聲場的案例
王博聊聲學 | 聲場重構技術之二：高階Ambisonics
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 高階 Ambisonics (HOA) 全解析：比 WFS 更實用的三維聲場重構技術
HBK 剛性球形陣列：先進的解決方案
在 HBK，我們提供兩款專業級剛性球形陣列，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，適合大多數應用場景
50 通道剛性球形陣列：更高階數，更高空間分辨率，適合高精度科研與工業測量
圖2
大空間聲場采集：分布式測量方案
當需要測量高鐵車廂、飛機客艙、大型廳堂等較大空間的聲場時，單個球形陣列在一個位置無法獲得全局信息。這時可以采用分布式測量方案（如圖3）：
將單個球形陣列依次放置在不同位置測量
或使用多個球形陣列同時測量
最后將不同位置的局部展開系數統一變換到全局坐標系下
圖3
聲場展開系數的計算方法
除了標準的球面傅里葉變換法，實際應用中還有兩種更常用的計算方法：
最小二乘法：建立線性方程組求解，對傳聲器布置沒有嚴格要求，數量可減少，對測量本底噪聲更魯棒
壓縮感知 (CS) 法：利用聲場在某些基函數下的稀疏性，能夠獲得更高階的展開系數，同時顯著降低對傳聲器個數的要求，特別適合低頻聲場和少數聲源的場景
三、如何重構真實聲場？靈活適配任意揚聲器布局
高階 Ambisonics 顯著的優勢之一是：聲場采集與聲場重構完全獨立。這意味著，一旦獲得了高階聲場展開系數，就可以根據實際條件，靈活選擇任意揚聲器布置方案進行重放。
理想布置：球面均勻分布
理論上，將揚聲器均勻或近似均勻布置在一個球面上，聽音者位于球心，就能獲得完美的空間聲體驗。可以準確感知聲源的方位、距離和大小，體驗到極致的沉浸感和空間感。
展開 聲場重構技術詳解：如何用波場合成“再造”真實聽覺空間？
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 王博聊聲學 | 聲場重構技術之一：波場合成
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 
完美重建聲場，打造音樂會臨場感
4：聲場重建
在將一段錄音分離成它的組成音軌之后，下一步是將它們重新生成。這由一個聲場信號處理器完成。這個處理器執行復雜的計算功能，以生成驅動揚聲器的輸出信號并生成音頻。發生器的輸入包括單獨的音軌、揚聲器的物理位置、以及重建聲場中所需的聽者和聲源位置。聲場處理器的輸出是多聲道信號，每個聲道一個，用于驅動多個揚聲器。
該團隊于2020年為iPhone發布了第一個聲場應用程序。它允許聽眾實時配置、收聽和保存聲場音樂，處理過程不會造成明顯的時間延遲。這款名為3D Musica的應用程序可以將立體聲音樂從聽眾的個人音樂庫、云盤甚至流媒體音樂實時轉換為聲場音樂。
正如音頻從單聲道走向立體聲，又從立體聲走向環繞立體聲和空間立體聲一樣，它現在也開始走向“舞臺聲”。早期，發燒友通過保真度來評估一個聲音系統，包括帶寬、諧波失真、數據分辨率、響應時間、無損或有損數據壓縮以及其他與信號相關的因素等參數。現在，聲場可以作為聲音保真度的另一個維度。對人的耳朵來說，聲場扣人心弦的空間感和即時性遠比改進和聲失真要重要得多。
技術推動了音頻行業的前幾次革命，現在正在發起另一場革命。人工智能、虛擬現實和數字信號處理正在利用心理聲學給音頻愛好者提供他們從未有過的體驗。與此同時，這些技術為唱片公司和藝術家也提供了新的工具，為舊唱片注入新生命，為創作開辟新道路。終于，重建音樂廳聲音的百年目標真正實現了。
