聲場重構
關注創建者：HBK聲學與振動 創建時間：2021-08-11
聲場重構的實例教程
大家好，今天想和大家聊一下一個在聲學界受到越來越多關注的話題：聲場重構。
大家都知道，在聲學領域，如何還原真實的聲場景日益引起學術界和工業界的廣泛關注。從物理實現的角度，利用揚聲器陣列在特定環境中呈現真實的聲場分布，使人們仿佛身臨其境，感受真實的聲效和聲音品質，這稱為聲場重構。它在現實生活中具有重要的應用價值。
為讓大家對這個主題有更多了解，我們計劃推出一系列微信文章（此處應有掌聲），為大家介紹聲場重構相關技術及其應用場景。
今天先為大家介紹系列中的第一個主題——聲場重構技術之一：波場合成。
聲場重構技術之一：波場合成
波場合成（Wave Field Synthesis, WFS）是一種利用揚聲器陣列進行空間聲場重構的技術，它可以在聽音室內一個廣泛的區域準確重構聲場的物理特性，例如，利用一個揚聲器線陣列重構多個聲源產生的聲場（圖1）。不同于傳統5.1或7.1聲道僅在聲場中心“皇帝位”再現真實聲場，WFS能夠在較大的區域再現真實聲場，當人們移動到不同位置時，可以感受到現場不同位置的真實感覺。
圖1
理論基礎
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Kirchhoff-Helmholtz積分方程，曲面S包圍的內部聲場可以由表面聲壓和法向質點振速共同作用得到，如果在表面S上連續分布一系列單極子和偶極子聲源，其聲源強度正比于對應的表面聲壓及法向質點振速，即可重構曲面S的內部聲場，見式（1）。
展開 今天先為大家介紹系列中的第一個主題——
聲場重構技術之一：波場合成。
聲場重構技術之一：波場合成
波場合成
（Wave Field Synthesis, WFS）是一種利用揚聲器陣列進行空間聲場重構的技術，它可以在聽音室內一個廣泛的區域
準確重構聲場的物理特性
，例如，利用一個揚聲器線陣列重構多個聲源產生的聲場（圖1）。不同于傳統5.1或7.1聲道僅在聲場中心“皇帝位”再現真實聲場，WFS能夠
在較大的區域再現真實聲場
，當人們移動到不同位置時，可以感受到現場不同位置的真實感覺。
圖1
1
理 論 基 礎
1988年荷蘭Delft University of Technology的A. J. Berkhout教授提出了WFS的理論框架。
展開 相信大家還記得，WFS 雖然能實現高質量聲場重構，但需要幾百通道的揚聲器陣列，堪稱聲學領域的 "土豪級" 系統。
那么，有沒有更加經濟實用、部署更靈活的三維聲場重構方案呢？
今天，我們就來系統介紹另一種主流的聲場重構技術 ——高階 Ambisonics (HOA)。從基本原理、采集方法、重構技術到工業與商業應用，一文講透這項正在改變聲學體驗的核心技術。
一、什么是 Ambisonics？從一階到高階的進化
Ambisonics 是由牛津大學 Michael Gerzon 在 1970 年代開創的三維空間聲場重構技術。它的核心思想是：將聽音者置于一個虛擬 360° 球面的中心，完整記錄并重現來自球面各個方向的聲音，而非傳統立體聲僅有的前方兩個聲道，從而帶來更加可信、沉浸式的空間聽覺體驗。
一階 Ambisonics (FOA)：基礎版 3D 聲
最初，Gerzon 等人利用無指向性和 8 字形傳聲器，采集聲場的零階和 3 個正交方向的一階信息，得到 4 路信號 (W, X, Y, Z)，也就是我們常說的B-format 格式。這種系統被稱為一階 Ambisonics (FOA)，目前已廣泛應用于 VR 游戲、360° 視頻等消費級場景。
然而，從準確重構物理聲場的角度看，一階 Ambisonics 存在明顯局限：
只能在聽音區中心極小范圍內準確重構聲場
空間分辨率低，聲源定位精度差
高頻重構能力不足
高階 Ambisonics (HOA)：基于球諧函數的突破
為了解決這些問題，Jér?me Daniel 等人發展了高階 Ambisonics (HOA) 技術。
展開 為了追求高質量的聲場重構，拓展上限頻率范圍，往往需要幾百通道的揚聲器陣列，可謂是“土豪”級的系統。
那么有沒有更加實用的聲場重構系統呢？
今天我將介紹另一種聲場重構技術：高階Ambisonics（Higher Order Ambisonics，HOA）。
什么是Ambisonics？
Ambisonics是由牛津大學Michael Gerzon在1970年代發展起來的三維空間聲場重構技術。想象一下，我們位于一個360°球面的中心，雙耳接收到來自球面各個方向上的聲音。如果我們記錄的空間聲場能夠以這種方式傳輸到雙耳內，而不僅僅只是前方的兩個喇叭，那么會給我們帶來更加可信、浸入式的體驗，這樣的系統就是Ambisonics。
最初，Gerzon等利用無指向性和8字形傳聲器采集聲場的零階和3個正交方向的一階信息，得到4路信號（即W, X, Y, Z，稱為B-format），然后用揚聲器重放出來，這樣的系統稱為一階Ambisonics（First Order Ambisonics），現廣泛應用于VR游戲、360°視頻等。
