车载沉浸式音效

车载沉浸式音效

2019年，Recording Academy将年度格莱美奖中的“环绕声”类别更改为“沉浸式音频”类别，在外界看来，这种变化似乎只是品牌效应，但事实并非如此。沉浸式音频是一种新的多维音频叙事方法，空间音频是对沉浸式音频的一种更加科学的表达方式，相比于传统的立体声和环绕声，它可以更真实地代表人类在自然环境中感知声音的方式，让听众身临其境。随着科技的发展，用户开始在汽车的基础功能之外追求娱乐功能体验，内饰和可选装备变得越来越重要，包括音响系统，而封闭的汽车座舱正是打造沉浸式声音体验的天然声场。

那么什么是沉浸式音频呢？我们首先需要理解声道的概念，声道是指声音在录制/播放时，在不同空间位置采集/回放的相互独立的音频信号。初期音响设备只有一个声道，单声道音乐听起来单薄乏味、没有空间感，这种感觉也被称为“钥匙孔效应”。为了突破局限，立体声技术结合人耳声学原理，使用双声道提供空间信息，声音的真实感明显提升。而环绕声使用了多达七个声道营造空间感，用户熟悉的5.1声道正是以听众为中心，在中置、左前、右前、左环绕、右环绕位置安置扬声器，并以1个重低音扬声器辅助，但听起来仍然不够真实。沉浸式音频通过增加上层声道来完善对声音上下移动效果以及声音的高度感的描述，让声音的空间感、运动感更加鲜明，它主要采用Object-Based和Channel-Based的混合处理方式，消除了声音重放时对声道的限制，听众不再仅从左右或前后感受声音，乐器、回声、虫鸣等声源可以“放置”在3D空间中的任何地方，听众仿佛置身其中。

沉浸声的音效让人向往，但在实际应用时，汽车座舱具有复杂的声学特性，为了在车内实现更好的沉浸式声音体验，在设计过程中，通常要考虑以下问题：

1、车内空间如何集成扬声器

汽车内部存在其他大量机械电子元件，没有足够的空间放置大尺寸的扬声器，这限制了扬声器的频率和动态范围。汽车正面、侧帘、头枕后都安装有安全气囊，只有少量位置适合安装扬声器，它们通常靠近乘客头部位置，但这里难以实现良好的音频效果。

目前有两种解决方案：顶部3D扬声器，头枕扬声器组。

车顶3D扬声器的优势在于它能从高到低创造良好的空间感，乘客能更明显地感受到沉浸式音频。但它一般用于中高档汽车上，成本较高。

头枕扬声器更适合在小型车上使用，它能为不同座位的乘客提供个性化的听觉体验，同时可以集成主动降噪、个人电话等功能。相比3D扬声器，头枕扬声器需要通过调音算法来增强音频的3D效果，这可以说是空间音频的一种低成本解决方案。

2、为车内不同位置的乘客提供相同的体验

如果扬声器普遍设置在车辆前方，则会出现前排乘客听感舒适，而后排乘客则会感到被声音过度环绕。就好像前排乘客坐在音乐会舞台中央，而后排乘客坐在远离舞台好几排的位置一样，前后排距离导致声音的延迟造成了不同位置乘客听感不同。

通常音频厂商们会在后排天花板上安装两个3D扬声器，这样它们中部的扬声器组成了一个环绕声空间，使得前后排乘客有着相同的沉浸声体验。

扬声器之间的相对位置也需要经过声学仿真设计，尽量做到同质化，不能出现某个扬声器声音过于突出的情况，否则驾驶员容易将注意力分散到那个突出声源上，干扰驾驶。

3、减少扬声器之间的互相干扰

由于汽车座舱空间狭小，扬声器无法像家庭影院中那样被放置在最佳位置，因此，扬声器之间会相互干扰，导致失真、清晰度降低。扬声器越多，干扰越大。此外，汽车座舱还具有众多反射面，当多个扬声器在工作时，直达声、反射声的干扰也非常严重，这将导致声音浑浊、轰鸣，很难辨别声音的位置。

Dirac的解决方案是采用其已获专利的多输入/多输出（MIMO）混合相位脉冲响应校准技术，加强不同信号的正向叠加、减少互相干扰，让声音更真实、自然。

沉浸式车载音频的关键技术主要包括中央声像优化（center image optimization）和MIMO声场控制技术。

中央声像优化

当相同的声音以相同的强度同时到达双耳时，它似乎来自两个扬声器中心的一个点。音类似地，如果声音先于另一只耳朵到达，音量的差异将导致声音似乎来自较大的一侧。这个现象在心理声学中被称为幻象中心（phantom center）。基于这个现象，音频厂商们通常在车辆前后排中间增加一个扬声器，这样能补偿两侧扬声器到双耳的相位差，中央扬声器的加入使得两侧乘客都能有良好的沉浸式体验

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MIMO声场控制技术

车内声场控制的关键部分是通过滤波器组对车内扬声器进行调谐，一般使用基于多扬声器—多聆听位置测量（MIMO）的声音系统动态模型进行声场控制。

从多个扬声器到多个收听位置的多输入多输出 (MIMO) 传递函数可以由滤波器组联合进行预补偿。在这样的联合设计中，可以使来自不同扬声器的信号在低频的收听位置处相加。与单独补偿每个扬声器相比，一组扬声器的联合优化导致更明显的低音性能、更好的补偿鲁棒性以及更好以更好地控制不同聆听位置的声压。

MIMO设计还可以将立体声或5.1通道声源上混（upmix）至扬声器组，这适用于任意扬声器数量和位置。例如，对于每个通道，一个扬声器可以充当主扬声器，而所有其他扬声器则充当辅助扬声器。

图 多通道MIMO相位补偿系统

未来，高质量的车辆音响系统将变得比今天更加重要，特别是在自动驾驶方面。毕竟，在自动驾驶汽车中，驾驶员不再需要专注于道路状况。人们可以充分利用他们的空闲时间：听他们最喜欢的音乐，看一部令人兴奋的电影或享受电脑游戏，这将进一步推动对车载沉浸式音频的需求。也许随着车载沉浸式音频技术的发展，汽车还可以划分出所谓的听觉区，理想情况下，即使使用相同的扬声器系统，也可以在每个座位上播放不同的音频内容，而其他乘客无法听到。这不是传统意义上的3D音频，但同样令人兴奋。

沉浸式音频技术还可以为驾驶者的环保意识创造附加值，例如Continental和Sennheiser的无扬声器3D沉浸式音频系统，通过激发车内表面产生声音来实现出色的声学效果，与常规扬声器系统相比，这种音频解决方案的重量更轻，箱体体积大大减小，明显地节省了空间。

https://audioproducteducationinstitute.org/immersive-audio-in-automobiles-2/

https://vimeo.com/614531476

https://blog.csdn.net/vn9PLgZvnPs1522s82g/article/details/101441264

https://www.vrtonung.de/en/automotive-audio-3d/

https://www.techadvisor.com/article/744441/what-is-spatial-audio-a-guide-to-immersive-sound.html

https://audioxpress.com/article/automotive-audio-solutions-redefining-surround-sound-in-cars/

Johansson, Mathias, et al. "Sound field control using a limited number of loudspeakers." Audio Engineering Society Conference: 36th International Conference: Automotive Audio. Audio Engineering Society, 2009.

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作者：宋芳葶、黄君如