)景。

然而，從準(zhǔn)確重構(gòu)物理聲場(chǎng)的角度看，一階 Ambisonics 存在明顯局限：

• 只能在聽(tīng)音區(qū)中心極小范圍內(nèi)準(zhǔn)確重構(gòu)聲場(chǎng)
• 空間分辨率低，聲源定位精度差
• 高頻重構(gòu)能力不足

高階 Ambisonics (HOA)：基于球諧函數(shù)的突破

為了解決這些問(wèn)題，Jér?me Daniel 等人發(fā)展了高階 Ambisonics (HOA) 技術(shù)。它基于空間聲場(chǎng)的球諧函數(shù)分解，用一組聲場(chǎng)展開(kāi)系數(shù)向量來(lái)表示完整的空間聲場(chǎng)信息。

這個(gè)原理很好理解：就像函數(shù)可以用泰勒展開(kāi)逼近、周期函數(shù)可以用傅里葉級(jí)數(shù)表示一樣，任意空間聲場(chǎng)都可以分解為不同階數(shù)的球諧函數(shù)疊加。

• 階數(shù)越高，空間分辨率越高，準(zhǔn)確重構(gòu)的聽(tīng)音區(qū)域越大
• 頻率越高，需要更高階的展開(kāi)系數(shù)才能準(zhǔn)確表示

HOA 的核心優(yōu)勢(shì)在于：聲場(chǎng)展開(kāi)系數(shù)僅與頻率有關(guān)，與空間位置無(wú)關(guān)，因此表示方式簡(jiǎn)潔、計(jì)算效率極高，非常適合實(shí)時(shí)處理。

我們用一個(gè)直觀的例子來(lái)說(shuō)明（如圖1）：自由空間中傳播的 1kHz 平面波，在球坐標(biāo)系下進(jìn)行球諧函數(shù)分解。

• 當(dāng)使用 1 階展開(kāi)系數(shù) (N=1) 時(shí)，只能在球心極小區(qū)域準(zhǔn)確重構(gòu)平面波
• 隨著階數(shù)增大 (N=3, N=5...)，準(zhǔn)確重構(gòu)的區(qū)域 (黃色圓圈) 顯著擴(kuò)大

圖1

二、如何采集高階聲場(chǎng)信息？球形陣列全解析

要實(shí)現(xiàn)高階 Ambisonics，首先需要準(zhǔn)確采集三維空間聲場(chǎng)信息。球形傳聲器陣列是目前最理想、應(yīng)用最廣泛的采集方案。

球形陣列的四大核心優(yōu)勢(shì)

1. 全向三維采集：能夠有效捕捉來(lái)自 360° 所有方向的三維空間聲場(chǎng)信息，特別適合封閉空間測(cè)量
2. 信號(hào)處理高效：不同類型的球形陣列可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單
3. 無(wú)傳統(tǒng)陣列誤差：由于球面是閉合曲面，球面傅里葉變換不存在傳統(tǒng)陣列的有限孔徑誤差和窗效應(yīng)，也沒(méi)有卷繞誤差
4. 便攜易部署：球形陣列尺寸通常較小，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和移動(dòng)都非常方便

空心 vs 剛性球形陣列：誰(shuí)更勝一籌？

目前商業(yè)化的球形陣列主要分為兩類，性能差異顯著：

什么是球Bessel零點(diǎn)問(wèn)題？

這是針對(duì)空心球形陣列，其徑向函數(shù)的幅值在某些頻率處接近于零（即上圖中的谷值，上圖是半徑為0.2m的空心球形陣列的徑向函數(shù)），求逆后會(huì)出現(xiàn)極大值，從而導(dǎo)致陣列輸出不穩(wěn)定。

HBK 剛性球形陣列：先進(jìn)的解決方案

在 HBK，我們提供兩款專業(yè)級(jí)剛性球形陣列，直徑均為 19.5cm (接近人頭大小)，傳聲器近似均勻分布在球面上（如圖2）：

• 36 通道剛性球形陣列：平衡性能與成本，適合大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景
• 50 通道剛性球形陣列：更高階數(shù)，更高空間分辨率，適合高精度科研與工業(yè)測(cè)量

圖2

大空間聲場(chǎng)采集：分布式測(cè)量方案

當(dāng)需要測(cè)量高鐵車廂、飛機(jī)客艙、大型廳堂等較大空間的聲場(chǎng)時(shí)，單個(gè)球形陣列在一個(gè)位置無(wú)法獲得全局信息。這時(shí)可以采用分布式測(cè)量方案（如圖3）：

• 將單個(gè)球形陣列依次放置在不同位置測(cè)量
• 或使用多個(gè)球形陣列同時(shí)測(cè)量
• 最后將不同位置的局部展開(kāi)系數(shù)統(tǒng)一變換到全局坐標(biāo)系下

圖3

聲場(chǎng)展開(kāi)系數(shù)的計(jì)算方法

除了標(biāo)準(zhǔn)的球面傅里葉變換法，實(shí)際應(yīng)用中還有兩種更常用的計(jì)算方法：

1. 最小二乘法：建立線性方程組求解，對(duì)傳聲器布置沒(méi)有嚴(yán)格要求，數(shù)量可減少，對(duì)測(cè)量本底噪聲更魯棒
2. 壓縮感知 (CS) 法：利用聲場(chǎng)在某些基函數(shù)下的稀疏性，能夠獲得更高階的展開(kāi)系數(shù)，同時(shí)顯著降低對(duì)傳聲器個(gè)數(shù)的要求，特別適合低頻聲場(chǎng)和少數(shù)聲源的場(chǎng)景
3. 
   