參考文獻：
Q. Li, Y. Ding and J.
展開 王博聊聲學 | 聲場重構技術之三：多通道均衡
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。
傳聲器：
4958型1/4英寸陣列傳聲器，專門用于各種聲陣列，在
很寬的溫度和濕度范圍
內都具有極佳的相位匹配特性和幅值線性特性。內置TEDS信息包含復傳函信息，能夠對每一只傳聲器進行修正，從而保證精確測量。頻率范圍：10-20kHz，動態范圍：28-140dB。
4954-A或B型1/4英寸自由場傳聲器，用于
自由場高頻高聲壓級測量，頻率上限高達100kHz，適合于陣列測量。
展開 耳朵的親密接觸——聲場與聲音的萬縷關系
一個怎樣的聲場才適合自己最切實的聽覺需求？聲場到底是怎樣影響聲音表達的呢？
在聽力學的應用中，不管是聽力檢測還是助聽評估，都需要在一個特定的環境中進行，才能獲得比較準確的結果，這就需要我們在測聽室中建立相對應的聲場環境。也就是說，要得到優質的聲音體驗，一個優秀的聲場設計必不可少。 簡單來說，媒質中有聲波存在的區域就是聲場。聲場可以有多種分類（自由場或擴散場），而現實中純粹的自由場或擴散場是不存在的，多是不同性質的聲場的組合。這就要給大家科普：近場與遠場、 自由場與消音室、混響場與混響室。
1. 近場與遠場
當聲源在自由空間輻射時，聲源附近的聲壓和質點速度不同相的區域，稱為近場。聲源最大尺寸的一倍距離或聲源發出的聲音一個波長以內的區域，均涵蓋在近場內。在近場中，由于聲源不同部分輻射的聲波到達接受點時其振幅和相位都不相同，因此聲波的干涉會比較復雜，導致在聲源附近出現了許多分布很密集的聲壓極大值和極小值。另外，在近場中聲音循環傳播，聲壓與距離二者之間沒有特定的關系。
當距離大于2倍聲源的尺寸或大于兩個波長時的位置，稱為遠場。越遠離聲源，聲源可近似看作點聲源，波陣面可近似看作平面波，此時距離與聲壓之間有特定的關系。
明確近場與遠場的概念十分重要。在實際測量中，近場會出現聲壓幅值起伏的特征（聲波干涉嚴重），所以通常測試在遠場進行。遠場測試的結果與實際的效果相同。
展開 聲場中的能量關系：聲能量密度、聲能流密度、聲強
三、聲強I（聲波強度acoustic intensity）
定義：聲場中某點的聲能流密度矢量模值的時間均值，為聲場該點的聲波強度。簡稱聲強。記作I。
也可表述為：聲場中某點的聲強是，單位時間內該點通過與聲傳播方向垂直的單位面積的聲能量的平均值。
（MKS）制中，基本單位：J/m2s=W/m2（瓦特/米2）
在諧和律變化的聲場中，聲波強度決定于聲壓和振速的振幅值和它們之間的相位差。
平面駐波場中，p和u相位差為π/2.
通過任意波面的聲波強度為零。但并不意味著聲場中沒有能量。
也可以用“聲強級”（SIL）表示聲波強度（聲強）的大小：
內容來源：公眾號海基科技 版權歸作者所有
展開 基于PERA SIM的機床主軸電機輻射聲場分析
同時，在相同的邊界和求解參數的條件下，與國外商用軟件LMS Virtual Lab計算結果對比，發現PERA SIM的聲壓分布、聲功率級大小基本保持一致，聲場面上的最大聲壓級結果較Virtual Lab高3dB左右，誤差在3%以內，能保證較高的計算精度。
汽車駕駛室結構-聲場耦合分析與降噪設計研究
汽車駕駛室結構-聲場耦合分析與降噪設計研究
汽車駕駛室結構-聲場耦合分析與降噪設計研究.part1.rar
汽車駕駛室結構-聲場耦合分析與降噪設計研究.part2.rar
直播預告 | 電聲系統的聲場及電子行業相關氣動噪聲仿真方案
</p><p><br></p><p class="ql-align-justify">本期海克斯康直播講堂請到了聲學仿真專家白玉儒，白玉儒老師將為我們帶來電聲系統的聲場及電子行業相關氣動噪聲仿真方案，詳細講解通過仿真方式進行電聲產品的建模和集成環境下的振動和聲場分析，也會涉及電子產品中的氣動噪聲問題例如耳機風噪、電子散熱風扇的內容，為進一步提升喇叭的輻射效率、降低產品共振風險、預測和優化產品的聲場提供數據化、可視化的依據。更多精彩盡在海克斯康直播講堂，敬請關注！</p><p class="ql-align-center"><strong>8月15日 14:00 </strong></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/RjvMLicLiaiaSW2SGibeOTlbmPDfpnoZHOibYN0fO5E5nZCAQL30gpnBMRtflzZeiaTvqZGFuV1CYHehyge0q6PzZl6Q/640?
