声场重构技术及其典型应用

在声学领域，如何还原真实的声场景日益引起学术界和工业界的广泛关注。从物理实现的角度，利用扬声器阵列在特定环境中呈现真实的声场分布，使人们仿佛身临其境，感受真实的声效和声音品质，这称为声场重构。近年来，从影视、音乐、手机、耳机、智能家居等娱乐与消费领域，到飞机、高铁、汽车和船舶等工业领域，都涌现出不同的应用需求。此篇文章将为大家介绍声场重构的相关技术及其应用场景。

声场重构技术之一：波场合成

1988年荷兰Delft University of Technology的A. J. Berkhout教授提出了波场合成（Wave Field Synthesis, WFS）理论。根据Kirchhoff-Helmholtz积分方程，曲面S包围的内部声场可以由表面声压和法向质点振速共同作用得到，如果在表面S上连续分布一系列单极子和偶极子声源，其声源强度正比于对应的表面声压及法向质点振速，即可重构曲面S的内部声场。从实现的角度，早期的WFS理论做了一定的简化处理，局限于二维平面区域的声场重构，使用直线形扬声器阵列。2008年，德国Sascha Spors教授重新梳理了WFS理论框架，统一了适用于三维空间和二维平面的WFS理论公式，扬声器阵列不再局限于直线形。

图1 波场合成的基本原理 - Kirchhoff-Helmholtz积分方程

具体实现时，通常利用传声器阵列采集声场信息，而扬声器阵列的布置大多采用二维的直线、圆形或矩形等形状。由于WFS的基本假设是自由场环境，房间壁面的声反射会降低声音品质和声音的空间感，所以需要房间补偿以消除听音室产生的影响。另外，扬声器的实际布置是离散的，这会导致空间混叠，造成重构声源位置的不准确和声染色。

实际应用

1993年荷兰Delft University of Technology建立了第一个基于WFS的实验室，并应用于学校的礼堂。随后WFS技术广泛应用于电影院、礼堂、音乐厅等场所。2001年欧盟成立了“CARROUSO”项目，将WFS格式标准化。最近，美国Rensselaer Polytechnic Institute搭建了便携式模块化的WFS系统，总共558个扬声器，其间距缩短至5.8 - 2.9cm，获得了更高的空间混叠频率和更真实的音效。

在商业领域，德国IOSONO（现在是Barco Audio Technologies）和Sonics Emotion提供基于WFS的3D音频系统的产品及服务。除了大型公共场所，小型WFS系统的应用越来越受到关注，包括虚拟现实、3D游戏和视频会议等。

在HBK，我们推出了8601-U型SimSound系统，它是一套多通道的声场重构系统，可配置为不同的扬声器配置，例如n.1通道系统和WFS系统，连接到NVH驾驶模拟器，能够重放高品质真实声场景，从而获得对虚拟环境的真实感受。

图2 VI-Grade NVH模拟器

声场重构技术之二：高阶Ambisonics

什么是Ambisonics？

Ambisonics是由牛津大学Michael Gerzon在1970年代发展起来的三维空间声场重构技术。想象一下，我们位于一个360°球面的中心，双耳接收到来自球面各个方向上的声音。如果我们记录的空间声场能够以这种方式传输到双耳内，而不仅仅只是前方的两个喇叭，那么会给我们带来更加可信、浸入式的体验，这样的系统就是Ambisonics。

最初，Gerzon等利用无指向性和8字形传声器采集声场的零阶和3个正交方向的一阶信息，得到4路信号（即W, X, Y, Z，称为B-format），然后用扬声器重放出来，这样的系统称为一阶Ambisonics（First Order Ambisonics），现广泛应用于VR游戏、360°视频等。

但是，从准确重构物理声场的角度，一阶Ambisonics只能重构很小区域内的空间声场，空间分辨率也比较低。Jérôme Daniel等发展了高阶Ambisonics，基于空间声场的球谐函数分解，利用一组声场展开系数向量表示空间声场信息。这类似于一个函数的泰勒展开，或者周期函数的傅里叶级数。展开系数的阶数越高，其空间分辨率越高。声场的频率越高，也需要更高阶的展开系数来表示。由于该展开系数是仅与频率有关，而与空间位置无关的一组向量，因此由它表示空间声场具有简洁、计算方便等优点。

