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最熟悉的陌生词--BEQ
2020-10-17 15:58:39· 来源：海德声科 HEAD acoustics
我们在工作中利用人工头测量系统进行接收方向的特性测量时，经常会用到BEQ，即Binaural Equalizer（双耳均衡器）。大家对于这个词很熟悉了。每一个HEAD人工头对
我们在工作中利用人工头测量系统进行接收方向的特性测量时，经常会用到BEQ，即Binaural Equalizer（双耳均衡器）。大家对于这个词很熟悉了。每一个HEAD人工头对应一组均衡滤波，在硬件配置BEQ Filter时可以根据测试要求设置Lin (Bypass)、FF、FF (no Torso)、ID、DF中的一个。可当谈起为什么要加BEQ，这几种滤波参数有什么区别时，往往这个词又显得比较的陌生。今天，我们就从听觉生理到听觉心理，再到人工头测量系统层面来聊聊这个我们最熟悉的陌生词 — BEQ。
人的听觉生理系统
人耳的生理构造包含外耳、中耳和内耳。外耳包括耳廓和耳道，负责收集声波，放大声音和判断声源方向等；中耳包括鼓膜、听小骨和咽鼓管，负责声压波形的放大和阻抗匹配，一定程度上可在高声强下保护内耳；内耳包括前庭器和耳蜗，是能量转换器，具有很强的信号处理能力。
耳廓负责声音的聚集，作为一个反射面（镜面）增强声音中高频部分的能量，衰减低频声。对于大于2kHz的声音，耳廓的增益随着频率的升高而增加。耳道对声音起修饰放大的作用，其共振效应会使3kHz左右的声音产生增益，传导到鼓膜的声音与外界的声音在功率谱和相位谱上具有很大的差异。鼓膜是理想的压力接收器，空气中声波的微小振动便可引起鼓膜的相应振动。
耳朵结构功能类比图
听觉心理：双耳听觉
人耳对声源的定位
通过双耳听觉系统，人们能够利用听觉器官判断声源的空间方位，即听觉定位。通常用双耳接收到的信号差异即双耳效应来决定声源的水平位置，而由外耳等对高频信号的反射所引起的耳廓效应来决定声源的垂直位置。
声源位于水平面上并偏离头部正中垂直面时，主要通过耳间差异来定位。此时信号到达听者双耳的时间存在微小差异，从而引起双耳时间差 (ITD, Interaural Time Difference)。尽管此差异很小（20µs到1ms）甚至根本意识不到，但是大脑可以理解这些差异并获得方位信息。另一方面，人头的遮蔽效应引起耳间声压级的差异，即双耳强度差 (IID, Interaural Intensity Difference)。比如，靠近右耳的声源会在右耳产生比左耳更高的声压级，这是由于头部阻碍了入射声波的传播。这些声压级差也被大脑理解并用于声源定位。双耳时间差和强度差是声音频率范围内声源定位的主要因素。
然而，当一个声源沿着正中面移动时，并不会引起明显的耳间差异。但是，大脑仍旧可以对声源进行定位。这一能力基于对声音的方向相关滤波 (Direction-dependent filtering)，主要由耳廓结构、头部、肩部以及躯干所引起，到达人耳的信号频谱所产生的特定失真也会根据方向不同而有所差异。大脑会理解这些特定的频谱差异并将某种失真归属于某个方位。
声场中方向相关和方向无关的变化
如上所述，要实现声源定位，大脑不仅需要耳间差异信息，也需要声信号的方向相关变化信息。这一变化由处于声场中人的物理结构（耳廓、头部以及肩部）所引起。
除了方向相关变化外，由耳甲腔和耳道引起的变化则与声源的方位无关 (Direction-independent)。方向相关变化是基于衍射和反射，而方向无关变化则由共振所引起。
下图则说明了声信号的不同变化及各自的主要起因：
人工头测量系统录音与均衡
人工头测量系统录音
经过上文的阅读，我们了解到听觉系统依据耳间差异及声信号变化确定合理的声源空间定位。那么，对于声音录制来讲，只有保留了这些信息的录音，才能够在回放时重现声源的空间方位。显然，单一麦克风录音是无法做到的，而立体声麦克风录音仅包含时间差和强度差信息，却无法采集到了人头遮蔽效应的信息，只能进行粗略的定位。因此，完全的声场空间重现只能用人工头录音来实现。
HEAD acoustics GmbH从1982年发布HMS I 人工头至今，历经38载，人工头产品经过了一代又一代的升级和完善。
人工头录音的均衡
人工头录音的回放系统应保证听音者的听音感受如置身于原始声环境中一般，如下图所示。为满足此要求，我们需要对录音信号进行均衡。
均衡接口
为了兼容传统的测量技术（标准麦克风录音）方式来分析人工头录音信号，必须提供一个恰当的接口。HEAD acoustics将听觉精确重现声信号的总均衡Htotal分成了两部分：录音均衡Hrecord和回放均衡Hplayback。由此，在两步之间建立了一个满足上述需求的接口。在接口处，人工头录音信号仅经过了录音均衡Hrecord滤波，以使其与传统的麦克风录音相当。下图展示了因分析目的而将均衡一分为二的示意图：
三种录音的均衡
为保证信号在接口点处与传统麦克风录音相当，不同的声场采用不同的录音均衡Hrecord。HEAD acoustics的人工头测量系统提供以下三种录音均衡：自由场 (FF, free field) 、扩散场 (DF, diffuse field) 以及方向非相关 (ID, Independent of direction)。
自由场和扩散场都是规范化的声场环境，在实际生活中并不太常见。ID均衡仅除去了传输函数中由共振引起的方向非相关的成分。而FF和DF均衡，同时也从信号中除去了方向相关的失真。FF和DF均衡是通过大量的测量确定的，而ID均衡则是基于数学计算得出的。HEAD acoustics已申请了ID均衡的专利。
下图是确定自由场均衡测量的一个简单示例：
下图展示了三种均衡的频率曲线：
用FF均衡，自由场中人工头对前方声源的录音信号可以与相应的传统麦克风录音相当。而DF均衡则可用于均衡人工头在扩散场中对四面八方入射声的录音。对于既非自由场又非扩散场的声场环境，应采用ID均衡。如果误用了均衡，则会与原始声场条件相左，削弱拾音信号，造成分析错误。
至此，我们从听觉生理到听觉心理，再到人工头测量系统逐层递进地了解了BEQ均衡滤波中FF、DF和ID的由来及其差别，也清楚了为什么要加BEQ。那么，您是不是对BEQ 这个词及其内涵有了更多的认识，也更熟悉了呢。
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