展開 
為何選擇傳聲器時忽略聲場會產生誤差？會有多大？能補救嗎？
在選擇適合您的應用的傳聲器時，有一個關鍵因素是需要考慮
測量的聲場是在什么樣的環境下，是在自由場，還是在壓力場或是擴散場？這是很多人一開始會不注意的問題。
▼ ▼ ▼ 點擊下圖 ▼ ▼ ▼
回看相關網絡培訓并獲取課程資料
聲 場 的 類 型
如果聲波典型地從單一聲源發出后，在傳播過程中不會遇到周圍的反射物，或者在被全部吸收以后不會再有反射波進入傳聲器，這時會優先選擇用
自由場傳聲器。
如果在一個密閉的腔體，比如校準器里或者硬表面附近，比如手機附近，此時我們會優先選擇用
壓力場傳聲器。
而如果要在混響室中測聲功率，或者測某一材料的吸聲系數，這時候我們會優先選擇用
擴散場傳聲器。
誤 差 的 產 生
如果在選擇傳聲器時完全忽略聲場因素，可能會發生一些誤差。
這是一個1/4英寸傳聲器的例子，這個傳聲器本身是壓力場傳聲器，這意味著它的頻響是對壓力場進行了優化，在壓力場中，它的頻響是平直的，而把它放在自由場里使用的時候，由于未考慮傳聲器在聲場中引起的反射因素，所以在高頻的時候會有一些聲壓的增加。
展開 聲場網格劃分原則 ￥0.2
聲場網格的劃分除了需要遵循常規的網格劃分原則外，也同時有一些特殊的要求。
關于網格劃分的一般注意事項，可以參考之前那篇談論網格的文章。
網格劃分技巧
一般來說，描述一個完整的正弦波而不造成明顯的失真，需要在一個周期內取10-12個點。見下圖。 轉換成聲場仿真的說法就是：希望求解的最高頻率對應的波長需要10-12個節點 。
聲濾波器（二）聲場輻射，你可以增加了一個旁路的赫姆霍茲共鳴腔
之前談到了一種聲場輻射的濾波器。
聲濾波器（一）如何形成360°的全方位聲場覆蓋
今天再介紹另一種思路。 其理論思路和上一種是一樣的。都是增加了一個旁路的赫姆霍茲共鳴腔。 對消除前腔的諧振或者振膜分割振動都是有效的。
以下是Bose公司提出的一個專利。是用到號角類壓縮高音上的。
原音箱模型：
下圖中在高音的折環部分增加了一個腔體。部件216是聲阻部件。聲阻可以由抵抗空氣流材料，比如屏障類或泡沫類材料構成。部件214是附加的腔體，其尺寸根據需要修正的頻率點來決定。
諧振拐點公式：
其中R是聲阻值，V是腔體容積
下面是Bose公司做的一些實驗數據：
固定腔體容積，改變屏障聲阻：
固定屏障聲阻，改變腔體容積：
可以很明顯看出，部件216的聲阻值變化對輻射的頻率響應影響很大
也可以采用無源輻射器
等效電路示意
實驗數據
還有其他多種形式：
展開 聲濾波器（一）如何形成360°的全方位聲場覆蓋
目前，很音箱多產品希望形成360°的全方位聲場覆蓋，使得每個方向聽到的聲音是一致的。下面是其中一種方案。在揚聲器振膜前增加一個相位塞，引導聲音從側面發出。
但這種結構在相位塞和振膜之間的空腔會聲模態共振，從而在最終的頻響曲線上造成峰谷。
其中一種思路是在相位塞中挖一個空腔，空腔內部可以填充吸音阻尼材料，并同時在空腔上增加穿孔蓋板。
這種方式相當于增加了一個旁路的赫姆霍茲共鳴腔，等效于一個濾波器。
在南大《聲學基礎》的5.3.2章節有簡單的理論推導。
很容易可以想到，諧振腔體的口徑，深度，內部阻尼材料的特性，穿孔蓋板的開孔比例，孔大小，蓋板的深度等都會對頻響曲線產生較大影響。
要想仿真出上述參數對最終頻響曲線的影響，可以采用集中參數等效電路的方式，或者有限元的方式進行。
有感興趣或者有需求的可以自行嘗試。
下圖是仿真對比不同諧振腔體的口徑對頻響曲線的影響。藍色是無諧振腔體曲線，其余三條分別對應不同口徑的頻響曲線。
實測驗證聲濾波器效果的對比。下圖中黑色曲線是未加聲濾波器前的曲線，紅色是填充低密度玻纖，藍色是填充高密度玻纖。
手機側出音揚聲器其實也可以考慮參考這種思路，以消除空腔造成的聲模態形成的頻響曲線的峰谷。當然同時要考慮結構上尺寸是否允許。
展開 