如何采集高阶声场信息？

球形阵列是最理想的采集方式。在HBK，我们提供两款刚性球形阵列，直径都为19.5cm，接近于人头的大小，球面传声器分别为36个和50个，近似均匀分布在球面上。

图3 HBK球形阵列

有时我们感兴趣的空间范围较大，比如高铁的一节车厢、飞机舱室内，或者较大的厅堂，球形阵列在一个位置上并不能获得整体的声场信息。这时，我们可以用分布式测量，将不同位置获得的局部展开系数变换到全局坐标系下。

图4 多个球形阵列同时采集声场信息

如何重构真实声场？

想象一下，如果把扬声器布满整个球面，而我们位于球面的中心处，那么我们就可以听到来自四面八方的声音，不仅可以准确感知声源的方位、距离和大小，还可以体验到更加真实的沉浸感和空间感。实际中，为了达到最高效的布置，可以将扬声器均匀或近似均匀布置在球面上。

如果条件不允许这么布置怎么办？我们可以综合考虑重构声场的稳定性、准确性和房间实际情况，灵活布置扬声器，比如，在球面不同纬度分层布置。丹麦DTU的Audio-Visual Immersion Lab (AVIL)就依照分层布置建立了一套声场重构系统，由球面上的64个扬声器、4个低音炮和一个头显（Head-mounted Display）组成。它的主要作用是在听音者的周围重构真实声场，研究在复杂多变的环境下人耳的空间听觉特性。丹麦著名的助听器厂商GN也照此建立了一套小型声场重构系统，开展更加真实、可控制和可重复的试验，从而帮助开发更好、更智能的助听器。

有哪些应用场景？

在商业领域，最常见的应用场景有娱乐场所的空间声重放、VR/AR、360°视频和全景声等。随着消费电子产品的快速发展，家用音响、电脑、手机、TWS耳机等娱乐通讯设备都有可能是潜在的应用场景。

在工业领域，高阶Ambisonics可用于助听器、人工耳蜗等的声学研发与性能评估，训练模拟器、驾驶模拟器等的真实声场景模拟，飞机、高铁等舱内的降噪评估与声品质评价，室内声场的可听化等。

声场重构技术之三：多通道均衡

什么是多通道均衡?

还是同样的声场重构问题，但这次，我们希望采集声场的传声器阵列可以是任意分布的，重构的扬声器也是任意分布的，可以吗？

从数学的角度，我们已知理想的重构信号P，对于给定的房间和扬声器分布，如果获得扬声器到重构区域的声学传递函数G，那么可以建立线性方程组GS=P，在最小二乘意义下求解扬声器的输入信号S，使得重构声场与原始声场能够很好地吻合，这样就达到了真实再现声场的目的。由于求解方程组时要对矩阵G求逆，因此很多文献也称之为求解声学逆问题，或者称为声压匹配法。

从另一个角度，求解矩阵G的伪逆也可以理解为对声学传递特性做均衡，使得均衡后的整个重构系统是平直且解耦的。并且，为了保证系统的因果性，还要做适当的延迟。这样，空间采样信号经过一个平直且解耦的系统E后，还能呈现出原来的样子，因此被称为多通道均衡方法。

图5 多通道均衡

通常，传声器的数目大于扬声器的数目，在最小二乘意义下令重构均方误差最小，求解超定方程组。由于测量过程不可避免地存在测量噪声，矩阵求逆时对噪声非常敏感，微小的噪声就会被严重放大，从而造成系统不稳定和重构精度下降。

怎样保证声场重构的精度？

由此可见，声场采集的精度非常重要，垃圾输入必然导致重构系统不稳定。在HBK，我们提供多种高精度的传声器、声阵列和数据采集系统，确保数据采集的精度。

传声器：

• 4958型1/4英寸阵列传声器，专门用于各种声阵列，在很宽的温度和湿度范围内都具有极佳的相位匹配特性和幅值线性特性。

• 4954-A或B型1/4英寸自由场传声器，用于自由场高频高声压级测量，频率上限高达100kHz，适合于阵列测量。

• 4988-A型1/4英寸压力场传声器，可用于靠近坚硬的反射壁面、小的封闭腔体，具有极佳的相位响应，传声器之间的频响偏差非常小，特别适合于主动噪声控制。

LAN-XI数据采集系统：

• 单一量程的动态范围高达160dB；

• 极低的本底噪声；

• 系统布置灵活，即可单模块使用，又可级联组成多模块系统；

图6 HBK传声器与数据采集模块

应用案例

用于智能家居语音识别与唤醒率测试的背景噪声回放

智能家电、车载语音等各种人机交互系统越来越多的出现在我们的生活中，背景噪声会严重影响语音交互的准确率，因此在真实背景噪声环境下进行智能产品的语音测试就非常重要。为此，我们依据欧洲电信标准ETSI ES 202 396-1，推出了一套4.1声道背景噪声回放和交互式智能语音测试与评价系统，能够在实验室条件下准确模拟不同背景噪声环境，例如办公室、咖啡厅、家庭和车内环境等，完成语音识别与唤醒率的测试与评价。

