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基于改善时域有限差分边界的房间低频可听化实现

黄坤朋  
【摘要】:可听化技术(Auralization)能够虚拟人耳在实际环境中的听音感觉,人们通过高保真耳机或扬声器重放,就能置身于实际的听音环境中。可听化技术应用在建筑声学设计中,可以使设计者在建筑建成之前就可预先感受空间的听音效果,判断声学效果是否满足既定的设计目标,为声学设计提供重要的参考信息,基于此目的,本文研究了如何实现房间的可听化。 通过计算机模拟空间声场,获得空间的双耳脉冲响应是可听化技术的主要内容,因此本文通过建立基于波动声学理论的计算模型,求解空间声场并获得脉冲响应,实现了房间的低频可听化,其中的计算模型采用了时域有限差分(FDTD)算法。 准确边界模型的建立是FDTD计算模型准确与否的关键,本文对相关的边界模型进行了详细的探讨,包括理想的刚性边界、吸收边界,简化阻抗边界以及复阻抗边界,并且使用这些模型研究了声波与边界的作用,如洞口的声传输和声屏障衍射等。其中,对于常用的完全匹配层(PML)吸收边界,本文还通过数值试验的方法研究匹配层数目和匹配层衰减系数对PML吸收能力的影响。研究发现,PML边界层数越多吸收效果越好,但计算量增大;层数一定时,需要为各衰减层设置合适的衰减系数,以减少衰减系数差异带来的数值反射;本文提出了在FDTD中如何配置层数和衰减系数的可行方法,并使用在实际的声学模型中。 复阻抗边界综合考虑了边界对声波相位和幅度的影响,以及这种影响的频率因素。本文根据边界的物理声学模型,设计相应的无限长脉冲响应(IIR)数字滤波器,以在FDTD中实现复阻抗边界。本文还根据一个实际的房间建立了其复阻抗模型,采用高斯脉冲的激励声源,求得房间的声场,并通过建立高斯声源补偿滤波器求得脉冲响应,然后与实验测量数据进行对比,验证了FDTD复阻抗边界数字滤波器边界模型用于计算声场和脉冲响应的有效性,是房间可听化实现的前提。 最后,对FDTD计算模型的结果进行了可听化的实现和听音验证。通过使用一个定制的木质刚球人工头模型测得房间的双耳脉冲响应(BRIR),同时根据此实际房间建立了相应的FDTD计算模型,得到单通道和双通道的脉冲响应;然后使用噪声信号、语音信号和音乐信号,在听音室通过高保真耳机进行主观听音试验,验证了单通道RIR和双通道BRIR可听化计算模型用于语音信号和特定类型的音乐信号的有效性;同时通过白噪声的听音试验发现,在低频范围内(0-1 kHz),人头因素影响空间的可听化质量。 本文对PML匹配层数目和匹配层衰减系数如何影响PML吸收性能的研究,以及所提出的匹配层数和衰减系数在FDTD计算模型中的设置方法,对开窗房间的声场分析及其可听化研究具有实用价值。 文中FDTD数字滤波器描述的复阻抗边界在房间中的使用并实验验证,为基于波动理论的声场模拟中的边界模型提供了更为详细的物理描述。通过可听化听音试验,包括单通道的和双通道的听音对比,分析了所提出的FDTD计算模型在各个频带的可听化质量,验证了计算模型对语音和某些低频音乐信号的可听化实现,得到了人头因素在混响声场情况下会对听觉产生影响的初步结论,可预测在房间模型中加入人头因素将有助于进一步改善可听化质量。


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