但是，從準確重構物理聲場的角度，一階Ambisonics只能重構很小區域內的空間聲場，空間分辨率也比較低。Jér?me Daniel等發展了高階Ambisonics，基于空間聲場的球諧函數分解，利用一組聲場展開系數向量表示空間聲場信息。這類似于一個函數的泰勒展開，或者周期函數的傅里葉級數。展開系數的階數越高，其空間分辨率越高。聲場的頻率越高，也需要更高階的展開系數來表示。由于該展開系數是僅與頻率有關，而與空間位置無關的一組向量，因此由它表示空間聲場具有簡潔、計算方便等優點。
展開 有時，重構系統和環境的聲學傳遞特性會發生變化，如溫度和濕度的改變、系統電聲特性的變化、受到外界干擾等，導致矩陣G發生變化，這時需要自適應閉環控制，保證系統的
實時性和穩定性。
圖2
如何求解揚聲器的輸入信號？
通常，傳聲器的數目大于揚聲器的數目，此時線性方程組是超定的，這樣在最小二乘意義下令重構均方誤差最小，求解方程組。由于測量過程不可避免地存在測量噪聲，矩陣求逆時對噪聲非常敏感，微小的噪聲就會被嚴重放大。對于這種不適定問題，通常用截斷奇異值或者Tikhonov正則化方法處理，為了確保數值穩定會過濾掉很多小的奇異值，這樣會丟失很多細節信息，這于聲場重構是不利的。另外，這種求解方法在重構點位置處取得很好的重構效果，但在重構點之間的區域，效果難以保證。
近年來，隨著
壓縮感知（Compressive Sensing）技術在聲源識別和聲場重構中的成功應用，利用聲場的稀疏性，通過較少的空間采樣就有可能
高精度地重構聲場。這對實際工程應用非常有幫助。這時傳聲器數目小于揚聲器數目，方程組是欠定的。可以利用凸優化方法，對方程組解向量施加L1范數最小化約束求解。也可以利用迭代方法，計算速度更快。
怎樣保證聲場重構的精度？
由以上可知，聲場采集的精度非常關鍵，垃圾輸入必然導致系統不穩定，降低聲場重構精度。在HBK，我們提供多種高精度的傳聲器、聲陣列和數據采集系統，確保數據采集的精度。
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相信大家還記得，WFS 雖然能實現高質量聲場重構，但需要幾百通道的揚聲器陣列，堪稱聲學領域的 "土豪級" 系統。
那么，有沒有更加經濟實用、部署更靈活的三維聲場重構方案呢？
今天，我們就來系統介紹另一種主流的聲場重構技術 ——高階 Ambisonics (HOA)。從基本原理、采集方法、重構技術到工業與商業應用，一文講透這項正在改變聲學體驗的核心技術。
聲場重構技術之一：波場合成
波場合成（Wave Field Synthesis, WFS）是一種利用揚聲器陣列進行空間聲場重構的技術，它可以在聽音室內一個廣泛的區域準確重構聲場的物理特性，例如，利用一個揚聲器線陣列重構多個聲源產生的聲場（圖1）。
對于揚聲器陣列或者耳機重放的空間音頻，不同的聲場重構算法和信號處理也會造成明顯的主觀感知差異。MUSHRA能夠準確反映出人的主觀聽覺并給出可靠的結果，是項目中常用的評價方法。
什么是參考？
MUSHRA使用原始的全頻帶且未經處理的信號作為參考。例如在AR/VR場景的主觀音質評價，可使用人頭軀干模擬器HATS的雙耳錄音作為參考。
MIMO激振器模態試驗、GVT純模態試驗、OMA工作模態、階次模態、應變模態、非線性模態分析
剛體特性測試（質量、質心位置、轉動慣量分析提取）
振動控制及數據同步跟蹤記錄
試驗和仿真的相關性分析，靈敏度分析，模型修正
高聲強混響室閉環控制和行波管窄帶譜閉環控制
自由場聲場重構及聲激勵試驗
：波場合成
◆ 王博聊聲學 | 聲場重構技術：高階Ambisonics
◆ 王博聊聲學 | 聲場重構技術：多通道均衡
◆ 王博聊聲學 | HBK噪聲源識別系統發展史
◆ 褚教授課程筆記 | 結構動力學簡介
◆ 褚教授課程筆記 | 工作變形分析
在實驗室的飛機艙室模型內，他們用安裝在內飾板上的36個作動器、4個激振器激勵地板、1個低音揚聲器重構聲場。其中地板激振器和低音揚聲器用于低頻聲場重構，內飾板地作動器用于中高頻聲場重構。
如何重構真實聲場？
高階Ambisonics的一個顯著特點是聲場采集和聲場重構是完全獨立的，在獲得高階聲場展開系數后，接下來要做的就是：1）選擇合適的揚聲器布置；2）把高階聲場展開系數轉變為揚聲器信號重放出去。
聲場重構技術之一：波場合成
波場合成
（Wave Field Synthesis, WFS）是一種利用揚聲器陣列進行空間聲場重構的技術，它可以在聽音室內一個廣泛的區域
準確重構聲場的物理特性
，例如，利用一個揚聲器線陣列重構多個聲源產生的聲場（圖1）。
汽車高速運動產生的噪聲輻射的研究是一項國家自然科學基金項目，在國內率先利用聲全息方法分析汽車的運動噪聲，建立了運動汽車聲源模型和虛擬匯聚聲源的聲場重構理論，解決了分析這類聲場的理論問題，又設計制造了國內第一臺運動聲全息現場分析設備用于實測分析，有關的"運動聲源分析方法"已申請國家發明專利。此外，還解決了中華牌轎車、北京吉普車、揚州亞星客車等整車的降噪問題。