图7 背景噪声回放系统

用于移动终端通话质量评估的背景噪声回放

对于新一代移动终端，如多麦克风的蓝牙耳机、免提电话等，真实噪声环境下的语音传输质量是一个非常重要的参数。欧洲电信标准协会发布了ETSI TS 103 224标准，采用基于最小二乘的多通道均衡方法，在房间内布置8个扬声器回放人头与躯干模拟器（Head and Torso Simulator, HATS）的耳朵和嘴周围8个位置处的背景噪声。

HBK总部专家Wookeun Song博士等从幅值重构精度和主观感知角度，对比了高阶Ambisonics（HOA）、ETSI TS 103 224和ETSI EG202 396-1的重构效果。感兴趣的读者可直接从B&K官网下载论文，见参考文献10。

飞机舱内声场重构

加拿大学者Gauthier,P. A. 和Berry,A等利用基于伪逆和Tikhonov正则化最小二乘方法的多通道均衡技术，重构飞机实际飞行时的舱内噪声。他们用80通道的均匀阵列放置于座位上与人耳齐平的水平面上，记录庞巴迪CRJ 900实际飞行时的舱内噪声。在实验室的飞机舱室模型内，用安装在内饰板上的36个作动器、4个激振器激励地板、1个低音扬声器重构声场。其中地板激振器和低音扬声器用于低频声场重构，内饰板地作动器用于中高频声场重构，最终在整个音频范围内取得良好的效果。

结尾

当前，声场重构仍属于前沿技术和研究热点。在工业界，我们看到不断出现新的需求。例如，智能声学座舱，在车内的主驾、副驾和后排分别形成不同的声场环境，将相互干扰降至最低，这称为多区域声场重构。在飞机或高铁行业，如果能够在实验室搭建声场重构系统，利用扬声器阵列模拟外表面的湍流边界层激励以及舱内声场，复现真实的运行环境，这样将极大降低试验成本，提高研发和测试效率。

HBK作为行业领导者，总部的技术专家在此方面做出了卓越的贡献。HBK大中华区也充分发挥本地强大的技术力量，密切关注新技术和新应用，与合作伙伴紧密协作，积极应对新挑战，以更好地为中国用户服务。

参 考 文 献

1. Berkhout A J, Vries D D, Vogel P. Acousticcontrol by wave field synthesis. J. Acoust. Soc. Am., 1993, 93(5): 2764-2778.

2. Spors S, Rabenstein R, Ahrens J. The theory ofwave field synthesis revisited. 124th AES Convention, 2008.

3. 谢菠荪，空间声原理，北京：科学出版社，2019.

4. F. Zotter, M. Frank, Ambisonics, Springer, 2019.

5. Yan Wang, Kean Chen. Translations of spherical harmonics expansion coefficients for a sound field using plane wave expansions. J. Acoust. Soc. Am., 2018, 143(6): 3474-3478.

6. Yan Wang, Kean Chen. Sound field reconstruction within an entire cavity by plane waves expansions using a spherical microphone array. J. Acoust. Soc. Am., 2017, 142(4): 1858-1870.

7. P. A. Gauthier, C. Camier, F. A. Lebel, Y. pasco, A. Berry, Experiments of multichannel least-square methods for sound field reproduction inside aircraft mock-up: Objective evaluations, 2016, 376, 194-216.

8. ETSI ES 202 396-1 Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); Speech quality performance in the presence of background noise; Part 1: Background noise simulation technique and background noise database.

9. ETSI TS 103 224 Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); A sound field reproduction method for terminal testing including a background noise database.

10. https://www.bksv.com/media/doc/bn1685.pdf, Simulation of realistic background noise using multiple loudspeakers.

11. J. D. G. Corrales, W. Song, and E. MacDonald, Reproduction of Realistic Background Noise for Testing Telecommunications Devices, Paper 9303, 2015 May.

编辑：恽海艳 校对：向映姣

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