三、如何重構(gòu)真實(shí)聲場(chǎng)？靈活適配任意揚(yáng)聲器布局

高階 Ambisonics 顯著的優(yōu)勢(shì)之一是：聲場(chǎng)采集與聲場(chǎng)重構(gòu)完全獨(dú)立。這意味著，一旦獲得了高階聲場(chǎng)展開(kāi)系數(shù)，就可以根據(jù)實(shí)際條件，靈活選擇任意揚(yáng)聲器布置方案進(jìn)行重放。

理想布置：球面均勻分布

理論上，將揚(yáng)聲器均勻或近似均勻布置在一個(gè)球面上，聽(tīng)音者位于球心，就能獲得完美的空間聲體驗(yàn)。可以準(zhǔn)確感知聲源的方位、距離和大小，體驗(yàn)到極致的沉浸感和空間感。

理想的布置方式是利用正多面體的頂點(diǎn)或面心：正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體和正二十面體，這些是空間中唯一能絕對(duì)均勻分布點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)。

實(shí)用布置：分層球面布置

如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整球面布置，常用的替代方案是分層球面布置：在不同緯度的水平面上布置多圈揚(yáng)聲器。

這種方法采用模態(tài)匹配法建立線性方程組，通過(guò)計(jì)算矩陣的偽逆得到揚(yáng)聲器信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中需要特別注意矩陣的條件數(shù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4

國(guó)際知名案例

丹麥DTU的Audio-Visual Immersion Lab (AVIL)就依照分層布置建立了一套聲場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng)，由球面上的64個(gè)揚(yáng)聲器、4個(gè)低音炮和一個(gè)頭顯（Head-mounted Display）組成。它的主要作用是在聽(tīng)音者的周圍重構(gòu)真實(shí)聲場(chǎng)，研究在復(fù)雜多變的環(huán)境下人耳的空間聽(tīng)覺(jué)特性。丹麥著名的助聽(tīng)器廠商GN也照此建立了一套小型聲場(chǎng)重構(gòu)系統(tǒng)，開(kāi)展更加真實(shí)、可控制和可重復(fù)的試驗(yàn)，從而幫助開(kāi)發(fā)更好、更智能的助聽(tīng)器。

通用方案：任意揚(yáng)聲器布置

高階 Ambisonics 還支持任意揚(yáng)聲器布置，包括標(biāo)準(zhǔn)的 5.1/7.1 環(huán)繞聲系統(tǒng)、甚至不規(guī)則布置。當(dāng)然，這也帶來(lái)了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，是目前聲學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

四、高階 Ambisonics 的核心應(yīng)用場(chǎng)景

憑借其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、部署靈活、計(jì)算高效的優(yōu)勢(shì)，高階 Ambisonics 正在商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

商業(yè)娛樂(lè)領(lǐng)域

• 電影院、歌劇院、體育場(chǎng)館的空間聲重放
• 虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、混合現(xiàn)實(shí) (MR) 的 3D 音頻
• 360° 視頻和全景聲內(nèi)容制作
• 家用音響、電腦、手機(jī)、TWS 耳機(jī)的空間音頻功能
• 雙耳聲重放：耳機(jī)、VR 頭顯等個(gè)人音頻設(shè)備的核心技術(shù)

工業(yè)與科研領(lǐng)域

• 助聽(tīng)器、人工耳蝸等助聽(tīng)設(shè)備的聲學(xué)研發(fā)與性能評(píng)估
• 訓(xùn)練模擬器、駕駛模擬器的真實(shí)聲場(chǎng)景模擬
• 飛機(jī)、高鐵、汽車等交通工具的艙內(nèi)降噪評(píng)估與聲品質(zhì)評(píng)價(jià)
• 建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)與室內(nèi)聲場(chǎng)可聽(tīng)化
• 空間聽(tīng)覺(jué)科學(xué)研究
• 聲源定位與噪聲源識(shí)別

結(jié)語(yǔ)

高階 Ambisonics 技術(shù)的出現(xiàn)，讓高質(zhì)量三維聲場(chǎng)重構(gòu)不再是 "土豪" 的專利。它以更經(jīng)濟(jì)的成本、更靈活的部署方式、更高效的計(jì)算性能，正在成為空間音頻領(lǐng)域的主流技術(shù)。

從消費(fèi)級(jí)的 VR 耳機(jī)到工業(yè)級(jí)的助聽(tīng)器研發(fā)，從汽車聲品質(zhì)評(píng)價(jià)到航空航天的艙內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)，HOA 的應(yīng)用邊界正在不斷拓展。未來(lái)，隨著 AI 技術(shù)與聲學(xué)的深度融合，我們相信高階 Ambisonics 將帶來(lái)更加震撼、更加真實(shí)的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。

如果您對(duì)高階 Ambisonics 技術(shù)、球形傳聲器陣列或空間聲場(chǎng)測(cè)量解決方案感興趣，歡迎與我們交流探討。HBK 作為全球聲學(xué)與振動(dòng)解決方案專家，將為您提供專業(yè)的技術(shù)支持和服務(wù)。

# 參 考 文 獻(xiàn)

1. 謝菠蓀，空間聲原理[M]，北京：科學(xué)出版社，2019

2. F. Zotter, M. Frank, Ambisonics[M], Springer, 2019

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